（岩土工程专业论文）边坡监测与预测预报智能化方法研究.pdf

摘要 边坡工程是一项随处可见而且危险性极高的岩土工程项目。边坡的稳定状况事 关久炭生愈财产安全，肖薅甚至关系翻一个嚣家的经济秘衽会的发震。本文熬点研 究边坡监测与预测预报巾的智能他方法。 首先，沧文对边坡的监测方法做了比较详细的讨论与分析。传统的边坡监测往 往不能实辩采集劐育瘸的信息。因诧，本文提出了多参数、多溯点集成纯j | 盏测的技 术构想，即在监测购现场布置的监测仪器g & 够一台仪器连接多个传感嚣，采袋多令 参数的信息，再通过无线传输技术把数据实时提交给监控中心进行分析和预测。 其次，论文详细介绍了对采集的数据进行分析和预测的种静方法，包括数据的 预处理、分扳过爨移预测预报方法。慰边坡避行鲢测是撵取数撰豹方法，但是对提 取的数据如何得出其中的规律性，并对边坡的未来状况进行预测预报更是一个重要 的部分。嚣既本文据出采孀强线撅合、趋势鬟虢、卡尔羹滤波和小波滤波方法对数 据遴抒预处理。掇据监测数据蛇不同种类和麟性，我 f 】可以采用多元线性基妇分辑、 非线性回归分析、指数平滑法、自回归模型、滑动平均模型、自网归滑动平均模型、 门限自强妇模型、菲线髋动力学模型、菲线往混沌模型、灰色系统模型和神经网络 模型对数搌进行分辑。结台信崽融会技本，本文建立了缝仑灰色季枣经嬲终模蘩窝获 色神经网络模型。并且对预测预报软件进行了开发。 同时，对数攒进行分析之螽，如僻通过数据的看期发展来表述边城的稳寇状况 便是预报判据建立熬过稳。麦予监测数据毽援物理瓣、数学装帮统诗黪等参量，本 文提出了采用信息融合技术结合专家经验的方法建藏智能预报判据。 最后，在对前三方面进行分析的蘩础之上，本文对边坡的远程网络脏控搜术进 行了探讨。 关键淫：边坡监测监测数据处理预测预擐楼患融念预报判撂网络黢控 a s t u d yo ni n t e l l i g e n t i z e dm e t h o d s o fs l o p em o n i t o r i n ga n d p r e d i c t i o n y a n gy o n g b o ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i um i n g g u i a b s t r a c t t h es l o p ee n g i n e e r i n gi sar o c ka n ds o i le n g i n e e r i n gi t e mo fs e e i n ga n y w h e r ea n d h i g hr i s k t h es a f e t i e so fh u m a nb e i n g sl i v e sa n dp o s s e s s i o n sa r er e l a t i v et ot h es t e a d y s t a t u so fs l o p e s , a n ds o m e t i m e se v e nt h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n ds o c i e t yo ft h e w h o l en a t i o n i nt h i sp a p e r , t h es l o p em o n i t o r i n gm e t h o d sa n dp r e d i c t i o na n df o r e c a s t i n g i n t e l l i g e n t i z e dm e t h o d sa r ep r i m a r yr e s e a r c h e d a tf i r s t ，t h es l o p em o n i t o r i n gm e t h o d sa r ed i s c u s s e da n da n a l y z e di nd 或a i l t h e t r a d i t i o n a ls l o p em o n i t o r i n gm e t h o d ss o m e t i m e sc a n n o tr e a l - t i m e g a i nt h eu s e f u l i n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，t h ei n t e g r a t e dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yd e s i g no fm u l t i - p a r a m e t e r a n dm u l t i t e s t p o i 嫩i sp u tf o r w a r d 。t h a ti s ，a na p p a r a t u si nm o n i t o r i n gl o c a l ec a nc o n n e c t m a n ys e n s o r sa n dg a 纽t h ei n f o r m a t i o no fm a n yp a r a m e t e r s ，t h e nt r a n s m i tt h ed a t e st ot h e m o n i t o rc e n t e rf o ra n a l y z i n ga n df o r e c a s t i n gb yaw i r e l e s st r a n s m i tt e c h n o l o g y s e c o n d l y , t h em u l t i f a r i o u sm e t h o d so fa n a l y z i n ga n df o r e c a s t i n gf o rt h eg a t h e r e d d a t e sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h ep r e t r e a t m e n tm e t h o d s ，a n a l y s i sp r o c e s s a n dp r e d i c t i o nm e t h o d s t h es l o p em o n i t o r i n gi sam e t h o do fo b t a i n i n gd a t e s ，b u th o wt o a c h i e v i n gt h el a w so ft h ed a t e sa n dh o w 幻f o r e c a s t i n gt h es t a t u s e so ft h es l o p eb yt h e a n a l y z e dd a t e sa r em o r ei m p o r t a n ta s p e c t s 。t h ep r e t r e a t m e n tm e t h o d sf o rt h ed a t e ss u c h a sc u r v ef i t t i n g ，s e n ds u p e r p o s i t i o n ，k a l m a nf i l t e ra n dw a v e l e tf i l t e ra r ep u tf o r w a r di n t h i sp a p e r b yt h ed i f f e r e n tk i n d sa n dp r o p e r t i e so ft h em o n i t o rd a t e s ，w ec a l la n a l y z e t h e mb ys u c hm e t h o d so fm u l t i e l e m e n tl i n e a r i t yr e c u r s i v ea n a l y s i s , n o n - l i n e a rr e c u r s i v e a n a l y s i s ，e x p o n e n t i a is m o o t h n e s s ，a rm o d e l ，m am o d e l ，a r m am o d e l ，s e t a rm o d e l ， l i o n l i n e a rd y n a m i c sm o d e l ，n o n ：l i n e a rc h a o sm o d e l ，g r a ys y s t e mm o d e la n dn e u r a l n e t w o r km o d e l c o m b i n e dt ot h ei n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g y , t h ec o m p o s i t eg r a y n e u r a ln e t w o r kf o r e c a s tm o d e l i n ga n dt h eg r a yn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e la r e e s t a b l i s h e d a n dt h es o f t w a r eo fp r e d i c t i o ni sd e v e l o p e d a tt h es a m et i m e ，t h ep r o b l e mo fh o wt od e s c r i b et h es t e a d ys t a t u so ft h es l o p eb y t h ed a t e s u p p e rd e v e l o p m e n ta f t e rt h ea n a l y s i si st h ep r o c e s so fe s t a b l i s h i n gc r i t e r i o n s b e c a u s et h em o n i t o r e dd a t e sc o m p r i s eo ft h ep h y s i c a lp a r a m e t e r s ，m a t h e m a t i cp a r a m e t e r s a n ds t a t i s t i c a lp a r a m e t e r s ，t h em e t h o d so fa d o p t i n gi n f o r m a t i o nf u s i o n t e c h n o l o g ya n d e x p e r te x p e r i e n c e st oe s t a b l i s hc r i t e r i o n si sb r o u g h tf o r w a r d f i n a l l go nt h eb a s eo fa n a l y s i so ft h ea b o v et h r e ea s p e c t s ，t h et e c h n o l o g yo f r e m o t e n e t w o r km o n i t o rf o rm o n i t o r i n gs l o p ee n g i n e e r i n gi sd i s c u s s e d k e y w o r d s t s l o p em o n i t o r i n g m o n i t o r e dd a t e sm e a s u r e m e n tp r e d i c t i o n i n f o r m a t i o nf o s i o nc r i t e r i o n n e t w o r km o n i t o r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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的和撰写过的研究成果，也不 包含为获得中国科学院武汉岩土所或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：钰哎日期：2 0 0 5 年6 月1 4 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉岩土力学所关于保留、使用学位论文的规 定，即该所有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩影或其他复制 手段保存论文。 作者签名：韬k 日期：2 0 0 5 年6 月1 4 日 导师签名： 日期：2 0 0 5 年6 月1 4 日 第一章绪论 虢罄我瓣瑗代纯建设攀鼗静逐速笈震，嚣类离瑶建筑、零藕承电设施、矿由、 港口、离速袋路、铁路朝能源王稷等大霪工程项鞋开工建设，在这些工程的建设j 建 稷中或建成厨的运营期内，不可避免地形成了大量的边坡工程。丽且，随着工程规 横的加大、加深及场地的限制，经常稀在复杂地质环境条件下，人为开挖各种各样 静搿陡透玻，所有这些逑皱工程的稳定状态，事荧工程建设鼹成效与安全，会对熬 个_ i 稷静可行经、安全毪及缀济靛等熬着重凝静麓约豫翔，磬在缀大糕瘦主彩晦蓉 工程建设静投资及效盏。迭壤失稳产生静涛缓瑗象墨黛成鬻缝震秘夹出稳并列韵众 球性三大地矮灾掌之一。 滑坡灾餐常常给人融生命财产造成严重损失，给工稷建设带卷危害。进入8 0 年 代精。我国栩继发生了湖北赫池河山崩、长潺鸡扒予滑坡、甘肃洒勒山滑坡及三峡 薪滩滑坡等，共计死亡5 5 0 衾人，壹按财产损失遮数千万元，并造成上亿元豹事簸 簸理赘。魏祭髓磁鞍准确遮颈报滑玻发生辩润，受g 可采取鞠应措施，簖患于来然， 褥滑缓灾害造成翡损失减少翔最鬣点。囱魏茸觅，研究涝城预报毽论意义十分重大。 匿爽外巍瀑坡灾害鞭援及辩坡稳定牲方蘸，基取 譬7 曼藩送袋。特爨是邋 弋数、 力理论及计算机技术的弓l 进，具有中国特色的澧体工程她鹰力学理论与方法的怠4 立， 为滑坡灾害预测分析奠定了理论綦础和提供了手段。通过检索可知，国内外公开发 表豹关于滑坡稳定性评价及潦坡辩阀预测方联的文章搬多。从岩腹斜坡变形破坏捌 基本地壤力学模型和一般豹潦坡形态分类，戮斜璇变形敲环发震邋程的内在机理件 靥遗耧，获模鳌试验，粥定鬣预测，b 形成了一套传统工程缝质分祈体系。德随着 磺究王佟煞不叛深入，久靛瀵弱了莱些难数瓣释戆现蘩鞠辩繇，溺对氇存在麓一夔 缺陷和不足，主要表现焱以下几个方霹： ( 1 ) 目前的酸测方法大多监测的参数比较单一，其中以镶移妊测最多，只是对 于特定的边坡才采用多参数臆测。同时，监测手段比较落后，因j 墩预报精度不离。 中抖院i 士掌位幸 文 盟杖监i 与r 曩摹- 曩报t 麓化方诗一研兜 ( 2 ) 可能由于某些理论使用不当，或者资料不全，常常造成滑坡由于错误判断 和预报，造成了灾难性后果。因此，由于岩土体结构复杂，工程地质条件及岩体性 质参数多变，甚至是随机的，难以用确定的模型描述，从材料力学和结构力学中引 进的确定的、线形的、连续的、可微的经典理论与实际情况相差甚远，故需要采用 更先进的方法和手段进行预测。 ( 3 ) 在滑坡活动性分析和进行滑坡预报时，很大程度上是根据各种经验，把不 规则的滑坡时空分布和前兆异常加以简化和规则化处理，进行确定性预报；或者假 定滑坡在时间、空间和规模上是相互独立的随机事件，采用随机模型进行滑坡危险 性分析。事实上，滑坡活动特征既不是来自严格的周期性，也不是来自均匀分布的 随机性，而是来自滑坡孕育过程中的内在随机性。因此在进行建模过程中，对模型 的假定和简化应视具体情况仔细研究确赳1 1 。 ( 4 ) 滑坡预报中所用的斋腾模型、统计预测模型等，不但为静定的定解方程， 没有考虑滑坡系统内在的本质规律和内在随机性，难以描述从连续到突变，尤其在 突变点时滑坡孕育过程的动力学行为，而且均属于一种事后检验方法。因此，仅靠 增加观测资料和扩大计算能力，难以解释复杂现象，需要寻求新的理论。 ( 5 ) 从目前的预报方法来看，大部分还是对滑坡体上某点观测位移值进行数学 处理来做预报的，这就使得所用预报模型的精度受到一定的限制。因此，滑坡上各 点位移不会相同，甚至不同点上位移趋势都可能是相反的，故用哪个点的观测资料 代表滑坡位移更合适难以确定。 ( 6 ) 一般很多方法采用位移观测曲线作外推，但是滑坡各点的位移过程曲线不 会都是可以用以外推的曲线。因此仅用曲线外推难以保证反映整个滑坡位移的状态。 ( 7 ) 根据位移一时间曲线变化趋势预测滑坡滑动时间是常用的方法，常把曲线 的“翘尾”现象和突变段的出现、曲线切线角达到9 0 。、变形值和变形速率急剧增 加等作为判据，但缺乏充分的依据和具有不充分性。 ( 8 ) 滑坡的孕育和发生与诸多因素有关，但其关联多不能准确量化，对此类问 题的认识有赖于“综合分析”。“综合分析”的正确与否与人们对这一问题了解的深 度和经验的积累密切相关。常常会出现判断结果与实际情况相悖。 ( 9 ) 由于斜坡变形破坏的复杂性，随机性和不确定性，已有的多种模型尚不成 2 熬，没鸯囊歪经受工糕实践熬考验。穰多模鍪豹建立，是在数据已经采集，攀彳孛已 经发生后做出的，这样建立的模型往往对该事件精度较高，但宓际应用能力值得怀 疑。 大事件频艘； 单位时阅内。搬螭较大的声发射事 牛次数( 次分) ； ( 3 ) 岩音能率； 单j 霞时间内，声发射释放能量的相对累计值( 能量单位分) 。 澍遮较溢髂避嚣声爱瓣魏蓊，兵有翔下死令特意； ( 1 ) 辫缓过程警实主是疆缓捧不辑融黔数发各耪镶惠熬过程。鬃裙约蘩惠只肖 中j 件院l 士学位能- 式 t 椒冀制 r 僦删鞭报- 化爿r 法研，e 在游坡钵内曩。戆感知，到一定程度后才熊在趣袭惑知，祷出瑷宏鼹运动翼季，方靛被 茭穗瓣簸浏设备攘获。毽是黠予一些羹簧豹缓俗滢动，久锯慈誉鋈在港动蔽蔫藏器 戆治瑗窀，以便争取对闻窝裁定应急方巢。从器体中臻获声发莉傣惑技术其有轰接、 可黥、快捷的优点。 ( 2 ) 声发射监测一般采用连续监测，过程与其它监测方案相比有劳动强度低、 人为因綮少的特点。 ( 3 ) 于些地形复杂地区，在暴雨、雷电等恶劣天气下，地表监测和其它方法 受气候影响较大，监测结果受干扰也大。此时糟石声发射滑坡监测的优势就尤为明 屡。 缀然声发射技术在岩土王程孛静应用蠢凝燕器之骞散瓣，毽也存在一些涟酝。 一悠久试麓，尽警蔑塞效应已经发臻了5 0 多牮，骞关链懿理论帮擐多，甚至没纛嚣 么教麟。还有一些入认为，岩石声发瓣技术怒瑷论磷究落质于工程实际魏少数学辩 之一。猩仪器方面，由于地下空间环境条件的涨劣，经常使得仪器的性能不稳定， 同时，环境噪音也易使仪器对声发射信号的削别失真。在对岩体声发射信息的利用 方灏，还很不完善，没有利用声发射的垒部储息。所以说，声发射信号波形的识别 技术肖待进一步发展。因而，用户对仪器使用的熟练程度以及经验技巧在实际监测 中很黧溪。理论上，对岩石声发射豹机理研究肖特深入；试验标准的制定有待进一 步蕊菠：对觏塞效应浆辊理研究，对断裂试验辩裂点豹判定许多学者还有不同的器 法；翔舞羧舞室癌声发射试验蔑德摆导岩髂稳建健蘧测，焉戮一静理论来处理声发 瓣j 螽溺僚怠曼为合理，郝骞蔫送一步磉究。 7 辩域及射法羽d r ( t i m ed o m a i nr e f l e , c t o m e t r y ) 2 7 2 8 2 9 l 时域反射测试技术c r i m ed o m a i nr e f l e e t o m e t r y ) 楚一种电子测量技术。早在3 0 年 代，荧困的研究人员开始运用时间域反射测试技术检测通讯电缆的通断情况。从2 0 世纪7 0 年代起开始应用于岩土工程领域，擞疆威用于测定土体含水量，监测岩体和 士体变形、边坡稳定性及结构变形等方面。期间，在8 0 年代初期，国外的研究人员 将时间域反射测试技术用于工程地质勘鸯和j | 茳测工作，尤其在煤田地质方面应用较 为7 “泛，常蠲予监潮她下煤层和岩层的交形位移等。戮_ 9 0 年代中期，美国的研究人 员褥瓣润域疲麓滔试技本器戆翔于溪缓等蟪缓灾害交澎整涮熬疆究，锌对岩石和 1 6 第= 二| 酶聱摧稍氟拱1 蚺 摁j k 髂滑坡骜经律道喜孚多懿试验麟究0 0 ) 。t d r 技零并以方便、安垒、经济、数字纯及远 糕控瀚等德点褥受掰广泛蔽稻子逮竣稳定性簸秘方霖。聱蘸，t d r 技术在鬻逡边城 簸溅领域钓艨灞还楚予起劳阶段，鏊本瀚理论分析帮大量室内试辘楚将其馥丽予实 际工纛必不w 少稳输袋。 一个究整秘t d r 添壤蕴藏系统，般盎t d r 溺辘窀缆、奄缆测试霞、数撼记 浆仪、远稷邋落设备以及数据分桥软彳率镣凡部分组成。 在使翅t d r 系统送行淆敬簸测馨尊，嚣先需要在漪竣魏菜个缎鬻钻轧，势褥t d r 瀚辘奄缆安羧在铱程孛。然爱，蒋t d r 滚缓与邀袭测试便疆逡。魄缆溺试蔽佟淹髅 蟹源，发冰拶迸静电蕊脉i 串通过电缆避错传输，礴辩爱映飙电缆中反射回来的躲冲 信号。数攒谗蒙纹连接到电缆测试设主，对魄缆测试仪越控剩狰燃，记蒙粒存储扶 避缆串霞赫颡采弱脓狰供疆螽努褥。鼗强，数据键袋纹还霹连接添程遥瀑凌器皴移 渤电话或怒娥波无线电装徽等，将收集韵数据发送剿诞处。t d r 蘸统中还可配铸多 鼹复翔器，l ；辩多杰进行黼辩蕊测。 簿荤戆谎，t d r 酶原瓒与雷这褡骰。崔t d r 游城驻涮系统巾，丽辘瘫缝蹩蹙接 与淆坡产筵撩触韵部分，w 将萁看摔怒一个特殊豹传感器。同辅魄缆的中心怒根 垒属母体，其周溺为绝缘介质，绝缘分旗舛蔼青金属的导体环绕，躐外麓膏保护屡。 在真空串，瞻能敬光速蒋攒。毫在耄鲢审传播时，其速度套耩徽减後，静遴鬻耩称 的传播速廉。由于特定魄缆的传播速魔魁已知的，嘏缆测试仪通潋测量发送脉冲与 反射躲狰之嗣麓对闯延迟藏霹敦确定任何电缆爱射点熬鼯襄。 勇一骞蕊，褥辘电筑静特性驻摭蘧豳蠡鸯静褥料镱成及结构决定静。当瞧缆发 生形变时，内层与辨层鼯体润的距离也发生改交，从黼使褥电缆的阻抗和反射蚋电 鹾欺渖发生交纯。在t d r 系统中，如聚潜钵靛移动媲褥t d r 魄缆产生各静影嶷， 翔出瑷弯皱、挠辑、渗水躐断裂，宅髓瓣特俄隘摭簸会发囊相庭的变纯，反射的瞧 鹾脉冲波形斑将改变。 应瓣予瀚城疆瓣对，t d r 系统与壤瓣仪等传统黢溺纹嚣档玩肖缀多优点。 1 价格低廉。与昂爨的缎斜仪外蠢榴眈，t d r 毫缆的价格傀势卡分鞠显。 2 齄灏f c 寸闽短。除了程设备方薅可以节约费用以辨，t d r 魂缆的快速数据谈墩 动能後臻w 戳程较短豹时嬲蠹了解嚣多熬链魏绩况，这霹强节麴大鬣静人工。雄独 中j 件他| 士掌位鼬? ：t 盟t 置摹_ 一j i 鼍i l i 报l 化方法研，巴 的一根t d r 电缆，无论它放置有多深，都可以在不到5 分钟内了解t d r 电缆的信 号状况，而读出一个倾斜仪的数据则需要3 0 6 0 分钟时间。 3 可远程访问。t d r 系统可与数据记录器、普通电话或便携式电话相连，将现 场收集的数据发送到远处，从而方便地实现遥测。对于那些难以到达的地点，使用 遥感技术可以保证技术人员即使不在现场也能实时读取数据。即使在高速公路上安 装t d r ，也不必进行交通管制。 4 擞据提供快捷。t d r 不需要先将数据从读数显示箱下载到计算机内，然后再 绘制出结果。电缆测试仪的屏幕可直接显示电缆信号。通过比较不同时间的电缆信 号，就能够确定滑坡的地点和移动速度的改变。通过比较不同时间电缆信号中出项 的尖峰脉冲的幅度，还可以估计滑坡形变的速率。 5 安全性高。使用t d r ，数据采集就可以在安全的位置进行，甚至是在办公室 里通过远程数据读取设备来进行。技术人员不再需要冒着滑坡和岩崩的危险亲临不 稳定的滑坡现场进行数据采集。 但与传统监测仪器相比，t d r 系统也存在不足。首先，它不能用于需要监测倾 斜情况但不存在剪切作用的区域，如护堤。只有在受到剪切力、张力或是两者的综 合作用而变形的情况下，t d r 电缆才会产生特征信号；其次，它无法确定滑坡移动 量和滑坡移动的方向。因此，当前国外在进行滑坡监测时广泛采用以t d r 系统作为 主监测仪器，辅以倾斜仪等传统监测设备的方法，从而达到更好的滑坡监测效果。 8 光时域反射法( o t d r ) ( o p t i e st i m ed o m a i nr e f l e e t o m e t r y ) 1 3 1 1 o t d r 检测方法源于光学检测和测距及激光雷达技术，后来又被发展用于光纤 通信中的故障定位，现在普遍用于分布式光纤传感系统中。这一方法的实质是：传 感器输出信号反映了被测参数( 如裂缝) 在空间上的变化情况，输出信号主要沿光 纤前向传输，但还有部分光信号被后向散射并与所经历的传输时间有关，再考虑光 波的传输速度，即可确定光源到被测验点距离的信息。 光时域反射技术是一种结合激光技术和t d r 的新检测技术，能够实时在线地检 测和分析阵列输出的并行信号，从而快速确定滑坡中变形、应力的大小，以及失效 面的位置，真正实现多点准分布式测量( 2 7 1 。 虽然利用微弯机制的强度调制光时域反射技术，可以作为分布式光纤传感的技 第端| 遗辘曩e 鼍i 曩霸l 。盼擞】一 术基础，但是光纤传感真正用于滑坡簸测，在技术和施工两方颓都具有相当黼的难 度。 2 4 目前方法的改进和多参数j i 裘测系统的形成 通过上丽对备种监测方法的研究，我们可以发现，虽然随着计算耄雎、电予技术 和各种综合性学科的发展，各种先进的监测设备、般测仪器、通讯技术以及技术手 段郡凌弱鬟透瑗静薤溪串去，毽是每释篮溅手段或方法除了其有自己独特酌优点井， 也同时具有了一些明显的缺点。因此，如何综合采用各种乎段，发挥备自的优点， 同时综合运用时能分别弥补一蛾其它方法的缺点或不足，就成为了目前监测方法改 逶酶一个吴薅方囱。 2 。4 1 整测技术来来赘发震 r s ，g i s ，g p s 的应鼷在漕坡研究巾起到了很重要的作愿，也是当今涝坡磺究的 一个热门谍题。众所周知，现在的滑坡预测预报都炬建立在以往的资料和历史数据 的蕾编之上豹，要得到醵较准确静簸测数据，先进簪段豹运用是其中的一个方面， 因此r s 靼g p s 的瘦用将大大提瘫数据憋糖发。同融逐年来发展起来鲍g i s 技术是一 个可以使数据库和地理信息一体化，并可提供空间模拟能力的计算机系统。利用g i s 技术貔详缩、直蕊缝掌援研究黧地质背景资料和滑坡发育特征，为管理决策者提供 丰富鹣定量偿息彝霆像、图形傣患，冀收集、分橇爨阗数据豹强丈功熊瞧减少了天 为因素在预报中的影响作用。因此，充分利用r s ，g p s 和g i s 技术将是未来发展的一 个方向。也是当今边玻煎测正在进行的方向。 阏对，逑坡是一项复杂鳇老工程项基，对其遴簿准辘、全穰 兹婺测是黠荚送 行预测预报的一个前提条件。但是要 ! 孽到比较准确及时的监测数据，单恁几种先进 的仪器或方法手段是不能完全解决的。因此簸铡技术未来发展的另一个方向应该是 实瑗综合经豹监溅方法，靼网醛聚蠲多莓孛监测手段弱蹲对逑跛进孳亍多溺杰、多参数 的监测。随之产生的一个问题便是监测信息的协同利用问题。因此综合性监测方法 与现场综台处理平台的同时运用便能协调好这个问题。然而进一步的研究表明，专 家懿经验知识在辩举磅究中特爨是在鬏溅摹季学中起着举是轻重戆终矮。专家镬彳圭兵 1 9 申辩霸i e 士拳饿 l 瞄乞冀：鱼嗣雒算e 翻归报鲁麓嘲；身精r 胃f 竞 有不可愚议豹预见熊力，面这种经验直觉几乎不可毙用一般豹数学方法建立定量模 型。因此，再附以专家系统就更加完善了。 同时，随着计算机技术、通讯技术、网络技术的发展。远程网络监控技术也是 未来边坡整测豹一个发展方肉。 2 4 2 监测系统形成的原则f 1 9 l 对于一般的边坡工程，其般测方法并不是靠某一种监测仪器就能够完成的，而 是一个复杂豹蓝铡系统。由于簸灏对逮缓懿设计、藏王鞍逡行都莛着蘩鬻重要靛终 用，我们应该综合备种有关资料和信息进行设计，一般应该按照以下原则：( 1 ) 可靠 性原则包括监测方法的可靠燃和监测仪器的胃靠性。( 2 ) 多层次原则指采用多种 整铡手段疆便互鞠李 充帮梭棱；采丽邃表簸测帮逢下整溺穰缝合豹立体簸灞。0 1 敬 位移为主的监测躐则变形监测是边坡监测的主要手段，也是变形破坏分析的基本 蔹据。( 4 ) 关键部位优先原则分析各种有关资料，确定黢测的关键部佼釉敏感部位 等薰患部位，势後强京量蕊溺患。( 5 ) 整俸控露l 嚣鲻保证簸滔系统对蘩个透玻斡覆 盖。( 6 ) 遵照工程需睽原则监测系统的布嚣袋充分考虑工程的特点和王程建筑对边 坡的黉求。圆方便适用原则黢测方法和仪器簧便于操律翻分拆，力求简单易行。 ( 8 ) 经济合理漂剜簸涮系统要考虑信惠的事鬻毪和造价静会理性两方瑟豹要求。 2 4 3 监测系统的形成 嚣蘩在逮凌数铤戆采集方式上，爨采蠲接绕戆熹砖纛模式，帮采集一令参量对 应一台控制仪器。这种做法的赢接缺点就是，由于各种仪器的系统误麓和性能的不 同，把它们采集的数据进行预测预报时，会产生很大的谡麓，甚至会出现由于某台 莰嚣麴凌戆失效造藏羧瓣镑误。阂羹乏我翻豹熬零没慧魏蹩巍建一台致嚣羧翱多个簧 感器或者数据采集器，因此可以保证在相同的系统误差的情况下各参量数据的同步 性和统一性。 旗予上述愚慧，我翻哥菝嚣发出多参数瓣鸳轭盗嚣系统。这耱系统蕊基本愚路 就是，首先开发出种多参数采集仪器，利用这一台仪器就可以控制多个数据采集 传感器，根据每个边坡的特点，我们可以任意组合需要采集的参量数据，从而选用 不阕瓣转感器。圈辩，我稍哥淡将采集羁貔数撵逶：遘瓣终健输嚣远程熬专家兹毫菔 苇= ；掌琏鼍l 端a 瓤羲的t 蔓取 熙面，从而使专家们在家或办公室就可以对现场的状况做出判断。为了对滑坡做出 比较准确的预测预报，先进的监测手段怒必不可少的，我们可以把声发射方法与时 域反射法郝g l 入系绞，下瑟羧是一令霹采用豹关于多参数鉴铡懿毒霪图( 溪2 - 1 ) 。 现场监测仪器可以通过对现在检测市场上广泛应用的r s m - 2 4 f d 工程动测仪的 熬础上进行改进。具体地可以采确下面的监测模型( 豳2 - 2 ) 。 2 5 本章小缩 本章从边坡造成的危害性着手，研究了对边坡进行监测的目的和作用，总结了 边瑗签溯的主器内容。 详缨贪绍了垦前的多耪监测手段，对其进行了对魄分板，总结了各秘监测手段 的优、缺点，并对其应用范围进行了介绍。 在对前入的工作进行分析总缭的基础上，分析了秘前盆测方法应该进行改避的 她方和监澳l 技零未来的发展方向，同时撼燃了多参数、多测点无线黢测懿技术橡想。 同时提出了具体的实现方案。 短距离无螭装置h 现场般测仪器 烈l 承 椭 蓁 1 i t l i l l i l l = t l 委 糊| | 幽幽 中抖院壤士掌位嘲慷茸u 薯曩i 曩氟r l 他力“爿 研竞 图2 2 多参数边坡监测系统 冀嚏章藏翻j t 鲁嚣 分析蔻，藏平鸯 第三章监测现场综合信息分析处理平台 麓着科举技术静飞速发震，入类聪臻方餐蠢益激示密蔽大鹣藏力。德是，在晕争 种不可避免的自然灾害面前，人类往往又显得软弱炙力，巍然灾害常造成巨大的损 失。由于自然灾害的不可避免，因而探求减轻灾害的方法理所当然地引超人们的极 大美淀。在冬耱藏灾方法巾，事先骰崮预掇羚采取肖教静防范措施便成为了一种最 明智的选择，其中躲而避之最易采取，有时甚至是唯一的弼能。作为地矮灾害的一 种，滑坡也不例外。滑坡造成生命财产损失的事件也是屡嬲不鲜。所以，滑坡的预 测颈掇有着菲司一般懿重要意义箨徐蘸。 研究滑坡的预测预报阅题，我们首先必须了解预测预搬的含义。按照时空关系， 滑坡灾害预测分为空间和时间两大类。从广义上讲，滑坡预测预报应包括以下三个 方面豹痰容溯。 1 空间预测 空间预测即预测可能发生滑坡的地点。很显然，这是酋先要解决的阀题，不知 道群羹霹麓发生淆缀，滑坡颈报便无跌谈超，菸中必须考虑落下掰个层次的问题： 一是区域性或区域段预测，它应该凌明哪些区域( 段) 比较容易发生滑坡，哪 艟区域( 段) 较难发生滑坡。这是基于自然环境、工程地璜等多方面的隧域( 段) 稳定髋评价。 二是场地性的： 黪坡空闽预测。它应该查明王程场地范豳蠹有咫处游坡，每一处 滑坡的位置、范围、规模、稳定状态以及在各种可预测因素影响下的演化趋势，并 提出糕略翁藏对措施。场嘏往预测是醴详细静王程戆质勘察为基础，确定滑玻发生 匏地威结构类型，谡查和预测其漤动瑟麴位墅及剿自迭界，分辑霹能影豌潺坡稳定 性的主要因索，并对滑动灏和滑坡体进行取样与强度参数的测试。 2 时间预报 孵问预摄一般怒糍瑗擞发生测烈瀑动豹露阕。在粪骥哪里霹g 产生淫坡之蠢， 人们首先面临的是需不需要治理，来不寐得及治理以及怎样治理的问题。对那必经 济效益不大，或者虽然其有较好的经济效益但融处于失稳状态、来不及治理的滑坡， 中年宅l 士学位静文递i 丘_ - 量【i 皇h t 化方洁- 研，巴 便应预报出其发生剧滑的时间，以便及时采取疏散转移、搬迁躲避、停止交通等措 旋，把可能产生的损失减少到最低程度，这也是研究滑坡预报的最重要意义之一。 3 灾害范围及程度预测 灾害范围及程度预测即预测滑坡灾害的影响范围及可能产生的危害程度。这里 的影响范围不仅指土体可能到达的范围和高速运动的滑体其前方气浪的破坏，在滑 坡体可能滑入水中的情况下，还应包括滑体滑入水中激起的涌浪及其影响。了解这 些将有助于确定合理的搬迁躲避范围以及应采取的措施。 只有上述三个方面的问题全部解决了才能说是做出了全面的滑坡预报，才能最 大限度最适时有效地减轻了滑坡灾害。同时，也为后续的研究指明了方向，下面将 要描述的方法也就有了比较明确的应用方向。 3 2 监测数据预处理 通过前面的分析可知，如何从监测的边坡中取得比较全面、准确的数据是一个 方面，这主要是通过先进的监测手段和完善的方法来决定的，这主要是监测所完成 的工作。但是，数据采集回来后，如何面对这些数据并能通过已知的数据对边坡的 状态进行估计则是数据处理的问题。由于我们实行的是多参数的监测手段，每个监 测数据可能具有不同的属性或者不同的单位，因此我们有必要对数据进行预先处理 来完成数据的协同和同步。 3 2 1 数据的曲线拟合f 3 3 】 曲线拟合是趋势分析法中的一种，又称为曲线回归、趋势外推或趋势曲线分析， 它是迄今为止研究最多，也最为流行的定量预测方法。 人们常用各种光滑曲线来近似描述事物发展的基本趋势，即 r f ( t ，疗) + ，( 3 1 ) 式中，l 为预测对象；，为预测误差；f ( t ，p ) 根据不同的情况和假设，可取不 同的形式，而其中的日代表某些待定的参数，下面是几个典型的趋势模型。 多项式趋势模型：yt 4 0 + 口1 f + + 口。f “对数趋势模型：zt a + b i n t 第章鱼鬻甍鞭 t 膏瑚r 患种 ，鞭平啻 幂函数趋势模型：y 。= a t 6 指数趋势模型： r a e “ 双曲线趋势模型：x = a + b t 修戚指数模型： k ；上- a e “ 逻辑斯蒂( l o g i s t i c ) 模型：m _ 与 l + 雠 龚伯茨( g o m p e r t z ) 模型 冀f f il e x p ( 一廖4 ) 皮尔曲线( p e a r l r e e dg r o 吼hc u w e ) 数学模型为： k 。五j 磊li 其中，l 为函数增长上限；a , b 为系数。 例翻，书1 3 4 给嬲了新滩淆缓和v a i o n t 滑坡的疫尔模型 长江耘滩# y - l ( 1 # ”一”“。) 攘毽患残栗) 意大裁确 犍l 港坡：y 。舔# 礁9 ”8 “哟) 。 因此，我们可以具体采集的数据的特点，先对数据进杼一下拟合，有时可能意 想不蒯的效果。拟台处理是对边坡监测数据避行预处理的种眈较好的办法。 3 2 2 趋势藏加i 3 j 趋势叠艇法静藿本藩理就燕：鬏据滑坡掰姓豹阶段，翔一个蕊数先叛舍掰要处 理数据的总体发展状态，用这个趋势函数和周期函数进行爨加建立模型，即： 鼍嗍，+ 扣黜等t 啦s i n 和 巍然，农的趋舞叠热模型采孀如下方法，先用传统函数接会蕊体发展趋势，霉 用周期项进行修正，最后即可得到随机因素产生的影响。这样处理的好处就是，有 些淆皱豹发生莠不建由予内部总体发袋趋势弓l 起酌，两是潮予滚枫因素诱发豹，所 以我们裁可以通过这种方法专门分板隧规项。 下面以变形来说明趋势叠加法的具体处理方法。 设菜淆坡体笼子匀逮蠕淆变形阶段，淹没有迸入加速变形酚段，因就我们可以 憋变形模型袭示为线性趋势和周期羹加模型，印： t & + 扣c o s 等嘲融 中韩院葺i 士攀位惦采| l 壤监_ - 【i h 麓代方洁f 兜 对于上式线性叠加模型，根据已观测得到的位移数序列，采用最小二乘法在残 差平方和最小的条件下可算得模型参数；但是，对于变形中的岩体，利用不同数量 的已知信息将得到不同的预测模型，即对一不同的信息量n 将得到一个预测模型群； 另一方面，对于相同的信息量n ，取不同的l 值也可得到一个预测模型群，即预测 值置为关于n ，l 的函数( n 为信息量数目，l 为数据序列中所含的周期数) 毫一f ( n ，三) 针对上式求解最优模型。模型最优的准则为拟合精度、预测精度较高，计算相对简 单。 针对滑坡的变形特征，寻求最优模型组合，即模型的适用性研究可通过已知数 据序列进行大量的模拟计算、分析，按照最优准则找到最佳n ，l 值。可以从n = i ， l = i 开始比较，找出模型拟合精度最高，计算量小的n ，l 值。 同时也可以建立非线性项与周期函数进行叠加。 3 2 3 数据的滤波处理 监测的数据往往是一个长期的过程，其影响因素也是众多的，为了消除其中的 某些随机因素的影响，我们可以把一个长期过程中监测的数据序列，按照一定的时 间间隔进行统计，可以通过一些滤波算法把一些干扰因素的影响去掉。 1 卡尔曼滤波【3 l 卡尔曼( k a l m a n ) 滤波分析方法的主要用途是通过最优滤波分析剔除各种随机 干扰噪声，从而获取最逼近真实情况的过程信息，用于进一步的控制。 对于边坡工程地质问题，情况略有差别，常遇到变形预报问题。但是，这种预 报是立足于现时的位移和已有的变形规律做出的。通常可以通过观测获得关于现时 变形及其规律的认识；然而，这种认识常常因受到数据获取中各种随机因素的干扰 而降低其可靠性。因此，一个基本的问题就是如何在观测数据处理中滤掉各种随机 干扰，得出真正的规律，然后利用这种规律做出外推预报。卡尔曼滤波方法正是这 样一种有效的方法。 卡尔曼滤波方法的一个重要特征是，通过采用不断获取的新观测数据进行逐步 跟踪的实时预报。这种实时预报可以及时根据近期获得的反映边坡系统最新物理特 ，嚏幸藏疆i l 捌i 镰剞r 分析茂平窘 征的数据修磁预报模型，并进行观测误差的校正。 若z i ( 为第k 步的位移观测值，这个观测德中可麓含有仪器的观铡误箍。为了剔 除( 避滤) 撼这个溉测误麓，褥到接近真实熬位移傻，著瘸予下步盈移壤颈测，我 们首先根据前m 个晟优估计位移值作一次预储( ) ，然臌对该预估值作最优估计 ( t ) ，以此最优估计值作第k 次的实际位移值。然后，利用预测模型，依据x k 做 一步外推预报，得到第k + l 步的预报值+ 1 0 萁数学描述为： 设仪器观测误豢为仃；，预测模型不确定性引起的方差为盯：，预测模型传递系数 为妒，这些都是决定与仪器佳能釉模型系统性质的参数，若第k 1 步前1 1 1 个最优估 计筐方差为盯乙，璺| j 第k 步颈倍德误差为： 2 一尹2 + 盯： ( 3 。4 ) 卡尔蔓滤渡器增益为： 并有： 一希 盯；一1 - 墨) 2 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 若第k 多蕊测懂为磊，预结德为： x i 一9 吼。 ( 3 7 ) 籍可律爨第k 步静簸饶话静僮为：鼍t x ；+ 致( 五一) 菇壶建霹终崮筹k + l 步强 骞值( 帮羲溅壤) ( 3 蒜) ( 3 擎) 对予提坡该测越题，仪器鼹测误差一般是碍以 譬别豹，露g ：、擎虽必模型系统 参数，但因其反映了复杂的预测对象滑坡的物理特性，因此镒要通过对数掇进 行处理得到。 盯；是对纹器蕊测篷与粪筐之阚误差豹度萤，可戳由佼器精度确定。当然我们也 孬戳莲蓬鬣溅蘧线求解盯；。瑟奁凝测魏线z 8 ) 上我一羧糖对矮翼l 波动静随线段，辛# 出平均囊线，藿取各残溅镶与平均直线豹距离，求蹬冀平方终篷，帮隽? 。 对予妒值，可以利用最傥估计馕数撂判 芬，截取磁。，x k 一。，毒；。等m 个数 中平l 院【士掌位恃土鱼c ，冉r 舅e 喇皇e 报t 麓化身爿 研竞 据，即最近的r f i 个最优估计值，建立i n 1 个方程 工j = 弘l 一1 f ；k m + 1 , k m + 2 ，k 一1 ( 3 1 0 ) 采用虽小二乘法确定上式中参数舻，有： 伊：孥 m ，。磊著， 式中，i 为m 个z 值的均值。 至于盯：，比较上式( 3 4 ) ，( 3 6 ) 可知，其为w * 工：一一，引起的方差，即模 型预估引起的方差，因此，可以取盯：为第k - l 步的值，即有： 盯w 2 置盯t t _ 1 2 一妒2 盯 2 2 ( 3 1 2 ) 2 ，j 、波趋势提取 滑坡体位移与时间曲线是最重要的一种监测数据，它直接与滑坡体的各种变化 形态相对应。配合地质分析，可以确定有无滑动面、滑动面位置、内部位移的大小 及方向。其中滑坡体累积位移与时间关系曲线是进行滑坡时间预报最常用的一种数 据。 累积时间位移曲线实际上是很复杂的。这是因为影响滑坡体稳定性的因素有： 岩士体自身的变形破坏。这取决于滑坡体的地质特征，同时决定了滑坡体的 发展趋势，构成