岩质边坡可靠性的研究方法发展现状

蒋博闻

摘 要：文章针对求解难题和工程实际、引入新思想、地震荷载作用对岩质边坡可靠性分析的方法进行了综述。总结出，结合蒙特卡罗法和一次二阶矩法的的方法的优点是求解方便、精度高；引入新思路可避开对滑坡过程机制的完全认识与显式极限方程式的剪力，最后对岩质边坡可靠性研究方法提出展望。

关键词：岩质边坡；稳定性；可靠度

1 概述

边坡是人类工程活动最基本的的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。由于岩质边坡岩体结构复杂，断面、节理、裂隙互相切割，块体极不规则，因此岩坡稳定具有其独特的性质[1]。在岩土工程领域，很多专家学者都对岩质边坡的稳定性进行了研究。

由于岩土的复杂性，在边坡稳定性分析中所涉及的因素都是随机的，即使采用了大于一的稳定系数也不能认为边坡的稳定性是十分可靠的，還需进行概率分析。而岩质边坡一般较土质边坡高陡，失稳后产生的破坏力也更大。刘汉东结合国内外边坡和坝工方面的研究，通过工程类比法，给出岩质高边坡安全度（可靠度指标）标准建议值。祝玉学[2]出版了关于边坡工程可靠度研究的专著，为边坡可靠性研究提供了参考。将结构可靠度的概念引入边坡的稳定性研究，以概率统计理论为基础，从极限状态的角度，对边坡稳定性进行分析研究，是一种更为精确的研究方法。文章基于结构可靠度理论的一些概念，对岩质边坡的稳定研究方法进行总结。

2 可靠性研究方法

2.1 针对求解难题和工程实际可靠性研究方法

实际工程中，边坡的破坏具有渐进性[3]，同一时间滑动面上各点往往不是一起达到极限状态的。谭晓慧[4]分析了极限状态函数非线性和非连续性对边坡可靠度计算的影响，采用二阶可靠性方法对其进行分析，通过在验算点处用一个二次曲面来代替原极限状态曲面来求解，这在计算精度上比一次二阶矩法用一次曲面代替原极限状态曲面有很大提高。但这种方法在误差上还需要用蒙特卡罗法进行验证。

此外，传统的最危险滑移路径的搜索方法仅仅基于几何最短距离或以总抗滑储备（总抗滑力与总下滑力之差）最小为判据，几何距离最短或滑移路径总抗滑储备最小并不一定意味着该路径边坡安全系数最小，因此有必要对危险滑移路径的搜索算法进行改进。[5]李锋，孟广伟，周立明等[6]利用一次二阶矩法和随机有限元法计算出随机动载和静载单独作用下结构的可靠度，并求出其共同作用时的可靠度，为工程中复杂荷载作用的情况提出了估算方法。宋新龙，王宇，汪灿[7]就岩质边坡随机楔体滑动，运用蒙特卡罗法进行了可靠性分析，从岩质边坡的失效模式角度出发，为岩质边坡随机楔体稳定提供了一条新的思路。

2.2 引入新思想的可靠性研究方法

下面介绍两种为解决对岩体受力变形的认知不够完善这一缺点而引入岩质边坡可靠度研究的样本学习方法。

神经网络是20世纪80年代发展起来的人工智能的一个分支，现在应用最广泛的多层前馈神经网络模型（BP网），其输入输出成高度非线性映射。虎旭林，魏星，任克亮[8]采用BP网络，对岩质边坡可靠性进行了预测。在取得较高预测精度的同时避开了岩体变形破坏机制和最为重要的参数与滑坡过程的关系。贺子光，张玉娇，孟强[9]引入支持向量机和基因表达式编程，解决了由于岩体本身的节理，裂隙和不连续面导致的无法建立显式的极限状态方程的问题。和神经网络相比，支持向量机是基于统计学习理论的小样本学习方法，神经网络是基于大样本的学习方法，采用经验风险最小化原则。

在建立岩质边坡概率模型时，由于随机变量服从的分布方式与实际存在误差，计算结果在一定程度上存在精度不够的问题。从这一方面入手，研究者们引入了一些新的思想。曾晟，孙冰，杨仕教[10]利用ANFIS分析得到的参数，基于自适应神经模糊推理系统建立了岩体力学参数与边坡抗滑力和下滑力的映射模型，最终依靠MATLAB程序得出了精确的求解。于生飞，陈征宙，蒋鑫[11]等引入区间分析方法和非概率可靠性思想，建立了岩质边坡稳定的非概率可靠性模型，克服了概率模型在缺乏数据的情况下结果偏差较大的缺点。王宇，魏忠献，黎明[12]等运用统计矩估计法和模糊随机理论，利用模糊点估计法对可靠度指标进行求解，算例分析的结果更为精确可靠。

3 结论与展望

目前，可靠性理论在岩质边坡稳定性研究中已经得到了广泛应用。蒙特卡罗法与一次二阶矩法（包括中心点法和验算点法）可以通过分步分析，计算后验证等方法有机地结合起来，在避开复杂边界条件求解的基础上保重运算的精度和收敛性。在失效模式方面，使危险滑移路径的搜索和滑动面极限状态满足实际岩质边坡的破坏机制使可靠度的计算结果更有参考意义。引入新思想是可靠性研究的一大趋势。神经网络和支持向量机成功地将生物遗传学等领域的知识运用到了可靠性研究领域，在求解中避开了对滑坡过程机制的完全认知和显式极限状态方程的建立等难点，采用的样本学习方法为相关研究提供了新的思路。

引入新方法时，可以考虑不同思路的结合，和与传统方法相结合；其中动荷载作用下的可靠性研究一直是难点，有待数学上对这一问题的更精确刻画和物理学上对之破坏过程机理的更精确解释。研究方法应将理论推导、模型试验、数值模拟、工程实测相结合，其中工程实测有待更进一步的发展。

参考文献

[1]赵明阶.岩石力学[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]刘汉东.水电工程岩质高边坡安全度标准研究[J].华北水利水电学院学报，1999，19（1）：40-44.

[3]谭文辉，蔡美峰.边坡工程广义可靠性理论与实践[M].北京：科学出版社，2010.

[4]谭晓慧.岩质边坡稳定的可靠性分析[J].岩石力学与工程学报，2001，20（增1）：1042-1045.

[5]段建.岩质边坡稳定性分析及其危险滑移路径搜索研究[D].湖南：中南林学院，2005.

[6]李锋，孟广伟，周立明，等.复杂荷载作用下的结构可靠性研究[J].哈尔滨工业大学学报，2011，43（增1）：295-298.

[7]宋新龙，王宇，汪灿.岩质边坡随机楔体稳定性分析的Monte-Carlo模拟[J].安全与环境工程，2012，19（1）：112-116.

[8]虎旭林，魏星，任克亮.岩质边坡可靠性的神经网络估计[J].宁夏大学学报，2001，23（3）：290-292.

[9]贺子光，张玉娇，孟强.基于SVM-GEP岩质边坡可靠性分析[J].洛阳理工学院学报，2013，23（2）：24-29.

[10]曾晟，孙冰，杨仕教.基于ABAQUS-ANFIS-MCS的岩质边坡可靠性分析[J].岩土力学，2007，28（12）：2661-2665.

[11]于生飞，陈征宙，蒋鑫.基于区间方法的岩质边坡稳定性非概率可靠性分析[J].防震减灾工程学报，2012，32（2）：170-175.

[12]王宇，魏忠献，黎明.岩质边坡楔形体稳定模糊随机可靠性研究[J].地质科技情报，2012，31（4）：111-116.