（岩土工程专业论文）基于gis的滑坡预测预报模型库的开发及应用研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 摘要 滑坡是一种十分严重的闩然灾害，它给人类带来的损失巨人。对滑 坡进行预测预报是减灾防灾的重要措施之一。然而至今，还没何形成一 套系统、完善和成熟的理论方法体系米进行滑坡预报。 考虑剑各种预测预报理论模型的局限性，本文从前人的理论模型中 选出r 等维灰数递补动态预测模犁、指数平滑预报模型、v e r h u l s t 及 v e r h u l s t 反函数预报模型、趋势移动平均法预报模艰、“成长”曲线预报 模艰等几种模型建成预测预报模型库，以m a p i n f o 舟、i 台，利用v b 60 语言开发研制了基于g i s 的滑坡预测预报软件系统。拟从不同角度、不 同阶段、用不同的参数对各种滑坡的变形趋势、临滑以及失稳进行分析 预报和综合判断。利用多种模璎进行对比分析，采用不同的手段进行资 料处理，使滑坡分析预报更具可靠性与准确性。最后，利川本软件对链 子崖危岩体进行r 预测预报，取得了较好的效果。 关键词：滑坡；预测预报模型：g i s ：模型库 查堕堡三查兰堕主兰焦堡室 a b s t r a c t s l o p ew h i c hc a u s e dg r e a td a m a g ei sav e r ys e r i o u sd i s a s t e r l a n d s l i d e p r e d i c t i n ga n df o r c a s t i n g i so n eo fe f f e c tm e a s u r e st ol e s s e na n dp r e v e n t c a l a m i t y h i t h e r t o ，i ti sn o tf o r m e das y s t e m i c ，f i n i s h a la n dm a t u r et h e o r y m e t h o dt op r e d i c tl a n d s l i d e s c o n s i d e r i n gt h el i m i t so f a l lp r e d i c t i n gm o d e l s ，w es e l e c ts o m e k i n d so f m e t h o d sf o r mp r e d e c e s s o r ss t u d ys u c ha sg r e y m o v e m e n tf o r e c a s t i n g m o d e so f u n i f o r m l yf a c t a l 、e x p o n e n ts m o o t h i n gp r e d i c t i o n 、v e r h u l s tm o d e l f o r e c a s t i n g 、v e r h u l s t i n v e r s e f u n c t i o nf o r e c a s t i n g 、t r e n dp r e d i e t i o n 、 g r o w i n gm o d e lp r e d i c t i o na n ds oo nt ob u i l dam o d e lb a s e i ti sas o f t w a r e o f l a n d s l i d ep r e d i c t i o nw h i c hb a s e do ng i sa n dd e v e l o p e db yv b 6 0 b yt h i s s o f t w a r es y s t e m ，w ec a na c c u r a t e l yd e c i d et h es t a b i l i t ya n dd e s t r u c t i v et i m e o fl a n d s l i d ef o r md i f f e r e n ta s p e c to rd i f f e r e n tp h a s eo rd i f f e r e n tf o r e c a s t p a r a m e t e r s t h o u g hv a r i o u sm o d e l s a n dd i f f e r e n tm e t h o d so ft r e a t i n g m o n i t o r i n gd a t a s ，w e c a ni m p r o v eo u rp r e d i c t i n ge f f e c ta n da c c u r a c y f i n a l l y ， w ep r e d i c tt h el i a n z i y ab yt h i ss o f t w a r es y s t e ma n dd r a waw e l lc o n c l u s i o n k e yw o r d s ：l a n d s l i d e ：p r e d i c t i n ga n df o r e c a s t i n gm o d e s ： g i s m 0 d e lb a g e 1 1 太原理工大学硕士学位论文 第一章综述 第一节概述 论文研究的目的和意义 我国幅员辽阔，自然条件复杂，各种地质灾害广泛分布，并频繁发 生，已给国民经济建设和人民生命财产造成相当巨大的损失。其中以突 发性崩滑等灾害造成的经济损失和人员伤亡最为严重。随着大规模的上 地开发利用和重大建设工程活动的日益增加，这些人为工程活动影响下 的地质灾害也日益突出。因此，加强对崩滑灾害，特别是对崩滑的预测 预报的研究，对于我国防灾减害具有重大意义。 人们对于滑坡的认识较早，然而，对于作为滑坡研究的中心问题一 滑坡预测预报问题的研究起步却较晚，仅有3 0 余年的历史。这期间，广 大学者苦心追求和探索，滑坡预测预报理论和方法有了较大的发展，经 历了从现象预报、经验预报到统计预报、灰色预报、非线性预报的历程， 目前已经进入了系统综合预报、实时跟踪预报的阶段。 本论文是在对长江三峡链子崖危岩体形成机理、预警准则以及稳定 性的研究基础上，以地质条件为基础，在分析监测数据变化规律的前提 下，综合运用多种方法，建立基于g i s 的滑坡预测预报模型库，为专家最 终决策预警提供具有参考价值的数据、信息。 二、本论文的研究内容 ( 1 ) 在地质条件认识和监测数据处理分析的基础上，根据位移变形变 化规律，在不同的监测阶段，综合运用不同的数学模拟技术和方法，建 立合适的预测预报模型。 ( 2 ) 以m a p l n f o 为开发平台，利用v b 6 0 语言，开发研制滑坡灾害 预测预报模型库，模型库包括滑坡预报的各种确定性模型、非确定性模 型和类比分析法等。 太原理工大学硕士学位论文 第二节滑坡预测预报研究现状与发展趋势 一、滑坡预测预报研究现状 滑坡预报研究是滑坡研究的核心问题，起步于2 0 世纪6 0 年代。它 包括空间预报和时间预报两个方面，空问预报是确定不稳定斜坡所在位 置，时间预报是在空间预报的基础上确定滑坡可能发生的时间。由于滑 坡问题的复杂性，滑坡时间预报至今还是一个世界性的难题。儿十年来， 国内外许多滑坡专家潜心研究，不断探索，使滑坡预报的理论和方法有 了较大的发展，纵观其发展过程大致可分为三个阶段。 1 现象预报和经验式预报阶段 这一阶段处于2 0 世纪6 0 7 0 年代，滑坡预报主要以现象预报和经验 预报为主。人们利用滑坡的一些变形破坏现象和失稳的宏观前兆现象， 对滑坡失稳进行推断，显然这种方法只适用于有明显前兆的滑坡，预报 精度也不高。1 9 6 8 年日本学者斋腾迪孝通过大量的试验，提出了蠕变破 坏三阶段理论，建立了加速蠕变的微分方程，利用该模型曾于1 9 7 0 年对 日本的高汤山滑坡进行了成功的预报。此后，e h o e k 根据智利的 c h u q u i c a m a t a 矿滑坡监测时间位移曲线提出了利用滑坡变形曲线的 形态和趋势进行外延并推求滑动时间的外延法，其预报的理论依据与斋 腾是相同的。由于这些方法是在一定条件下建立的经验模式，所求得的 蠕变破坏时间属于概算，预报精度受到一定的限制，仅适用于中短期预 报和临滑预报。 2 位移时间统计分析预报阶段 2 0 世纪8 0 年代，国内外许多学者大量引入各种数学方法与理论模 型，用于拟合不同滑坡的位移时间曲线，根据所建的模型作外推预 报。1 9 8 4 年，王思敬教授提出了边坡失稳前总变形量和位移速率的综合 预报方法。1 9 8 5 年，日本的福囿根据大比例尺模型试验结果提出了预报 斜坡破坏时间的福囿法。1 9 8 8 年，陈明东，王兰生教授首次将灰色系统 理论中的o m ( 1 ，1 1 模型法引入滑坡位移时间曲线的拟合外推，提出 了利用滤波灰色分析法进行滑坡的中期预报。张倬元教授通过对十余个 有完整系统状态历时曲线的岩体失稳实例的分析总结，认为系统非线性 非稳定变形阶段的历时是线性平稳变形阶段历时的06 1 8 倍，具有相对 的不变性，提出了黄金分割预报方法。晏同珍教授根据滑坡孕育、发展、 太原理工大学硕士学位论文 发生的过程特征，提出了二次曲线回归拟合和灰色理论中v e r h u l s t 生物 繁衍的动态模型预测方法。此外，还有不少学者尝试了j 专尔科夫预报、 模糊数学方法预报、泊松旋回预报和图解法等多种方法，使滑坡预报方 法向定量化方向迈进了一大步。但是，这一阶段学者们手要注重预报方 法的探讨而对与滑坡密切相关的一些基本问题，如观测数据的分析、处 理、预报时序资料的选择、干扰信息的剔除与有用信息的增强等还认识 不足；对滑坡基础研究与预报相结合方面的探讨也较少，也很少在利用 上述先进理论和方法的同时，将预报参数与斜坡变形破坏和演变机制联 系起来考虑，因而大大影响了预报精度。 3 综合预报模型及预报判据研究阶段 随着滑坡研究的深入发展，2 0 世纪9 0 年代人们认识到滑坡位移 时间曲线的拟合外推常常只能对滑坡近期行为趋势作出有限的预测，在 众多因素，尤其是非线性因素的作用下，要准确、可靠地预报滑坡的长 期行为是困难的。因此，学者们逐步形成了跟踪预报的思想。李天斌、 余宏明等对此作了有益的探索，利用滑坡动态数据的时间序列分析法建 模的思想，提出了滑坡动态跟踪预测的观点【l l 。 另一方面，由于系统科学和非线性科学的发展，人们认识到滑坡是 一个开放系统。滑坡预报不仅仅是一个纯方法问题，要实现较为准确的 预报，必须将斜坡变形破坏机制分析与定量预报相结合，必须对与滑坡 密切相关的基本问题进行研究，运用系统综合、系统分析、系统模拟的 方法对滑坡系统进行识别、模拟及预测预报。因此人们开始重视对滑坡 宏观前兆和宏观判据的研究，并着重从物理现象和物理模型分析入手进 行滑坡预报的探索。孙广忠教授特别强调了宏观判据研究的重要性。l9 9 3 年，秦四清以非线性动力学理论为基础，提出滑坡孕育的非线性动力学 模型，进而预报滑坡发生时间。1 9 9 4 年，廖小平依据弹塑力学原理提出 了滑坡预测的功率模型。 滑坡预报的核心是预报方法和预报判据。选择合适的预报方法建立 预报模型后，要想进行准确的预报就必须有正确的预报判据。人们总试 图找到一个稳定判据以衡量滑坡的稳定程度，并作了大量的尝试。王尚 庆等人将预报判据归为三大类即：安全系数和可靠概率判据、变形速率 判据及综合信息预报判据 2 】。然而，事实l 目前还没有找到既合理又有 明确物理意义的判据，而且提出的几乎所有判据都是不完善的p l 。 二、滑坡预测预报发展前景 滑坡的预报研究虽已有数十年的历史，取得了较大的进展，但至今 太原理工大学硕士学位论文 尚有许多关键问题没宵解决，滑坡滑动时问预测预报理论和方法还不成 熟。根据已有研究中存在的问题及目前学科的发展现状，预计滑坡预报 的发展研究将集中于以下几方面： ( 1 ) 基于非线性动力学的滑坡滑动时间预测预报研究 滑坡系统是在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和 能量的过程中，通过能量耗散过程和内部的非线性力学机制来形成和维 持的宏观时序“耗散结构”。它是在没有外界特定t 预的情况下，获得时 空有序的“自组织系统”【4 】。而非线性动力学理论的研究对象正是具有 k 述特征的开放复杂系统，它较好地解决了地质灾害预测中确定性和不 确定性模型的统一问题，可以很好地刻画滑坡运动的复杂性特征和规律， 在滑坡预测中具有重要的意义。这种观点和方法将滑坡预报研究从经验 预报和统计预报引入物理预报，是认识上的一个飞跃。但目前仍处于起 步阶段，因而将来的工作应着重加强非线性动力学理论的研究，使之与 目前的系统论、信息论等的研究成果构成系统的滑坡预测理论体系。 ( 2 ) 智能学预测方法的发展 现代科技为滑坡预测的定量研究包括复杂繁琐的计算模型提供了先 进的计算手段，推进了预测科学的研究进程。然而进一步的研究表明， 专家的经验知识在科学研究中特别是在预测科学中起着举足轻重的作 用。专家往往具有不可思议的预见能力，而这种经验直觉几乎不可能用 一般的数学方法建立定量模型。将专家的经验知识、直觉判断力建立成 专家系统，并与严密的科学理论、数学模型有机结合即成为探索应用滑 坡预测的最佳途径之一。 ( 3 ) 多因子综合预测预报研究 滑坡系统是一个十分复杂的非线性动态系统，影响其稳定性的因素 很多，尤其是一些影响滑坡动态的动态因素，如降雨量、地下水、地震 力、动态外载等很多。这些因素往往在滑坡发展到一定阶段就变成了主 要因素，因此若只考虑某单一因素建立模型即使是最主要的也势必影响 其预测的可信度。这样在选取参数作为滑坡预报的因子时，如何选取能 够反映滑坡动态过程的最佳因子，描述滑坡变形过程的物理、化学规律 就成为滑坡预报的关键。 ( 4 ) g i s 在滑坡预报中的应用研究 滑坡演化发展所反映的信息具有地域性、多层次性、时效性的特征。 滑坡预测预报必须同时考虑众多的时、空变化因素。这样庞大的数据信 太原理工大学硕士学位论文 息的获取、地质环境条件的确定以及巨大的运算量等都限制了滑坡定量 预测的发展。近年来发展起来的g i s 技术是一个可以使数据库和地理信 息一体化，并可提供空问模拟能力的计算机系统睁】。利用g i s 技术能详 细、直观地掌握研究区地质背景资料和滑坡发育特征，为管理决策者提 供丰富的定量信息和图像、图形信息，其收集、分析空间数据的强人功 能也减少了人为因素在预报中的影响作用，并且可以利用g i s 进行复杂 的空间模拟，进而方便、及时地将空间模拟评价过程中暴露的问题予以 改正，反馈到新的模拟过程中，可大大提高工作效率。随着g i s 技术在 我国的发展，这必将成为地质灾害进行定量预测的有效方法之一。 ( j ) 水在滑坡演变过程中的作用和定量评价研究 水在滑坡变形破坏过程中作用极大，它虽不是斜坡变形破坏的本质 特征参数，却是诱发滑坡的主要因素，特别是降雨量与滑坡的关系更为 密切，一定的雨量和雨强可缩短滑坡的演变历程，使滑坡提前发生破坏 失稳剐。然而其在滑坡变形破坏中的作用机理及其定量表现，一直是滑 坡预报研究中的难点，在今后研究中，其仍将是重点课题之一。 ( 6 ) 人类活动在滑坡演变过程中的作用和定量评价的研究 随着大规模的土地开发利用和重大建设工程活动的日益增加，因不 合理人类活动诱发的滑坡愈来愈多所以人类活动在滑坡演变过程中的作 用机理及其表现，将是滑坡滑动时间预报研究的重要方向之一。 滑坡预报涉及到滑坡稳定问题研究的许多理论和方法，是滑坡研究 领域难度最大的课题。尽管国内外学者在滑坡预报方法、滑坡变形破坏 机制分析及其相关问题的研究中，进行了许多有重要意义的探索和尝试， 但准确预报的实例仍很少。许多成功的预报大都是通过监测工作，根据 临滑现象作出的经验预报，而运用什么样的理论，建立何种理论模型进 行预报，并没有完全解决。许多预报系统都是以已发生滑坡的检验性预 报来论证其可行性，没有真正经受工程实践的检验。滑坡预报还是一个 处在探索研究中的问题。 近些年来，滑坡预报研究发展较快，在研究方法和手段上都在不断 地创新，随着一些新的、先进的技术手段的应用与发展，一些相邻学科 的渗透和新学科的兴起，为滑坡预报研究提供了新的理论方法和观测实 验、计算手段，这必将推动滑坡预报研究的迅速发展。 第三节预报方法的分类及适用性分析 滑坡预报是建立在预测科学和滑坡学的基本理论基础上的【”。预测 太原理工大学硕士学位论文 科学把事物的过去、现在和将来看成一个连续的、不断发展变化的辩证 统一体，从客观事物的过去和现在的已知信息中，分析和研究预测规律， 从而利用预测规律进行科学预测。预测科学的发展为滑坡预报提供了理 论基础、技术方法及手段。滑坡学研究滑坡孕育、发展、变形破坏的过 程、规律及其影响因素等，为滑坡预报提供了专业理论基础，并为滑坡 预报信息的收集、预报模型的建立和应用提供】，充实的依据。 由于滑坡的变形破坏具有阶段性，处于不同变形阶段的滑坡，其距 离整体破坏的时间间隔也不同。因此，通常在滑坡预报中以斜坡的变形 破坏阶段为依据，采用不同的时间尺度，将滑坡预报进一步分为：长期 预报、中期预报、短期预报和临滑预报等四种类型。实际上，滑坡的变 形破坏受各种因素的制约，是一个十分复杂的、随机的、不确定性过程， 要想准确地区分各阶段的变形过程进行预报是较为困难的。考虑到滑坡 变形从稳定阶段进入加速阶段的判断相对较为容易，李天斌等人将以上 四类预报归并为两类：中长期预报和短临预报，即把滑坡破坏进入加速 变形以前进行的预报称为中长预报，进入加速变形以后进行的预报统称 为短i 临预报f 8 ) o 由于滑坡预报内容的多样性，也就决定了滑坡预报基础技术和方法 手段的非单一性，综合国内外目前提出的预报方法可分为以下三类： ( 1 ) 确定性预报模型 该类模型把有关滑坡及其环境的各类参数用测定的量予以数值化， 并用明确的函数来表达其数学关系。此类模型预测可反映滑坡的物理实 质，多适用于滑坡或斜坡单体预测 9 i 。最早提出的斋腾迪孝法，传统的 极限平衡分析法以及在数值模拟技术方面发展起来的有限元、边界元、 离散元及其耦合方法等都属于确定性方法。其中，以斋腾法以及以其为 基础发展起来的一些方法，所求得的蠕交时间属于概算，预测的误差较 大，适用于中短期和临滑预报。极限分析法考虑了影响滑坡稳定的各种 因素，物理概念清晰，计算简单，适用于长期预报。而运用有限元、边 界元、离散元可以模拟分析滑坡的稳定性和位移变形发展的过程，进而 对滑坡进行分析判断。 ( 2 ) 非确定性预报模型 该类模型不侧重于滑坡机理的严格数学表达，着重于对现有滑坡及 其地质环境因素和其外界作用因素关系的宏观调查与统计，获得其统计 规律。此类模型多适用于区域的土地利用和国土开发规划，具有宏观决 策的意义。建立在因果分析和统计分析基础上的各种预报模型均属此列。 诸如移动平均法、指数平滑法、灰色系统g m ( 1 ，1 ) 线性，非线性预测模 太原理工大学硕士学位论文 型、时间序列分析预测模型、回归分析法、趋势叠加法、生长曲线法、 卡尔曼滤波法、动态跟踪法等多种方法。这些方法与监测数据的数量、 时间序列有关，只要有足够的、等问距分布的位移监测数据就可以保证 预报的精度，适用于滑坡的中短期预报。 ( 3 ) 工程地质类比法 此类方法通过与被测对象相近似的参照对象的比较，来类推被测对 象的未来发展趋势，足介于确定性和非确定性分析之间的一种方法。黄 金分割法、力学图解法、综合信息预报模型以及一些直观的评判方法均 属此类。黄金分割法简单、适用、精度也高，多适用于滑坡的中长期预 报。综合信息预报模型可以识别滑坡所处的变形阶段，便于现场操作， 适用于临滑预报。力学图解法可用作滑坡的判据，并能判定滑坡的破坏 型式。 第四节预报方法的选择原则 滑坡预报的方法很多，但是由于每种方法预报时所考察的预报参数 不尽相同，对监测数据的时间序列要求也不一致，且分别针对不同的预 报阶段。这样要想得到准确的预报结果。在建立预报模型时就必须遵循 一定的原则： ( 1 ) 模型必须建立在地质条件基础之上，模型能够用监测数据验证， 并有足够的精度，以进一步用于预测预报； ( 2 ) 尽可能充分利用已有勘察试验研究成果及获取的监测数据和地 质调查信息： ( 3 ) 不同监测阶段，可选择不同的预测预报模型方法； ( 4 ) 多种方法综合运用，相互验证，提高预测预报的精度和可靠性。 太原理工大学硕士学位论文 第二章滑坡预测预报的基本问题 滑坡预测预报，首先要解决与滑坡预测预报密切相关并影响预报精 度的一些基本问题，如预报参数的选择、监测关键部位的确定、有效监 测信息的获取、变形突变现象的处理、变形阶段的定量判识等等。本章 将就这些基本问题作一讨论。 第一节预报参数及监测点的选取 一、预报参数 滑坡预报中，应选择能真正反映斜坡变形破坏本质特征的参数作为 预报参数。 ( i ) 物理参数 物理参数是指滑体发展过程中滑体物质电阻率的变化、弹性波速的 变化、温度的变化等等，但这些参数与滑坡发展动态过程反映不够敏感， 当前作为预报参数还不可能，而岩土的声发射参数是物理参数中最敏感 的参数【lo j 。声发射( a e ) 是岩土体变形破坏过程中，内部微破裂扩展而发 射的一种弹性波，是岩体变形破坏内在特征的直接体现。李天斌等人采 用玄武岩、辉长岩和变质石英砂岩进行了声发射试验，结果表明，岩石 破坏时声发射事件会剧烈增加，而且，a e 急剧增加的时间，超前于岩石 宏观破坏的时间。这一结果与前人的研究成果相吻合。声发射的现场监 测结果也表明，a e 历时曲线能较好地反映岩体的变形破坏过程，与位移 历时曲线有明显的相关性，即a e 频率较低时，位移曲线也较平缓；a e 高频持续不断，对应斜坡位移曲线也出现急增。因此，声发射可作为滑 坡的一种预报参数。 ( 2 ) 位移动态参数 位移是斜坡变形的外在反映，它积累到一定的程度，或具有一定的 速率斜坡就会失稳破坏。室内外的试验研究均表明，位移能够很好地反 映岩土体的变形破坏特征，是个容易测量和获得的特征变量。在国内 外滑坡成功预报的实例中，大多数是利用位移动态时序资料作为预报参 太原理工大学硕士学位论文 数的。例如，斋腾1 9 7 0 年对日本高汤山崩塌性滑坡的成功预报，以及梅 宋生对鸡鸣寺滑坡的成功预报，均采用的是以位移作为预报参数。由此 可见，位移是滑坡预报的重要参数。 ( 3 ) 降雨量参数 降雨与滑坡有着非常密切的关系，它虽然不是斜坡变形破坏的本质 特征参数，但却是诱发滑坡的主要因素。在巾长期预报中，如果将某一 地区看作为一个广义的大斜坡，则降雨量超过某一临界值时就可能导致 这一广义斜坡进入“加速变形”阶段，甚至破坏矢稳。大量的研究实践 表明，暴雨地区发生大量滑坡总与一定的临界降雨量相对应【6j 。降雨量 与滑坡的关系和地区及滑坡的类型有关，不同地区的资料，只能适用于 本地区，滑坡类型不同，滑坡动态变化的滞后时间也不同。因此，降雨 量也可作为中长期预报的参数。 目前能够采用的三个参数并非反映滑坡动态过程的最佳参数。滑坡 的发展过程的主要参数应当是反映其机理的力学参数，诸如斜坡变形破 坏过程中，内部应力的变化等，但由于对这方面的研究较少，而且对应 力的监测也很困难。因此目前应力还不能作为预报参数。 二、监测点的选取 预报参数监测点的选择，直接影响着参数对整个斜坡变形状况的代 表性和预报的精度，是一项非常重要的基础工作。实践证明，变形斜坡 不同部位监测点的参量值的时间序列各不相同，有的甚至相差很大。因 此，必须在众多的监测点中，选取能真正代表斜坡变形状态的关键点的 监测时序资料进入预报。而关键点的选择与确定，则需要开展大量的基 础研究，通过对斜坡类型、结构、变形破坏现象、环境条件等的深入调 查和分析，查明斜坡变形破坏的机制，并以此为基础确定控制斜坡稳定 性的“关键部位”，那么位于这些部位的监测点就可以作为预报参数的监 测点。 目前对滑坡的监测多以位移监测为主，因此，通常选择位移作为常 用的预报参数。对不同变形破坏机制的斜坡，位移参数监测点的选择一 般按以下原则进行： ( 1 ) 对蠕滑一拉裂型和滑移拉裂型滑坡：一般选择后缘主拉裂缝的 宽度及其附近的位移监测资料进行预报。监测的重点，必须围绕拉裂缝 进行。但需要注意的是，蠕滑一拉裂型滑坡的拉裂缝有时趋向闭合；趋 向闭合的资料不能用于预报，但趋向闭合本身却又是即将失稳的前兆。 o 太原理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 对滑移一弯曲型滑坡：选择前缘弯曲隆起部位监测点的位移资料 进行预报。因此，监测重点是隆起部位。顺层斜坡滑移一弯曲犁失稳破 坏模型试验表明”j ，坡脚前缘的弯曲隆起部位，是制约这类斜坡稳定 性的关键部位。这部分的溃屈即意谓着整个斜坡的失稳。用位于此部位 的位移监测资料所作出的失稳时间预报，与模型实际破坏时间很接近。 f 3 ) 对塑流一拉裂型滑坡：通常选择坡顶后缘监测点位移和裂缝深度 资料进行预报。 f 4 ) 对滑移一压致拉裂和弯曲拉裂型滑坡：多选择坡顶后缘监测点 位移值进行预报。与蠕滑一拉裂型滑坡一样，滑移压致拉裂型滑坡在 加速变形阶段后期，由于坡体转动，后缘拉裂缝常常也会由拉伸变形转 为闭合变形。因此，预报时闭合变形开始产生后的资料也不能采用。 以上原则只是对一般情况而言，而对具体滑坡应作具体分析后再进 行选择。总之，要求点位必须安全、可靠、布局合理、突出重点，并能 满足监测设计监测的精度要求，便于长期监测。 第二节变形突变现象的分析与处理 斜坡变形典型的位移历时曲线可分为三个阶段，即初始变形阶段、 稳定变形阶段和加速变形阶段( 如图2 - 1 ) 。 鼢 翅 0 时问 图2 1 斜坡变形典型位移历时曲线 初始变形阶段：稳定变形阶段； 加速变形阶段；n 切线角。 然而，由于降雨、地震、人工活动，以及其它随机因素的_ t 扰，实 际上大多数情况下位移历时曲线并非如图2 1 那样规则和典型，往往具 有不同程度的波动和起伏。通常把观测到的位移历时曲线分为光滑型、 振荡型和阶跃型三类分别如图2 2 、图2 3 及图2 - 4 所示。 太原理工大学硕f 学位论文 。1 二。 警。o j 誊。c 蠢 1 u r 为实际鞋坏日朋 图2 - - 2 光滑位移一时间曲线( 智利某边坡) 图2 - - 3 振荡型位移历时曲线( 龙羊峡某滑坡) 7 、 一、 h 月 7 矿 o ) ( 2 - 4 ) j _ l 其中，n 为原始数据的数目：1 ( j ) 为一次累加生成数据，右上角括号中的 数字表示累加次数：x o ( j ) 为非负的原始数据。 二、阶跃型曲线突变现象的分析和处理 这类曲线在实际中经常遇到，产生阶梯状突跃的主要原因多由于季 节性暴雨的作用。在这种突发性外营力的作用下，坡体稳定性会有较大幅 度的降低，相应地引起位移的突然加剧( 图2 - 4 ) 。如果这种外营力的作用还 未使得边坡的稳定性降低到产生宏观破坏的程度，那么外营力消失后，边 坡稳定性会产生可逆性回升( 图2 4 ) 。 当然，一般情况下不可能恢复到原来的状态，它对坡体稳定性产生的 “损伤”在位移曲线上表现为突变位移后平缓段应变速率的加大。对这 类阶跃型曲线如果仍然采用均匀滤波方法将外营力引起的暂时变化一起 考虑，显然是不合理的。这类曲线可利用非均匀滤波方法进行处理，利用阶 太原理工大学硕士学位论文 跃函数剔除外营力引起的暂时性位移变化。其变换公式如下： ，( t ) = ( t ) 一缸 ( t ) ( 2 5 ) i = 1 式中，r ( k ) 和x ( k ) 分别为滤波后和滤波前的位移值：b ，为相应时刻的阶 跃高度；h ( k 1 为单位阶跃函数。 非均匀滤波后，如果需要，还可进一步进行均匀滤波和a g o 处理。 第三节滑坡预报判据 滑坡的核心是预报方法与预报判据。预报方法确立之后，如果没有 正确的预报判据，也就无法进行准确的预报。一般认为一个滑坡的发生 要具备下述三个条件p j ： ( 1 ) 坡体中具有至少一个独立单元，或在边坡体变形、破坏过程中先 要形成这样的单元。 ( 2 ) 具有能够保证上述单元可以取得足够滑程的位移允许条件。 ( 3 ) 不仅在滑坡启动的即时，而且在沿某一足够滑程滑动过程中都必 须满足滑动力大于抗滑力的条件。 如果提出一个预报的判据或作预报时能够有把握地断定这三个条件 在一定时刻一定会具备，那么所作的预报才会成功。我们可以把预报判 据分为三大类：即安全系数和可靠概率判据、变形速率判据及综合信息 预报判据。 安全系数和可靠概率判据 ( 1 ) 传统的安全系数法，经过长期的应用，积累了丰富的经验，尽管 它在理论方面还存在着缺陷，但由于使用方便，至今仍受到工程界的欢 迎。例如，极限分析法的安全系数为斜坡滑动时消耗的总内力功和外力 功的比值【l ，即k = h 0 a r v 。当斜坡的总外力功大于滑动时所消耗的 总内力功时，斜坡将处于不平衡状态，此时安全系数小于1 ；当斜坡的 总外力功小于其所消耗的总内力功时，斜坡将处于稳定状态，安全系数 大于1 ；当两者相等时，斜坡处于临界平衡状态，安全系数等于l 。此时， 若在斜坡上加- - 4 , 的滑动干扰力，斜坡就会出现滑动。因此，从安全方 太原理工大学硕士擘位论文 面考虑，当其安全系数小于或等于1 时，对斜坡的稳定都是不利的，将 安全系数判据确定为大于1 的某个值比较合适。当滑坡的安全系数低于 此值时，应予以密切注意，以防止外界因素对滑坡产生的诱发作用，并 采用适当措施，以防其发生，或做出滑坡预报。 ( 2 ) 应用可靠概率评价斜坡稳定性，近年来国内外发展很快。根据可 靠性理论可知，斜坡的可靠度指标卢和可靠概率p 之间具有确定的关系。 当已知时，就可以求出只。一般来说，当斜坡的安全系数小于1 时， 其值小于15 ，对应的可靠概率只小于9 3 ，也就是说，斜坡的失效概 率弓将达到7 。随着p 值的降低，可靠概率将很快减小。因此，将可 靠概率判据取为9 5 ，此时的口为1 6 5 。当斜坡的可靠指标低于以上两 个数值时，同样应发出警告，并加密观测周期。 与传统的安全系数法相比，可靠性理论明确地给出了斜坡的安全度 指标( 即可靠概率) ，这就使得不同情况下斜坡的安全程度具有可比性， 这一点是用安全系数法难以做到的。另外，用可靠性理论计算斜坡的稳 定性时，考虑了岩土的抗剪强度c 和p 等指标的变异性，得出的结果更 令人可信。因此将可靠性理论用于滑坡预报中，对于提高滑坡的预报精 度是有重要意义的。 二、变形速率预报判据 ( 1 ) 变形速率预报 滑坡的发生，乃属斜坡上的物质以一定的速度沿菜滑移面向下移动 所致。因此，以斜坡上的物质变形速率的大小来作为滑坡是否会发生、 何时发生的预报判据是最直观的。但由于滑坡特征的不同，其变形破坏 机理各异，最终失稳前的变形速率存在很大差别，显然，要确定统一的 滑坡变形速率预报判据是不可能的。这主要受滑坡介质密度、体积、滑 而几何特征、滑带土的残余强度和峰值强度等控制。 ( 2 ) 蠕变曲线切线角和失量角判据i l 那 对于目前还难以确定其临界破坏速萄值的，其破坏时间可利用其它 太原理工大学硕士学位论文 方法的时间一位移曲线求得。当蠕变曲线上某一点的切线与横坐标的夹 角口，即馏。( d x 出) 趋于9 0 度时，所对应的时间即为滑坡预报破坏时间。 但一些滑坡往往由于某种诱发作用的影响，使失稳破坏的时间提前。此 时，滑坡宏观预报判据进入加速变形、临滑阶段后的切线角口大于7 0 。 时和位移矢量角突然增大或减小时，也可将其作为滑坡时问预报的判据。 目前几乎所有的预报判据都具有不充分性。要想正确的预报一个滑 坡，必须到现场详细考察所要预报的边坡体，在搞清其工程地质条件和 充分认识其变形、破坏机理的基础上，及时、全面地掌握反映坡体动态 变化的信息。据此，经过中肯地分析之后才能作结论。 三、滑坡综合信息预报判据 总体思路和方法是分别以确定性和非确定性方法相结合的方法，据 滑坡开始变形直至最终破坏过程中所表现出来的各种宏观前兆、迹象、 建立滑坡的长期预报模型、中短期预报模型及宏观预报模型，最终以滑 坡安全系数和可靠概率判据、临界破坏速率值判据及宏观预报模型判据， 建立滑坡综合信息预报判据。 第四节斜坡变形阶段判别 斜坡变形破坏的阶段不同，预报的类型和目标也就不同，相应选用 的预报方法也就不同。如果斜坡变形未进入加速变形阶段，则预报属中长 期预报范畴，预报目标为进入加速变形起始点的时间。反之，若变形己 进入加速阶段，则属短l 临预报，目标为坡体整体失稳破坏的时间。由此 可见，如何有效地判定斜坡变形所处的阶段，也是预报工作的基本问题 之一。根据目前的研究，可采用以下两类方法判别： ( 1 ) 将变形观测资料与宏观地质分析及斜坡变形破坏现象的阶段性 结合起来综合判定，这种方法属于地质定性判别【i “。 ( 2 ) 利用滤波处理后的累计位移时序资料进行定量判定。观测数据经 过滤波处理后，其随机波动性将大大降低，其历时曲线变成了一条光滑 曲线。当斜坡处于初始变形或等速变形阶段时，变形速率逐渐减小或趋 于一常值；当斜坡进入加速变形阶段时，变形速率将逐渐增大。因此， 可以根据累计位移的滤波数据的切线角a ，( 图2 - 1 ) 来判断斜坡所处的变 形阶段，即用切线角的线性拟合方程的斜率值a 进行判断。a 值的计算 太原理工大学硕士学位论文 公式_ f f | 下： i 观测数据为等间隔时序时 爿= 喜c 珥一万妒半 属( 一珂( 2 - i = 1 s ， f = l ， i 观测数据为非等间隔时序时 _ = ( f ，f ) 一砷( ，一n ( 2 - 7 ) 上式中，i ( i = 1 ，2 ，3 ，n ) 为时间序数：f ，为监测累计时问，r 为时 间，的平均值；口，为累计位移x ( 1 ) 的切线角，百为切线角口的平均值。 口由下式进行计算： 其中日为比例尺度，即： b ：= x ( ，n ) - x g ) t 。一| i ( 2 - 9 ) 当a 0 ，边坡处于加速变形阶段。 太原理工大学硕士 学位论文 第三章中长期预报理论与方法 第一节等维灰数递补动态预测模型 灰色系统足含有部分已知信息和部分未知信息的系统。从系统的灰 度这一角度考虑，自然界很多系统都是己知信息和未知信息混杂的灰色 系统。斜坡系统包含有大量的己知信息和未知信息，因此，斜坡也是一 种灰色系统。斜坡变形破坏预报参数信息是系统中各因素作用的综合反 映，可以通过各种手段进行定量测试。这些定量测试的时序数据，称为 斜坡变形破坏的综合量化信息。从表面上看，这些信息是一系列单调的 量化数据，实际却是蕴藏着斜坡系统内部因素相互关联和作用的信息， 而斜坡中的这种关联和作用又常是灰色的。所以，从系统总体角度看， 这些信息是系统灰色关联和作用的白化结果。 一、灰色预测g m ( 1 ，1 ) 模型 设给定原始数据序列 妒( o = 扛。( 1 ) ，工【( 2 ) ，v ( 。 对x ( t ) 作一次累加，求得一次累加生成数列 x ( d = 缸1 ( 1 ) ，x 哪( 2 ) ，一，x ( ”) x “( f ) = x ? ( 肌) i = l ，2 ，” 构造累加矩阵与常数项向量 y 。= k ( 。1 ( 2 ) ( 3 ) ，一，工( n ) 】r 查堕堡三查兰堕主兰堡堡塞 b = 一= 1 ( z ( 1 ( 1 ) + jr 1 ( 2 ) ) 一：1 ( ( ( 2 i + ，1 ( 3 ) ) l ( x m ( ”一1 ) + x ( 1 ( 胛) ) 1 用最小_ _ 二乘法求解灰参数 a = * 酬魄 将灰参数代入时间函数得预报模型 王1 ( 量+ 1 ) = ( ( 。( 1 ) 一u ) e 戚+ 兰 则求得还原模型为 量。( 七+ 1 ) ：( 一口) ( j ( 0 1 ( 1 ) 一u - ) e 一“ 或 2 c c 0 1 ( + 1 ) = 叠1 ( 女+ 1 ) 一量1 ( 七)( 3 1 ) 模型精度的检验，可采用以下三种方法。 ( 1 ) 残差检验法，计算公式如下： q t o ) ( f ) = 工o o ) 一j o ( f ) p ( ，) = g o ( t ) x o ( ，) 式中：g o ( f ) 为残差；e ( o 为相对误差。 ( 2 ) 后验差检验，方法如下： 求j o o ) 的平均值i 求工o ( ，) 的方差s 拈去耖 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 啦去o ) ( f ) _ 习2 ( 3 - 5 ) 太原理工大学硕士学位论文 求残差g o ( f ) 的平均值虿 彳= 去耖 求a b y 的方差为s 2 f 3 - 6 ) 霹2 吉蕃( 以旷彳) ( 3 - 7 ) 后验差比值c c = s 2 s l ( 3 - 8 ) ( 3 ) 小误差频率尸 p = g ( o ( f ) 一虿i 0 6 7 4 5 s 。 ( 3 - 9 ) 一个好的预测，要求c 越小越好，一般要求c 0 3 5 ，最大不超过 0 6 5 。预测好坏的另一个指标是小误差频率要大。所谓小误差是指绝对偏 差p 。( f ) 一司 0 9 5 0 8 0 0 7 0 0 5 0 不合格( d ) o 7 00 6 5 如果经检验不合格，可建立g m ( 1 ，1 ) 模型进行修正。 二、等维灰色递补动态预测模型 综上所述，当序列x 仰( t ) 确定时，预测模型将随序列个数n 值的变 化而建立不同的模型，即x 0 ) ( t + 1 ) 为历史序列个数n 的函数： z 1 ( f + 1 ) = f ( n ) 太原理工大学硕士章位论文 在上式中，n 为多少预测值才最佳呢? 应以预测值与观测值残差最 小者的n 值为最佳。为了找最佳的n 值，确定最佳模型。通常我们都是 从一个较长的时间序列中，选择不同的n 值，分别建立模型对未来的 情况进行预测，然后再同实际观测值进行比较，选择预测值与观测值残 差最小的n 值。 另一方面，随着系统的发展，不断的有一些随机扰动或驱动因素进 入系统，使系统的发展相继的受其影响。老数据的信息意义将逐步降低， 为了能反映系统目前的特征就需要不断补充新信息，及时去掉老数据。 这样便形成了等维灰数递补动态预测思想| l 。其基本思路是：对己知序 列建立g m o ，1 ) 模型预测一个值，而后将这一个预测值( 灰数) 补充在已 知数据序列之后，同时为不增加序列长度，去掉最老的一个数据，保持 数列等维；再建立g m ( i ，1 ) 模型，预测下一个值，将其结果再补充到数 列之后，再去掉最老的一个数据。这样新陈代谢，逐个预测，依次递补， 直到完成预测目标为止。当然，逐个预测依次递补也不能无止境地循 环，这是由于随着递补次数的增加，灰色也同时增加，信息量相对减小。 第二节指数平滑法 指数平滑法是在2 0 世纪5 0 年代末期由美国数学家布朗和霍尔特发 展起来的，目前已在许多领域中得到了应用。这种方法具有计算简单、 容易掌握等优点，如果运用得当，可以和一些复杂的预测方法得到几乎 同样高的精度。 从基本原理来说，指数平滑法是一种非统计性的方法。这种方法认 为，每个时间序列都具有某种特征，即存在着某种基本数学模式，而实 际观测值既体现着这种基本模式，又反映着随机变动。指数平滑法的目 标就是采用“修匀”历史数据来区别基本数据模式和随机变动，这相对 于在历史数据中消除极大值和极小值，获得该时间序列的“平滑值”，并 以它作为对未来时期的预测值。它在整个预测过程中，始终不断地用预 测误差来纠正新的预测值，即运用“误差反馈”原理对预测值不断修正。 同移动平均法相比，指数平滑法既可以对各期观察值依顺序加权又 不需要存贮很多历史观察数据。它通过某种平均方式消除历史统计序列 中的随机波动，找出其中的主要发展趋势。根据平滑次数不同，有一次 指数平滑、二次指数平滑、三次指数平滑和高次指数平滑之分，但高次 的很少用。指数平滑法最适用于进行简单的时间分析和中、短期预测。 太原理工大学= 硕士学位论文 一、指数平滑公式 对时间序列y l ，y 2 ，口，y 。，一次指数平滑公式为 j = a y , + ( 1 一球) j 盅 t = 1 ，2 ，t ( 3 1 0 ) 式巾，j ! ”为一次指数平滑值；a 为加权系数，o c t 1 。 假定y 。的序列长无限，将上式中的t 分别以t - 1 ，t 一2 ，t 3 ，依次 代入可得： s ；1 ，= q + ( 1 一口) b 弘一。+ ( 1 一口) s ；j = a y t + 口( i a ) y 。，+ ( j 一口) 2 匆，一：+ ( 1 一口) j t - 1 ) 3j = q 咋+ 口( 1 一盯) j 一i + 口( 1 一口) 2 一2 + - 十口( 1 一口) y l + = 口( 1 一口) 7 y t 一， f = m ( 3 一1 1 ) 可见s ：”实际上是y t ，y t 1 y t - j ，的加权平均。加权系数分 别为瑾，口( 1 一口) ，a o 一8 ) 2 ，即首项为口公比为( 1 一a ) 的等比数 列。加权系数的和等于 口丢( 1 叫) j = a + 巧高叫，2 u 1 l 一， 所以，指数平滑法实际上是一种以时间定权加权平均。愈近的数据， 加权系数也愈大；愈远的数据，加权系数愈小。 从( 3 1 0 ) 式中还可以看出，口的取值实际上体现了新观察值与原平滑 值之间的比例关系。a 越大，y t 在( 3 - 1 0 ) 式中的比例越大，当a = l 时， s = y ， 这时，t 期平滑值就等于t 期观察值，即以当前信息为重，而不考虑 以往的影响；反之，若口越小，则s 尘占的比重就越大，当口= o 时 太原理工大学硕士学位论文 这时，本期平滑值就等于上期平滑值，而没有考虑当前数据y t