（道路与铁道工程专业论文）黄土路堑高边坡优化设计理论和方法研究.pdf

捅要弋夕基于黄土地区大量的公路建设工程实际经验，利用西部地区丰富的黄土高边坡实例资料和国内外同类研究成果，以系统优化理论为主导思想，以黄延公路路堑高边坡为重点依托工程，结合室内外试验，将工程地质学、土力学、热力学、数学、运筹学、现代计算方法及计算机模拟技术等多学科的理论与方法融于黄土路堑高边坡优化设计理论与方法的研究之中，提出了一套全新的黄土路堑高边坡优化设计的理论和方法。通过对典型黄土边坡工程实例的计算，表明该理论和方法可为黄土路堑高边坡断面的合理设计提供一套更安全可靠、更经济可行、旅工更方便、路容更美观的理论依据及技术指导。本文的研究对完善现有规范，以便适应我国黄土地区飞速发展的公路建设事业具有重要的现实意义。、论文取得的主要成果如下：1 根据黄土路堑高边坡滑裂面的实际调研结果，将滑裂面形状简化为抛物线形，基于条分法的思路，建立了稳定性评价公式，提出了一种快速搜索最危险滑裂面的方法。实践证明该方法简单，快速，便于推广。2 根据力学原理及能量守恒原理，建立了黄土路堑边坡综合坡角的理论公式。由于在公式推导过程中充分考虑了土体开挖后的应力变化及其力学性质，使综合坡角设计有了理论基础，避免了盲目性。3 通过确定黄土路堑高边坡的设计变量、目标函数和约束条件，建立了基，于最小费用法的路堑边坡最优化设计模型。将f i e s s l e r 提出的可靠度计算法用于黄土高边坡可靠度计算，该方法与标准化变量一起使用，比j c 法更为方便。4 通过室内外冲刷试验，结合理论推导，建立了基于坡面稳定( 抗冲刷)的黄土路堑边坡优化设计模型。5 基于模糊优化的理念，建立了基于主客观权重综合模糊识别的黄土路堑高边坡合理断面优化决策法。模型有效地组合了主客观权重，可获得较为客观且系统的不同情况下的优化决策结果。由于模型避免了决策或评价结果的主观随意性，因此减少了目标的客观权重与实际情况之间的误差。6 首次运用嫡权双基点的概念，建立了黄土路堑高边坡防护熵权双基点决策优选模型，可借以获得更适合于具体黄土高边坡的防护方案。该优选方法能很，好地反映人们对一个方案的理解能力的不确定性，可以在只有判断矩阵而没有专家权重的情况下确定出可信度较高的优选方案。工程实例表明本方法排序结果准一确、可操作性较强，具有一定的推广价值。7 根据坡面流理论，推导出坡面产流公式：c o t 卣q l 。该公式充分考虑了坡面产流的地形地质条件，弥补了公路排水规范法的不足，使结果更符合实际。应用该式对黄土高边坡排水设施断面进行优化计算，计算结果更加可靠。8 首次系统地建立了黄土路堑高边坡的优化设计理论和方法体系。首先通-过优化模型对黄土高边坡断面进行精确计算，在此基础上于精确解附近选择一些可行方案进行优化评价，从中得出最优设计方案；基于最优设计方案对具体坡面防护措施进行优化；通过本文提出的水文水力计算方法，实现黄土路堑高边坡排水断面设计方案的优化。该优化体系全面考虑了安全可靠、经济合理、坡体冲刷、；技术可行性及环境美观等多个复杂的相互联系但又彼此制约的因素或目标，对黄土路堑边坡的稳定性分析、断面设计、防护、排水等方面进行全面优化，为黄土路堑高边坡优化设计提供了更具实际价值的理论依据和技术指导，避免了在黄土路堑高边坡断面设计、防护及排水时的随意性。关键词：黄土路堑高边坡；优化设计；最小费用法；优化决策；熵权双基点法防护；坡面流-a b s t r a c tb a s e do np l e n t i f u lp r o d u c t i v ep r a c t i c eo fh i g h w a ye n g i n e e r i n gi nt h el o e s sa r e ai no u rc o u n t r ya n dag r e a td e a lo fh i g hl o e s ss l o p e si n s t a n c e sa sw e l la st h e i rr e s e a r c hr e s u l t sf r o md o m e s t i ca n df o r e i g n ，as e r i e so fn e wt h e o r i e sa n dm e t h o d sf o rh i g h w a ysc u t t i n gh i g hl o e s ss l o p eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a t i o ni ss t u d i e db yt h e o r i e sa n dm e t h o d s ，w h i c hh a sb o r r o w e df r o mg e o l o g y , s o i lm e c h a n i c s ，t h e r m o d y n a m i c s ，m a t h e m a t i c s ，o p e r a t i o n a lr e s e a r c h ，m o d e mc o m p u t a t i o n a lm e t h o da n dc o m p u t e rm o d e l i n gt e c h n i q u e s y s t e mo p t i m i z a t i o ni st h e i rp r e d o m i n a n ti d e aa n dt h eh i g hl o e s ss l o p e si nt h eh i g h w a yf r o mh u a n g l i n gt oy a n n a ni st h e i rs u p p o r t e de n g i n e e r i n g c o m p i a t i n gr e s u l t so fr e p r e s e n t a t i v eh i g hl o e s ss l o p e ss h o w st h a tt h e s en e wt h e o r i e sa n dm e t h o d sc a np r o v i d eas e r i e so fb a s eo ft h e o r ya n dt e c h n i c a lg u i d a n c ef o r c u t t i n gh i g hl o e s ss l o p eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a t i o n ，w h i c hc a nm a k et h es l o p em o r es t a b i l i t ya n dr e ! a b l e ，m o r ee c o n o m y , m o r ea d v a n t a g ef o rc o n s t r u c t i o na n dm o r eb e a u t i f u lf o rh i g h w a y t h i sr e s e a r c hh a si m p o r t a n to p e r a t i o n a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ei m p r o v e m e n to fs p e c i f i c a t i o nu s e dn o w , w h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o nd e v e l o p m e n ti nt h el o e s sa r e ai no u rc o u n t y t h em a j o rr e s e a r c hf r u i t s a c h i e v e di nt h i sp a p e rw e r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ：1 b a s e do nt h er e s u l to ft h ei n v e s t i g a t i o nf o rt h eh i g hl o e s ss l o p e sf a i l u r ef a c e ，i nt h i sp a p e rt h ef a i l u r ef a c ew a sl o o k e da sp a r a b o l i cl i n e ，t os e tal i m i t i n ge q u i l i b r i u me q u a t i o n , b u i l da ne q u a t i o nf o rs e a r c ht h em o s td a n g e r o u ss l i d i n gf a c ew a sb u i l tu s i n gt h ei n t e g r a t i o nm e t h o d t l l i st h e o r ya n dm e t h o dh a sb e e np r o v e ds i m p l i c i t y , q u i c k l y ,a n df a c i l i t a t ep i o m o t i o nb yt h ep r a c t i c e2 a c e o r d i n gt ot h et h e o r yo fm e c h a n i c sa n dc o n s e r v a t i o no fe n e r g y , at h e o r yf o r m u l ai n t e g r a t i o na n g l eo fs l o p ef o rc u t t i n gh i g hl o e s ss l o p ew a ss e tu p ，b e c a u s eo ft h es t r e s sv a r i a t i o ni nt h ec u t t i n gs o i lm a s sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y ，t h i sf o r m u l ac a np r o v i d eb a s et h e o r yf o rt h ea n g l eo f s l o p ed e s i g n a t i o n ，s oi tc a na v o i db l i n d n e s s 3 a f t e rd e t e r m i n i n gt h ev a r i a b l eq u a n t i t i e s 、o b j e c tf u n c t i o na n dl i m i t i n gf a c t o r s ，am o d e lo fc u t t i n gh i g hl o e s ss l o p eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a t i o nb a s e do nl e a s tc o s tm e t h o dw a ss e tu p t h ea n a l y t i c a lm e t h o di nr e l i a b i l i t yw h i c hp r o v i d e db yf i e s s l e rw a su s e di nt h er e l i a b i l i t yc o m p u t a t i o nf o rc u t t i n gh i g hl o e s ss l o p e b e c a u s ei tw a su s e da c c o r d i n gw i t ht h es t a n d a r d i z e dv a r i a b l ev a l u e ，t h em e t h o d w a sm o r ec o n v e n i e n tt h a nt h ej cm e t h o d 4 am o d e lo fc u t t i n gh i g hl o e s ss l o p eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a t i o nb a s e do nt h es l o p es u r f a c es t a b i l i t yw a ss e tu pa f t e rt h ee r o s i o ne x p e r i m e n t a t i o ni n s i d ea n do u t s i d ea n dt h e o r yd e d u c t i o n 5 am o d e lo fc u t t i n gh i g hl o e s ss l o p e sr e a s o n a b l es e c t i o no p t i m i z a t i o nd e c i s i o nb a s e do ns u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ew e i g h t sf u z z yr e c o g n i t i o nw a ss e tu p ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi n t e g r a t es u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ew e i g h t sa n dp r o m o t et h ep r e c i s i o no f t h ew e i g h ta s s e s s m e n t i tc a l lp r o v i d em o r eo b j e c t i v ea n dm o r es y s t e m a t i co p t i m i z a t i o nr e s u l t b e c a u s et h i sm o d e la v o i ds u b j e c t i v er a n d o m n e s s ，t h ee r r o rb e t w e e no b j e c t so b j e c t i v ew e i g h t sa n dp r a c t i c a ls i t u a t i o nw a sr e d u c e d 6 f r o mt h ec o n c e p to fe n t r o p y w e i g h t e dd o u b l eb a s ep o i n t s ，t h em o d e lo fd e c i s i o nm a k i n go p t i m i z a t i o nf o rt h ep r o t e c t i o nt ot h e9 u t t i n gh i 曲l o e s ss l o p ew a sp u tf o r w a r d m o r es u i t a b l es c h e m ec a nb ea d o p t e dd e p e n do nt h i sm o d e l t h i sd e c i s i o nm a k i n go p t i m i z a t i o nm e t h o dc a nr e f l e c t i o nt h ep e o p l e su n c e r t a i n t yu n d e r s t a n d a b i l i t ym a g n i f i c e n t l y , s oi tc a l ld e t e r m i n ed e c i s i o nm a k i n go p t i m i z a t i o ns c h e m em o r er e l i a k l i t yi nt h ec o n t e x to fo n l yh a v ej u d g m e n tm a t r i x t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a l le u s u r et h eo r d e r i n ga c c u r a c ya n dt h eo p e r a t i o n a l l ys u p e r i o r , s ot h i sm e t h o dh a st h ep o p u l a r i z a t i o nv a l u et oac e r t a i n t y 7 b a s e do nt h et h e o r yo fg r a d i e n tc u r r e n t , t h ef o r m u l ao fs l o p es u r f a c e sr u n o f fp r o d u c t i o ni se s t a b l i s h e d , w h i c hi s ：0 ) = q l t h er e s u l tc a nm a t c ht h ef a c ta n di sm o r er e l i a b l eb e c a u s et h i sf o r m u l ac a nc o n s i d e rt h et o p o g r a p h ya n dg e o l o g yc o n d i t i o n a n dm a d eu pf o rt h ei m p e r f e c t i o no f t h eh i g h w a yd r a i n a g es p e c i f i c a t i o n8 t h i sp a p e rp r e s e n t sah i g h w a y sc u t t i n gh i g hl o e s ss l o p eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a t i o ns y s t e m a t i c a l l ya n do r i g i n a l l y 1 c u t t i n gh i 曲l ? 哆i ，l 叩e ss e c t i o nw a sc o m p u t e dp r e c i s e l yt h r o u g hu s i n gt h eo p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h e n ，s e v e r a lp r a c t i c a b l ep l a n sw a ss e l e c t e da r o u n dt h ep r e c i s e l yp l a n ，a n dt h eo p t i m u mp l a nw a ss e l e c t ；t h ep r o t e c t i o np l a nt ot h ec u t t i n gh i g hl o e s ss l o p ew a so p t i m i z e db a s e do nt h ee n t r o p y w e i g h t e dd o u b l eb a s ep o i n t s ，a n dt h ed r a i n a g es e c t i o nw a so p t i m i z e db yh y d r o l o g ya n dh y d r o p o w e rc o m p u t i n g t h i so p t i m i z a t i o ns y s t e mc o n s i d e r st h ef a c t o r so ro b j e c t sw h i c hc o n n e c t i n gb u ti n t e r r e l a t i o n a lc o n s t r a i n i n g ，s u c ha ss t a b i l i t ya n dr e l i a b l e ，e c o n o m y , s l o p es u r f a c e se r o s i o n ，t e c h n i c a l i t ya n dt h ee n v i r o n m e n t t h ec u t t i n gh i g hl o e s ss l o p e ss t a b i l i t y ，d e s i g n i n gt h es e c t i o n ，p r o t e c t i o n ，p r o t e e t i o na n dt h ed r a i n a g ea r eo p t i m i z e da 1 1 r o u n d t h i ss y s t e mc a np r o v i d eas e r i e so fb a s eo fat h e o r ya n dt e c h n i c a lg u i d a n c ef o rc u t t i n gh i 曲l o e s ss l o p eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a t i o n ,w h i c hc a na v o i do f r a n d o m n e s si nt h ec u t t i n gh i g hl o e s ss l o p e s e c t i o nd e s i g n i n gk e y w o r d ：c u t t i n gl o e s sh i g hs l o p e ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n a t i o n ；l e a s tc o s tm e t h o d ；o p t i m i z a t i o nd e c i s i o n ；e n t r o p y - w e i g h t e dd o u b l eb a s ep o i n t s ；p r o t e c t i o ng r a d i e n tc u r r e n t论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论i文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：一3 尹乃乒论文知识产权权属声明矽口辟弘哆日本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、。公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：导师签名：叶否耳1绪论1 1 研究课题的提出及意义在黄土地区建设公路时，必然会出现很多路堑边坡。以往国内外虽然对之开展了许多研究，并积累了不少工程设计和施工经验，但主要局限于坡高小于3 0 m的情况，对3 0 m 以上的高边坡的设计标准基本为空白，有关其变形破坏机理、稳定性分析评价等方面的系统研究较少，对它们的设计基本是借鉴其它工程的经验得出。因此，设计方案的安全可靠性、经济合理性等均缺乏理论指导。以往在黄土地区修建的公路及铁路路堑边坡，都有不同程度的变形和破坏。比如，陇海铁路宝天段是我国著名的滑坡、崩塌密集带，据铁路部门的统计资料，平均每年因滑坡、崩塌中断交通3 4 天，其经济损失达亿元；绛帐法门市汤浴公路的绛帐路堑边坡高3 肌3 2 m ，1 9 9 8 年建成，1 1 月2 1 日滑塌，堵塞交通，后来重新征地，放缓边坡，各种损失达5 0 万。根据以往的研究发现，坡高一定，坡角增加；或坡角一定，坡高增加，边坡的稳定性皆会降低。而人工开挖的边坡坡度越小，工程开挖量就越大，相应地增加了工程投资。反之，在保持高陡边坡的前提下，虽然节省了开挖量但增大了破坏概率，也会增加投资。因此，坡角和坡高是边坡设计中的两个关键的参数。同时，在公路建设中的生态公路、环保公路的地位日益加强，要设计出一个安全可靠、经济合理、施工方便及路容协调的路堑边坡断面，优化设计的思想尤为重要。因此，对黄土高边坡优化设计理论开展研究，具有重要的现实意义和理论意义。1 2 黄土路堑高边坡优化设计理论和方法的研究现状及存在问题1 2 1黄土路堑高边坡优化设计理论和方法的研究现状关于路堑边坡的设计，国内外很多部门和专家作了很多工作。美国的边坡设计除保证道路的稳定性外还要考虑为失控车辆的救险提供适当的机会，做成为失控车辆可穿越的地带，而且可进行机械养护，故坡比较大，切坡较低，一般为1 ：4 ，只有在当地条件不允许使用较缓的边坡的路段，才推荐使用陡于l ：3 的边坡，而且还要考虑设置路旁护栏作为安全标志【l 】。日本的公路建设己有半个多世纪的历史，日本是一个地质活跃、地震多发的国家，又是雨季集中、雨量充沛的地区。在道路防灾、公路绿化和环境保护等方面采取了大量措旎。如开挖土石方刚结束，即开始稳固边坡、再造绿化。高边坡每1 5 m 一阶，依次而上，每阶都有横向排水沟与纵向排水沟相连，条条排水沟隐约在绵延丛密的草坪中；在设计阶段，利用计算机将各种特定的设计方案，通过图象输入和图象叠加合成手段进行静态景观预测，然后将拟定的静态景观进行动态模拟，应用计量心理学调查、研究、评价，根据该方案对乘员心理及安全方面的影响测试结果，将边坡绿化方案进行修正。在方案选择上，遵循营造自然气氛，人造环境融于周围大环境的原则1 2 j 。对黄土高边坡设计旋工技术，前苏联一些学者曾做过一定探讨，但主要的研究工作是由我国西北地区的科研院校和设计施工部门进行的。刘祖典教授( 1 9 9 7 4 ) 所编著的黄土力学与工程一书中汇集了目前水利、公路及铁路等部门对黄土边坡设计与稳定问题的有关研究【3 】，从理论到实践作了较系统的概括总结。此外，在水利、公路及铁路等部门的有关规范和设计手册中也对黄土边坡的设计和旋工技术作了具体规定和评价分析。我国公路、铁路部门现行的有关规范规定【45 “，黄土路基边坡高度不宜超过3 0 m ；对于深路堑，当边坡高度大于3 0 m 时，应与隧道方案进行比较；仅局部路段大于3 0 m 时，应进行特殊设计。但在黄土区公路建设中遇到了很多高度大于3 0 m 的深路堑黄土边坡情况。经比较，采用公路黄土隧道方案造价太高。工期也长【2 2 1 。因此，对山区半填半挖路段，显然不合理。然而如何对其进行特殊设计，缺乏现有经验和技术。水利部门曾有过许多深路堑黄土边坡的设计施工经验，但由于行业问存在明显的特点差异，能否经济合理地被公路部门采用，值得探讨。目前工程中设计黄土边坡时，通常需对设计路段的工程地质情况进行全面、细致的外业调查，综合分析影响当地黄土路堑边坡的各种因素，并考虑必要的工程措旋。边坡设计一般以工程地质法为主，力学验算法为辅。当边坡高度大于3 0 m 时需作特殊设计。公路系统现行公路路基设计规范( j o l 3 9 5 ) 推荐的边坡设计值中，坡高不大于3 0 m ；由交通部第二公路勘察设计院于1 9 9 7 年主编的公路路基设计手册中增加了对坡高3 0 4 0 m 时的平均坡率参考值。铁路系统推荐的黄土边坡设计规范中包括了坡高3 0 4 0 m 时的设计值，并对黄土性质及边坡排水设施提出更具体的规定。在无不良地质现象条件下，按工程地质法拟定的边坡设计参考值。赵之胜等【7 8 1 根据调研、计算和模拟，结合铁路、公路和水利系统的经验，综合总结给出铜黄公路及陕北地区黄土高边坡的设计建议值；以工程地质分区、边坡地质结构模型为依据，通过现场调查、坡面冲刷试验和综合分析计算，提出了黄土地区公路高边坡的坡型设计推荐方案。胡保存等【9 1 对七十余处黄土高边坡的调查和统计分析后，提出高度大于2 0 m的均质边坡综合坡率，对坡体土地质条件不良，以及坡高大于4 0 m 的情况，应进行力学验算。黄土高边坡的拔型宜选用阶梯形，一般坡顶层土体较松散，坡比应适当放缓，但不宜大于1 1 ，以减少坡面冲刷。冯连副1 0 1 根据铁路黄土路堑边坡的野外调查资料分析，提出黄土路堑边坡的5 种设计坡型。刘祖典d 1 提出边坡稳定数r 与坡比( m ) 之间的函数关式，即二：卯一“k ，h并编制了计算图卡，指导边坡的设计。乔平定等【l l 】根据宝鸡峡人工边坡的情况，总结出不同坡高所对应的总坡比的规律。刘毓权1 2 1 根据工程实践总结出单一土质、不同坡高的稳定边坡坡比的建议值。李靖等1 3 1 从简化毕肖普公式推导出三，_ 与堡生的对应关系，实现不同的sy h f sf s( 稳定坡比) ，y 。( 孔隙水压) ，q i ( 水平作用力) 下的! 一堕生关系曲线图，做。m p s s出稳定图表。在边坡的优化设计方面。不少岩土工程师提出了不少的分析方法。倪万魁【1 4 】用y = p f 表示滑动曲线，y = x 电e 表示坡面线，按照边坡平均坡比s m = t go 最大作为目标函数，建立优化模型，采用遗传算法对绛帐、潼关、延安和宝鸡峡塬边黄土高边坡的稳定坡比进行计算。崔政权【15 】提出了一个既考虑边坡安全系数又兼顾经济效益的优化方法，在优化模型中考虑了不可预见费用。高大钊1 司建立了能考虑工程造价、基本造价、正比例于平均能力的造价和失效损失造价的优化模型。，钱家欢掣1 可也提出类似的方法。这只是一种近似的方法，在设计中可以帮助实际工程设计做出更合理的选择。但是这些方法，未全面考虑风险造价。因此，这种方法在工程实践中很没有被广泛接受。崔政权还提出了系统工程优化设计法。系统工程优化设计法是通过地质调查、地表勘探、钻孔、洞探工程、物探与测井、岩土水力学与岩土力学等手段获得的各种参数当做样条处理，用概率推断这些参数的代表性和可靠性，并以应变理论为主要依据，对岩土的稳定性做出评价；同时也为建立数值解析和地质力学模型提出直接依据，最后提出符合实际工程地质条件和岩土力学基本原理的最优化设计。叶万军等 1 9 l 将f i e s s l e r 可靠度计算法用于黄土高边坡可靠度计算，与标准化变量一起使用，将滑面用抛物线来拟合，提出了黄土高边坡的优化模型。目前所采用的优化理论包括：复合型法、单纯型法、拉格朗日松弛变量复合型藕合法、遗传迸化复合型法、遗传算法、灰色模型等。优化计算的方法很多，可分为间接解法和直接解法。间接解法要求计算目标函数和约束函数的偏导数。一些实际工程中，由于目标函数和约束函数的复杂性和偏导数的难于表达性，因而不得不采用直接解法。直接解法中常见的有网格法、随机试验法和复合型法。网格法和随机试验法计算工作量大，所求解可能不是全局最优解，而是局部最优。与其他优化方法相比，复合型法避免了间接法中的复杂求导运算，克服了直接解法中可能遇到的局部最优解的缺陷，是一种较好的优化算法，尤其是在约束条件为非线性、自变量个数较多时i 更为有效。张绍波等【2 0 】利用灰色理论方法对滑坡加固方案进行优化选择，首先根据地质条件作出设计方案，并给出各方案的技术和经济指标；其次，按经济上最合理，技术上最可靠两个目标，运用灰色决策理论，给出方案的合理组合；再次，运用灰色线性规划原理，在给出的约束条件下，求出方案的最优结构。夏元友等口“珏扛2 4 2 5 疑出了病害边坡治理方案选择的层次分析法以及病害边坡治理方案选择的多层次模糊综合群决策分析法，并在此基础上对边坡治理方案选择进行了系统的研究，开发了病害边坡治理方案选择的智能辅助决策系统i a d m s c c p u s ，从而使边坡治理方案选择系统化、智能化、定量化。秦四清等口6 】把优化设计的思想成功应用在深基坑支护工程中。优化设计中以总造价作为目标函数，以配筋率、桩径、桩距、锚杆倾角作为约束条件，采用拉格朗日松弛变量复形耦合算法，建立了土钉支护优化设计模型，根据b i s h o p 圆弧条分法，采用优化技术自动地确定各层土钉最优设计长度和倾角，避免了等倾角设计中的弊端，解决了土钉有效长度问题。张发明等【2 7 1 通过对影响设计参数的因素分析，应用优化与决策理论，对单束锚索预应力设计值、锚固角、内锚固段长度、锚固间距等设计参数，提出了优化设计方法，建立了预应力锚固支护设计决策支持系统r s a s y s ，为工程设计人员进行锚索优化设计提供了一种新的分析方法。李林等口8 1 建立了边坡锚固优化设计的数学模型，对锚杆的间距、长度、锚固角等进行了优化设计。唐辉明等2 9 1 人针对京珠高速湖北大悟境内顺层边坡的实际情况，给出了综合考虑稳定及经济效益实现最优开挖坡角的实例。韩西安等3 0 1 人研究了三峡工程中永久船闸陡高边坡的开挖方案及山体的稳定性问题，利用刚体平衡法、瑞典条分法对滑体进行受力分析，通过设置多个参变量来搜索山体中可能存在的危险滑动面，提出了使开挖加固总费用达到最小的最优斜面开挖角的优化模型；基于斜面边坡的最优开挖角，建立了圆弧边坡的优化开挖模型；最后在总费用一定的条件下，比较并分析了前后两种边坡安全系数及其分布情况，揭示了圆弧边坡具有更为良好的稳定性。数值结果表明：圆弧边坡的安全系数分布更为合理，其边坡的整体稳定性优于斜面边坡。尹顺德等1 3 ”针对一般设计中抗滑桩设计参数的采用试算法确定、未考虑其经济性的现象，采用基于遗传算法的神经网络模型对具体抗滑桩的设计参数加以优化，使其在满足稳定性的条件下经济代价最小。郑南翔掣3 2 】将灰色关联决策方法引入公路黄土i i 区、区深路堑、高路堤合理断面的系统评价中，为公路黄土区深路堑、高路堤合理断面的确定提供了依据。1 2 2 黄土路堑高边坡优化设计理论存在的问题通过对黄土高边坡优化设计理论的研究现状的分析，可发现如下问题：( 1 ) 已有的设计方法，皆为经验或在极限平衡理论指导下的半经验方法，没有考虑工程费用或考虑很少。( 2 ) 黄土高边坡设计仅停留在设计上，对边坡工程质量，或工程效果考虑不够。为了获得良好的工程效果，就要树立最优化设计、最优化施工、最优化管理三位一体的设计思想和管理方法。( 3 ) 黄土高边坡优化设计只是一个定性的概念，究竟好到什么程度，还没有一个明确的标准。因此，在研究具体问题时，还必须有定量的标准。如果能够根据实际问题的要求，建立一个衡量好坏的标准，并把种种条件用确切的数学形式来表达，则可以把这样一个实际问题化为一个数学问题来研究，这就是“优化”的数学含义。( 4 ) 目前大多数边坡优化设计的研究是将边坡工程的方方面面割裂开来分别进行，而很少将整个边坡工程作为一个系统去研究，实际工程设计也多是追求一个“安全”的边坡工程，而不是一个“最优”的路堑边坡工程。现代公路的发展以及技术进步对路堑边坡工程设计提出了一个更高的要求：即要技术安全可靠，又要经济上节约，同时还要满足周边环境控制的目的。r( 5 ) 目前存在的优化设计方法主要是对某个优化模型，通过一定的算法，得到一个精确解，用这个优化解来设计边坡的合理断面。实际上，路堑边坡合理断面的确定是一个复杂的多目标决策问题，涉及到边坡的安全可靠、经济合理、环境美观及技术可行等多个复杂的相互联系但又彼此制约的因素或目标，过于精确的优化解实际上是不必要的，同时也是不一定存在的。因此，研究的重点应转向在经过精确计算后，在精确解的附近选择一些可行方案进行评价，从中找到一个较为满意的设计方案。一。o( 6 ) 路堑边坡决策方案的优选，关键问题是各个目标权重的确定。目前存在确定目标权重的方法有两种，一是决策者按照经验、知识与边坡的具体情况主观确定目标权重，但决策或评价结果通常具有很大的主观随意性；另一种方法是通过数学理论抽象出目标的客观权重，但这样确定出来的权重有时与实际差别较大。1 3 主要研究内容及技术路线。_1 3 1 主要研究内容针对黄土高边坡优化设计理论的研究现状和存在问题，本文主要完成以下几方面的研究工作：，( 1 ) 根据调研及评价结果，确定边坡的合理坡型。( 2 ) 通过有限元分析，确定边坡平台宽度的取值区间。( 3 ) 通过力学分析，确定边坡综合坡率及单级坡高。( 4 ) 采用最小费用法原理及可靠度理论，通过力学分析及风险分析，建立一种合理的路堑边坡优化模型。，一( 5 ) 根据坡面流理论，建立边坡抗冲刷临界坡角，以及基于冲刷最小损失的优化模型。?( 6 ) 提出合理的确定主、客观权重的方法，提出基于主客观权重综合模糊识别的路堑边坡合理断面优化决策法。( 7 ) 将熵学的基本原理应用于边坡防护方案的选择，提出基于熵权双基点决策法的路堑高边坡防护多目标优选方法。i( 8 ) 对坡体防排水设施进行研究，在对降雨强度、设计径流进行研究的基础?上，提出设计最优设施断面的水文水力计算方法。1 3 2 技术路线由研究内容，本文制定了详细的研究大纲。根据工程调研、资料调研及室内外试验，对黄土路堑高边坡优化设计理论和方法进行了深入研究。具体的研究技术路线见图1 1 。图卜1 技术路线图2 黄延公路黄土路堑高边坡的地质结构及其特点对黄土路堑高边坡的充分认识和深入研究，是当前我国黄土地区公路建设之必需。黄陵至延安高速公路是连接陕北、关中、陕南的纵向运输干线的重要组成部分( 图2 1 ) ，也是我国高等级公路进入黄土山区历程最长、投资最多的工程项目，全长1 4 3 2 0 5 k m 。该线路位于陕北黄土高原南部，经过黄土塬、梁、峁等全部黄土地貌，再加上翻越乔山、崂山、凤凰山等分水岭，其地形更加破碎，工程地质条件复杂多样，因此黄延公路黄土路堑高边坡具有黄土地区路堑高边坡的普遍特点，在很大程度上能够代表黄土地区高边坡的综合特征。因此，本文以黄延公路路堑黄土高边坡为例，对黄土路堑高边坡的地质结构及特点作以归纳总结。图2 1 黄延公路位置图、一2 1 地形地貌黄延公路雾越谈忿南薄瓣黄矗燕选带，绝势慧谇j 离南低，亩琵托向东南倾斜，海拔赢程一般1 0 0 0 1 5 0 0 m ；其问河铸深切，山岭突起。路线所处的地貌荤元为获j e 黄土商臻。按惦斛程震、遣虢形悉等因素逑一争可翊分为黄土蠊嚣、黄土梁区和黄土峁区( 图2 2 ) 。强2 唯羹延公臻蘸在浆琏馥单嚣嚣弼蚕i 区：黄土塬区# 黄土粱然区：黄土峁惩2 + 1 黄螈送。黄土壤隧主要分在于富罄黔安沟学戴雉一带( 匿弘2 ) ，包接交遴艇、钳二塬、羊泉塬、洛川塬、南道塬、隆坊塬等，其中以洛川塬最为著名，是陕北黄土塬盼挖袭。壤赫平蜒，宽一般l 3 k 班，窄者一般不足5 0 溉，爨卷霹这诹以上。长度较长，一般可达十公里至数公里。塬面商程1 0 5 0 一一1 2 5 0 m ，自南而北抬秀，切割深度勰大，糨难离差l 弱泌。港河及葵支漉均切穿黄深a 萋卷，黄土地层齐全，分布稳定。据洛川阳术北谷村刘家河黄土地艨代表性剖面口j ( 图2 3 ) ，下更掰绫至全新统惑蓐度达l o 概戬上。由予受革囱或蹶嚏通咎餐割作惩，貌似平坦的螈区大都各自呈狭条型葡又局部成独立体，随着不断侵蚀，塬面已愈亲愈狡窄，鹱区鑫采愈酸碎，技瑟又称破谆蟓；图2 3洛川阳术北谷村刘家河剖面( 据刘祖典，1 9 9 7 )1 马兰黄土；2 离石黄土：3 午城黄土：4 红牯土；5 三叠纪砂页岩；6 亚砂土；7 黑垆土；8 钙质结构；9 - 粉砂层；1 0 亚粘土( 混合层) ；1 1 古土壤( 或风化层)2 1 2 黄土梁区黄土梁区主要分布于崂山山脉的揪沿山、蟠龙山( 庙梁山) 以南，包括甘泉、宜川的大部分地区( 图2 2 ) 。呈狭条状，较为平坦，略微从分水蛉向河谷倾斜，坡度5 1 0 。，宽一般为0 5 1 o l ( i f i ，最窄处仅为1 0 0 2 0 0 m ，靠近主河道多保持长梁，愈向分水岭，梁愈破坏严重，多为短梁，甚至发展为黄土峁。梁面高程1 2 5 0 1 3 5 0 m ，分水岭超过1 4 3 0 m ，相对高差2 0 0 3 0 0 m 。冲沟极发育，多以双向或三向侵蚀，故使梁不断变窄变短，直至峁梁化。主要由黄土及红土构成，梁边及沟头多发育滑塌及陷穴等不良地质现象。2 1 3 黄土峁区黄土峁区主要分布于崂山以北的延安地区( 图2 2 ) ，黄土高原已全部丘陵化，也构成了高原的主体。黄土峁大都浑圆化，峁群起伏大者构成土状分水岭，起伏小者构成梁状河间地带。单个峁一般顶部稍平，坡度约5 1 0 。，较陡的一般可达1 5 3 0 。，至峁边接沟缘一带常常变缓，略呈“s ”坡，峁顶高程一般1 1 0 0 1 3 0 0 m ，受多向沟谷侵蚀十分严重，相对高差1 0 0 2 0 0 m 。主要由黄土及红土构成，绝大部分冲沟都切穿土状堆积物而深入基岩，因而斜坡带经常发生崩塌、滑坡、泻流等现象。流水侵蚀强烈，水土流失非常严重，年侵蚀模数平均在1 0 0 0 0 t m 2以上。1 02 2 地质概况2 2 1 区域地质及新构造运动黄延公路位于陕甘宁盆地偏东南，其地层单元归属于华北地层区陕甘宁盆地分区( 图2 - 4 ) 。在大地构造上划归陕甘宁台凹，总的形态为大型向斜构造，长轴走向近南北，两翼不对称，西翼窄而陡，东翼宽缓，倾角l 3 。黄延公路位于其东翼的中部偏南，因而其局部可视为向西缓倾的单斜构造，褶皱、断裂均不发育，也没有岩浆活动。区域性节理颇为发育，断裂构造不发育，地震活动微弱，为新构造比较稳定的地区。现今构造运动极其微弱，基本活动形式为区域继承性震荡式抬升。图2 4 黄河中游断裂构造体系、地震活动与黄土构造节理分布示意图( 据冯连昌等修编)一一一一纵向断裂一弧形断裂表示地震活动剧烈= 表示原生闭合节理发育区表示原生闭合节理不发育区2 2 2 地层岩性黄延公路所经地区内黄土覆盖于下伏岩体之上，主要为新生界第四系地层，按从新到老分别如下：( 1 ) 全新统( q )全新统分布广泛零星，多出露于河谷及坡麓一带。成因类型有洪积、冲积、坡积、崩塌、滑塌堆积、人工堆积等。除河谷冲积，洪积层因组成一级阶地及河漫滩而分为全新统早期和晚期外，其余均笼统称为全新统。( 2 ) 上更新统( q 。)、上更新统主要分布于残塬区的顶部及i i 级阶地的上部，为风积黄土，多出露地表，披覆于离石组( 老黄土) 之上，呈披盖式接触关系，甚至披盖在河谷二级阶地上。岩性为灰黄、浅黄色黄土，底部为一层棕黄色古土壤与离石黄土为界，具典型黄土特征。颗粒愈向北愈粗，一直形成“砂黄土”。厚度变化不大，薄者不足1 0 血，厚者2 0 3 0 m 。( 3