可拓学理论在边坡破坏模式识别中的应用.pdf

第3 4 卷第5 期 中国矿业大学学报V 0 1 ．3 4N o ．5 2 0 0 5 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 5 0 5 9 1 0 5 可拓学理论在边坡破坏模式识别中的应用 舒继森1 ，才庆祥L 2 ，郝航程3 ，王文忠4 ，张镭4 1 ．中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国煤炭学会露天开采专业委员会，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 3 ．同济大学交通运输工程学院，上海2 0 0 0 9 2 ；4 ．云南省小龙潭矿务局，云南开远6 6 1 6 0 1 摘要提出了边坡破坏模式的可拓识别方法；构建了边坡破坏模式识别的经典域物元和节域物 元；应用物元和可拓集合中的关联函数建立了识别边坡破坏模式的简单模型；利用该模型可得到 边坡的破坏模式．应用所建立的模型对某露天矿边坡的滑动模式进行了实例分析，得到的结果 与监测和钻探揭示的滑动模式是一致的，说明边坡破坏模式的可拓识别方法是可行的． 关键词可拓学；可拓集合；破坏模式；边坡稳定 中图分类号T D8 2 4 ．7 文献标识码A U s eo fE x t e n i c sT h e o r yi nR e c o g n i z i n gF a i l u r eM o d eo fS l o p e S H UJ i s e n l ，C A IQ i n g x i a n 9 1 “，H A oH a n g c h e n 9 3 ，W A N GW e n z h o n 9 4 ，Z H A N GL e i 4 1 ．S c h o o lo fM i n e r a la n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 210 0 8 ，C h i n a ； 2 ．S p e c i a l t yC o m m i t t e eo fS u r f a c eM i n i n go fC h i n aC o a lS o c i e t y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a 3 ．S c h o o lo fT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g ，T o n g j iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ； 4 ．X i a o l o n g t a nM i n i n gA d m i n i s t r a t i o n ，K a i y u a n ，Y u n n a n6 6 1 6 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t A ne x t e n s i o nm e t h o df o rr e c o g n i z i n gf a i l u r em o d e lo fs l o p ew a sp r o p o s e d ．I nt h e m e t h o d ，f a i l u r em o d e so fs l o p ew i t hd i f f e r e n tt y p e so fr o c ks t r u c t u r ew e r eu s e dt os e tu pt h e c l a s s i c a la n dl i m i t e dm a t t e re l e m e n t s ．As i m p l em o d e lf o rr e c o g n i z i n gf a i l u r em o d eo fs l o p ew a s e s t a b l i s h e db ya p p l y i n gt h ec o r r e l a t e df u n c t i o n so fm a t t e re l e m e n t sa n de x t e n s i o ns e t s ．T h ef a i l u r e m o d eo fs l o p ec a nb eo b t a i n e dw i t ht h eu s eo ft h em o d e l ．A sa ne x a m p l e ，t h em o d e lw a su s e df o r a n a l y z i n gt h ef a i l u r em o d eo fs l o p eo fa no p e n c a s ti nC h i n a ．T h er e s u l t si sc o r r e s p o n d i n gw i t ht h e r e a lm o d ew h i c hw a so b t a i n e dt h r o u g hd i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n ga n dg e o l o g i c a lp r o s p e c t i n g ，a n di t s h o w st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sa v a i l a b l ef o rr e a lu s e ． K e yw o r d s e x t e n i c s ；e x t e n s i o ns e t ；f a i l u r em o d e l ；s l o p es t a b i l i t y 随着经济的快速发展和对基础设施建设投入 的不断加大，在铁路、交通、矿山、水利水电等工程 领域形成的高陡边坡越来越多．这些边坡的稳定与 否关系到工程能否顺利按期完成和安全营运，因此 必须对这些边坡的稳定性进行分析和评价，而分析 评价边坡稳定性时的一个关键问题是确定边坡的 破坏模式．针对边坡潜在破坏模式识别中存在的矛 盾和不相容问题，以可拓学理论[ 1 - z ] 为基础，采用可 拓识别方法，对边坡潜在破坏模式识别问题进行探 讨，是对边坡潜在破坏模式识别问题的不确定分析 方法进行的有益的探索，对解决岩土工程中类似的 不相容问题有借鉴意义． 收稿日期2 0 0 5 0 1 1 7 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 4 0 6 9 作者简介舒继森 1 9 6 1 一 ，男，四川省中江县人，副教授，工学硕士，从事岩土边坡工程方面的研究 E m a i l j s s h u 0 716 s i n a ．c o r n 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 1 可拓学简介 可拓学是1 9 8 3 年由蔡文教授等人创立的一门 新学科，它以形式化的模型，探讨事物拓展的可能 性以及开拓创新的规律与方法，并用于解决客观世 界的矛盾问题L 3 。J ． 可拓学用形式化的工具，从定性和定量的角度 出发去研究、解决矛盾问题的规律和方法．事物变 化的可能性，称为物元的可拓性．事物的变化以物 元变换来描述，物元理论的核心就是研究物元的可 拓性和物元的变换以及物元变换的性质．物元理论 以形式化的语言描述事物的可变性及其变换，能够 进行推理和运算． 为了把解决矛盾问题的过程定量化，以便利用 计算机进行处理，可拓学必须在可拓集合理论的基 础上建立相适应的定量化工具． 可拓集合可以定量化地描述事物的可变性．在 可拓集合论的基础上，形成了新的数学分支可 拓数学．经典数学是建立在经典集合的基础上的． 在经典集合中，“是”就是“是”，“非”就是“非”．人们 用0 和1 两个数来表征对象属于某一集合或不属 于该集合．经典集合描述的是事物的确定性概念． 例如，某车床加工工件的规格为芦6 0 0 ．1 ，现有一 批加工后的工件，用经典集合描述，其中任一工件 不是合格品就是不合格品，即直径在4 9 ．9 ～5 0 ．1 的为合格品，而直径在4 9 ．9 以下和5 0 ．1 以上的为 不合格品．实际上，在不合格品中，直径小于4 9 ．9 的是废品，直径大于5 0 ．1 的是可返工品．显然，废 品和可返工品是本质不同的不合格品，如图1 ．这 类问题在现实世界中大量存在，要想定量描述这类 现象，必须建立与之相适应的概念．可拓集合正是 以这类实际模型为背景发展来的一个概念． 4 99 ≤d ≤5 01 或 图1经典集合和可拓集合对论域的分类 F i g ．1 D i f f e r e n ts y s t e m sf o rc l a s s i f y i n gt h ef i e l d b e t w e e ne x t e n i c a ls e t sa n dc l a s s i c a ls e t s 关联函数可在实轴上描述可拓集合所研究事 物与量值之间的关系，使解决矛盾问题的过程定量 化． 物元变换是解决矛盾问题的基本工具，它既可 以进行量的变换，也可以进行质的变换．物元变换 有它们特有的性质，这些性质描述了事物、特征和 量值中某一个要素的变换会引起的传导作用．根据 物元变换，人们可以得到解决矛盾问题的各种办 法，为研究决策产生的连锁作用提供形式化的工 具，把矛盾问题转化为相容问题． 2 边坡破坏模式的可拓识别 边坡变形破坏模式作为边坡稳定研究的基础， 受到了广泛的重视[ 8 。1 ⋯．孙玉科先生等考虑了工程 地质岩组特征、岩体结构、初始应力场、破坏形态、 水文地质和变形破坏时间效应等6 个方面，提出5 种地质模型[ 8 3 ；罗国煜先生等以优势面组合破坏形 势为基础，提出火成岩的1 5 种破坏模式和层状岩 体的4 种破坏模式[ 9 ] ．本文采用孙玉科先生等提出 的边坡变形破坏模式，以影响破坏模式的主要因素 岩体结构的特点来进行可拓学识别． 边坡破坏的模式主要有[ 8 ] 完整岩体边坡的圆 弧破坏模式；层状结构边坡的顺层滑动、倾倒变形 破坏、溃屈破坏；块状结构边坡的平面滑动、阶梯状 滑动、折线型滑动；碎裂结构边坡的圆弧滑动、追踪 结构面滑动；散体结构边坡的圆弧形滑动． 判断一个具体边坡潜在的破坏模式，实质上是 模式识别问题．以物元理论和可拓集合理论为基础 的可拓识别方法能根据事物关于特征的量值来判 断事物属于某集合的程度，其可拓关联度能够使识 别定量化、精确化，并且便于使用计算机进行计算， 从而提高识别效率． 设边坡可能的破坏模式P 共有m 类 P 。，P ， ⋯，P 。 ，影响边坡破坏模式的因素有咒个．则由其 标准集合P i 和它的咒个特征 即影响因素C ， 及其 标准量值范围耽，一 组成的物元为边坡潜在 破坏模式经典物元，记为R i R 。一 P 。C 1 V 。l C 2V 。2 ● ● P ， ‘l f 2 ● 以1 J ，b 1 ， 以2 j ，b 2 J C 。V 抽_ JLf 。 口州6 。J 式中P f 为边坡可能的破坏模式 i 一1 ，2 ，⋯，m ； C ，为边坡破坏模式P 。的特征 影响边坡破坏模式 的主要因素，J l ，2 ，⋯，咒 ；y 巧是边坡潜在破坏模 式只对应于影响因素C ，的量值范围 即经典域 ． 由集合P 和它的规个特征C ，及其将标准量值 范围加以拓广了的量值范围可。一 盘R ，b R 组成的 物元称为节域物元，记为邱，则 万方数据 第5 期舒继森等可拓学理论在边坡破坏模式识别中的应用 R P 一 a p n ，6 ， 2 式中P 为边坡潜在破坏模式的全体；y 尸。，y P z ，⋯， y 只分别是P 关于C ，，C 。，⋯，G 所取值的范围，即P 的节域，显然V i ，C V P ， i 一1 ，2 ，⋯，n ． 用P 表示待识别边坡破坏模式，口i 表示P 关于 特征C 。的量值 待识别边坡关于影响边坡破坏模 式的因素的实测数值 ，便可得到边坡破坏模式的 待识别物元R R 2 3 用事物关于某些量值符合要求的程度来表述 问题的矛盾程度 建立关联函数 ，边坡中第i 个影 响因素关于第歹类破坏模式的关联函数可用下式 表示 f p v J ，V u ／I y u秽，∈V o ， K ， p ， 4 0 。 0 ～ 0 ．3 0 ，口 卢且p 7 0 。 0 ．6 0 4 0 ．9 0 ；f 2 是 0 ～0 ．5 0 ，否 0 ．5 0 ～1 ．0 ；c 3 ≤2 0 0 m 0 ～0 ．5 0 ， 2 0 0m 0 ．5 0 ～1 ．0 ；C 4 ≤3 0 。 0 ～ 0 ．5 0 ， 3 0 。 0 ．5 0 ～1 ．0 ；C 5 有 0 ～0 ．5 0 ，无 0 ．5 0 ～1 ．0 ． 用表达式z ，一 五，一z 疵。 ／ z 抽。一X 栅。 对影响 因素进行无量纲处理 极差化 ，其中z ，，％，z 枷。， z 油。。分别为第i 因素极差化后的数据、原始数据、最 小评价标准值和最大评价标准值．极差化后的数据 如表2 所列． P P％；％“乞；厶 P 万方数据 5 9 4 中国矿业大学学报 第3 4 卷 表2 顺向坡层状结构破坏模式 影响因素指标极差化后的值 T a b l e2F a c t o r si n f l u e n c i n gf a i l u r em o d e lo f la y e r e dr o c kw i t ht h es a m ei n c li n a t i o n o fs l o p ea n dt h ev a l u e sw i t hn od i m e n s i o n 影响因素 溃屈破 坏尸l 顺层滑 动P 2 倾倒变 形P 3 顺向坡层状结构边坡经典域物元 R 1 R 。 R 3 一 0 ，0 ．3 0 ] I 0 ．5 0 ，1 ．0 I 0 ，1 ．0 0 ，1 ．0 j 0 ．6 0 ，0 ．9 0 0 ，0 ．5 0 顺向坡层状结构边坡节域物元 R e 0 ，1 ．0 0 ，1 ．0 表3 碎裂结构破坏模式影响因素指标 T a b l e3F a c t o r si n f l u e n c i n gf a i l u r em o d e lo fj o i n tr o c k s l o p ea n dt h ev a l u e sw i t hn od i m e n s i o n 影响因素 圆弧 滑动P l 折线形 滑动P 2 多平面 滑动P 3 碎裂结构边坡经典域物元 R 1 一[ 尸1C ] ， R 2 [ P 2f ] ， 影响边坡破坏模式的主要因素调查结果见表 表4 破坏模式主要影响因素实测值 T a b l e4A c t u a lv a l u eo fm a i nf a c t o r s i n f lu e n c i n gt h em o d eo ff a i lu r e 根据岩体结构类型，经量化和极差化无量纲处 理后，可建立待识别物元R 东，眉西为 R 东一 O ．3 5 0 ．3 0 0 ．5 0 O ．5 0 0 ．2 5 ，R 西 [ P c 0 ．2 0 3 ． 首先计算西帮边坡F 。断层东侧区域待识别物 元对象C 。对顺向坡层状结构边坡经典物元R 。的 关联函数值K 。 口， p v J ，V “ 一1 口，一 口；J 6 u ／2I 一 6 。，一以J ／2 一 { 0 ．3 5 0 ．1 5I 一0 ．1 5 0 ．0 5 ， p v ，，V 巧 I 口，一 a e j b 即 ／2l 一 b y ，一a p ， ／2 一 1 0 ．3 5 0 ．5 f 一0 ．5 一一0 ．3 5 ， ．。．铆1 V ⋯ ．。K 1 ‰， 鬲铬哉熹一 百0 ‰3 500 5 一乩1 2 5 ．一●一● ⋯⋯ 类似的可以求出K 。 口 一0 ．4 ，K 。 可。 一0 ， K 】 可4 一0 ．5 ，K l 钉5 一0 ．2 5 ． 取权系数A ，一A 一A 。一A 。 A 。一1 ／5 ，则可用式 5 求出西帮边坡F 。断层东侧区域待识别物元尺东 对于顺向坡层状结构边坡经典物元R 。的关联度为 K l p 一芝凡K l 可r 一0 ．2 1 ． 同理可求出K 。 户 0 ．4 1 ，K 。 声 一0 ．1 5 ． 因为K 。 户I n a x K ， 户 ，故西帮边坡F 。断层 东侧区域潜在破坏模式为顺层滑动． 类似西帮边坡F 。断层东侧区域的求解过程可 得F 。断层西侧区域经典物元R ，，R 。，R 。的关联度 为K 1 户 一0 ．1 ，K 2 户 一一0 ．3 1 ，K 3 户 一一0 ．6 5 ． 因为K ， 夕I T I a x K i 户 ，故西帮边坡F 。断层 西侧区域潜在破坏模式为圆弧滑动． 根据该矿边坡监测和勘探资料，西帮边坡的破 坏模式为圆弧一顺层模式． “ 如 D “ 出 P 们 加 厶 以 办 们 如 出 以 “ “ 彩 们 “ 幽 B 。乃 B 饥 砌 如 以 “ P 万方数据 第5 期 舒继森等可拓学理论在边坡破坏模式识别中的应用 5 9 5 4结论 本文将可拓学理论应用于边坡潜在破坏模式 识别，为边坡潜在破坏模式的识别增添了有效的方 法，同时也拓展了可拓学理论的应用领域． 作为一种尝试，本文以定性研究为主，在以后 的研究中应针对不同的破坏模式，通过以影响边坡 破坏模式的因素的监测数据的统计整理结果为基 础，建立可拓识别的经典域物元模型和节域物元模 型，以期达到更好的识别效果． 参考文献 [ 1 ] 蔡文，杨春燕，林伟初．可拓工程方法[ M ] ．北京 科学出版社，1 9 9 7 ． E 2 3 蔡文．物元模型及其应用[ M ] ．北京科学技术文 献出版社，1 9 9 4 ． [ 3 ] 谢全敏，夏元友．岩体边坡稳定性的可拓聚类预测方 法研究E J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ，2 2 3 4 3 8 4 4 1 ． X j eQM ，X i aYy ．E x t e n s i o nc l a s s i f i c a t i o np r e d i c t i o n m e t h o df o r t h es t a b i l i t yo fr o c k m a s ss l o p e s [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ，2 2 3 4 3 8 4 4 】． [ 4 ] 刘沐宇．基于范例推理的边坡稳定性智能评价方法 研究口] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 2 ，2 1 7 1 1 0 5 1 1 0 6 ． L i uMY ．I n t e l l i g e n ta p p r o a c ht Os l o p es t a b i l i t y e v a l u a t i o nb a s e do nc a s e b a s e dr e a s o n i n g [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ，2 1 7 1 1 0 5 1 1 0 6 ． [ 5 ] 戴怡．基于可拓工程方法的加工中心可靠性研究 [ D ] ．长春吉林大学机械科学与工程学院，2 0 0 1 ． [ 6 ] 贾超．洞室岩体质量的可拓学评价及位移反分析 [ D ] ．长春吉林大学环境与资源学院，2 0 0 1 ． [ 7 ] 郝航程．基于可拓学理论的边坡潜在破坏模式识别方 法[ D ] ．徐州中国矿业大学能源与安全工程学院， 2 0 0 4 ． [ 8 ] 孙玉科，杨志法，丁恩保，等．中国露天矿边坡稳定性 研究E M ] ．北京中国科学技术出版社，1 9 9 9 ． E 9 3罗国煜，李生林．工程地质学基础[ M ] ．南京南京大 学出版社，1 9 9 0 ． [ 1 0 ]彭洪阁，王兴中，舒继森．人工堆放物料边坡破坏模 式及机理研究[ J ] ．露天采煤技术，2 0 0 2 3 ，3 3 3 5 ． P e n gHG ，W a n gX Z ，S h uJS ．R e s e a r c ho fd e s t r o y m o d e l ＆m e c h a n i s mo fs t a c k e ds l o p e [ J ] ．O p e n c a s t m i n i n gt e c h n o l o g y ，2 0 0 2 3 ，3 3 3 5 ． 责任编辑陈其泰 万方数据