基于滑坡累积位移的滑坡体危险状态分析.pdf

第 卷 第 期 人民珠江 年 月 :/.:/基金项目:陕西省技术创新引导专项()陕西省自然科学基础研究计划项目()收稿日期:作者简介:王朝阳()男硕士研究生主要从事地质灾害预报预测等工作 :.王朝阳李丽敏王莲霞等.基于滑坡累积位移的滑坡体危险状态分析.人民珠江():.基于滑坡累积位移的滑坡体危险状态分析王朝阳李丽敏王莲霞任瑞斌符振涛崔成涛(.西安工程大学电子信息学院陕西 西安.西安理工大学自动化与信息工程学院陕西 西安)摘要:针对单体滑坡危险状态分析不全面的问题提出了一种基于滑坡累积位移的滑坡体危险状态多角度分析方法 首先利用极限位移准则确定滑坡所处预警阶段其次利用尖点突变理论对滑坡稳定状态进行评价再次采用重标极差分析确定滑坡体的发展趋势然后建立模糊矩阵确定滑坡体危险状态但由于单个检测点无法准确反映滑坡整体危险状态故采用多个监测点综合判断滑坡整体危险状态最后将该方法应用于八字门滑坡验证其有效性 结果表明该方法能够有效地判断滑坡局部及整体的危险状态关键词:极限位移准则尖点突变理论重标极差分析八字门滑坡中图分类号:.文献标识码:文章编号:().三峡库区地质结构复杂加之工程活动频繁导致库区内滑坡灾害频发 此外三峡大坝建成之后对库区水位进行了周期性调控使得库区水位每年都会大幅度升降不仅引发了许多新的滑坡体生成而且致使众多古滑坡复活对库区人民的生命和财产构成了极大的威胁 目前已有学者针对滑坡位移的预测进行研究在滑坡位移预测方面主要包括分解累积位移和对分解出的位移子项分别预测两大部分内容 之前的研究学者在这两部分的研究已经较为丰富 针对累积位移分解应用已经较为成熟的方法有移动平均法、小波分析法、变分模态分解、经验模态分解及其众多改进算法等而针对分解出的位移子项预测的算法则更为丰富 不仅有数据拟合的方人民珠江 年第 期法如三角函数拟合、多项式拟合等而且有神经网络方法如静态神经网络 神经网络、支持向量机、极限学习机等动态神经网络 神经网络、长短时记忆神经网络及其改进算法、“门”循环等 通过上述方法能够合理地对滑坡位移进行预测为滑坡的下一步研究提供重要的参考信息田成成等、宁波等基于滑坡位移采用尖点突变理论对滑坡体进行稳定状态分析结果显示尖点突变理论能够对不同类型的滑坡体进行稳定状态分析且效果较好 邓小鹏、李晓斌采用极限位移准则对滑坡体现状进行预警分析预警结果合理有效李远耀等、冯非凡等分别采用重标极差(/)分析与重标方差(/)分析对滑坡体的局部和整体的后期变化趋势进行了定性分析分析结果较为准确 但上述学者仅对滑坡稳定状态、当前现状预警、后期变化趋势中的一个方面进行分析难免有疏漏之处故本文首先采用极限位移准则、尖点突变理论及重标极差(/)分析分别对滑坡体进行现状预警分析、稳定状态分析以及后期变化趋势的定性分析其次结合上述 种方法建立模糊矩阵对滑坡体局部危险状态进行分析最后通过对滑坡体多个区域的危险状态进行分析进而确定滑坡体整体的危险状态并将其应用于三峡库区的八字门滑坡验证本文所提方法的有效性 算法描述.极限位移准则极限位移准则是通过已有的位移数据建立指数回归方程进而求出滑坡的变形和失稳极限位移 若滑坡体的实际变形超过此极限值表明其将要出现失稳反之为稳定 然后根据滑坡体目前的实际位移和其极限位移之间的关系来进一步判定其预警等级 具体步骤如下步骤一 构建指数回归方程见式():/()式中 当前已有的滑坡位移值 时间变量、待拟合参数步骤二 求解滑坡极限位移值 /()步骤三 通过式()构建滑坡危险状态系数 /()式中 最大累积位移当 的值越接近 时表明滑坡当前实际位移越接近滑坡失稳的极限位移滑坡体预警等级越高结合前人的研究成果可通过设定阈值进一步将滑坡预警划分为以下 个等级见表 表 滑坡预警等级划分滑坡预警系数滑坡预警等级.级.级.级.级.尖点突变理论尖点突变理论是一种能够有效地评估数据从稳定向非稳定过渡的方法并且在滑坡及其他岩土工程中得到了广泛的应用 故可应用于本文判断滑坡体的稳定状态 具体计算过程如下步骤一对滑坡累积位移进行四次多项式拟合见式():()式中、拟合参数 时间参数步骤二 再利用 将式()转化为尖点突变理论的标准形式见式():()式中、突变参数 变换常数突变参数与拟合参数转换关系见式():()步骤三 计算突变特征值见式():()步骤四 通过突变特征值判断滑坡体稳定状态评价见表 人民珠江 年第 期表 滑坡体稳定状态判断突变特征值滑坡体稳定状态 稳定.重标极差分析方法原理重标极差(/)分析是分形理论的定量实现方法之一可以用于定性分析滑坡体后期的变化趋势具体计算步骤如下步骤一 将长度为 的时间序列 分解为 个长度为 的子序列且 计算其统计量(/)见式():(/)/()()()式中 时间序列、时间子序列的均值、标准差 时间序列长度步骤二令 再次计算(/)直到 循环停止步骤三计算 指数(/)统计量与 指数的关系见式():(/)()式中 待拟合常数 指数步骤四当 .时滑坡体的变形随机性很大很难预测其发展趋势当.时滑坡的变形发展趋势与目前的趋势一致当 .时则表明滑坡的变形与目前的趋势是相反的 与.之间的差值绝对值可进一步反映趋势性强弱考虑到误差问题且以数学的角度来考虑 百分百等于.的可能性几乎为零故将 在区间(.)内时都认为滑坡体的变形具有很大的随机性 滑坡体后期变化趋势及等级划分见表表 滑坡体后期变化趋势及等级划分 指数趋势方向趋势等级趋势程度.强反向级.较强反向级.一般.随机随机.正向正向级.一般正向级.强.模糊矩阵理论模糊矩阵是以模糊数学理论为基础将评估样本分成多个评估指标并建立相应的隶属度函数然后通过隶属度函数建立矩阵来确定评估目标的综合评估值 模糊矩阵能够对具有不确定性、不精确性、非线性等特征的对象进行评估 其建立过程如下)确定模糊矩阵的输入、输出变量并分别划分其语言变量 实际应用中语言变量的划分一般可以用“负大()、负中()、负小()、零()、正小()、正中()、正大()”个词汇来描述模糊矩阵的输入、输出变量的状态但也可以多选或少选 选择较多的词汇可以精确描述变量提高控制精度但会使控制规则变得复杂选择的词汇过少则对变量的描述过于粗糙导致模糊矩阵的性能变差)确定隶属度函数 隶属度是描述某个确定量隶属于某个模糊语言变量的程度一般采用正态型分布具体需要结合实际情况进行确定常用的有三角形分布、高斯分布等)建立模糊矩阵 通过隶属度函数建立模糊矩阵建立过程中需要通过语言归纳输入、输出规则其一般都可以用条件语句加以描述 条件语句的基本类型为:、为输人民珠江 年第 期入 为输出)“反模糊化”通过模糊矩阵得到的结果为一个模糊集合需要采用“反模糊化”方法将其转换为精确量 常用的方法有面积中心法、最大隶属度法、加权平均判决法等 研究区概况.八字门滑坡八字门滑坡地处湖北省秭归县归州镇的长江北岸支流香溪河右岸河口处 地理坐标为:东经北纬 滑坡体现有二级平台分布高程分别为 、前缘滑坡体长 宽 平均厚度 体积约 属大型堆积层滑坡 八字门滑坡体上布设有、等 个 监测点其中、安装于 年 月其余的监测点安装于 年 月 八字门滑坡平面及监测点的分布位置见图 图 八字门滑坡平面及监测点的分布位置.监测点选取实际上一个滑坡位移监测点的位移数据并不能反映滑坡体整体的情况只能反映该监测点及其附近的情况具有一定的局限性且当这个滑坡体是大型滑坡时这种局限性更为明显 针对这一局限性本研究提出对研究区域内滑坡体上安装的不同方位的多个监测点的情况进行综合分析评价根据图 可以看出监测点 以及监测点 分布在关键轴线 附近而监测点、分布在关键轴线 附近另有监测点 分布于滑坡体的南侧 各监测点监测数据见图 其中监测点、的监测数据从 年 月至 年 月共 组监测点 的监测数据从 年 月至 年 月共 组 本文数据主要来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心(:/.)图 各监测点数据图 所示图例/表示其对应的监测数据为 的监测数据原始值的/同理 主要原因于、的监测数据的最大值分别为 、而 中最大的监测数据值也不到 因此需要将 和 的监测数据除以 以便于作图防止 的监测数据在图中被过度压缩将所有的监测点都用于危险状态分析可能会导致多个相近监测点的分析结果所占比重过大故本文基于上中下原则对滑坡监测点进行选取 滑坡体的上部选取监测点 中部选取监测点、下部选取监测点、另选取监测点 对滑坡体侧面分析 滑坡体危险状态分析滑坡体危险状态的分析包括多个方面本文主要基于滑坡现有数据对滑坡体进行预警等级分析、稳定状态分析以及后期变化趋势的定性分析由此建立模糊矩阵对八字门滑坡的危险状态进行分析人民珠江 年第 期.八字门滑坡现状预警分析极限位移准则是通过已有的位移数据建立指数回归方程进而求出滑坡的变形和失稳极限位移 然后根据滑坡体目前的实际位移和其极限位移之间的关系来进一步对滑坡体现状进行预警分析 通过式()()对各监测点进行计算 为滑坡位移值单位为 因此 的计算单位为 具体结果见表 表 滑坡体现状预警分析结果监测点拟合方程极限变形值/当前变形值/预警系数预警等级(./).级(./).级(./).级(./).级(./).级(./).级 根据表 分析可知:多数监测点的预警等级都处于级在一定程度上反映出八字门滑坡 高程以上的大部分区域处于级预警 且相对更靠近 高程的监测点、都为级预警等级表明相较于滑坡体 高程以上的其他区域其 高程附近区域的预警等级更高更加危险 原因在于上述 个监测点都非常靠近 水位线与三峡库区每年的最大库区水位极为相符也就是说 个监测点下侧的滑坡体每年都会被淹没一次故此 高程附近的区域滑坡体的预警等级更高.八字门滑坡稳定状态评价尖点突变理论能有效评价事物由稳定到不稳定状态的转变已被广泛应用于滑坡或其他岩土领域因此本研究基于尖点突变理论对八字门滑坡的稳定状态进行评价 通过式()初步得到各监测点的拟合函数 图 为各监测点累积位移及其拟合曲线及拟合精度见表 图 各监测点累积位移及其拟合曲线根据第.小节的 变换将初步拟合函数 转换为可以用于突变分析的标准函数 其转换结果见表 表 拟合函数 及拟合精度监测点初步拟合函数 .人民珠江 年第 期表 标准函数及其突变分析结果监测点 .利用突变特征值对滑坡稳定状态分析由表 可知各监测点的突变特征值均大于零表明 高程以上的滑坡体整体处于稳定发育状态尚未处于临界状态这与极限位移准则反映出八字门滑坡 高程以上的大部分区域处于级预警且并无级预警区域的结果相符合 判断滑坡体下一阶段的发展趋势及趋势强度需要通过重标极差进一步进行分析.八字门滑坡后期变化趋势分析重标极差分析可以对滑坡体后期的变化趋势进行定性分析确定滑坡未来的变形发展趋势并在一定程度上能够反映未来趋势的强弱 因此本文基于滑坡体现有变形数据采用重标极差分析对滑坡体后期的变化趋势进行分析 基于式()、()采用 编写程序对各监测点进行计算结果见表 表 各监测点重标极差分析结果监测点拟合公式 指数趋势等级.(/).正向级.(/).正向级.(/).正向级.(/).正向级.(/).正向级.(/).正向级 由表 可知滑坡各监测点的 指数都大于.即各监测点累积位移在未来的变化趋势将与目前的趋势(向上增长)保持一致表明滑坡体将继续发生形变 进一步分析发现:除了监测点 的趋势等级为正向级其他区域的监测点则都为正向级表明滑坡体当前仍处于稳定发育阶段可与上文中尖点突变理论所得结果相互印证.八字门滑坡危险状态分析根据上文中的现状预警分析、稳定状态评价以及后期变化趋势的定性分析建立模糊矩阵综合分析各监测点及其附近区域的危险状态进而得到滑坡体的整体危险状态将现状预警分析、稳定状态评价以及后期变化趋势的定性分析的结果作为模糊矩阵输入其语言变量分别划分为、个将危险状态作为模糊矩阵输出其语言变量划分为 个 各输入输出变量的语言变量见表 表 滑坡预警系数划分的语言变量滑坡预警系数语言变量滑坡预警系数小().较小().较大().大().人民珠江 年第 期表 突变特征值划分的语言变量突变特征值语言变量突变特征值稳定状态负()稳定表 指数划分的语言变量 指数语言变量 指数趋势等级负大().反向级负中().反向级负小().反向级零().随机正小().正向级正中().正向级正大().正向级表 滑坡体危险状态滑坡体危险状态语言变量滑坡体危险状态对应等级小().级较小().级中().级较大().级大().级图 分别为输入预警系数、稳定状态、趋势等级及输出危险状态 项参数的隶属度函数由于无法通过图形同时表示出 输入 输出之间的关系故用图 分别表示预警系数和稳定状态、趋势等级和预警系数、稳定状态和趋势等级与输出危险状态的仿真曲面 图 表示危险状态会随着预警系数的增大和稳定状态由稳定转向时不稳定而逐渐增大图 则表示危险状态会随着趋势等级和预警系数的增大而不断增大同理图 表明危险状态会随着趋势等级的增大和稳定状态由稳定转向时不稳定而逐渐增大图 预警系数的隶属度曲线图 稳定状态的隶属度曲线图 趋势等级的隶属度曲线图 危险状态的隶属度曲线人民珠江 年第 期图 预警系数、稳定状态与输出危险状态的仿真曲面图 趋势等级、预警系数与输出危险状态的仿真曲面图 稳定状态、趋势等级与输出危险状态的仿真曲面通过图、中的仿真曲面可以看出当趋势等级和稳定状态不变时随着预警系数的增大滑坡体的危险状态也会随之增大同理通过图、可以看出当趋势等级和预警系数不变时稳定状态由稳定转向不稳定时滑坡体的危险状态也会随之增大通过图、则可以看出当预警系数和稳定状态不变时随着趋势等级的增大滑坡体的危险状态也会随之增大将各监测点的分析结果放入模糊矩阵可得各监测点的危险状态其结果见表 根据表 分析如下)、等多数监测点的危险状态都处于级表明八字门滑坡的大部分区域处于级危险状态建议保持较高频率的现场监测并发布公众知晓情况做好演练工作)所处高程接近 的监测点、都处于级危险状态表明相较于滑坡体 高程以上的其他区域其 高程附近区域的滑坡体危险状态要更为严重 原因在于上述 个监测点都非常靠近 水位线其下侧的滑坡体每年都会被淹没冲刷故此 高程附近区域的滑坡体危险状态更为严重)以南北来看相较于其他监测点监测点、更偏向八字门滑坡的南部区域且都处于级危险状态表明滑坡体南部的危险状态要更为严重与滑坡边界更偏向南侧的实际情况相符合 主要原因在于香溪河的流向是自北向南而随着香溪河的不断由北向南冲刷滑坡体在一定程度上会逐渐向南蠕动导致坡体南部区域受力更大故其南部的危险状态更为严重表 各监测点危险状态监测点预警系数等级 稳定状态 趋势等级 危险状态级稳定正向级级级稳定正向级级级稳定正向级级级稳定正向级级级稳定正向级级级稳定正向级级 结论针对于滑坡累积位移的进一步分析相对较少且不够全面的问题采用极限位移准则、尖点突变理论及/分析分别对滑坡累积位移进行多角度分析并结合上述 种方法建立模糊矩阵对滑坡体危险状态进行分析 最后以中国三峡库区的八字门滑坡为例进行分析最终获得以下结论)极限位移准则可以有效地确定滑坡所处阶段及预警等级尖点突变理论则可以有效的对滑坡稳定状态进行评价/分析则可以准确地判断滑坡体未来的发展趋势及等级 通过 种方法对滑坡累积位移进行多角度分析不仅更加全面也更加可靠)通过模糊矩阵可以有效地将上述 种方法人民珠江 年第 期的分析结果结合起来综合判断滑坡体的危险状态通过分析得知当前八字门滑坡 高程附近区域的滑坡体危险状态要严重于 高程以上的其他区域后期需要特别注意滑坡体 高程附近区域未来的变化)通过多个监测点对八字门滑坡的整体进行分析减少了单一数据的偶然性提高了结果的可靠性最终得知八字门滑坡 高程以上的区域大部分处于三级危险状态 因此在未来需要保持较高频率的现场监测并发布公众知晓情况做好演练工作)滑坡累积位移是滑坡研究领域中极为关键的一个方面也是滑坡体变形发育最直观的表现通过对其进行多角度的分析研究能够有效地确定滑坡体的危险状态 但针对滑坡体的研究不止累积位移这一个方面后期可结合滑坡体的地形地貌、地质构造等方面进行进一步分析研究使得结果更加全面与可靠参考文献:./.岳强袁洁胡涛.基于小波分析和灰色 神经网络的滑坡位移预测.水电能源科学():.陈曦高雅萍涂锐.基于 组合模型的滑坡位移预测研究.人民珠江():.邓冬梅.基于集合经验模态分解的水库库岸滑坡阶跃型位移预测研究.武汉:中国地质大学.程浩祥.改进的群智能寻优融合机器学习算法及在滑坡高精度位移预测中的应用研究.西安:长安大学.吴俊男.基于深度学习的滑坡地质灾害预测方法研究.成都:电子科技大学.罗袆沅蒋亚楠许强等.基于最优分解模态和 模型的库岸滑坡位移预测研究.武汉大学学报(信息科学版)():.田成成张盛生张磊等.基于尖点突变理论及非趋势波动分析的滑坡稳定性及变形特征研究.大地测量与地球动力学():.宁波刘玉健王安东.巨型古滑坡的稳定性评价及发展趋势分析.大地测量与地球动力学():.邓小鹏.基于信息分解的滑坡变形稳定性评价及预警分析.人民长江():.李晓斌.基于极限位移准则和变形预测的滑坡变形潜势分析.大地测量与地球动力学():.李远耀殷坤龙程温鸣./分析在滑坡变形趋势预测中的应用.岩土工程学报():.冯非凡武雪玲牛瑞卿等.一种/和 结合的滑坡变形分析方法.武汉大学学报(信息科学版)():./.汤罗圣殷坤龙.基于/分析方法的渐进式滑坡位移预测研究.水文地质工程地质():./.廖芬.考虑降雨响应滞后效应的八字门滑坡位移预测研究.宜昌:三峡大学.(责任编辑:向 飞)