（地质工程专业论文）工程高边坡稳定性预测方法研究.pdf

中文摘要 摘要：随着三峡水利工程的建成蓄水，库区原居民除少数外迁外，大部分都 是向高处搬迁，大量的移民需要大片的安置土地，而三峡库区沿江两岸都是高山 峡谷地貌，可利用的平地甚少，因此，搬迁建设用地不可避免地要进行劈坡造地， 形成大量的人工高边坡。而这些高边坡一旦失稳，将造成巨大的损失，所以对工 程高边坡进行稳定性预警就非常重要。滑坡预测预报是减轻滑坡灾害的最有效地 方法和途径之一，也是当前滑坡研究的重点、难点课题，同时更是地质灾害防治 控制和环境保护的重要手段。 本文在广泛的文献调研基础上，针对目前滑坡研究存在的主要问题，系统地 总结了前人在滑坡预测预报领域的研究成果，并按照系统综合的研究方法对滑坡 预测预报的方方面面进行了较为系统的分析，主要回顾了滑坡预测预报的国内外 研究历程和现状，对滑坡预测学、滑坡预测预报、滑坡时间预测预报、空间预测 预报、灾情损失预测预报等几个关键性问题进行了界定和阐述；分析了滑坡空间预 测预报相关参数，总结了滑坡空间预测预报参数选择方法和滑坡空间预测预报国 内外的主要研究方法，然后结合三峡建设委员会课题高切坡防护工程预警系统 及方法研究，在广泛查阅了国内外有关滑坡预测预报文献资料的基础上，分析了 三峡库区重庆某高边坡监测点现场位移监测数据，运用灰色g m ( 1 ，1 ) 模型和生 物生长的v c r h u l s t 模型对其进行了失稳时间的定量预报；并且以滑坡的变形破坏机 制为基础，确定了影响边坡稳定性因素的选取，以实际工程中的边坡资料为样本， 建立了基于m a t l a b 神经网络工具箱的边坡稳定性的定性评价方法的体系和流程。 关键词：工程高边坡；灰色模型；v c r h u l s t ；时间预测；神经网络；稳定性评价 分类号：t u 4 1 3 6 + 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a c c o m p a n yw i t ht h ea c c o m p l i s h m e n ta n du s i n go ft h r e eg o r g e d a m ，e x c e p tf e wl o c a lr e s i d e n t sm o v m g t oo t h e rp l a c e s ，m o s to ft h e mm o v et ou p l a n d ， s oag r e a tn u m b e ro fi m m i g r a n t sn e e dal o to fl a n dt os e t t l ed o w n h o w e v e r , b o t hs i d e s o ft h eb a n ko ft h r e eg o r g er e s e r v o i ra r eh i g hv a l l e ya n dm o u n t a i n , v e r yl i t t l ef i a t g r o u n dc a nb eu s e d ，i nt h a tc a s e ，i ti su n a v o i d a b l et h a tt h el a n du s i n gf o ri m m i g r a t i n g a n dr e b u i l d i n gf o r m sm a n - m a d eh i g h - c u t t i n g s l o p e i ft h e s eh i g h - c u t t i n gs l o p e s d e s t a b i l i z e d ，i tw i l lr e f l e c to ng r e a tl o s i n g ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt om a k ef o r e c a s to ft h e s t a b i l i t yo fe n g i n e e r i n gh i g h - c u t t i n gs l o p e al a n d s l i d ef o r e c a s ti so n eo ft h em o s t e f f e c t i v ew a y st oa l l e v i a t et h ed a m a g ec a u s e db yl a n d s l i d e sd i s a s t e r s i ta l s oi st h e c r u c i a la n dd i f f i c u l tt o p i cf o rl a n d s l i d e ss t u t y a tt h es a m et i m e ，i ti st h ei m p o r t a n t m e a n so fp r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fg e o l o g i c a lh a z a r d sa n dt h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e e t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h eg e n e r a lr e v i e wo nt h ea c h i e v e m e n t si nt h ef i e l do f l a n d s l i d e sf o r e c a s t , a i m e da tt h em a i np r o b l e mo fs t u t yo nl a n d s l i d e sf o r e c a s t t h e t h e o r i e st ol a n d s l i d e sf o r e c a s ta r es u m m a r i z e dc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l y f i r s t l y , l o o k e db a c kt h er e l a t e dr e s e a r c h e sa b o u tl a n d s l i d e sf o r e c a s ta th o m ea n d a b r o a d t h ek e yc o n c e p t so fl a n d s l i d e sf o r e c a s ts u c ha sl a n d s l i d e sf o r e c a s tc o u r s e ，s p a c e f o r e c a s t ，t i m ep r e d i c t i o n , d a m a g el o s sf o r e c a s ta r ed e f i n ea n ds t a t e d s e c o n d l y , a n a l y z e d t h ep a r a m e t e r so fs p a c ef o r e c a s t ，s l i mu pt h em e t h o d so fs e l e c t i n gp a r a m e t e r sa n d s u m m a r i z e dt h em e t h o d so fr e s e a r c h i n go ns p a c ef o r e c a s ta th o m ea n da b r o a d t h i r d l y c o m b i n i n gw i t h t h es t a t ec o u n c i lt h r e eg o r g e sp r o j e c tc o n s t r u c t i o nc o m m i t t e e e x e c u t i v eo f f i c e p r o g r a m ，a f t e rw i d e l yc o n s u l t i n g t h ed o m e s t i ca n d f o r e i g n d o c u m e n t a t i o na n dm a t e r i a lr e l a t e dt ol a n d s l i d e sf o r e c a s t ，a n a l y z e dt h ed i s p l a c e m e n t m o n i t o rd a t ao ft h ej c 6 0 5h i 曲一c u t t i n g s l o p e i n c h o n g q i n ga n dp r e d i c t e d i t s d e s t a b i l i z a t i o nt i m eu s i n gt h eg m ( 1 ，1 ) m o d e la n dt h ev e r h u l s tm o d e l m e a n w h i l e ， b a s e do nt h ea n a l y s i so fd i s t o r t i o na n dd e s t r o ym e c h a n i s mo fl a n d s l i d e ，t a k i n gt h e c h a r a c t e ro fl a n d s l i d es y s t e mi n t oa c c o u n t ，a n df i n do u tt h ef a c t o r st h a td oi t sw o r kw i t h t h es t a b i l i t yo fs l o p e ，l o o k e di n t oal o to fs l o p ec a s eh i s t o r ya n dm a k et h e mi n t os a m p l e d a t at h a ti m p o r tt ot h en e u r a ln e t w o r kt of o r e c a s tw h i c hs l o p ew i l ld e s t r o y e d ，a tt h e s a m et i m e ，c r e a t e dt h es y s t e ma n df l o wp a t ht h a tu s i n gt h em a t l a bs o f t w a r et oe a r l y v w a r n i n gt h ed a n g e r o u ss l o p e s k e y w o r d s ：h i 曲- c u t t i n gs l o p e ； a ym o d a l ；v e r h u l s t ；t i m ef o r e c a s t i n g ；n e u r a l n e t w o r k ；e s t i m a t i o no fs t a b i l i t y c l a s s n o ：t u 4 1 3 6 + 2 独创i 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 导师签名吃扎 签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师许兆义教授的悉心指导下完成的，许兆义教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 许兆义老师对我的关心和指导。 白明洲教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助， 在此向白明洲老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，朱超博士、丁德云博士，张宁、刘煊、刘强 等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 同时感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 另外中国地质环境监测院为我提供了环境舒适的实验基地，在此向监测院的 工作人员表示感谢。 韭直奎甄友坐亟堂焦监童i l 宣 1 引言 1 1 研究意义 我国是世界上地质灾害非常严重的国家之一，近年来我国地质灾害每年造成 一千人左右死亡、上百亿元财产损失，严重制约着地质灾害多发地区的经济发展、 威胁着人民生命财产安全。 2 0 0 8 年1 6 月，全国除北京、天津、内蒙古、黑龙江、上海、海南和宁夏外， 其余2 4 个省( 自治区、直辖市) 都发生了地质灾害，共发生1 9 2 0 1 起，其中滑坡 9 7 6 3 起、崩塌6 3 7 4 起。其中滑坡灾害占全部灾害的5 08 5 ( 图i - 1 ) 。共造成3 9 0 人死亡、1 6 人失踪、6 0 3 人受伤直接经济损失1 6 13 亿元。与去年同期相比，地 质灾害发生数量、造成的死亡失踪人数和直接经济损失都有较大程度增加，分别 增加了50 8 倍、09 9 倍和2 11 0 倍( 2 0 0 7 年全年共发生地质灾害2 5 3 6 4 起，造成 5 9 8 人死亡、8 1 人失踪，直接经济损失2 4 7 5 亿元，其中滑坡灾害占全部灾害的 6 1 ) 。( 汶川地震诱发地质灾害造成的人员伤亡未统计在内) 【l 】。 淘嚼悠 幽1 - 12 0 0 8 年l “月地质灾害类型构成 因此，滑坡灾害已成为一种目前我国最严重的地质灾害之一，如何预警、预 报滑坡、泥石流等地质灾害，已成为当前社会和政府关注的一个焦点问题。 并且举世瞩目的三峡水利工程建成后，达到正常蓄水位1 7 5 m 高程，受此高度 影响的移民达1 1 3 万之多。除了少数居民外迁外，大量的是就地向高处搬迁。三 峡库区地处渝东、鄂西山区，该地区丘陵占2 1 7 ，山地占7 4 ，平坝占4 3 。平坝大多都位于低高程，蓄水后将被水淹没。大量的移民需要大量的安置土 地，三峡库区沿长江两岸都是高山峡谷地貌，可利用的平地甚少。因此，搬迁建 设用地不可避免地要施行劈坡造地。形成了大量的人工高切坡。( 根据三峡库区 高切坡防护规划和建筑边坡工程技术规范( g b 5 0 3 3 0 - - - 2 0 0 2 ) 的有关规定，定 义高切坡为：因移民工程建设需要开挖形成的，大于一定高度的斜坡。其中岩质 高切坡是边坡高度高于15 m ，土质高切坡是高于8 m ，岩土质高切坡是高于1 0 m ) 三峡地区地质条件复杂，岩层松软易风化。滑坡、崩塌、岩溶等地质灾害比比皆 是。二期移民迁建中，查处库区存在近2 5 0 0 个较为重要的自然滑坡和崩塌，天然 的地质灾害比较严重 2 ，3 】。人工高切坡的产生，在原来地质灾害的基础上形成了新 的地质灾害。据统计，自第二期移民搬迁工程以来，库区对人民生命财产构成威 胁的高切坡就达2 7 0 0 多处【4 】。 所以研究边坡的稳定性和对滑坡的预报就显得非常有必要。滑坡预报的意义 在于及时准确地预报滑坡的时间、空间和规模，由此可采取必要的防治措施避免 或减少滑坡地质灾害可能造成的损失。由于大滑坡发生前都有明显的前兆现象， 再加上边坡变形观测获得的信息是预报的最可靠的第一手信息资料。智利楚基卡 玛露天矿滑坡、攀钢石灰石矿滑坡都是利用滑坡变形观测预报滑坡发生时间的成 功实例。 1 2研究现状 1 2 1 边坡稳定性评价的研究现状 早期对边坡稳定性的研究主要是从两方面进行的：一是借用土力学中极限平 衡的概念，根据三个静力平衡条件计算边坡极限平衡状态下的总稳定性( f e l l e n i u s ， p e t e r s o n ，1 9 6 1 ；k a r it e r z a g h i ，1 9 2 6 ；b i s h o p ，1 9 5 5 ) ；二是从边坡所处的地质条 件及滑坡现象对滑坡发生的环境机制进行分析，但基本上都是定性单因素的。5 0 年代，我国许多工程地质工作者在滑坡研究中采用了苏联的“地质历史分析”方 法，但该方法偏重于定性描述和分析。6 0 年代初的瓦依昂滑坡及6 0 年代中期以来 我国一些水电工程和露采矿山遇到的大型滑坡和岩体失稳事件，首先使工程地质 家们认识到边坡是一个时效变形体，边坡的演变是一个时效过程或累进性破坏过 程，每一类边坡都有其特定的时效变形形式或时效变形全过程( l m u l l e r ，1 9 6 3 ， 1 9 6 5 ；张悼元、王思敬等，1 9 7 0 s ；k y l o1 9 8 0 s ) ，这些过程所包含的力学机制只有 用近代岩石力学理论才能解释，从而使有关边坡稳定性研究进入了模式机制研究 或内部作用过程研究的新阶段。 进入8 0 年代，工程地质学及边坡科学研究进入了蓬勃发展的新时期。一方面 随着计算理论和计算机科学的长足进展，数值模拟技术已广泛应用于边坡稳定性 2 研究。上述模式机制的研究不再停留在现象的定性分析阶段，而是采用数值模拟( 或 物理模拟) 手段定量或半定量的再现边坡变形破坏过程和内部机制作用过程，从整 体上、理性上认识边坡变形破坏机制，认识边坡稳定性的发展变化。与此同时， 学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的一系列理论方法，如系统论方法、 模糊数学、灰色理论、数量化理论及现代概率统计等被引入边坡科学研究，从而 大大促进了理论的更新和应用研究及决策水平的提高。除手段和理论的更新外， 社会实践给当今边坡科学研究提出的课题不论在数量上或是在复杂程度上也都达 到了前所未有的水平【5 1 。 国内外大量学者进行研究，提出了许多不同的分析计算方法。这些方法按其 理论基础和分析原理大致可分以下几类： ( 1 ) 工程类比法 ( 2 ) 图解法 ( 3 ) 极限平衡分析法 ( 4 ) 极限分析法 ( 5 ) 有限单元法 ( 6 ) 离散单元法 ( 7 ) 随机理论分析方法 ( 8 ) 物理模型方法 ( 9 ) 现场监测分析方法 这些确定性分析方法都是基于经典的摩尔库伦原理和极限平衡理论来加深认 识的，各种不同的极限平衡条分计算方法的适用范围和假设见表1 1 。 表1 - 1 极限平衡分析方法汇总表 方法适用滑面满足平衡条件假定求解方法 m o r g e n s t e m & t a n = 矽g ) 任意滑裂面 p r i c e 通 s p e n c e r 任意滑裂面 每个土条和整个 厂b ) = 1 迭代法，直 用 滑动土体都满足 假定条间作用 条 j a n b ug e n e r a l i z e d 任意滑裂面 到满足方 力和力矩平衡条 力的位置 程式的解 分 件 对条间作用力 法 s a n n a - vs l i c e s 任意滑裂面 大小的分布函 数作假定 o r d i n a r yo r 化 圆弧滑面整体力矩平衡不考虑条间力 直接求解 f e l l e n i u s 3 b i s h o p s 只考虑条间水 圆弧滑面 整体力矩平衡 s i m p l i f i e d 平向作用力 c o r p so f2 儿( 边坡 任意滑裂面 e n g i n e e r s 平均坡度) 每个土条和滑坡 = ( 口+ r ) 2 迭代法，使 l o w e 勋r a f i a t h任意滑裂面 得坡趾的 体力平衡满足，力 矩平衡不满足 = 0 ( 只考虑 条间作用 j a n b u s i m p l i f i e d 任意滑裂面 力为零 水平力) 传递系数法任意滑裂面 8 = 仪 9 0 年代以来，随着边坡稳定分析理论不断发展和充实，分析方法逐步由定性 走向定量，由确定性发展为非确定性。定性分析方法主要包括工程类比法及图解 法；根据不同边坡类型，稳定分析的目的及精度要求对应不同方法，定量分析方 法大致可归纳为刚体极限平衡分析法、极限分析法与数值分析方法，定量分析方 法都属于确定性分析。有限单元法( f e m ) 和边界单元法( b e m ) 是边坡稳定性分析最 常用的数值分析方法，同时还有非连续变形分析方法、拉格朗日分析法和流形元 法等其它数值分析方法。 由于边坡系统是一个复杂的系统，影响高边坡稳定性的因素具有随机性、模 糊性和不确定性，所以当今高边坡稳定性理论在定值分析方法的基础上，吸收现 代科学理论中的耗散理论、协同学理论、混沌理论、随机理论、模糊理论、灰色 系统理论、突变理论和遗传算法等，创立和发展了一批非确定性分析方法，如边 坡稳定b p 神经网络分析法、可靠性分析方法、随机过程方法、模糊分级评判方法、 边坡稳态判别的灰色系统理论等。 不确定性分析方法在边坡稳定分析中应用最早大约出现在2 0 世纪7 0 年代初。 一方面是由于一些新理论和方法如可靠度、人工智能等的出现；另一方面是由于在 边坡工程设计和分析中涉及有大量不确定因素越来越被人们认识到。目前，不确 定性分析方法主要包括灰色系统评价法、可靠度分析方法、模糊综合评价法等。 1 、灰色系统评价法 灰色系统理论认为，在决定事物的诸因素中若既有己知的，又有未知的或不 确定的，它们所在系统则称为灰色系统。把系统中的一切信息量看作灰色量，采 用特有的方法建立描述灰色量的数学模型。利用灰色关联度分析原理，确定边坡 稳定性各影响因素的影响程度，进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。陈 新民，罗国煜【6 提出了一种基于经验的边坡稳定性灰色系统分析方法，该方法所得 的结果与边坡实际状态相一致，并且，该方法直观、简单、可操作性强。 2 、可靠度分析方法 4 边坡工程可靠度分析【7 】是把边坡岩体性质、荷载、地下水、破坏模式、计算模 型等作为不确定量，借鉴结构工程可靠性理论方法，结合边坡工程的具体情况， 用可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。目前工程结构可靠度常用的计算方法 有一次一阶矩法( f o s m ) 、改进的一次一阶矩法( 即验算点法) 、j c 法、帕罗黑莫法 ( p a l o h e i m o ) 、蒙特卡罗法( m o n t ec a r l o ) 等。祝玉学等【8 】对边坡随机分析进行了系统 研究，为边坡可靠性分析作了大量基础工作。黄志全等【9 】严春风等【1 0 】对岩体力学 参数和强度参数的可靠性问题进行了研究。与传统的确定性理论相比较，可靠性 分析能更好地反映边坡工程的实际状态，正确合理地解释许多用确定性理论无法 解释的工程问题，但是该方法还处于研究和探索阶段，还有待进一步发展完善。 3 、模糊综合评价法 模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或 其属性的相关因素，进而进行等级或类别评价【1 1 】。实践证明，模糊分级评判方法 为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段。其优点是 能得到边坡稳定性等级分类指标，据此判断出边坡的稳定性情况；缺点是在实际操 作过程中，评判中权数的分配带有一定的经验性和主观性，并且并没有考虑到各 个影响要素。彭振斌，何忠明等【1 2 】构造了岩质边坡稳定性分析的模糊综合评判模 型，进而结合某大型水电站边坡稳定性的实际问题进行分析。 纵观滑坡稳定性评价的发展历程，从静态研究到动态研究，从分散研究到系统 研究，从确定性研究到非确定性研究，人类正在向滑坡灾害系统的确切描述逼近。 以滑坡系统演化机制为基础，注重各种新理论、新技术、新方法的结合、应用， 加强对滑坡信息的有效提取与管理，建立基于3 s 的管理、实时监测、预测、设计、 施工一体化的滑坡灾害信息决策支持系统，真正做到防灾、减灾是今后滑坡灾害 研究的总体研究方向。 1 2 2 边坡预测预报的研究历史与现状 滑坡预测预报研究是2 0 世纪6 0 年代才开始起步的，现已成为滑坡研究中的 一个热门课题。由于滑坡问题的复杂性，滑坡时间预报目前还是一个世界性的科 学难题。在此领域内，国内外已取得了一些成果，预报成功的也不乏其例，如长 江三峡新滩滑坡等。但这些成功预报大多是通过监测工作实现的。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。甚至是否存在这样的理 论模型，能有效的解决崩塌、滑坡的时间预报，还是一个处于探索研究中的问题【l 引。 经过3 0 多年的研究，国内外许多滑坡专家潜心研究，不断探索，使滑坡理论 有了较大发展，纵观其发展过程，大致可分为三个阶段： 5 ( 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破坏现象和失稳的宏观前 兆现象，对滑坡进行推断，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，提出了蠕变破坏的三阶段理 论，建立了滑坡时间与蠕变速率之间的经验公式，利用该模型曾于1 9 7 0 年对日本 的高汤山隧道滑坡进行了成功预测【l4 1 。1 9 7 7 年，e h o e k 根据1 9 6 9 年智利 e h u q u i c a m a t a 矿滑坡监测位移一时间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公式【l5 1 ，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，仅适用于短期预报和临滑预报。 ( 2 ) 位移时间统计分析预报阶段。进入8 0 年代后，在滑坡预报研究方面取得 了显著进展。许多学者大量引入数学方法和理论模型，用于拟合不同滑坡的位移 一时间曲线，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 6 1 。1 9 8 5 年，日本学者福囿用砂和土两种 材料采用人工降雨方法进行大比例尺模型试验，根据试验结果，提出了预报滑坡 破坏时间的福囿法。1 9 8 8 年，陈道东、王兰生教授首先将灰色系统理论中的g m ( 1 ， 1 ) 模型引入滑坡位移时间曲线的拟合外推，提出利用滤波灰色分析法进行滑坡中 期预报【1 7 】。1 9 8 8 年，晏同珍教授根据对滑坡孕育、发生、发展的过程特征，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【1 8 】。晏同 珍教授还于1 9 8 7 年和1 9 8 8 年提出了回归模型和泊松旋回模型。同年，张悼元教 授等还提出了黄金分割法进行滑坡预报【1 9 1 。1 9 8 9 年，崔政权提出了梯度正弦模型 【2 0 1 。1 9 8 9 年，美国学者b v o i g h t 提出了多参数预报的经验公式。 此外，还有不少学者尝试了马尔科夫预报、模糊数学方法预报和图解法等多 种方法，使滑坡预报方法向定量化方向迈进了一大步。但是，这一阶段学者们主 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【2 。 ( 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， 6 提出了滑坡动态跟踪预测的观点【2 2 】。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。1 9 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【2 3 1 。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【2 4 1 。1 9 9 7 年，文宝萍等 提出了滑坡灾变判据及灾变预测的数学模型。黄润秋、许强博士于1 9 9 7 年提出了 全新的蠕动边坡失稳预测模型理论。 1 2 3 神经网络在边坡工程中的应用 应用的神经网络模型有许多种，人工神经网络在滑坡这一复杂的非线性动力 学系统研究中，主要是滑坡灾害的稳定性评价和时空预测预报，其中以b p 模型应 用最为普遍，易顺民( 1 9 9 6 ) 以该方法为基础实现了滑坡灾害的空间预测。该模型是 一种多层前馈型非线性映射网，其基本方法是：首先分析影响评价或预测的影响因 子或特征量，并将其作为b p 网络的输入，每一个影响因子对应于b p 网络输入层 的节点，将评价和预测问题的结果作为网络的输出，输入层和输出层的节点数目 依问题的性质而定，当b p 网络的结构确定以后，用该网络对样本系列进行监督学 习，获取知识，从而识别出模式与影响因子之间的复杂非线性映射关系，具体算 法参见有关文献【2 5 1 。 张德政等【2 6 】根据边坡稳定性评价特征和影响边坡稳定性的因素数据类型及特 点，构造了神经网络符合模型来进行边坡的稳定性评价。该模型由自组织特征映 射神经网络( s o m ) 和前馈神经网络( b p ) 相结合而组成，将s o m 网络的较好的抗噪 能力和自联想最邻近模式分类功能同b p 网络的高度非线性映射特征相结合，相对 于单一网络而言具有较高的计算能力和较少的计算时间。该模型在实际应用时， 输入层的神经元分别对应6 个参数：重度、粘聚力、摩擦角、边坡角、边坡高度、 空隙压力比。k o h o n e n 层为1 0 1 0 二维神经元列阵，b p 隐含神经元为5 个。输出 层有两个神经元分别对应边坡状态和安全系数的估计值，经过网络学习得到部分 训练样本的计算结果与实际状态一致，具有较好的实用性。 前馈网络为滑坡灾害的预测提供了一种新的方法。但是，目前对于前馈网络 的研究大多数侧重于网络学习性能的改善，而从预测角度来讲，更应关注的是改 7 善网络泛化性能。为了改进前馈网络的泛化性能，人们提出了一些改进方澍2 6 捌， 如准则函数加惩罚项的方法以及启发式地去掉多余神经元的办法。基于此种改进， 胡铁松等【2 8 】提出了滑坡预测的改进前馈网络方法( g p ) ，以残差绝对值和最小作为 准则函数，将前馈网络的学习问题转化为一定的非线性规划问题，将网络输入变 化为对输出的灵敏度作为惩罚项加入到准则函数中，形成灵敏约束条件，按照一 定的步聚求解非线性目的规划模型，并以湖北长阳清江墓平滑坡和卧龙寺滑坡为 研究对象进行了预测。相比较而言，g p 法的预测精度明显优于b p 法的预测精度。 为了更好的促进神经网络在滑坡灾害评价、预测中的应用，改进b p 算法学习 的局限性，近年来提出的许多基于神经网络的改进算法在其它领域中的应用【2 9 】， 包括遗传神经网络、灰色遗传识别方法都可借鉴，有待于进一步地深入研究和探 讨。 i 3研究内容与技术路线 滑坡预报的意义在于及时准确地预报滑坡的时间、空间和规模，由此可采取 必要的防治措施避免或减少滑坡地质灾害可能造成的损失。由于大滑坡发生前都 有明显的前兆现象，再加上边坡变形观测获得的信息是预报的最可靠的第一手信 息资料。智利楚基卡玛露天矿滑坡、攀钢石灰石矿滑坡都是利用滑坡变形观测预 报滑坡发生时间的成功实例。在滑坡预报的三要素中，滑坡的空间要素主要依据 地形地貌及滑坡的地质条件，确定滑坡可能的边界条件，进而确定滑坡的规模； 而滑坡发生时间的确定主要依据滑坡体的变形监测。 图i - 2 滑坡灾害预测预报方法 单体高边坡的预测预警主要分为两类：状态预警和时间预报。 状态预警主要是根据高边坡的宏观变形迹象来判断高边坡目前所处的变形阶 段( 即状态) 和失稳破坏的可能性，并根据变形情况发出失稳警报。 9 时间预报主要是指地质体发展演化到即将失稳阶段，预报失稳的具体时间。 本论文依托中国地质环境监测院承担的三峡库区三期地质灾害防治高切坡防 护工程科研项目。拟采用神经网络预测和时间预测两种预测方式。神经网络预测 是以内因分析为主的方法，时间预测是内外因结合的预测方式，滑坡时间预测普 遍采用坡体位移监测资料来进行时间序列分析，利用灰色理论、生物生长模型来 进行时间预报。 边坡稳定性神经网络预测的基本原理是：给定充分的学习样本，网络学习完 成获得足够的知识后，输入待研究边坡必要的工程地质参数就可对其稳定和失稳 破坏作出判断，并对安全系数做出较准确的估计。网络输入的是边坡的定量和定 性信息，输出的是边坡稳定性的评价信息，即边坡稳定状态或安全系数的估计值。 神经网络对斜坡稳定性空间预测是用研究程度较高的斜坡地段作为已知样本对网 络进行训练，直到网络掌握数据间的非线性映射关系为止，然后用该地区其他稳 定性未知的地段作为预测样本，输入已经学习好的网络，通过网络的联想记忆功 能直接预测稳定性。 在用神经网络进行预测预报中，可以把各种可能对边坡稳定性有影响的因素 作为网络输入，而提高预测的精度。神经网络法能够充分逼近任意复杂的非线性 关系且能够学习与适应不确定性系统的动态特征，这些特点显示了神经网络在解 决不确定性、非线性复杂系统的问题上存在巨大的潜力。 而边坡失稳的时间预测，是建立在对高边坡现场位移监测的基础上，通过对 不同时刻发生的位移值进行等间隔化处理，然后对波动序列进行平滑处理，从而 达到对边坡失稳时间的预测。 1 0 2 三峡涪陵地区工程地质环境 长江三峡工程是超巨型工程，直接关系到国家经济的长远发展和人民的安危 祸福【3 们。根据规划，三峡蓄水至1 7 5 米水位时，最终移民将达1 2 0 万人。这相当 于一个欧洲中等国家的人口。三峡工程至今投资9 1 0 亿元，其中移民资金3 3 0 多 亿元，占三分之一强。三峡工程成败关键在移民。而就近安置移民必将在库区周 边形成很多人工高切坡，对这些移民高切坡的安全预测工作很有必要。高切坡的 稳定性作出可靠的评价，势必要了解工程库区的自然地理，气象水文，地形地貌， 岸坡结构类型，地层岩性及地质构造特征，新构造运动与区域稳定性评价，水文 地质条件，人类工程活动等工程地质和水文地质条件，同时对已发的崩塌，滑坡 的类型、规模、形成条件和稳定性状态进行研究【3 1 1 。因此，对于库区的地质条件 研究，是评价高切坡的基础，只有充分理解和掌握工程高切坡的基本地质条件， 才能对它进行合理客观的评价和研究。 2 1自然地理及气象水文 2 1 1自然地理 涪陵位于四川盆地东南边缘、重庆市中部，介于东经1 0 6 。5 6 t 一1 0 7 。4 3 。，北 纬2 9 。2 1 - , 3 0 。0 1 之间，东临丰都，南接武隆南川，西靠巴南，北连长寿垫江。 东西长7 4 5 公里，南北宽7 0 8 公里，幅员面积2 9 4 1 4 7 平方公里，折合4 4 1 2 2 万 亩( - i - 地资源详查数。统计数为2 9 4 6 平方公里，折4 4 1 9 0 万亩) 。现辖3 7 个乡、 镇、办事处，总人口1 0 8 7 万，其中农业人口8 5 7 万，占7 8 9 。涪陵区交通图见 图2 1 。涪陵区居重庆市及三峡库区腹地，扼长江、乌江交汇要冲，历来有川东南 门户之称，经济上处于长江经济带、乌江干流开发区、武陵山扶贫开发区的结合 部，有承东启西和沿长江、乌江辐射的战略地位。下面简单介绍涪陵区的土地， 生物，矿产和旅游资源。 图2 - 1 三峡库区涪陵交通图 土地资源。总量为4 4 12 2 万亩( 2 94 2 万公顷) 。土壤肥力总的较高，但在土 地利用中存在垦植过度，经营粗放，基础设施投入不足，水土流失严重，环境质 量下降，耕地锐减等问题。 生物资源。栽培作物品种多，主要有水稻、玉米、小麦等3 0 多种，尤以青菜 头最为著名，红心萝b 最具特色。涪陵是中国的榨菜之乡。涪陵榨菜举世闻名， 以其风味独特而驰名中外。 矿产资源。目前共发现8 种2 0 处，主要有煤、天然气、石灰岩等。煤，探明 储量1 5 0 0 万吨，集中分布于东南部乌江沿岸。天然气储量1 7 亿立方米，集中分 布于西部四合背斜。石灰岩总储量4 0 9 2 9 万吨，品位高，且集中分布于黔靖大堡 山和山岩口以及乌江沿岸。 旅游资源。国家一级保护文物涪陵白鹤梁石刻，被誉为“水底碑林”，位于涪 陵城西长江南岸大江中，石梁全长6 0 0 m ，宽约2 5 m ，每逢枯水季节，石粱露出水 面，形似白鹤。从唐广德二年( 7 6 3 年) 以来，在些天然石粱上，用刻石鱼的方式， 记载了当年塌枯水位，已记录了1 2 0 0 年来7 2 年枯水年份的水位，留下了重要的 水文资料。古代巴王故里小田溪，理学圣地周易园，北岩点易洞等，具有重要的 科学价值和历史文化价值【3 2 1 。 2 1 2 气象水文 涪陵区属于亚热带温湿气候，具盆地和山区的气候特点。具有雨热同步，温 湿适度，水热充足，但光能略显不足，水热时空分布不均，雨量充沛，无霜期长， 湿度大，云雾多，秋多绵雨。盆地地区冬暖，春早，夏季炎热；山区则夏季凉爽， 冬季寒冷，常有积雪。灾害性天气较多的特点。 根据区内主要气象站资料统计，多年平均气温1 6 1 8 间，1 月最低，在5 7 左右；7 8 月最高，气温在2 6 - - , 2 9 。极端最低气温5 3 ，最高气温4 3 5 。 热时空分布不均，具有灾害性天气较多的特点。 区内降雨量南、东部高，西、北部低，垂直分带明显。盆地地区及河谷地带， 多年平均降雨量约1 1 0 0 m m ，南、东部山区在1 2 0 0 m m 以上，位于图区东南缘齐耀 山脉之高坎雨量站，多年平均降雨量高达1 7 3 9 m m 。雨量在时间分配上极不均匀， 集中在鲫月，占全年6 2 。 区内多年平均径流量达5 1 7 m m ，地表水资源丰富，河流密度大，而且均属长 江水系。长江干流自西向东北斜贯全境，长7 7 k m 。乌江南来，自白沙沱入境，北 流到城区汇入长江，长3 1 k m 。此外，流域面积大于l o o k m 2 的河流有龙溪河、小 溪河、麻溪河、碧溪河、清溪河、同东河等，这些河流大多具有山地河流特征， 水质一般较好，能满足生产生活的需要。 多年平均相对湿度为7 6 8 8 0 7 。8 月份最低，为6 8 9 7 5 6 ，1 1 月至1 2 月最高为7 7 2 8 5 2 。 2 2地形地貌 三峡库区地貌基本以山地和丘陵为主【3 3 】。涪陵区地处四川盆地和盆边山地过 渡地带，境内地势起伏较大，层状地层发育，地貌类型复杂多样，山地面积广大。 总体东南高而西北低，西北东南断面呈向中部长江河谷倾斜的对称马鞍状。最低 点为南沱镇长江边的三块石，海拔1 3 8 m ，最高处为龙塘乡大山堡山峰，海拔1 9 8 0 m ， 相对高差1 8 4 2 m 。 区内地貌类型多样，以丘陵、台地为主( 共占5 4 4 ) ，其次为低山( 占3 1 1 ) 、 中山( 占1 3 3 ) 、平坝( 仅占1 2 ) 。地貌格局形成条岭状背斜低山与宽缓的向 斜谷地相间有序排列，而被长江、乌江河谷横断为江东、江北、江南三大片。向 斜谷地一般海拔高3 0 0 6 0 0 m ，其间，侏罗系紫色岩层广泛分布，多被侵蚀、剥蚀 为红层丘陵带坝( 如龙潭坝) 和台状低山( 如堡子、五马等坪上) 。背斜低山一般 高6 0 0 9 0 0 m ，山脊多出露三叠系灰岩，两冀多露石英砂岩，形成山字形长江河谷， 宽1 l o k m ，长7 7 k m ，内有3 5 级阶地和丘陵；乌江河谷呈南北向，长3 l k m ，宽 0 5 - 2 k r n ，均是本区重要通道和经济走廊。 地貌形态主要受岩性、地质构造的控制。根据地貌组合的地域差异，全区大 致可划为以长江河谷为主的河谷丘陵，以堡子、龙潭为主的坪状低山，以焦石为 主的岩溶低山三个地貌类型区。 2 3 地层岩性 2 3 1区域地层岩性 测区出露地层均属沉积岩类。除泥盆系、白垩系、第三系缺失外，从寒武系 到第四系均有出露 3 4 】。总厚度7 6 8 3 9 1 8 6 m 。 古生界出露于东南部，厚3 0 9 9 3 1 3 2 m ，占总厚度的3 4 , - , 4 0 ，面积6 5 6 9 5 k m 2 ， 占区面积的9 ，其中寒武系、奥陶系、志留系、二叠系发育较好，石炭系厚度不 大；中生界发育齐全，分布最大，厚4 5 8 6 6 0 5 5 m ，占总厚度的6 0 6 6 ，面积 6 4 7 5 8 1 k m 2 ，占区面积9 0 7 ；新生界第四系，零星分布于江河沿岸，面积最小， 仅占区面积0 3 。 2 3 2 涪陵地区主要地层岩性 涪陵区沿长江两岸主要出露侏罗系中下统的地层，即从j l 到j 2 的地层为沿长 江两岸的主要地层。局部也可见到三叠系的地层。而在乌江两岸则主要出露三叠 系嘉陵江组和须家河组的地层。同时沿江两岸零星分布着厚薄不均的第四系松散 堆积物。 全新统冲洪积物( q 4 8 唧1 ) 。上部为土黄色粉质粘土，一般呈硬塑状，土体中存 在大量虫孔和植物根系，局部有钙质结核。该层一般厚o 5 3 0 m ，阶地前缘较薄， 后缘较厚。含水量2 1 1 , , - 2 4 1 ，孔隙比0 5 9 5