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基于熵权-灰关联法的岩质开挖边坡安全评价模型

冯忠居 朱彦名 高雪池 龙厚胜 王富春 赵瑞欣 文军强 王桂君 王政斌

冯忠居, 朱彦名, 高雪池, 龙厚胜, 王富春, 赵瑞欣, 文军强, 王桂君, 王政斌. 基于熵权-灰关联法的岩质开挖边坡安全评价模型[J]. 交通运输工程学报, 2020, 20(2): 55-65. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.02.005
引用本文: 冯忠居, 朱彦名, 高雪池, 龙厚胜, 王富春, 赵瑞欣, 文军强, 王桂君, 王政斌. 基于熵权-灰关联法的岩质开挖边坡安全评价模型[J]. 交通运输工程学报, 2020, 20(2): 55-65. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.02.005
FENG Zhong-ju, ZHU Yan-ming, GAO Xue-chi, LONG Hou-sheng, WANG Fu-chun, ZHAO Rui-xin, WEN Jun-qiang, WANG Gui-jun, WANG Zheng-bin. Safety evaluation model of excavating rock slope based on entropy-grey correlation method[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2020, 20(2): 55-65. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.02.005
Citation: FENG Zhong-ju, ZHU Yan-ming, GAO Xue-chi, LONG Hou-sheng, WANG Fu-chun, ZHAO Rui-xin, WEN Jun-qiang, WANG Gui-jun, WANG Zheng-bin. Safety evaluation model of excavating rock slope based on entropy-grey correlation method[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2020, 20(2): 55-65. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.02.005

基于熵权-灰关联法的岩质开挖边坡安全评价模型

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.02.005
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2018YFC1504800

中央高校基本科研业务费专项资金项目 300102218115

详细信息
    作者简介:

    冯忠居(1965-), 男, 山西万荣人, 长安大学教授, 工学博士, 从事岩土工程研究

    通讯作者:

    朱彦名(1993-), 男, 吉林吉林人, 长安大学工学硕士研究生

  • 中图分类号: U416.14

Safety evaluation model of excavating rock slope based on entropy-grey correlation method

Funds: 

National Key Research and Development Program of China 2018YFC1504800

Special Foundation for Basic Scientific Research of Central Colleges of China 300102218115

More Information
    Author Bio:

    FENG Zhong-ju(1965-), male, professor, PhD, E-mail: ysf@gl.chd.edu.cn

    Corresponding author: FENG Zhong-ju(1965-), male, professor, PhD, E-mail: ysf@gl.chd.edu.cn
  • 摘要: 根据边坡稳定性评价体系, 选取边坡岩体质量评分、边坡开挖方法调整系数、高度修正系数、结构面调整系数、结构面调整值5个评价指标反映边坡的整体稳定性, 并作为安全评价模型的序列变量; 建立了熵权-灰关联安全评价模型, 将目标边坡作为系统特征序列, 12处岩质边坡作为相关因素序列, 评价了京沪高速改扩建工程沿线典型岩质边坡的安全性, 并提出工程建议; 采用FLAC3D仿真软件, 分析了不同阶段机械开挖和不同炮孔处静力爆破条件下边坡的稳定性变化规律, 以验证安全评价模型的准确性。分析结果表明: 边坡稳定性评价指标可较好地反映边坡的稳定性特征; 熵权-灰关联安全评价模型充分发挥了灰关联法在小样本数据分析的优点, 且由熵权法计算的指标权重改善了传统灰关联分析中由专家打分或平均赋权的缺陷, 使评价结果更加客观; 三级边坡和一级边坡的开挖使边坡K593+260~K593+555的安全系数分别降至1.01和1.00, 和上一级边坡相比降幅分别为34.8%、9.1%, 说明缓倾顺层岩质边坡的开挖会使岩层沿结构面滑动, 使边坡失稳; 瞬时动荷载和荷载积累效应控制静力爆破条件下边坡的稳定性, 瞬时动荷载的出现使边坡安全系数下降了7.7%, 荷载积累效应的消散使安全系数平均回升3.6%, 说明爆破对边坡的松动作用明显, 荷载积累的消散使边坡的稳定性提升。

     

  • 图  1  静力爆破施工流程

    Figure  1.  Construction process of static blasting

    图  2  开挖顺序

    Figure  2.  Excavation sequence

    图  3  边坡模型

    Figure  3.  Slope model

    图  4  目标边坡在不同施工阶段下的安全系数

    Figure  4.  Safety coefficients of target slopes in different construction stages

    图  5  计算模型

    Figure  5.  Calculation model

    图  6  爆破全过程安全系数曲线

    Figure  6.  Curve of safety coeffient in whole blasting process

    表  1  边坡岩体质量分类

    Table  1.   Classification of slope rock masses

    岩石单轴抗压强度 岩石质量指标 裂面间距 裂面特征 地下水
    取值/MPa 评分 取值/% 评分 取值/cm 评分 状态 评分 状态 评分
    < 25 0~2 < 25 0~5 < 6 < 5 软弱充填物厚度 > 5 mm或张开度 > 5 mm, 连续 < 8 涌水 0
    25~50 2~5 25~50 5~10 6~20 5~8 光滑或充填物厚度 < 5 mm或张开 8~15 渗水 0~5
    50~100 5~10 50~75 10~15 20~60 8~12 稍粗糙, 张开度 < 1 mm, 岩壁强风化 15~22 潮湿 5~8
    100~250 10~13 75~90 15~18 60~200 12~15 稍粗糙, 张开度 < 1 mm, 岩壁微风化 22~28 湿润 8~11
    > 250 13~15 90~100 18~20 > 200 15~20 很粗糙, 不连续, 未张开, 岩壁未风化 25~28 干燥 11~15
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    表  2  边坡结构面调整系数

    Table  2.   Structural surface adjustment coefficients of slope

    结构面类型 断层、夹泥层 层面、贯通裂隙 节理
    λ 1.0 0.8~0.9 0.7
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    表  3  结构面与边坡走向关系系数

    Table  3.   Relationship coefficients between structural surface and slope trend

    平面滑动破坏模式边坡倾角/(°): α1-α2 > 30 30~20 20~10 10~5 < 5
    倾倒破坏模式边坡倾角/(°): α1-α2-180° > 30 30~20 20~10 10~5 < 5
    F1取值 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00
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    表  4  破坏模式与结构面倾角关系系数

    Table  4.   Relationship coefficients between failure mode and structural surface inclination

    平面滑动破坏模式结构面倾角/(°): β1 > 30 30~20 20~10 10~5 < 5
    倾倒破坏模式结构面倾角/(°): β2 > 45 45~35 35~25 25~15 < 15
    F2取值 0.15 0.40 0.70 0.85 1.00
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    表  5  结构面倾角与边坡倾角关系系数

    Table  5.   Relationship coefficients between structural surface inclination and slope inclination

    平面滑动破坏模式结构面与边坡夹角/(°): β1-β2 > 10 10~0 0 0~-10 < -10
    倾倒破坏模式结构面与边坡夹角/(°): β1+β2 < 110 110~120 > 120 - -
    F3取值 0 6 25 50 60
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    表  6  边坡开挖方法调整系数

    Table  6.   Adjustment coefficients of slope excavation method

    开挖方法 欲裂爆破 静力爆破 机械开挖 欠缺爆破
    M 10 8 0 -8
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    表  7  系统特征序列

    Table  7.   System characteristic sequences

    序号 工程名称 结构面倾向 a λ R/100 F/60 M/20 稳定状态
    1 新滩滑坡 顺倾 0.74 1.00 0.38 0.21 0.75 失稳
    2 李家峡坝Ⅰ号滑坡 逆倾 0.71 1.00 0.42 0.13 0.75 失稳
    3 李家峡坝Ⅱ号滑坡 顺倾 0.73 1.00 0.35 0.02 0.50 失稳
    4 抚顺西露天矿人卷车边坡 顺倾 0.85 1.00 0.35 0.02 0.50 失稳
    5 公伯峡电站古奉群滑坡 逆倾 0.65 0.80 0.41 1.00 0.75 稳定
    6 天生桥二级电站后山边坡 逆倾 0.82 0.80 0.51 0.08 0.40 稳定
    7 天生桥水电站溢洪道边坡 顺倾 0.84 0.80 0.62 0.14 0.40 稳定
    8 小峡石坪台滑坡 顺倾 0.86 0.70 0.36 0.08 0.50 稳定
    9 积石峡4号滑坡 散体结构 0.67 0.70 0.50 0.21 0.75 稳定
    10 漫湾石料场边坡 块状结构 0.75 0.70 0.76 0.07 0.50 稳定
    11 三峡升船机及临时船闸边坡 顺倾 0.73 0.80 0.42 0.12 0.75 失稳
    12 白灰厂滑坡 顺倾 0.86 0.80 0.71 0.01 0.50 失稳
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    表  8  目标边坡参数

    Table  8.   Parameters of target slopes

    目标边坡桩号 地质情况 坡高/m 可能破坏模式 结构面 坡面
    倾向/(°) 倾角/(°) 倾向/(°) 倾角/(°)
    K498+870~K499+200 溶洞, 中、强风化石灰岩 38.0 倾倒滑动 240 70 49 53
    K503+585~K504+018 碎石, 中、强风化石灰岩 41.0 平面滑动 235 71 235 53
    K551+714~K552+115 残积土, 中、强风化石灰岩 39.7 倾倒破坏 0 53 30 45
    K565+914~K566+300 残积土, 中、强风化石灰岩 45.2 倾倒滑动 45 16 222 45
    K593+260~K593+555 残积土, 中、强风化石灰岩 40.7 平面滑动 76 10 239 45
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    表  9  目标边坡评价指标

    Table  9.   Evaluation indexes of target slopes

    目标边坡桩号 a λ R F M
    K498+870~K499+200 1.48 1.00 64.60 3.25 0
    K503+585~K504+018 1.41 0.85 58.50 2.76 0
    K551+714~K552+115 1.44 0.90 56.50 3.75 0
    K565+914~K566+300 1.33 0.80 51.80 1.25 0
    K593+260~K593+555 1.42 0.70 53.00 1.35 0
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    表  10  量纲为1的目标边坡评价指标

    Table  10.   Dimensionless evaluation indexes of target slopes

    目标边坡桩号 a λ R/100 F/60 M/20
    K498+870~K499+200 1.48 1.00 0.65 0.05 0
    K503+585~K504+018 1.41 0.85 0.59 0.05 0
    K551+714~K552+115 1.44 0.90 0.57 0.06 0
    K565+914~K566+300 1.33 0.80 0.52 0.02 0
    K593+260~K593+555 1.42 0.70 0.53 0.02 0
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    表  11  岩质边坡相关因素序列

    Table  11.   Correlation factor sequences of rock slopes

    序号 工程名称 γ0i(1) γ0i(2) γ0i(3) γ0i(4) γ0i(5)
    1 新滩滑坡 0.84 1.00 0.48 0.70 0.33
    2 李家峡坝Ⅰ号滑坡 0.81 0.87 0.56 0.86 0.41
    3 李家峡坝Ⅱ号滑坡 0.84 0.96 0.51 0.92 0.43
    4 抚顺西露天矿人卷车边坡 0.93 0.51 0.44 0.87 0.56
    5 公伯峡电站古奉群滑坡 0.77 0.43 0.55 0.84 0.33
    6 天生桥二级电站后山边坡 0.90 0.43 0.88 0.39 0.48
    7 天生桥水电站溢洪道边坡 0.92 0.43 0.93 0.82 0.54
    8 小峡石坪台滑坡 0.94 0.33 0.45 0.98 0.33
    9 积石峡4号滑坡 0.79 0.33 0.84 0.70 0.27
    10 漫湾石料场边坡 0.85 0.33 0.48 1.00 0.43
    11 三峡升船机及临时船闸边坡 0.83 0.43 0.56 0.87 0.33
    12 白灰厂滑坡 0.94 0.43 0.57 0.89 0.43
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    表  12  系统评价指标权重

    Table  12.   Weights of system evaluation indexes

    参数 a λ R F M
    wv/% 20.5 15.6 30.6 18.4 14.9
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    表  13  加权关联度计算结果

    Table  13.   Calculation results of weighted correlations

    序号 稳定状态 K498+870~K499+200 K503+585~K504+018 K551+714~K552+115 K565+914~K566+300 K593+260~K593+555
    1 失稳 0.130 0.132 0.143 0.132 0.131
    2 失稳 0.137 0.138 0.132 0.138 0.138
    3 失稳 0.153 0.154 0.151 0.154 0.149
    4 失稳 0.151 0.158 0.172 0.158 0.201
    5 稳定 0.112 0.114 0.126 0.114 0.114
    6 稳定 0.150 0.157 0.184 0.195 0.158
    7 稳定 0.114 0.173 0.162 0.145 0.146
    8 稳定 0.164 0.115 0.122 0.115 0.116
    9 稳定 0.109 0.126 0.117 0.121 0.117
    10 稳定 0.134 0.127 0.132 0.126 0.121
    11 失稳 0.113 0.115 0.118 0.114 0.115
    12 失稳 0.152 0.144 0.139 0.135 0.135
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    表  14  不同施工方法安全性评价结果

    Table  14.   Safety evaluation result under different construction methods

    目标边坡桩号 机械开挖 静力爆破
    K498+870~K499+200 稳定 稳定
    K503+585~K504+018 稳定 稳定
    K551+714~K552+115 稳定 稳定
    K565+914~K566+300 稳定 稳定
    K593+260~K593+555 失稳 失稳
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    表  15  计算参数

    Table  15.   Computation parameters

    参数 容重/(kN·m-3) c/kPa φ/(°) E/GPa 泊松比
    强风化石灰岩 23.0 20 29 5 0.25
    中风化石灰岩1 23.6 24 51 20 0.20
    中风化石灰岩2 24.2 26 45 25 0.20
    结构面 - 100 30 - -
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    表  16  边坡安全系数范围划分

    Table  16.   Range division of slope safety coefficient

    安全系数范围 稳定状态
    f < 1.00 不稳定
    1.00≤f < 1.05 欠稳定
    1.05≤f < 1.3 基本稳定
    f≥1.3 稳定
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    表  17  爆破关键参数

    Table  17.   Key parameters of blasting

    孔径/mm 90 排距/m 3.5
    炮孔台阶高度/m 12 炸药消耗量/(kg·m-3) 0.20
    超深/m 1 单孔药量/kg 38
    孔深/m 13 填塞长度/m 4.5
    底盘抵抗线/m 4 爆破孔数/m 38
    炮孔密集系数/m 1 爆破总药量/kg 7 000
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  • 收稿日期:  2019-10-18
  • 刊出日期:  2020-04-25

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