滑坡預(yù)報(bào)研究方法綜述

1、滑坡預(yù)報(bào)研究方法綜述鄭孝玉(長春科技大學(xué)圖書館,吉林長春130026摘要:目前常用的各種滑坡預(yù)報(bào)的理論和方法很多,其中齋藤迪孝模型、灰色預(yù)報(bào)模型(1.1、Pearl 生物生長模型和非線性相關(guān)分析模型又是預(yù)報(bào)理論更為充分、研究較為深入、預(yù)報(bào)效果更有效的方法;對各種方法的的原理、適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了剖析。同時(shí),還對其它一些預(yù)報(bào)方法做了介紹。關(guān)鍵詞:滑坡;預(yù)報(bào)模型;地質(zhì)災(zāi)害中圖分類號:P642.22文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004-5589(200004-0370-05收稿日期:2000-03-15作者簡介:鄭孝玉,男,1965年生,碩士,主要從事水文地質(zhì)工程研究與圖書情報(bào)工作1滑坡災(zāi)害對人類和

2、社會的影響已經(jīng)成為一個(gè)不可忽視的環(huán)境難題,其危害已成為僅次于地震的第二大自然災(zāi)害1。而由于滑坡災(zāi)害的“突發(fā)”特征和滑坡在運(yùn)動(dòng)規(guī)律上所表現(xiàn)出的不確定性,有關(guān)的預(yù)測預(yù)報(bào)方面的研究遠(yuǎn)沒有達(dá)到較高的研究深度和預(yù)報(bào)精度。盡管如此,有關(guān)的研究仍層出不窮。各種預(yù)報(bào)方法因研究對象出發(fā)點(diǎn)及目的的不同,分別從物理學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科角度出發(fā)進(jìn)行研究和討論。而從預(yù)報(bào)的時(shí)期來看,又可以相對地分為長期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)和臨滑預(yù)報(bào)1,2。各種具體預(yù)報(bào)方法都有其優(yōu)勢的一面,也難免存在不適合或不完美之處,對這些方法進(jìn)行分析、歸納和討論,不僅可以促進(jìn)滑坡預(yù)報(bào)的深入研究,還可以為滑坡災(zāi)害的預(yù)防和控制提供

3、理論和實(shí)際的依據(jù)。1齋藤迪孝模型該模型由日本學(xué)者齋藤迪孝于1968年提出,其指導(dǎo)思想的核心即破壞三階段理論,系借助于實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析將滑坡的發(fā)生發(fā)展歸結(jié)為三個(gè)變形過程或階段,并建立了加速蠕變的微分方程3。應(yīng)用此方法結(jié)合野外觀測資料曾經(jīng)于1970年成功地預(yù)報(bào)了日本高場山滑坡。八十年代以來,各國學(xué)者在齋藤蠕變?nèi)A段理論的基礎(chǔ)上,提出了一些修正的模型,這些模型適用于進(jìn)行滑坡的短期預(yù)報(bào)和臨滑預(yù)報(bào)。實(shí)際上,早有學(xué)者先于齋藤先生從蠕變理論出發(fā),探討滑坡預(yù)報(bào)的問題。如Fine 就曾建議采用時(shí)間與變形速率的對數(shù)線性關(guān)系來預(yù)估斜坡蠕變破壞時(shí)間4。齋藤模型之所以更具代表性,在于他對日本幾個(gè)滑坡預(yù)報(bào)實(shí)踐上的有效性

4、,包括著名的高場山隧道、大井川鐵道、淺蟲、宗谷干線等。蠕變?nèi)A段理論是該預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ),該理論從土流變學(xué)出發(fā),將巖土體變形破壞過程與時(shí)間密切聯(lián)系起來,認(rèn)為在應(yīng)力作用下的土體,其變形過程包括不穩(wěn)定流動(dòng)階段、等速粘塑性階段和加速流動(dòng)階段,而最后階段的直觀表現(xiàn)即是滑坡的發(fā)生。齋藤的貢獻(xiàn)主要在于,利用較為充分的野外觀測數(shù)據(jù),總結(jié)出坡體破壞時(shí)間與變形速率的線性相關(guān)關(guān)系。由此,使時(shí)間預(yù)報(bào)問題可以簡單歸結(jié)為求取變形速率的問題。該方法最初頗具代表性,并且在七八十年代得到過相對廣泛的應(yīng)用和拓展,特別是經(jīng)另第19卷第4期2000年12月世界地質(zhì)WORLD GEOLO GY Vol.19No.4Dec.2000一位

5、日本學(xué)者K.Kawamura 采用差分法及最小二乘法求解齋藤公式之后,使預(yù)報(bào)精度大大提高5。幾乎同時(shí),E.Hoek 以齋藤經(jīng)驗(yàn)方程為基礎(chǔ),對智利Chuquicamata 礦滑坡監(jiān)測曲線提出了外延法6。但總的看來,由于該套方法自身的某些局限,目前所采用的情況并不多見。筆者以為,如何盡可能地不完全依賴于野外觀測資料,而多借用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來提供可靠的先期預(yù)報(bào)結(jié)果,應(yīng)該成為今后研究的重點(diǎn),同時(shí),這也是滑坡預(yù)報(bào)研究中最具實(shí)際價(jià)值的課題。2灰色預(yù)報(bào)模型(1.1這是一種用微分方法描述的動(dòng)態(tài)模型,它通過考查研究對象有關(guān)信息的可知程度,綜合評判各作用因素的綜合影響,由于最終的數(shù)學(xué)模型以連續(xù)方程的形式來表達(dá),故可

6、以解釋事物連續(xù)發(fā)展的較長過程,適用于中長期預(yù)報(bào)。邊坡的變形破壞,是由很多因素綜合作用的結(jié)果,它既受到自身因素(巖性結(jié)構(gòu)構(gòu)造等的影響,還受到外部因素(地下水地震氣候人類活動(dòng)等的影響,破壞時(shí)間與其內(nèi)部變化是直接聯(lián)系的,并且是量變到質(zhì)變的直觀表現(xiàn)。由于邊坡變形破壞因素的復(fù)雜性及人認(rèn)識的局限性,如果將邊坡穩(wěn)定性系統(tǒng)視為一個(gè)灰色系統(tǒng),將灰色系統(tǒng)理論引入其中進(jìn)行研究,顯然具有科學(xué)性和理論及應(yīng)用價(jià)值。這就是灰色預(yù)報(bào)理論的出發(fā)點(diǎn)?；疑到y(tǒng)的建模思想按其步驟和過程主要包括語言模型、網(wǎng)絡(luò)模型、量化模型、動(dòng)態(tài)模型及優(yōu)化模型這五部分,最終形成GM 模型。作為建模的一個(gè)重要內(nèi)容,對于原始數(shù)據(jù)的濾波處理十分關(guān)鍵。由于實(shí)際

7、數(shù)據(jù)的離散性無法滿足數(shù)學(xué)模型的建立,就需要進(jìn)行濾波處理,而從目前廣泛采用的最小二乘濾波、維納濾波和卡爾曼濾波來看,他們并不適用于邊坡蠕變?nèi)齻€(gè)階段變化的特征。因此多采用均勻?yàn)V波和非均勻?yàn)V波這兩種方法。均勻?yàn)V波就是反復(fù)運(yùn)用離散數(shù)據(jù)的鄰點(diǎn)中值,通過多次進(jìn)行平滑處理提高離散數(shù)據(jù)的光滑度,減小數(shù)據(jù)的粗糙度。非均勻?yàn)V波則特別運(yùn)用于邊坡在周期性外營力的作用下而產(chǎn)生的周期性變形破壞,在這種情況下,由于將導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性突變,變形也會突然加劇,應(yīng)變曲線無法保證平滑,所以必須首先進(jìn)行非均勻?yàn)V波,以剔除周期性因素的影響。殘差模型是總模型中另一項(xiàng)不可缺少的部分,也是保證預(yù)報(bào)精度的重要砝碼,可以采取對殘差序列進(jìn)行坐標(biāo)交換

8、,來改善和提高總模型的預(yù)報(bào)精度。而對生成的數(shù)據(jù)列,若采用Verhulst 生物生態(tài)模型并使方程形式成為一階白化微分方程,可以更精確地獲得預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)模型1。從理論上來講,灰色系統(tǒng)理論由于綜合了滑坡產(chǎn)生的影響因素,并通過豐富而量化的數(shù)學(xué)方程概化出預(yù)報(bào)關(guān)系式,因此具有很高的科學(xué)性和合理性。在實(shí)際應(yīng)用方面,也取得了一些成功的范例,如對甘肅天水黃龍西村滑坡1、湖北宜昌新灘滑坡、云南以禮河蘇家坪滑坡、湖北姊歸雞鳴寺滑坡7等的預(yù)報(bào)都較為成功。同時(shí),由于要求掌握的數(shù)據(jù)和信息要充分,在實(shí)際處理問題時(shí)應(yīng)盡可能減少人為插值或賦值的情況,否則無疑將動(dòng)搖其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可信度;另一方面,如何將該預(yù)報(bào)方法由擬合研究階段轉(zhuǎn)

9、變?yōu)閷?shí)際潛在滑坡進(jìn)行先期預(yù)報(bào),這將是從理論到實(shí)踐的質(zhì)的飛躍。有理由相信,如果在這方面有較大突破,那將使灰色系統(tǒng)理論在滑坡預(yù)報(bào)中具有不可估量的重大應(yīng)用價(jià)值。173第4期鄭孝玉:滑坡預(yù)報(bào)研究方法綜述成都地質(zhì)學(xué)院1斜坡變形破壞灰色預(yù)報(bào)研究的原理與方法(送審稿,198713Pearl模型方法系利用Pearl生物生長曲線進(jìn)行滑坡預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)模型8。Pearl方法原出自于生物學(xué)的研究領(lǐng)域,其基本原理在于,揭示生物在產(chǎn)生、發(fā)展、消亡整個(gè)過程中所遵循的一條漸進(jìn)演化規(guī)律,表達(dá)這一規(guī)律的曲線即Pearl生長曲線。該曲線的特征表現(xiàn)為下部比較平緩,曲線斜率較小,生長速度較慢;中部斜率最大,即生長速度最快;生長曲線的上

10、部,生長接近上限,生長速度極慢以至于達(dá)到成熟,此時(shí)生長終止。該曲線所對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)為Y=K1+e f(t。邊坡失穩(wěn)破壞的發(fā)展過程與描述生物生長規(guī)律的生物生長曲線相類似。在滑坡變形和變形發(fā)展階段滑坡的變形比較小,這時(shí)主要是蠕變,這兩個(gè)階段相當(dāng)于生物生長曲線的下部,曲線比較平緩,斜率較小,對應(yīng)于生物的產(chǎn)生階段;邊坡變形的急劇變形階段,其變形增大速度加快,相當(dāng)于生物生長曲線的中部,曲線斜率比較大,也就是對應(yīng)于生物生長的發(fā)展階段;邊坡的失穩(wěn)平衡破壞階段,邊坡變形急劇增加直至發(fā)生破壞,然后趨于穩(wěn)定,這個(gè)階段同生物生長曲線的中上部相類似,相當(dāng)于生物生長的成熟階段,這時(shí)曲線的分界點(diǎn)(拐點(diǎn)就是所要尋找的預(yù)報(bào)點(diǎn)

11、。根據(jù)邊坡失穩(wěn)的發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)規(guī)律與生物生長的相似性,可以采用Pearl模型來進(jìn)行滑坡預(yù)報(bào),這種方法適合于中短期預(yù)報(bào)。與一般情況下的邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)(變形Y和時(shí)間t排列相對應(yīng),滑坡的生長曲線如下式Y(jié)=K1+b e-at。此時(shí),預(yù)報(bào)的問題變成了求參數(shù)a、b、K的問題。采用選點(diǎn)法或變換法可以得到擬合的曲線方程。該方法符合自然界萬物的生長消亡規(guī)律,理論基礎(chǔ)充分而可靠,尚缺的就是實(shí)踐的檢驗(yàn),相信這一方法會有其光明的應(yīng)用前景的。4非線性相關(guān)分析模型屬于非確定性模型,它是通過曲線擬合相關(guān)檢驗(yàn)的方法,建立非線性方程,對滑坡進(jìn)行未來不太長時(shí)間的預(yù)報(bào),適用于發(fā)展變化規(guī)律復(fù)雜、變形破壞具有偶然性的滑坡預(yù)報(bào)。嚴(yán)格來講

12、,該方法屬于反演方法,在理論上一改嚴(yán)格決定論的觀點(diǎn),力圖從滑坡演化的混沌特征出發(fā),確立預(yù)報(bào)的非線性動(dòng)力學(xué)模型9。研究認(rèn)為,滑坡孕育過程中,斜坡滑動(dòng)面鎖固段有應(yīng)力積累的一面,又有孕育后期向周圍逐漸釋放應(yīng)力的一面,兩者間的復(fù)雜作用及外部環(huán)境擾動(dòng)的影響,將使滑坡發(fā)生時(shí)間偏離確定性規(guī)律而出現(xiàn)混沌。因此,確定非線性動(dòng)力學(xué)方程組有一定困難,而已有的觀測現(xiàn)象和數(shù)據(jù)則成為研究的第一手信息來源,如果將這些資料視為方程組的一系列特解,即作為動(dòng)力模型的一系列離散值,那么求解與數(shù)值解相反的問題,就可以得到較為理想的非線性動(dòng)力學(xué)方程。該方法進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)變量的選擇對預(yù)測效果影響極大,它同時(shí)又受具體斜坡的工程地質(zhì)條件

13、的明顯限制,因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)成為一個(gè)難題,它解決得好壞,直接決定預(yù)報(bào)結(jié)果的精度和可信度。273世界地質(zhì)2000年5其它預(yù)報(bào)方法除去以上幾種比較成型的預(yù)報(bào)方法之外,還時(shí)常有學(xué)者和研究人員進(jìn)行其它方法的探討,盡管還遠(yuǎn)沒有為滑坡理論界和專家所公認(rèn),但是毫無疑問,這些方法同樣豐富了滑坡研究內(nèi)容,對開拓新的研究思路提供有意的借鑒和啟發(fā)。針對滑坡位移-時(shí)間監(jiān)測數(shù)據(jù)列的散點(diǎn)圖式與某種二次曲線類似的特征,可用二次方程進(jìn)行擬合,在經(jīng)過相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)之后確定回歸預(yù)測方程,這種回歸分析模型預(yù)測法在對長江新灘滑坡的研究中取得了可靠的預(yù)報(bào)結(jié)果1。針對土庫曼斯坦山區(qū)黃土滑坡對公路的的破壞,前蘇聯(lián)學(xué)者的研究從粘性土的粘度系數(shù)

14、和“蠕變界限”出發(fā),利用馬斯洛夫卡拉烏洛娃公式求得蠕變穩(wěn)定速度,進(jìn)而算出破壞時(shí)間10。另有前蘇聯(lián)學(xué)者利用滑坡與降水的密切關(guān)系,建立了對降水量進(jìn)行諧波分析的數(shù)學(xué)模型,對發(fā)育在東南喀爾巴阡山山前地帶粘性土層的塑流滑坡進(jìn)行了長期預(yù)報(bào)11。利用綜合信息預(yù)報(bào)方法則是借助于物化探找礦的經(jīng)驗(yàn),通過對多因子評價(jià),判定活動(dòng)性滑坡的危險(xiǎn)狀態(tài),對湖北巴東黃蠟石滑坡的預(yù)報(bào)屬于成功的一例12。國內(nèi)有學(xué)者將相空間理論引入斜坡蠕滑預(yù)報(bào),將有斜坡觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間序列重新構(gòu)筑相空間,對相點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)組合處理,建立預(yù)報(bào)滑坡的模型,并對陜西韓城某滑坡實(shí)施了預(yù)測擬合13。試驗(yàn)?zāi)M預(yù)報(bào)研究也被有些學(xué)者嘗試,如對長江三峽新灘滑坡進(jìn)行的工程地

15、質(zhì)力學(xué)白光散斑模型試驗(yàn),通過模擬位移矢量場,獲得位移-時(shí)間相關(guān)關(guān)系,這種物理方法同樣取得了令人滿意的效果14。從彈塑性理論出發(fā),研究在滑坡變形過程中滑體的變形功率在各變形階段的不同表現(xiàn),進(jìn)而采用滑體變形功作為時(shí)間預(yù)報(bào)參數(shù)15,該方法適合于臨滑預(yù)報(bào)。馬爾科夫模型曾一度成為預(yù)報(bào)的熱門方法,該模型屬于一種狀態(tài)預(yù)報(bào)方法,可以從某種狀態(tài)出發(fā)預(yù)報(bào)下一步轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)的頻率,適用于中期預(yù)報(bào)。除此之外,指數(shù)平滑法、趨勢迭加法、卡爾曼濾波法、泊松旋回法、黃金分割法等也都對滑坡預(yù)報(bào)進(jìn)行嘗試和探討,而其應(yīng)用前景如何,需要得到理論和實(shí)踐的不斷檢驗(yàn)。參考文獻(xiàn):1晏同珍,伍法權(quán),殷坤龍.滑坡系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)規(guī)律及斜坡不穩(wěn)定性空

16、時(shí)定量預(yù)測J .地球科學(xué)中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),1989,14(2:117133.2秦四清,張倬元.滑坡災(zāi)害可預(yù)報(bào)時(shí)間尺度問題探討J .中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1994,5(1:1722.3山田剛二,渡正亮,小島澄治.滑坡和斜坡崩塌及其防治M .本書翻譯組譯.北京:科學(xué)出版社,1980.4Bishop A W ,Green G E.The Influence of End Restraint on the Compression Strength of a CohesionlessS oilJ .G eotechnique ,1965,15(3:122138.5蘇愛軍,馮宗禮.滑坡預(yù)報(bào)方法探討J .

17、水文地質(zhì)工程地質(zhì),1990,(5:5051.6伍法權(quán),王年生.一種滑坡位移動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)探討J .中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1996,7(增刊:3841,85.7梅榮生.滑坡劇滑時(shí)間預(yù)測模型建模方法J .中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1993,4(4:1418.8孫景恒,李振明,蘇萬益.Pearl 模型在邊坡失穩(wěn)時(shí)間預(yù)報(bào)中的應(yīng)用J .中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1993,4(2:3641.9秦四清,張倬元,黃潤秋.滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)的非線性動(dòng)力學(xué)方法J .水文地質(zhì)工程地質(zhì),1993,20(5:1373第4期鄭孝玉:滑坡預(yù)報(bào)研究方法綜述473世界地質(zhì)2000年4,58.10尼揚(yáng)佐夫.烏茲別克斯坦的滑坡預(yù)報(bào)A.鐘采元編

18、譯.見:滑坡文集(9C1北京:中國鐵道出版社,1992.11魯?shù)驴?預(yù)報(bào)喀爾巴阡山山前粘性土層滑坡時(shí)數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用A.劉鐵良譯.見:滑坡文集(11C.北京:中國鐵道出版社,1994.12鐘蔭乾.黃蠟石滑坡綜合信息預(yù)報(bào)方法研究J.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1995,6(4:6874,80.13黃國明,蘇文智.斜坡蠕滑預(yù)報(bào)的相空間理論J.水文地質(zhì)工程地質(zhì),1996,23(4:14.14劉漢東.邊坡位移矢量場與失穩(wěn)定時(shí)預(yù)報(bào)試驗(yàn)研究J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998,17(2:111116.15徐峻嶺,廖小平,李荷生.黃茨大型滑坡的預(yù)報(bào)及其理論和方法J.中國地質(zhì)災(zāi)害及防治學(xué)報(bào),1996,7(3:1825.

19、Summary on the Methods of Prediction to LandslideZHEN G Xiao-yu(Changchun U niversity of Science and Technology,Changchun130026,Chi naAbstract:In this paper,the popular theories and methods of forecasting failure time of landslide are summarized and concluded.The Saito Model,Grey Model,Pearl Growth

20、Model and Nonlinear Analysis Model are discussed and analyzed under principle,suitable condition and advantage and shortcoming.By the way the other methods are introduced.K ey w ords:landslide;model of time forecast;geological disaster(上接369頁The Evaluation of G roundw ater Q uality in SipingThrough the Improved BP-N et workGEN G Dong-qing,ZHAN G Hong-guo,WAN G Fu-gang(Changchun U niversity of Science and Technology,Changchun130026,Chi naAbstract:BP-network i