邊坡穩(wěn)定性的isodata模糊聚類分析許傳華

1、Series No. 294 December ? 2000 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 金? ? 屬? ? 礦 ? ? 山 METAL MINE ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 總 第294 期 2000年第 12 期許傳華, 馬鞍山礦山研究院巖土所, 碩士, 243004 安徽省馬鞍山市 湖北路 9 號。邊坡穩(wěn)定性的 ISODATA 模糊聚類分析許傳華 ? 朱繩武 ? 房定旺 ( 馬鞍

2、山礦山研究院)摘? 要? 影響邊坡穩(wěn)定的因素復(fù)雜且具有隨機(jī)和模糊特性, 應(yīng)用傳統(tǒng)的定值分析方法, 沒有考慮到實際存在的不確定性, 而利用邊坡工程的失穩(wěn)和穩(wěn)定實例來建立模糊聚類模型, 則可以考慮到多種因素的影響。計算分析表明, 當(dāng)利用該模型評價邊坡穩(wěn)定性時能取得較好的效果。關(guān)鍵詞? ISODATA 模糊聚類? 邊坡工程? 穩(wěn)定性評價ISODATA Fuzzy Clustering Analysis of Slope StabilityXu

3、 Chuanhua ? Zhu Shengw u ? Fang Dingw ang ( Maanshan Institute of Mining Research)Abstract? T he factors that influence the slope stability are characterized by complexity, randomness and fuzziness.T he conventionally us

4、ed fixed- value analysis method doesn? t consider the uncertainty that practically exists, w hile thefuzzy clustering model that i s established by using the instability and stability cases of slope engineering considers

5、 the influ ?ence of various factors. The calculation analysis shows that the applicat ion of this model in evaluating slope stability canachieve good effect .Keywords? ISODATA fuzzy clustering, Slope engineering, Stabili

6、t y evaluation1 ? 引 ? 言邊坡工程的穩(wěn)定性受到眾多因素的影響, 有很多因素既難以確定, 又難以定量估計, 因而邊坡穩(wěn)定性分析是不確定性問題, 不僅具有隨機(jī)性, 又具有模糊性。目前, 分析邊坡變形破壞機(jī)理及評價其穩(wěn)定性的方法主要為極限平衡和數(shù)值分析法。這些? 精確?的分析方法在很多情況下是不適宜的。一方面,這些? 精確?分析方法在反映參數(shù)的隨機(jī)性和模糊性上有其局限性; 另一方面大多數(shù)工程只需對邊坡進(jìn)行廣義危險性識別,

7、對邊坡作出快速準(zhǔn)確的判斷。邊坡穩(wěn)定和破壞的工程實例, 為研究邊坡破壞機(jī)理、 評價待分析邊坡的穩(wěn)定性提供了大量的知識。模糊聚類分析方法能考慮多種不確定因素的影響,適用于從工程實例中提取特征、 獲得知識, 從而建立模糊聚類模型, 并利用該模型判斷邊坡穩(wěn)定性。2 ? ISODATA 模糊聚類分析方法假設(shè)某樣本集有 n 個樣本( x 1, x 2, ?x n), 每個樣本向量含有 s 個特征指標(biāo)( x i 1, x i 2, ?x is )。

8、若將該樣本集劃分為 C 類, 則其軟劃分一般形式為:U ~ c? n =x 1 x 2 ? x nu 11 u 12 ? u 1nu 21 u 22 ? u 2n? ? ? ?uc 1 uc 2 ? ucn(1)uij 為樣本x j 屬于第i 類的隸屬度, 該模糊矩陣U ~ c? n 具有如下性質(zhì):? 0 ? uij ? 1 ? i = 1, 2, ?, c; j = 1, 2, ?, n;? ?ci = 1uij = 1 j = 1,

9、 2, ?, n ;? ?cj = 1uij > 0 i = 1, 2, ?, c?為從軟劃分空間挑選出一個合理的軟分類, 就需要按某種分類準(zhǔn)則進(jìn)行模糊聚類, 選用準(zhǔn)則為樣本與聚類中心的距離平方和最小。對于軟劃分而言, 一個樣本是按不同的隸屬度歸于各類的, 因此需同時考慮該樣本與每一類的聚類中心的距離。?cj = 1uij ?x i - V j ?2, 即表示樣本 x i 與各聚類中心V j? 24 ?表 1 ? 用于模糊聚類分析

10、的樣本集編 號 ? / ( kN ? m- 3) C / kPa ? / (?) ? r / (?) H / m ? u 邊坡穩(wěn) 定狀態(tài)1 20. 41 24. 91 13. 00 22. 00 10. 67 0. 35 穩(wěn)定2 18. 84 15. 32 30. 00 25. 00 10. 67 0. 38 穩(wěn)定3 27. 30 16. 80 28. 00 50. 00 90. 50 0. 25 穩(wěn)定4 25. 00 55. 00 3

11、6. 00 45. 00 239. 00 0. 25 穩(wěn)定5 25. 00 63. 00 32. 00 44. 50 239. 00 0. 25 穩(wěn)定6 25. 00 63. 00 32. 00 46. 00 300. 00 0. 25 穩(wěn)定7 25. 00 48. 00 40. 00 45. 00 330. 00 0. 25 穩(wěn)定8 31. 30 68. 00 37. 00 47. 00 360. 50 0. 25 破壞9 27. 3

12、0 26. 00 31. 00 50. 00 92. 00 0. 25 穩(wěn)定10 18. 84 14. 36 25. 00 20. 00 30. 50 0. 45 破壞11 21. 51 6. 94 30. 00 31. 00 76. 81 0. 38 破壞12 28. 44 29. 42 35. 00 35. 00 100. 00 0. 25 穩(wěn)定13 20. 00 0. 00 24. 50 20. 00 8. 00 0. 35 穩(wěn)定

13、14 18. 00 5. 00 30. 00 20. 00 8. 00 0. 30 穩(wěn)定15 27. 00 40. 00 35. 00 43. 00 420. 00 0. 25 破壞16 31. 30 58. 80 35. 50 47. 50 438. 50 0. 25 破壞17 27. 00 37. 50 35. 00 37. 80 320. 00 0. 25 穩(wěn)定18 27. 00 32. 00 33. 00 42. 60 301.

14、 00 0. 25 破壞19 27. 00 32. 00 33. 00 42. 40 289. 00 0. 25 穩(wěn)定20 27. 30 31. 50 29. 70 41. 00 135. 00 0. 25 穩(wěn)定21 21. 40 10. 00 30. 34 30. 00 10. 00 0. 25 穩(wěn)定22 31. 30 68. 00 37. 00 46. 00 366. 00 0. 25 破壞23 20. 00 0. 00 36. 0

15、0 45. 00 50. 00 0. 25 破壞24 12. 00 0. 00 30. 00 45. 00 4. 0 0. 20 穩(wěn)定25 25. 00 46. 00 35. 00 50. 00 284. 00 0. 25 穩(wěn)定26 22. 00 20. 00 36. 00 45. 00 50. 00 0. 25 破壞4 ? 邊坡穩(wěn)定性模式判別根據(jù)表 1 提供的樣本編制計算程序進(jìn)行計算,可得到圓弧破壞聚類模式及相應(yīng)的聚類中心( 如表2

16、所示) 。對于一待判別的樣本 x i , 預(yù)報其穩(wěn)定性, 即判斷它隸屬于哪一類模糊模式。利用本例的聚類模型即可以對可能產(chǎn)生圓弧破壞的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價, 即求出該樣本到各模糊模式的歐氏距離, 其與某個模式最接近即屬于該類, 從而可對該邊坡穩(wěn)定性作出判斷和預(yù)報。選取文獻(xiàn)[ 1] 中若干樣本進(jìn)行驗證, 發(fā)現(xiàn)該聚類模型準(zhǔn)確率較高, 效果良好。表 2 ? 圓弧破壞的聚類模式及其聚類中心模 式?/ (kN? m - 3)C/ kPa?/(? )?

17、 r/ (? )H/ m r u 穩(wěn)定狀態(tài) 所含樣本1 27.07 27.79 30.08 41.29104. 70 0.25 穩(wěn)定 3/ 9/ 12/ 202 18.70 9. 90 26.24 27.58 12.39 0.30 穩(wěn)定 1/ 2/ 10/ 13/ 14/ 21/ 243 29.81 55.97 35.93 45.61 324.1 0.25 破壞 8/ 15/ 16/ 224 26.01 45.34 34.33 44.2

18、4 239.2 0.25 穩(wěn)定 4/ 5/ 6/ 7/ 17/ 18/ 19/ 255 21.46 4. 65 32.51 37.66 60.59 0.31 破壞 11/ 23/ 265 ? 結(jié)? 論( 1) 巖土質(zhì)邊坡是一種自然地質(zhì)體, 其穩(wěn)定性在很大程度上是不確定性問題, 具有模糊性, 因而模糊聚類分析是邊坡穩(wěn)定性分析的有效途徑之一, 值得推廣應(yīng)用。( 2) 由于該聚類模型的知識來自邊坡工程的穩(wěn)定及失穩(wěn)破壞實例, 因而評價結(jié)果的準(zhǔn)確

19、性在很大程度上取決于所選樣本的代表性和所考慮因素的全面性。( 3) 通過實例驗證, 該模糊聚類模型具有較高的可靠性與實用性, 其結(jié)果對邊坡穩(wěn)定性預(yù)測和治理工作具有一定的指導(dǎo)意義。參? 考? 文? 獻(xiàn)1? N K 薩赫 ? 邊坡 穩(wěn)定性 的最大 似然估 計 ? 國外金 屬礦山, 1995( 3) : 6~ 112? 馮得益, 樓世博, 等 ? 模糊數(shù) 學(xué)方法與 應(yīng)用 ? 北京: 地震出版 社,19833? 李彰明 ? 模糊分析在邊坡穩(wěn)定性

20、 評價中的 應(yīng)用 ? 巖 石力學(xué)與 工程學(xué)報, 1997(5) : 490~ 495( 收稿日期 2000?06?22)( 上接第 8 頁)產(chǎn)自己的定型產(chǎn)品, 實現(xiàn)轉(zhuǎn)產(chǎn)自救。井陘礦務(wù)局原機(jī)修廠引進(jìn)渣漿泵生產(chǎn)技術(shù), 成功地發(fā)展成為工業(yè)泵廠并取得良好經(jīng)濟(jì)效益, 為礦山開創(chuàng)了一條新的途徑。2?4 ? 抓住西部開發(fā)契機(jī), 實現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移西部大開發(fā)是 21 世紀(jì)初我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項重大舉措, 對于欠發(fā)達(dá)的西部地區(qū), 在水、 電、 路、 通訊等基礎(chǔ)設(shè)

21、施建設(shè)之后, 資源開發(fā)將勢在必行, 因此, 末期礦山應(yīng)充分利用各地政策, 結(jié)合自身在礦山建設(shè)、 生產(chǎn)等方面的優(yōu)勢及閑置的礦山設(shè)備, 聯(lián)合西部地區(qū)的資源優(yōu)勢, 以合資、 承建、 承包經(jīng)營等多種形式, 搶先向西部資源豐富的省份發(fā)展, 實現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移, 并為西部開發(fā)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。3 ? 結(jié)? 語末期礦山如何求得生存與發(fā)展, 是礦山企業(yè)遲早要面臨的問題, 因此, 采取多種形式、 多種渠道提高經(jīng)濟(jì)效益, 實現(xiàn)轉(zhuǎn)產(chǎn)自救和發(fā)展, 是延長企業(yè)壽命、 解