（岩土工程专业论文）基于位移监测信息的岩石高边坡安全评价理论和方法研究.pdf

摘要 变形稳定是岩石高边坡安全稳定的一个重要方面，了解边坡在不同时期的变形状 态对于评价边坡的安全稳定性具有重要的意义。安全监测作为正确评价边坡安全状态 变化过程的手段，在岩石高边坡工程中逐步得到广泛的应用。由于边坡问题的复杂性， 深入开展对边坡安全监控理论和方法的研究，系统的分析所获得的监测信息显得十分 重要。本文在进行大量国内外文献阅读的基础上，基于实际高边坡工程的大量位移监 测数据，对边坡安全控制理论和方法的一系列问题进行了系统研究，主要研究工作和 成果如下： ( 1 ) 对观测中的误差对结果分析和参数反演的影响进行了分析，结合边坡工程的 特点，提出了位移监测点的布置原则。在实际工程中可以借助敏感性分析和数值计算 来指导边坡位移监测点的布置。 ( 2 ) 观测数据中的粗差对分析结果将造成不利的影响，传统的基于数理统计理论 的误差处理方法很难有效的评定边坡位移数据中的异常信息。因此基于现代误差理论， 将未确知数学引入到位移观测数据的误差分析中，使用改进的未确知滤波法对数据进 行处理。实例研究表明，该方法能较准确的识别出粗差和变形异常值。 ( 3 ) 边坡变形可以看作是岩土体流变特性和外界因素内外因共同作用的结果。在 对大量外观变形数据进行分析的基础上，建立了描述岩质边坡自身的时效变形特性的 统计模型，并使用置信区间法和小概率法对监测数据中的异常变形值进行了分析。针 对某些波动较大的残差序列，采用周期函数提取残差中的趋势项，分析影响边坡变形 的外界因素，并对统计模型进行了改进。 ( 4 ) 对边坡的变形监控指标进行了研究。将位移观测数据看作由初始变形分量、 时效变形分量和测量误差分量三部分组成，推导出当边坡处于不同阶段的位移标准差 的门槛值，通过考察数据序列的标准差可以判断出边坡处于何种变形阶段。对时效变 形明显的边坡，通过构造稳定系数r 来考察位移均值的增长趋势，通过变异系数考察 数据的离散性。若稳定系数较高，而变异系数较小，则说明边坡的位移变化比较正常。 在对位移量进行分析的同时，综合考虑了位移变形的方向以及位移速率，使用多参数 监控指标对实际工程中边坡的外观数据进行了分析。研究表明若几个指标同时出现异 常。则应该对边坡变形进行密切关注。 ( 5 ) 采用安全系数法对边坡的极限状态进行了研究。针对不同类型的边坡，使用 强度折减法和极限平衡法计算其安全系数。针对边坡失稳属于大变形问题的特点，采 用f l a c 程序中的强度折减法计算边坡失稳时的强度储备安全系数和最危险滑动面的 位置。此外，通过考察边坡局部水平位移灵敏度随折减系数的变化曲线来确定边坡的 局部安全系数，从而更全面的了解岩质边坡从整体到局部的安全稳定性。针对极限平 衡分析中计算参数不确定性的问题，将参数作为盲数处理，并对极限平衡方法进行了 改进。 ( 6 ) 针对现场监测数据样本的大小不同，使用不同的方法对大样本数据和小样本 数据进行预测。当监测数据比较丰富时，采用多项式模型来描述不同时间观测值之间 的函数关系，并使用算法进行模型的优化，寻找出最佳的多项式模型。当监测数据较 少时，使用灰色预测方法针对非等时距的观测数据序列进行预测。当预测效果不理想 时，使用改进的加权灰色预测方法提高预测精度。 ( 7 ) 利用变形相应率对边坡失稳问题进行了研究。边坡的变形可以理解为广义荷 载下的响应，通过研究边坡不同时期的变形响应对荷载变化的响应率可以判断出边坡 何时发生失稳。将响应率同边坡位移观测资料相结合，选择稳定状况良好的测点为参 考点。将其他测点的位移增量同参考点的位移增量进行比较，计算出各测点相对稳定 点的变形响应率，然后根据响应率的变化情况来进行边坡的失稳预报。 ( 8 ) 基于安全监测成果建立了边坡综合评价体系，根据监控分析结果提出了底 层指标的评分准则。使用属性识别方法对边坡综合评价问题进行了研究，得到的结果 能较全面的反映边坡状态的多样性。为了对同一边坡不同时期的状态进行定量比较， 将突变数学理论引入到多准则综合评价中，以减少目前评价方法中由于权重确定带来 的主观性。将不同时期的边坡的总突变值进行比较分析，可以得出边坡安全状态的发 展趋势。 关键词：边坡工程，安全监测，测点布置，粗差识别，监控模型，监控指标、 安全系数，变形预测，综合评价 a b s t r a c t t h es t a b i l i t vo fr o c ks l o p ee s s e n t i a l l yd e p e n d su r i o nd e f o m a a t i o n i n q u i r i n gt h e d e f o r m a t i o nc o n d i t i o no fs l o p ei nd i f f e r e n tp h a s ei si m p o r t a n tt oa p p r a i s i n gt h es t a b i l i t yo f s l o p e a st h ei m p o r t a n tt o o lo fe x a c t l ye v a l u a t i n gt h ea l t e r a t i o no ft h es l o p es t a t u s s a f e m o n i t o r i n gh a sb e e l lp r a c t i c e di nm a n yh i 曲s l o p ep r o j e c t s d u et ot h ec o m p l e x i t yo fs l o p e ， 也er e s e a r c ho nt h em o n i t 6 r i n gt h e o r yi sn o ts y s t e m a t i c a n dt h ea n a l y s i so fm o n i t o r i n gd a t a i sn o tp r o f o a n d o nt h eb a s i so fr e f e r r i n go nl a r g en u m b e ro fc o r r e l a t i o nl i t e r a t u r e t h i s d i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h et h o r o u g ha n a l y s i so fm o n i t o r i n gd i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o no f m a j o rs l o p ee n g i n e e r i n g a n dp r e s e n t sat r i a ls t u d yo nt h et h e o r yo fm o n i t o rc o n t r 0 1 n l e m a i nc o n t e n t sa n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) n ei n f l u e n c eo fe r r o ri nt h eo b s e r v a t i o n 幻t h es l o p eb c h a v i o ra p p r e c i a t i o na n d p a r a m e t e rb a c ka n a l y s i si sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fs l o p ep r o j e c t t h e r u l eo fd i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n gp o i n t sa r r a n g e m e n ti s p u tf o r w a r d i np r a c t i c et h e a r r a n g e m e n tc a nb ed i r e c t e dt h r o u g hs e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x a m p l e s t u d ys h o w st h a tt h ea b n o r m a ld e f o r m a t i o nc a nb ed e t e c t e di nt i m ei fm o n i t o r i n gp o i n t sa r e l o c a t e do nt h ep o s i t i o ns e n s i t i v et od i s p l a c e m e n tv a r i a t i o n a n dt h er e l i a b i l i t yo fb a c k a n a l y s i sc a nb ei m p r o v e di ft h em o n i t o t i n gp o i n t sa r es e to nt h el o c a t i o nt h a ts e n s i t i v et o p a r a m e t e rv a r i a t i o n ( 2 ) n t ee r r o ri nt h em o n i t o r i n gd a t am a yi n f l u e n c et h ea c c u r a c yo fd a t aa n a l y s i s ，s oi t i sn e c e s s a r yt or e c o g n i z et h er o u g he r r o ra n dp i c ko u t h o w e v e lt h et r a d i t i o nm e t h o d s d e a l i n gw i t he r r o ri sn o ts u i t a b l et ot h ed a t ao fs l o p ed i s p l a c e m e n t s ot h eu n c e r t a i nf i l t e r i n g m e t h o di nt h eu n c e r t a i n t ym a t h e m a t i c si si n t r o d u c e d a n dt h ei m p r o v e df i l t e r i n gm e t h o di s u t i l i z e di nt h ed a t at r e a t m e n t c a s es t u d yi n d i e a t e st h a tr o u g he r r o ra n de x c e p t i o n d e f o r m a t i o nv a l u ec a t lb ei d e n t i f i e db yt h i sm e t h o d f 3 ) t h ed e f o r m a t i o no fs l o p ei sc o m p o s e do ft w op a r t s ：t h er h e o l o g i cf e a t u r eo f m a t e r i a la n dt h ei n f l u e n c eo fe x t e m a lc o n d i t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fl a r g ea m o u n to f s u r f a c em o n i t o r i n gd a t a t h es t a t i s t i cm o d e ld e s c r i b i n gt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e ro fr o c k s l o p ei sp u tf o r w a r d n l ea b n o r m a ld e f o r m a t i o nv a l u ei nt h em o n i t o r i n gd a t ai sa n a l y z e db y t h ef i d u c i a li n t e r v a lm e t h o da n dl i t t l ep r o b a b i l i t ym e t h o d 1 kt r e n di nr e s i d u a le r r o ri sf i t t e d b yp e r i o d i cf u n c t i o n a n dt h em o d e l i sm o d i f i e d ( 4 ) t h ed e f o r m a t i o nc o n t r o lc r i t e r i o ni sr e s e a r c h e d t h ed e f o r m a t i o nd a t ai sc o m p o s e d o ft h r e ep a r t s ：s t a b l ed e f o r m a t i o nv a l u e 。t h e o l o g i c a ld e f o t i n a t i o nc o m p o n e n ta n dm e a s u r e e r r o r t l l r e s h o l dv a l n eo fs t a n d a r dd e v i a t i o ni nd i f f e r e n tp h a s ei sd e d u c e d a n dt h ep h a s eo f s l o p ed e f o r m a t i o nc a nb ej u d g e db yc o m p u t i n gt h es t a n d a r dd e v i a t i o no fd a t as e r i e s 珊l c a t h es l o p ei si nr e m a r k a b l ed e f o r m a t i o ns t a g e t h ei n c r e a s i n gt r e n do fd i s p l a c e m e n tm e a n v a l u e sc a nb ee v a l u a t e db ys t a t i s t i c a lq u a n t i t y f n ，a n dd i v e r g e n c eo f d a t ac a l lb ee v a l u a t e db y c o e f f i c i e n to f v a r i a t i o n i f t h ev a l u eo fs t a t i s t i c a lq u a m i t y ( r ) i sh i g ha n dv a l u eo ft o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o ni ss m a l l t h es l o p ed e f o r m a t i o ni sr e g u l a r 0 nt h eb a s i so f a n a l y z i n gd i s p l a c e m e n t q u a n t i t y , t h ed i s p l a c e m e n td i r e c t i o na n ds p e e dr a t ei sc o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l y a n dt h e s u r f a c ed i s p l a c e m e n td a t ao fp r a e t i c a le n g i n e e r i n gi sa n a l y z e dt h r o u g ht h em u l t i p a r a m e t e r i n d e x f 5 1t h el i m i ts t a t eo fs l o p ei sr e s e a r c h e db ym e a n so fs a f ef a c t o t s a f ef a c t o r sc a nb e o b t a i n e db ys t r e n g t hr e d u c em e t h o da n dl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，d e p e n d i n go nt h es l o p e t y p e d u et ot h ef e a t u r et h a ts l o p ed e f o r m a t i o ni sb i gb e f o r ec o l l a p s e ，t h es a f ef a c t o ra n dt h e p o s i t i o no fd a n g e r o u sf a i l u r ep l a n ei sc o m p u t e dt h r o u g l lf l a cc o d e b e s i d e s ，t h el o c a ls a f e f a c t o rc a l lb ed e f i n e db yp l o t t i n gt h ec u r v eb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n ts e n s i t i v i t ya n d r e d u c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h u st h eo v e r a l ls t a b i l i t yo fs l o p ec a nb ee v a l u a t e d o na c c o u n to ft h e p r o b l e mt h a tt h ep a r a m e t e r si nt h e1 i m i te q u i l i b r i u mm e t h o di sh a r dt od e t e r m i n e t h eb l i n d d a t ai si n t r o d u c e dt od e a lw i t ht h eu n c e r t a i n t yi np a r m n o e r s ，a n di m p r o v e m e n th a sb e e n m a d et ot h i sa s p e c t ( 6 ) d i f f b r e n tf o r e c a s t i n gm e t h o di su s e da c c o r d i n gt od i f i e r e n ts i z eo f m o n i t o r i n gd a t a w h e nm o n i t o r i n gd a t as e q u e n c ei sl o n g t h er e l a t i o nb e t w e e no b s e r v a t i o nv a l u ei sd e s c r i b e d w i t hp o l y n o m i a l a n dp s oa l g o r i t h mi su s e di nm o d e lo p t i m i z a t i o n w h e nt h es a m p l ed a t ai s s m a l l t h ei m p r o v e dg r e ym o d e li su s e di nt h ef o r e c a s t i n go fi n e q u a l i t yt i m ei n t a l v a ld a t a t h eo r i g i n a ld a t ac a nb eh a n d l e dw i t hw e i g h t i n gm e t h o di no r d e rt oi n c r e a s et 1 1 ep r e c i s i o no f f o r e c a s t i n g f 7 ) t h ef o r c a s t i n go fs l o p ec o l l a p s ei sr e s e a r c h e dv i ad e f o i t i i a t i o nr e s p o n s er a t i o n d e f o r m a t i o no fs l o p ec a nb es e e na sr e s p o n s et og e n e r a l i z e dl o a d n ef a i l u r et i m ec a nb e j u d g e dt h r o u g hc o m p u t i n gr e s p o n s er a t i oo fd e f o r m a t i o nt ol o a di nd i f f e r e n tt i m e 1 1 l e m o n i t o r i n gp o i n tw h e r ed e f o r m a t i o ni si n s a f es t a t ei sc h o s e na sb a s ep o i n t a n dt h e d i s p l a c e m e n tc h a n g eo fb a s ep o i n ti s t r e a t e da st h ec h a n g eo fe x t e m a ll o a d m a k e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n ti n c r e m e n t so fo t h e rm o n i t o r i n gp o i n t sw i t ht h a to f b a s ep o i n t a n dc a l c u l a t et h er e s p o n s er a t i o n n l e na c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fr e s p o n s e r a t i o nt h ef a i l u r ef o r e c a s t i n gc a nb ep e r f o r m a t e d f 8 1t h ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ts y s t e mi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fm o n i t o r i n g i n f o r m a t i o no ns i t e a n dt h er o l eo f p o i n tr a t i n ga b o u tb o t t o mi n d e xi sb r o u g h tf o r t h i no r d e r t og e tt h ea p p r a i s a lt h a tr e f l e c tt h ed i v e r s i t yo ft h es l o p ec o n d i t i o n ，a t t r i b u t er e c o g n i t i o n t h e o r yi si n t r o d u c e di nr e s e a r c h n er e s u l to fa t t r i b u t ec o g n i t i o ni sq u a l i t a t i v e s oi ti sn o t e a s yt om a k eq u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o nw i t ht h es l o p ec o n d i t i o n si nd i f f e r e n tt i m e s t h e c a t a s t r o p h et h e o r yi su s e di nt h ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ta n dt h es p e c i a l t yo fc a t a s t r o p h e t h e o r yi nt h em u l t i r u l ea s s e s s m e n ti su t i l i z e dt oa v o i dt h es u b j e c t i v i t yo fa r t i f i c i a lw e i g h t a t i e rs t a n d a r dq u a n t i z i n go fb o t t o ma s s e s s m e n ti n d e x ，t h eu l t i m a t ec a t a s t r o p h ev a l u ei s o b t a i n e d t h r o u g hq u a n t i t a t i v ec o m p u t i n gb yt h en o r m a l i z a t i o n f e r m u l ao fd i 位r e n t c a t a s t r o p h em o d e l t h u st h ed e v e l o p m e n to fs t a b l es t a t u so ft h es l o p ec a l lb eo b t a i n e db y c o m p a r i n gu l t i m a t ec a t a s t r o p h ev a l u e so f d i f i e r e n tt i m e s k e yw o r d s ：s l o p ee n g i n e e r i n g ，s a f em o n i t o r i n g ，m o n i t o r i n gp o i n ta r r a n g e m e n t ， e r r o rr e c o g n i t i o n ，m o n i t o r i n gm o d e l ，m o n i t o r i n gi n d e x ，s a f ef a c t o r , d e f o r m a t i o nf o r e c a s t ，c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t 前言 监测技术在高边坡安全稳定的评价中得到了越来越多的重视。随着水电能源开发 等工程实践的深入，边坡安全监测在监控系统设计、监测仪器布置、监测信息分析、 高新技术应用、反馈分析设计等多个方面都取得了长足的进步。目前，安全监测已成 为正确评价边坡安全状态、指导施工设计及运行的重要保障，在重要的边坡工程中得 到了普遍应用。但由于岩石边坡常处于复杂的地质环境和工程环境中，发现监测数据 中隐含的边坡变形规律特点成为难点。目前监测技术虽然发展较快，但对监测资料的 分析研究还需要进一步系统深入开展。根据监测成果分析评价边坡的安全状态并进行 预警显得十分重要，有必要加强在岩石高边坡监测反馈分析及监控理论方面的研究。 本文依托国家自然科学基金重点项目( 5 0 5 3 9 1 1 0 ) ：岩石高边坡失稳的大型滑坡 预警和防治，结合锦屏一级水电站等重大工程，从位移监测点的布置、原始监测数据 的误差分析、时效变形统计模型的建立、多参数监控指标的拟定、预测及预报方法、 基于监测信息的综合评价等方面对岩石高边坡的变形控制和安全评价问题进行了系统 研究，主要研究成果如下： ( 1 ) 分析了测量误差对反馈分析结果和参数反演的影响，提出了基于敏感性分 析和数值计算的位移监测点布置原则。参照现代误差理论，使用未确知数学中的未确 知滤波法对数据进行处理，识别观测值中的粗差和异常变形值。 ( 2 ) 以实际工程的监测资料为研究对象，建立了描述边坡变形的统计模型，通 过统计模型来描述边坡的时效变形特性。对残差变化较大的测值序列，采用周期函数 提取其中趋势项，并分析外界因素对边坡变形的影响。 ( 3 ) 将位移测值视作由不同分量组成，推导出当边坡处于稳定阶段和时效变形 阶段的标准差门槛值。对时效变形明显的边坡，通过构造统计量r 来考察测值序列均 值的移动性；通过变异系数考察测值序列的离散程度。在对位移量进行分析的同时， 综合考虑位移变形的方向及位移速率，给出了多参数监控指标。另外，采用强度折减 法对边坡极限状态下的整体和局部安全系数进行研究；针对极限平衡分析法中参数难 以确定的问题，采用盲数方法对其进行了改进。 ( 4 ) 针对现场监测数据的不同，采用不周的方法对大样本和小样本情况进行预 测。通过将边坡不同部位测点的位移增量同稳定点的位移增量进行比较来计算各测点 的变形响应率，根据响应率的变化情况来进行边坡的失稳预报。 ( 5 ) 建立了基于安全监测的边坡工程安全综合评价体系，提出了底层指标的评 分方法。分别使用属性识别方法和突变数学方法对边坡综合评价问题进行了研究。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年6 月2 0 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月2 0 日 第1 章绪论 1 1 研究背景与研究意义 2 0 世纪8 0 年代以来，我国已经成为世界上具有最大规模水电能源开发和土木建设 工程的国家，随之在不同领域也带来了众多的高边坡工程。然而我国地形地质条件复 杂，尤其是西南地区由于受到高原地质活动的影响，形成了高山峡谷的地貌特征，不 仅蕴藏了金沙江、雅砻江、澜沧江等丰富的水能资源，也构成了大量的高陡边坡。从 而给修建大型水利水电工程，如金沙江溪洛渡水电站和雅砻江锦屏水电站等带来了前 所未有的高边坡稳定性问题。在大规模工程建设中，岩质高边坡一方面作为工程建筑 物的基本环境，工程建设会在很大程度上打破原有自然边坡的平衡状态，使边坡偏离 甚至远离平衡状态，控制与管理不当会带来边坡变形与失稳，形成边坡地质灾害；另 一方面，它又构成工程设施的承载体，工程的荷载效应可能会影响和改变它的承载条 件和承载环境，从而反过来影响边坡的稳定性。因此，岩质高边坡的稳定问题不仅涉 及到工程本身的安全，同时也涉及到整体环境的安全；岩质高边坡的失稳破坏不仅会 直接摧毁工程建设本身，而且也会通过环境灾难对人民生命财产安全带来影响和灾害。 因此，岩质高边坡稳定性的研究已经成为我国2 l 世纪岩土工程领域的热点和难点科学 与工程技术问题。 造成边坡失稳的原因十分复杂，而且重点边坡的失稳一般将造成严重的后果。1 9 0 3 年阿尔伯达州的龟山发生了大滑坡，造成7 0 余人的伤亡，淹没铁路2 3 0 0 多米；1 9 5 4 年建成的坝高6 6 5 米的法国马尔巴塞( m a l p a s s e t ) 双曲拱坝，在扬压力的作用下，左 坝肩部分岩体产生了不均匀变形和滑动，并于1 9 5 9 年1 2 月突然溃决，造成5 0 0 余名 士兵死亡，直接经济损失达6 8 0 0 万美元；1 9 6 3 年l o 月当时世界上最高的拱坝，2 6 3 m 高的意大利v a j i o n t 拱坝在蓄水时，左岸发生2 5x1 0 8m 3 的大型滑坡，引起的涌浪造成 下游数千人死亡【l 】。以上这些边坡灾害造成的巨大损失同缺乏安全监测，没有进行及时 预报有着直接关系。目前，边坡失稳已经和火山、地震并列为当今三大地质灾害源1 2 1 。 据统计，我国的滑坡、崩滑和泥石流等边坡地质灾害正随着工程建设和资源能源的开 发而加剧，每年由此造成的损失近3 0 0 亿元网。 岩质边坡工程的失稳破坏，一般都有从渐变到突变的发展过程和破坏前的某种前 兆。但由于高边坡稳定的影响因素复杂，边坡岩土体的力学参数和稳定状态不仅难以 确定，而且也不是一成不变的 4 1 ，因此单凭人们的直觉和经验难以发现边坡状态的发展 过程，必须依靠设置各种监测仪器对岩土体进行周密的监测。安全监测由于其能够得 到坡体在不同时间的真实状态且适合做长期评价，已成为判断坡体稳定状态的一个重 要方法1 5 】。通过合理的设计安全监测系统、选择正确的安全监测方法、及时准确的整理 分析监测资料，可以及时掌握边坡的工作性态，除了确保其安全性之外，还能为诊断、 预测、研究提供直接可靠的保证。在我国有很多比较成功的案例，例如：1 9 8 5 年6 月 1 2 日在长江三峡的新滩，发生大滑坡，2 0 0 0 万m 3 的堆积体连带新滩古镇一起滑入江 中，使航道受阻，但由于进行了长期监测，使得新滩滑坡得到了及时预报，避免了重 大的人员伤亡；天山桥二级电站下山包滑坡根据监测资料进行了及时治理，使滑坡没 有发生；湖北鸡鸣寺于1 9 9 1 年6 月2 9 日发生滑坡，由于预报准确，没有造成人员伤 亡；二滩水电站2 号尾水渠边坡，坡高1 5 0 m ，总体坡度达6 3 度，边坡在下挖过程中 变形明显，根据监测资料的分析研究，基本上掌握了边坡变形的机理、变形范围与深 度及发展变化趋势，及时并有效地采取了加固处理措施，避免了工程事故的发生。 通过以上正反两方面的案例可以看出，安全监测对边坡工程起到了十分重要的作 用，具体说来有以下几个方面 6 j ：( 1 ) 评价边坡在施工及运行过程中的稳定状态，并作 出及时反馈，为改进旌工和设计提供可靠的依据，对可能出现的险情进行及时预报；( 2 ) 为防治滑坡及可能的滑动和蠕动变形提供依据，预测和预报边坡的变形发展趋势，并 通过监测对岩土体的实效特性进行研究；( 3 ) 对已经发生滑动破坏和加固措施的滑坡， 监测数据是评价防治工程效果的重要依据；( 4 ) 通过对监测数据进行反演分析，为数 值模拟计算提供可靠的岩土体特征参数。 从8 0 年代开始，边坡监测工作在水电工程和交通工程等建设中得到了逐步的重视。 在水利水电中的很多工程都非常重视边坡监测，如隔河岩、小浪底、五强溪、二滩、 三峡、李家峡、天生桥等，都根据工程情况对开挖边坡和滑坡开展了安全监测。但就 目前的发展水平而言，安全监测仍仅能实现对现象( 响应量) 或作用因素( 原因量) 的观测。虽有大量观测数据，仍难以对工程的安全状况进行直接的评判，而且它们之 间相关性的建立是十分复杂和困难的。特别是对于岩质边坡工程安全监控模型的研究， 无论是安全评判模型，还是安全稳定性预测预报模型，其困难之处不仅在于地质条件 复杂、影响因素众多，还在于理论上、方法上的不成熟。因此，加强边坡安全监测设 计和监测数据的分析处理，从监测资料中获得反映边坡状态的有用信息：根据实用的 安全监控模型，对边坡进行及时的预测预报，并基于安全监测资料对边坡进行综合稳 定性评价，对于重大工程的高边坡的稳定评价具有十分重要的现实意义和科学研究意 义。 1 2 安全监控的主要研究内容与现状 水电工程是开展安全监测较早的领域之一，在2 0 世纪5 0 年代我国就已经在岩石 工程中进行安全监测工作。岩体边坡、滑坡的监测是随着水利工程的兴建或滑坡事件 的发展而开展起来的即，也借鉴了许多水电工程安全监控的理论和方法。因此在回顾安 全监测及监控在岩土工程的发展现状时先介绍一下大坝等建筑物安全监控的研究内容 与现状。 安全监测与控制的研究工作可以大致分为几个方面：观测资料的误差处理与分析， 2 监测资料的分析与建模，基于监测的反演及反馈分析，安全综合评判与决策i s , 9 1 。几个 方面的内容相互联系，构成了安全监控的基础理论框架体系 1 2 1 观测资料的误差分析与处理 在利用安全监测资料进行正反分析前，首先应对原始测值资料进行误差处理与分 析，一般可将安全监测数据的误差分为系统误差、随机误差和粗差三类。随机误差由 随机因素造成，其符号和绝对值大小无规律，但随着监测次数的增加，一般认为随机 误差呈正态分布。粗差主要是指在观测中，由于观测者的不仔细，或者环境条件突变、 仪器不稳定等因素，使观测误差不符合某种统计分布的规律，通常属于测量错误。系 统误差是由于测量仪器原因、测量基准的变化和外界条件的影响而产生的误差。目前， 观测值系统误差的检验，一般根据观测值的统计特性构成相应的统计量，再根据其概 率分布特性做出检验假设，通过实际计算值与分位值的比较做出判别。常用的检验方 法有：u 检验法、方差检验法、啦验法等。在测量过程中，应当剔除粗差，消除或削 弱系统误差，使观测值中仅含随机误差【l o 】。 国内外主要采用最小二乘法对监测数据进行处理。最小二乘法假定观测值中仅含 偶然误差，这在实际上是不可能的，为此，产生了研究系统误差和粗差的新理论。目 前，处理系统误差的较有效方法是附加参数法；对粗差的处理方法有两种，一是仍然 属于最小二乘法范畴的数据探测法，二是有别于最小二乘法的抗差估计法或稳健估计 法l “j 。另外，数字滤波法和动态样本分位值法在监测数据分析中也有应用【1 2 ”】。 1 2 2 监测资料的分析与建模 监测资料的分析方法可粗略的分为以下几类： ( 1 ) 定性的常规分析方法，比较法、作图法、特征值统计法和测值因素分析法等。 ( 2 ) 定量的数学模型分析方法。如统计分析方法、时间序列分析法等。 ( 3 ) 数学物理模型分析方法。如确定性模型和混合性模型分析。 1 2 2 1 常规分析方法 定性的常规分析方法中使用最多的是比较法。它是将监测物理量进行对比、监测 成果与理论的试验成果相对照，分析检验监测物理量的大小和变化规律与趋势是否有 一致性与合理性；将监测值与规范及理论计算值对比，作出安全评估与安全预警。这 种方法在许多滑坡分析中得到了应用，取得了较好的效果4 l 。现场常用的分析方法还 有作图法特征值统计法。作图法是根据监测资料画出相应的过程线图、相关图、分布 图及综合过程线i l 别，分析其变化规律和趋势。特征值一般是指可用于揭示监测物理量 期奠 ，叫d 螗史 变化规律特点的数值，特征值统计法是借助对特征值的统计与比较辨识监测物理量的 变化规律是否合理并得出相应的分析结论。 1 2 2 2 数学模型分析方法 安全监测由于在现场布置，影响测值的因素复杂，监测数据中不可避免的存在观 测误差，存在不确定性，可以当作随机变量处理。统计分析方法就是采用概率论、数 理统计、随机过程等统计分析技术，把监测数据作为随机变量来处理分析的数值计算 方法。目前工程界处理分析监测资料的常用统计分析方法有：统计回归、时序分析、 模糊数学、灰色系统、神经网络等。 统计回归分析在监测数据分析中应用最为广泛【l 每1 8 1 ，它可以分析各种监测数据与 其他监测量及一些影响因素间的定量关系；可以对各种影响因素进行显著性分析，区 分各影响因素的主次关系，便于在分析中抓住主要矛盾；还可以利用统计得到的关系 式判断工程的稳定状态，进行安全监控与预报。中村庆一等1 19 】采用多元回归分析建立 位移统计方程，在众多相关因子中分析得到对位移有显著影响的因子，并对方程进行 有效性统计分析。黄铭，葛修润等采用多元逐步回归分析建立既能反映位移大小、方 向随水压、温度和时间变化的规律，又能反映位移在区域内的分布情况的模型 2 0 1 。徐 洪钟，吴中如提出偏最小二乘法多元回归方法，解决了自变量之间的多重共线问题f 2 ”。 针对不同时间段信息在统计回归等分析中的作用不同的问题，加权分析新息数据的思 想被应用到统计回归分析中来1 2 2 。一般来说，当监测的原因量和效应量之间的关系比 较清楚时，用统计分析能得到较好的效果。 时间序列分析是概率统计学科的一个分支，它是运用概率统计的理论和方法来分 析随机数据系列，并对其建立数学模型，进行参数估计，对模型进行定阶，并进一步 应用于预报、预测、自适应控制等方面。时间序列分析方法最早起源于1 9 2 7 年，数学 家耶尔( y u l e ) 提出建立自回归( a r ) 模型来预测市场变化的规律。1 9 3 1 年，另一位 数学家瓦尔格( w a l k e r ) 在a r 模型的启发下，建立了滑动平均( m a ) 模型和自回归、 滑动平均( a r m a ) 混合模型，初步奠定了时间序列分析方法的基础。2 0 世纪6 0 年代， 时间序列分析理论和方法迈入了一个新的阶段，伯格( b u r g ) 在分析地震信号时最早 提出最大熵谱( i v i e s ) 估计理论。到2 0 世纪7 0 年代以后，随着信号处理技术的发展， 时间序列分析方法不仅在理论上更趋完善，尤其是在参数估计算法、定阶方法及建模 过程等方面都得到了许多改进，逐渐成为随机数据序列不可缺少的有效工具之一。由 于它能以较高的精度进行短期预测，具有表达简洁等特点，被广泛应用于社会、自然、 工程等领域田l 。目前常使用的时间序列模型有自回归模型(