（工程力学专业论文）高边坡变形破坏的非线性动力学过程及其预测预警研究.pdf

高边坡变形破坏的非线性动力学过程 及其预测预警研究 专业：工程力学 博士生：陈 恒 指导老师：周翠英教授 摘要 滑坡是仅次于地震的重大灾害，是国际减灾十年计划的重要研究内容。其预 测预警方法研究是滑坡研究的核心问题。目前的预测研究中存在的突出问题是对 隐蔽地质体的非连续、非均匀和多变性等复杂性特点的刻画较为困难，难点在于 经典的数理方法与复杂对象之间的矛盾问题。这样，需要探寻关于复杂性的新的 理论方法进行尝试与探索。本文针对边坡安全预警问题，在前人对边坡系统演化 及预测预警研究成果的基础之上，主要采用7 0 年代中后期发展起来的非线性动 力学理论( 包括混沌动力学、分岔理论等) ，结合岩土流变理论及非线性数值分 析方法，开展边坡系统的非线性动力学演化过程及预测预警方法研究。研究不仅 可以探索边坡预测研究的新方法，而且对于减轻滑坡灾害损失，保障工程安全和 维护社会稳定等具有重要的现实意义。论文的主要研究包括： 1 系统总结了国内外在边坡系统非线性演化过程、边坡时间预测研究以及 边坡变形破坏研究等方面的研究现状，尤其是非线性动力学理论在边坡预测预警 研究中的研究现状与进展，指出了研究中存在的主要问题。 2 运用协同学、突变论、分岔论及混沌动力学等非线性动力学理论探讨了 边坡演化的非线性动力学过程与基本特点。通过协同学慢变量控制原理，研究了 边坡演化的协同突变过程，指出边坡是由少数几个慢变量控制的演化系统，给出 了系统协同产生条件和序参量的判定，并通过外界扰动、系统阻尼与系统演化分 岔解的关系，指出在无扰动情况下，自身的阻尼变化促进边坡演化，而在扰动下， 系统分岔解不连续变化，形成突变。并以实测非线性时间序列为对象，通过相空 间重构，研究了边坡演化的多元混沌特征。研究发现多数边坡系统关联维数d ： 为非整数、最大l y a p u n o v 指数、熵值均大于零以及系统复杂度位于( 0 ，1 ) 区间 偏小值，通过与确定性系统特征量的比较，揭示了边坡系统的混沌特征。 3 以单变量摩擦定律为基础，结合滑坡简化动力学模型，建立了由滑动面 剪应力f 、滑坡速度矿、滑坡位移“定义的三维分岔演化模型；依据混沌动力学 奇点稳定性判别条件，对t a y l o r 级数近似后的等价自治方程特征值实部进行线性 分析，获得边坡系统不同类型奇点的形成条件：并通过非线性数值分析，研究了 边坡演化的稳定性问题。引入协同学绝热近似假设，提出了位移速率预测的变分 岔预测模型；基于该模型，引入边坡失稳的速率变化极值条件，获得边坡非线性 演化失稳破坏的时间推演式。结果表明：分贫演化具有结点、焦点和鞍点三种吸 引子，结点与焦点趋于稳定，鞍点趋于失稳，以岩土体试验参数= 1 为分龠点； 位移速率预测模型与破坏时间推演的精度与边坡初始稳定滑动速度密切相关。 4 基于改进的b i s h o p 条分模型，通过考虑滑动面岩土体剪应力松弛，首先建 立边坡渐进演化分析模型：通过条问力f 变化建立与变分龠预测模型的结合，并 以时间序列反分析方法确定模型参数及等价时间间隔出，提出了渐进演化的非 线性动力学预测耦合方法；并以样条插值与数据拟合方法实现边坡断面及整体预 测，为边坡预测预警研究提供了新方法。 5 从混沌动力学演化、渐进演化和峰值图像等三个方面探讨了边坡安全预 警的标准。即：通过分岔模型鞍点出现的约束条件( 口= 1 ) ，建立了边坡变形破 坏的混沌动力学演化标准；通过边坡动态安全系数k = 1 时的边坡平均位移速率 ( 位移) ，建立了渐进演化分析标准；还通过整体位移速率与空间位置的关系曲 线，提出了峰值图像标准。研究发现，混沌动力学标准主要与岩土体力学参数相 关，渐进演化标准更敏感于边坡稳定滑动速率的确定，而峰值图像标准则具有趋 势预测能力。这三种标准的建立不同于以往的统计学方法，完善了边坡预警理论。 以本文边坡非线性动力学预测与预警方法对甘肃黄茨滑坡与广东省梅河高 速公路某边坡工程进行实例分析，验证了本文提出的边坡非线性动力学演化规 律，及预测模型和预警标准的可靠性，并指出在实际应用中滑裂点附近开展预测 研究能够有效提高预测的准确性，为边坡安全预警理论提供了新思路与新方法。 关键词：高边坡变形破坏预测非线性动力学混沌预警标准 r e s e a r c ho nn o n l i n e a rd y n a m i cp r o c e s s ，f o r e c a s t a n da l a r mo fh i g hs l o p ed e f o r m a t i o na n df a i l u r e m a j o r ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s d o c t o r a lc a n d i d a t e ：c h e nh e n g s u p e r v i s o r ：z h o uc u i y i n g a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c to fi n t e r n a t i o n a ld e c a d e ss c h e m af o rn a t u r a l d i s a s t e rr e d u c t i o n 1 a n d s l i d ei sak i n do fg r e a tg e o l o g i c a lh a z a r do n l yl e s sd e s t r u c t i v e t h a ne a r t h q u a k e ak e yp r o b l e mo fl a n d s l i d er e s e a r c hi st h ee x p l o r a t i o no fi t sf o r e c a s t a n da l a r mm e t h o d t h er e m a r k a b l ep r o b l e me x i s t i n gi nl a n d s l i d ef o r e c a s ti st h a ti t s d i f f i c u l tt od e s c r i b et h ec o m p l e x i t yc h a r a c t e r i s t i c so fc o v e r tg e o l o g i cb o d ys u c ha s d i s c o n t i n u i t y , h e t e r o g e n e i t y , v a r i e t ya n ds oo n ，w h i c hn e e dt ob et r i e da n de x p l o r e d w i t hn e wm e t h o d so fc o m p l e x i t yt h e o r y a i m i n ga tt h es a f e t ya l a r mp r o b l e mo fs l o p e s ， o nt h eb a s i so fp a s tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fe v o l v e m e n t ，f o r e c a s ta n da l a r mo f s l o p e s y s t e n l - c o m b i n i n gw i t ht h er h e o l o g i c a lt h e o r yo fr o c ka n ds o i la n dm e t h o d o f n o n l i n e a rn u m e r i c a la n a l y s i s t h en o n l i n e a rd y n a m i ct h e o r yd e v e l o p e da f t e rt h e m i d d l ea g eo f19 7 0 si n c l u d i n gc h a o t i cd y n a m i c sa n db i f u r c a t i o nt h e o r yi sm a i n l y a d o p t e dt om a k er e s e a r c ho nt h en o n l i n e a rd y n a m i ce v o l v e m e n tp r o c e s sa n di t s f o r e c a s ta n da l a r mm e t h o d s u c hk i n do fr e s e a r c hi sn o to n l ya b l et oe x p l o r en e w m e t h o d so fs l o p ef o r e c a s tb u to fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rr e d u c i n gt h el o s so f ， l a n d s f i d ed i s a s t e r , e n s u r i n ge n g i n e e r i n gs a f e t ya n dm a i n t a i n i n gs o c i a ls t a b i l i t y t h e r e s e a r c hw o r kh e r em a i n l yi n c l u d e s ： 1 t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs t a t u sq u oa b o u tn o n l i n e a re v o l v e m e n t p r o c e s s ，t e m p o r a lf o r e c a s t ，d e f o r m a t i o na n df a i l u r eo fs l o p es y s t e m , e s p e c i a l l yt h e r e s e a r c hs t a t u sa n dp r o g r e s so fn o n l i n e a rd y n a m i ct h e o r ya p p l i e di nf o r e c a s ta n d a l a r mo fs l o p eh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e d ，b a s e do nw h i c ht h em a i n p r o b l e m se x i s t i n gi np a s tr e s e a r c ha r ep o i n t e do u t ，a n dt h er e s e a r c hc l e w s ，c o n t e n ta n d k e yp r o b l e m sa r ea l s op u tf o r w a r d 2 t h e o r i e so fn o n l i n e a rd y n a m i c ss u c ha ss y n e r g e n l c s ，c a t a s t r o p h et h e o r y , b i f u r c a t i o nt h e o r y , c h a o t i cd y n a m i c sa n ds oo na r ea d o p t e di ns u m m a r i z i n gt h e p r o c e s so fn o n l i n e a rd y n a m i c sa n db a s i cc h a r a c t e r i s t i co fs l o p es y s t e me v o l v e m e n t a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs l o w - p a r a m e t e rc o n t r o li ns y n e r g e n i c s ，t h ep a p e rs t u d i e s t h ep r o c e s so fs y n e r g e t i cc a t a s t r o p h ei ns l o p es y s t e me v o l v e m e n t ，a n dp o i n t so u tt h a t s l o p es y s t e mi sa ne v o l v e m e n ts y s t e mc o n t r o l l e db ys e v e r a ls l o wp a r a m e t e r s t h e s y n e r g e t i cg e n e r a t i o nc o n d i t i o na n dd e t e r m i n a n to fo r d e rp a r a m e t e ro fs l o p es y s t e m a r ep r e s e n t e d b a s e do nt h er e l a t i o no fe x t e r n a ld i s t u r b a n c e ，s y s t e md a m pa n dt h e b i f u r c a t i o ns o l u t i o no fs y s t e me v o l v e m e n te q u a t i o n , i ti sp o i m e do u tt h a tc h a n g eo f s y s t e md a m pi t s e l fw i l la c c e l e r a t et h es l o p ee v o l v e m e n ti ft h e r e sn od i s t u r b a n c e h o w e v e lu n d e rt h ec o n d i t i o no fd i s t u r b a n c e ，b i f u r c a t i o ns o l u t i o no ft h es y s t e m d i s c o n t i n u o u s l yc h a n g e sa n df o r m sc a t a s t r o p h e t h e nt h ep r a c t i c a l l ym e a s u r e d i i i n o n l i n e a rt i m es e r i e sa r ec h o s e na sr e s e a r c ho b j e c t i v e ，a n dt h em u l t i v a r i a t ec h a o t i c c h a r a c t e r i s t i co fs l o p ee v o l v e m e n ti ss t u d i e dt h r o u g hp h a s es p a c er e c o n s t r u c t i o nw i t h c h a o t i ct h e o r y t h er e s e a r c hh a sd i s c o v e r e dt h a tc o n e l m i o nd i m e n s i o nd ，o fm o s t s l o p es y s t e m si sn o ta ni n t e g e r i na d d i t i o n b o t ht h em a x i m u ml y a p u n o ve x p o n e n t a n de n t r o p ya r eg r e a t e rt h a nz e r o a n dc o m p l e x i t yo ft h es y s t e mi ss o m es m a l lv a l u ei n ( 0 ，1 ) t h r o u g hc o m p a r i s o nw i t he i g e n v a l u eo fd e t e r m i n i s t i cs y s t e m , t h ec h a o t i c c h a r a c t e r i s t i co fs l o p es y s t e mi st h e nd i s c l o s e d 3 o nt h eb a s i so fm o n o v a r i a n tf r i c t i o nl a w , s i m p l i f i e dd y n a m i c a lm o d e li s c o m b i n e dt oe s t a b l i s ht h et h r e e d i m e n s i o n a lb i f u r c a t i o ne v o l v e m e n tm o d e ld e f i n e db y s h e a rs t r e s so ns l i d es u r f a c e f v e l o c i t yo fl a n d s l i d eva n dd i s p l a c e m e n to f l a n d s f i d eu a c c o r d i n gt ot h ed i s c r i m i n a t i o nc o n d i t i o no fs i n g u l a r i t ys t a b i l i t yi n c h a o t i cd y n a m i c s ，t h er e a lp a r ti ne i g e n v a l u eo fe q u i v a l e n ts e l f - c o n s i s t e n te q u a t i o n , w h i c hi s a p p r o x i m a t e dw i t ht a y l o rs e r i e s i sl i n e a r l ya n a l y z e d t h ef o r m a t i o n c o n d i t i o no fd i f f e r e n tk i n d so fs i n g u l a r i t i e si ns l o p es y s t e mi st h e no b t a i n e d i n a d d i t i o r ls t a b i l i t yp r o b l e mo fs l o p ee v o l v e m e n ti sa l s os t u d i e dt h r o u g hn o n l i n e a r n u m e r i c a l a n a l y s i s t h ea p p r o x i m a t i o nh y p o t h e s i s o ft h e r m a li n s u l a t i o ni n s y n e r g e n i c si si n t r o d u c e d a n dt h e nt h eb i f u r c a t i o nf o r e c a s tm o d e lo ft h ed i s p l a c e m e n t r a t ei sp u tf o r w a r d b a s e do nt h i sm o d e l t h ee x t r e m ec o n d i t i o no fv e l o c i t yv a r i a t i o n o ns l o p ei n s t a b i l i t yi si n t r o d u c e dt o g e tt h et i m ed e d u c t i o ne q u a t i o na b o u tt h e n o n l i n e a re v o l v e m e n ti n s t a b i l i t ya n df a i l u r eo fs l o p e s i ti si n d i c a t e da sar e s u l tt h a t t h eb i f u r c a t i o ne v o l v e m e n th a st h r e ek i n d so fa t t r a c t o r si n c l u d i n gc r u n o d e f o c u sa n d s a d d l ep o i n t c r u n o d ea n df o c u st e n dt ob es t a b l e b u ts a d d l ep o i n tt e n d st ob ei n s t a b l e t h ec o r r e s p o n d i n gb i f u r c a t i o np o i i l ti st h a tt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e ro fr o c ka n d s o i lm a s s9i se q u a lt o1 b o t ht h ef o r e c a s tm o d e lo fd i s p l a c e m e n tr a t ea n d d e d u c t i o na c c u r a c yo ft h ef a i l u r et i m ea r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ei n i t i a ls t a b l es l i d i n g v e l o c i t yo ft h es l o p e 4 b a s e do nt h ei m p r o v e db i s h o pm o d e la n dc o n s i d e r a t i o no ft h es h e a rs t r e s s r e l a x a t i o no fr o c ka n ds o i lm a s so ns l i d es u r f a c e t h ep r o g r e s s i v ee v o l v e m e n ta n a l y s i s m o d e lo fs l o p e si sf i r s te s t a b l i s h e d t h ec o m b i n a t i o nw i t hb i f u r c a t i o nf o r e c a s tm o d e l i ss e tu pt h r o u g ht h ec h a n g eo fi n t e r - s l i c ef o r c ef ，a n dt h eb a c ka n a l y s i so ft i m e s e r i e si sa d o p t e dt od e t e r m i n et h em o d e lp a r a m e t e r sa n de q u i v a l e n tt i m ei n t e r v a la t t h e nac o u p l e dm e t h o do f n o n l i n e a rd y n a m i cf o r e c a s to nt h ep r o g r e s s i v ee v o l v e m e n t o fs l o p e si sp u tf o r w a r d i na d d i t i o n , t h es e c t i o n a la n di n t e g r a lf o r e c a s to f s l o p e si s r e a l i z e dt h r o u g hm e t h o d so fs p l i n ei n t e r p o l a t i o na n dd a t af i t t i n g ，w h i c hp r o v i d e sn e w m e t h o d sf o r t h ef o r e c a s ta n da l a r mr e s e a r c ho f s l o p e s 5 a c c o r d i n gt ot h es a d d l ep o i n te m e r g e n c ec o n d i t i o n , = 1 ，i nb i f u r c a t i o n m o d e lt h ee v o l v e m e n ts t a n d a r do fc h a o t i cd y n a m i c sf o rs l o p ed e f o r m a t i o na n df a i l u r e i se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ea v e r a g ed i s p l a c e m e n tr a t eo rd i s p l a c e m e n to fs l o p e sw h e n t h ed y n a m i cs a f e t yf a c t o r , k ，i se q u a lt o 1 ，t h es t a n d a r do f p r o g r e s s i v ee v o l v e m e n t a n a l y s i si se s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，t h es t a n d a r do fp e a kv a l u ef i g u r e si sa l s op u t f o r w a r dt h r o u g ht h er e l a t i o nc u r v eo ft h ei n t e g r a l d i s p l a c e m e n tv e l o c i t y a n d o 一 一v 一 中山大学博士学位论文2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 研究意义 滑坡是世界上仅次于地震的第二大地质灾害。据统计，我国由于地质灾害 给国民经济造成的损失高达2 0 0 亿年，其中，近十年来，滑坡灾害所造成的直 接经济损失高达2 5 4 0 亿元年瞳1 。如果从经常性和持久性的损失来看，甚至要比 地震事件造成的损失大的多乜1 。而滑坡灾害的预测预警问题是全世界普遍关注的 科学前沿课题之一，是关系到公共安全与经济发展的重大科技问题。这一问题虽 然人们很重视，但每年因滑坡地质灾害对工程设施造成的破坏仍十分严重，损失 巨大。究其原因是复杂的地质体与经典的数理理论之间尚存在许多不相宜之处。 早期的定量和半定量分析方法难以从理论方法上对边坡演化实质和地质体的复 杂性进行更深刻的刻画，需要在进一步完善该类方法的同时，发展新的理论和方 法。7 0 年代中后期提出并发展起来的耗散结构理论、混沌动力学、协同论、突 变论、分形理论等非线性动力学方法，是从系统演化的角度揭示系统演化本质和 规律的方法，有可能成为边坡预测预警研究的新理论支撑。目前，这方面的探索 处于起步阶段，因此，采用非线性动力学理论开展边坡复杂性特点，并进行边坡 安全预警的理论与方法研究，不仅具有重要的学术创新意义，而且，可为防治滑 坡灾害的发生，降低灾害风险等提供重要的科学依据和参考。 1 2 国内外研究现状与存在问题 1 2 1 边坡变形破坏机理与规律的研究现状 国内外关于边坡变形破坏过程的研究起步较早，并已经取得了较丰富的成 果。按照其研究的阶段及研究方法特点可概括为三个方面：( 1 ) 滑坡的机制和规 律研究；( 2 ) 基于模型试验和模拟方法开展的研究；( 3 ) 基于非线性动力学理论的 过程研究。 从滑坡灾变破坏机制与规律揭示其变形破坏过程的研究较早时候由t e r - z a g h i 口1 从土力学角度，以滑带土孔隙水压力的变化揭示滑坡机理及变化过程开 展。之后，h a e f e l i 、m o g e n s t e r n 等人h 喝1 定量地研究了孔隙水压对土体强度的影 响；s k e m p t o n m l 关于黏性土的残余强度理论和t e r s t e r p a n i a n 口3 关于土体蠕变过 高边坡变形破坏的非线性动力学过程及其预测预警研究陈恒 程的研究把滑坡机理的研究进一步推向深入。后来，d o u g l a s s t e a d 等1 在总结 露天矿边坡的基础上，综合考虑了边坡的几何形状、结构、物质组成、水压力、 时间及人为因素的影响，归纳出边坡破坏6 种类型，并对其变形破坏过程分别进 行了分析。国内学者在滑坡的成因、影响因素、受力状态、滑带土的强度变化规 律以及滑坡的破坏模式等问题上也进行了深入的探索，揭示了滑坡变形破坏过程 的若干重要规律。徐邦栋阳叫门等以滑动带成因和形态为主结合滑动特征，阐述了我 国铁路建设中软弱构造带( 面) 滑坡、胀缩土滑坡等六种滑坡不同类型的发生机理 和变化过程；晏同珍n 1 2 1 根据滑坡发生的初始条件、原因及滑动方式，概括了滑 坡形成的8 种机理( 即流变倾覆、应力释放平移、震动崩落及震动液化平推、潜蚀 陷落、地层悬浮一下陷、高位能飞越、孔隙水压浮动、切蚀一加载) ；孙广忠n 3 1 日 对边坡岩土体变形破坏机制进行了系统地研究，总结了岩土体变形的四种形式和 七种破坏机制；卢肇钧n 川从应力状态和应力路径、应变、孔隙水压力、加荷速率 受力时间、土体不均匀性和不等向性等方面阐述了边坡土体的破坏机理：张倬元、 王兰生等n 7 侧从边坡的地质结构和受力过程出发，提出了五种滑坡破坏模式；王 思敬n 们等提出了“结构释能”机理；伍法权雎0 3 基于不平衡推力传递法研究了滑坡 演化过程；黄润秋乜将地质学研究与现代材料科学、数学一力学、计算机数值模 拟技术紧密结合，提出了崩滑、泥石流等灾害性地质过程全过程模拟的数学一力 学原理。廖小平等凹3 提出了“冲击碰撞作用机理和连续可变的块体运动理论”。 程谦恭等提出了平卧“支撑拱”锁固滑坡动力学机理；王家鼎幽1 研究了强震作 用下低角度斜坡滑移的复合机理等四种黄土滑坡运动机理；刑爱国等乜朝通过流体 力学研究大型高速滑动滑坡的孔隙水压力与水气化压力耦合问题，研究了滑坡启 动流体力学机理。近年来，部分学者圆。3 2 1 结合代表性滑坡的治理，开展滑坡机理 与过程研究，也取得较好的进展。 国内外关于采用模型试验方法对边坡演化过程的研究主要包括底面摩擦试 验和离心模型试验。底面摩擦试验开展较早，1 9 7 1 年，英国伦敦帝国学院的 a s h b y j 嘞1 最早的把倾斜台面模型技术用于研究边坡倾斜破坏机理及过程研究； 随后帝国学院又试制成了基底摩擦试验模型3 ，应用于边坡块状倾倒及弯曲倾倒 ( 1 9 7 8 ) ；s t i m p s o n ( 1 9 7 9 ) m 1 等也进行了类似的试验，并与数值模拟进行了对比， 通过模型反映了边坡破坏的过程；g e h l e 。州采用自行研制的试验机，对岩质边坡 中山大学博士学位论文2 0 0 6 年5 月 滑动面岩体的力学变化进行了详细的研究，指出了破坏前后应力一位移的变化关 系。由于底面模型试验一般受尺寸限制，后来，研究者们发展了离心模型试验技 术口6 。40 1 ，近二十多年来，这一技术有了快速发展，一些学者9 4 们成功对世界著名 滑坡进行了模拟，并在实际工程分析中进行了应用。我国在模型试验研究方法这 方面起步稍晚，近年来，在离心模型试验研究上也取得了一定进展，如水利水电 科学研究院对龙滩水电站左岸边坡的稳定性、倾倒破坏机理进行了研究h ：长江 科学院对三峡船闸岩石边坡的稳定性进行了离心试验h2 l ，并依次为船闸高边坡评 价和设计提供了参考。 应用非线性动力学理论开展边坡变形破坏过程和机制研究是上世纪9 0 年代 末开始的，特别是近1 0 年发展较为迅速，在这方面我国的学者研究成果稍多，其 研究首先是从模型试验的基础上发展起来的h3 | 。周翠英等“4 。删从系统论、耗散结 构理论和协同学的观点出发，分别从统计物理模型和滑坡灾害发生的全过程讨论 了滑坡灾害的自组织过程，还从分形几何学等方面研究了边坡系统的复杂性特 征，探索了其演化规律；c h a u k t h 刀应用r u i n a 的试验模型理论研究了蠕变边 坡的分岔问题，后来通过双变量讨论改进了此方法；秦四清等n 8 。侧，t a n g ? 门与 h e n l y 2 3 等人分别在斜坡失稳、水库诱发地震、岩样失稳和断层运动研究中提出 了尖点突变模型；许强、李静辉等学者瞄3 啪3 发现在斜坡演化过程中混沌可能出现， 讨论了边坡演化的混沌特征。近年来，国内外的学者瞄h 2 3 重点从混沌动力学、分 形与分维、分岔与突变等几个方面对滑坡的发生、发展和破坏过程进行了探讨与 尝试，取得了一定成果。 1 2 2 滑坡预测预报研究现状 预测预报研究是滑坡的研究的核心内容，主要包括空间预测和时间预测两大 方面n ，2 1 2 川陆3 喵3 。本文重点探讨滑坡的时间预测问题。 滑坡的时间预测，主要包括趋势预测和滑动时间预测两类汹1 。在趋势预测 方面，地震强度与降雨强度对滑坡的影响是重要方面，国际土力学及基础工程协 会地震岩土工程委员会提出的三级评判预测地震崩滑的方法7 1 ，及冶金工业部建 筑研究总院提出的地震崩滑的影响计算方法随8 3 在现今都得到了应用，从不同地震 级数预测了滑坡的发生；f u s s g a n g e re 6 5 研究表明滑坡主要发生在降雨量为平均 降雨量的2 5 0 - - - - 3 0 0 ，且为无植被期的1 0 月一3 月份之间；w i l s o n r c 等障鲫人研究了 3 高边坡变形破坏的非线性动力学过程及其预测预警研究陈恒 降雨和滑坡之间存在的单一对应关系。人们还发现边坡的发生与太阳黑子活动或 其它星体的运动和循环周期有关。s h e k oa i 在苏联高加索黑海岸地区研究的 结果认为，边坡灾害的时间预测可依据太阳8 0 一9 0 年和1 1 年的太阳黑子活动周期 规律进行，所采用的方法是调和函数的周期分析和相关回归分析。f u s s g a n g e re 硼 还通过对欧洲动力地质作用历史资料的统计分析，认为这种作用的循环周期与土 星的3 0 年周期相一致。边坡运动的活跃年份对应于该行星处于其椭圆轨道的2 4 0 。3 6 0 。位置。趋势预测在数据获得及本质规律把握上还具有较大难度，实际 应用还有较多不定因素，本文重点研究与工程建设较为密切的滑动时间预测问 题。 1 2 2 1 滑动时间预测的定量半定量方法 滑动时间预测的定量半定量方法主要是指以统计学和系统预测等为主的一 类研究方法。主要包括：前兆现象预测法、斋藤法、统计数学模型法、灰色系统 预报方法和系统综合分析法。前兆现象预测法是较早采用的滑动时间预测方法， 它根据地下水异常、地表变形、动物表现失常等滑坡前兆，预测滑坡发生n 1 。此 种方法早在明万历年间就有应用的记载；我国宝成线须家河滑坡门引，挪威的 v a e r d a l e n 滑坡口日都采用此法进行了成功的预报；近年来俄罗斯科学院地球物理 研究所口铂在此法研究上取得了可喜成绩。上世纪6 0 年代末，日本学者斋藤狄孝 7 3 - 7 4 、( m s a i t o ) 以蠕变三阶段理论为基础，通过坡体进入加速蠕变阶段的位移 时间曲线进行滑坡失稳预报，提出了斋藤法的原型，并利用该法对日本高汤 山滑坡等滑坡进行了成功地预报n 副；日本学者k k a w a m u r a n 印采用差分法及最小 二乘法改进了斋藤公式；e h o e k 等口刀利用滑坡位移时间监测曲线提出了利用 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。在1 9 7 1 年 b a k e n n e d y 口踟根据智利c h a u q i c a m a t a 露天矿边坡位移曲线通过曲线拟合进行边 坡滑动时间预测，提出了曲线拟合预测思想；国内外学者口争8 0 1 以此思想为基础， 先后提出了多项式拟合、指数拟合到分段拟合的滑动预测方法；晏同珍口应用二 次回归曲线拟合v a j o n t 水库滑坡位移速度随时间变化的动态规律，取得了较好效 果；张倬元随2 1 提出了边坡破坏时间预测的黄金分割法；有人豳3 1 提出既有时距又 有变形速率的矢量权修正回归偏差；还有人用切比雪夫多项式进行了分析随4 。8 0 年代以来，适合研究确定与不确定因素共存系统的灰色系统阳5 1 滑动时间预测方法 4 中山大学博士学位论文2 0 0 6 年5 月 得到了发展，部分学者随嗍1 应用此方法分析了新滩滑坡、k e n c o t t a 滑坡等世界著 名滑坡，取得了一定效果；晏同珍( 1 9 8 8 ) 旧1 应用灰色系统中的v e r h u l s t 模型后验 预报了v a j o n t 滑坡，得出的滑坡失稳时间比实际破坏时间仅提前了2 4 4 3 天；陈 明东阿n 等应用灰色系统理论和g m ( 1 ，1 ) 模型，提出了利用滤波灰色分析法进行滑 坡预报的方法，并对黄河龙羊峡水电站龙西滑坡和长江三峡新滩滑坡进行了研究 预报；还有人提出了其它的统计模型分析方法，如王思敬b 门的a r c t g o 时间序列 法，秦四清哑1 1 9 9 1 年提出的m a r k o v 链状预测方法等等，丰富和完善了此类方法。 上世纪8 0 年代末发展起来的多个参数综合时间预测方法，是现今得到了较好应用 与发展的方法。王思敬院士阳3 1 提出了通过边坡失稳前变形量和位移速率综合预测 边坡破坏时间的方法；美国学者b a r r y v o i g h t m l 考虑了地质力学等综合参数提 出了多参数预报的经验公式；李天斌、余宏明等呻础利用滑坡动态数据的时间序列 分析方法，提出了滑坡动态跟踪综合预测的观点。现今，国内外部分学者一铲昕1 在 经验常数确定上开展了较深入研究。 除此之外，国内外学者还提出了模型试验预报法嘞1 、经验预报法、降雨量参 数预报法呻1 、声发射( a e ) 参数预报法n 0 叫等。但是，以斋藤法和多参数预测方法 为代表的五类定性或半定量预报方法仍是现今滑坡失稳时间预测预报的常用方 法，已经应用到边坡评价之中，并仍在发展当中。 1 2 2 2 非线性动力学滑动时间预测方法 非线性动力学方法n 0 1 1 在滑坡演化与时间预测中的应用是从岩石力学性质研 究开始的，主要包括了混沌、分形几何和突变理论等方法的应用，而确切的关于 滑坡时间预测的研究则是本世纪8 0 年代末至9 0 年代初的事情。研究进展包括： 1 分形几何在滑坡预测中的应用 分形几何学由法国数学家m a n d e l b r o t 口0 2 1 于7 0 年代提出的。其用于滑坡预测起 于8 0 年代中期，研究主要由结构面分形、岩体损伤断裂的分形开始，进而发展到 定量的滑坡预测研究。( 1 ) 在结构面分形研究方面，许多学者n 0 3 。1 州研究t j r c 与d 的关系，d 与粗糙角i 的关系以及r o d 与d 的关系，指出了结构面的分形特征，为滑 坡预测结构面的稳定性变化研究作出了贡献；( 2 ) 在岩体的损伤断裂分形研究上， 谢和平等n 鹏1 以雁行裂纹的分形模型分析了滑坡演化过程，y h z h a o 等n 0 9 3 研究了 滑坡岩土断裂扩展过程，t c h e l i d i e 等，h h a g a h a m a 等u 也对边坡岩体断裂中 高边坡变形破坏的非线性动力学过程及其预测预警研究陈恒 能量变化与d 的关系进行了系列研究；( 3 ) 在定量滑坡预测的分形研究上，首先有 人研究了滑坡演化过程中的稳定性变化，如吴中如等n 1 2 1 利用碧口水库青崖岭滑 坡位移观测资料，建立了滑坡稳定性变化分形模型；张子新等n “”把块体理论与 分形理论进行了结合；还有人州川对这方面进行了演化分析，取得了一定的成 果。直接针对滑坡时空预测预报的分形研究是近1 0 余年的事，易顺民等7 1 通过 对西藏樟木地区滑坡及水系进行分形研究，发现滑坡高潮期前存在降维现象，d 反映了滑坡活动程度，d 越大，滑坡活动越明显。滑坡活动前分维数大于滑后维 数。据此，可利用维数d 的变化确定滑坡失稳时间，进行滑坡活动时间预报。周 翠英等町研究了滑坡的时空分维及其变化规律，指出滑坡的产生伴随着时空分 维的降低和关联维数的下降，可据滑坡分维降的幅度进行滑坡预测预报。但分形 理论刚刚开始用于滑坡演化及预测研究，侧重于滑动面及边坡岩土参数分析，定 量化的滑坡时空预测研究比较匮乏，还未见有成功的工程应用报道。 2 突变理论在滑坡预测中的应用 突变理论是法国数学家r t h o m n l 9 1 于1 9 7 2 年创建的。其用于滑坡预测由上世纪 9 0 年代初左右开始，首先是关于滑坡的稳定性变化研究。秦四清等n 2 州2 门利用突 变理论的尖点模型，对平面滑动失稳机制进行研究，给出了发生快速和慢速滑坡 的判别式，导出了失稳的力学充要条件判据；李荣强n 2 2 1 建立了顺层边坡的尖点 模型，导出了边坡系统的总势能表达式及边坡失稳临界条件，同时分析了坡内应 力状态的渐变，为边坡预测提供了理论依据；房营光等旧3 针对圆弧滑动面，应用 应力软化模型