淺談滑坡預(yù)報方法

葉 楓

0 引言

滑坡是指邊坡上的巖土體在自然或人為的因素影響下失去穩(wěn)定,沿貫通的破壞面(或帶)整體下滑的現(xiàn)象[1]?！盎隆币辉~使用很廣泛,往往把正在變形中的岸坡、崩、滑堆積體和處于穩(wěn)態(tài)的崩、滑堆積體都稱為“滑坡”[2]?；率侵饕牡刭|(zhì)災(zāi)害類型之一,其危害和影響程度僅居地震、火山之后,盡管它的一次性破壞強度遠不及地震和火山,但其發(fā)生的頻率和分布范圍卻遠遠高于地震和火山。

尤其是公路穿越高山深谷時,地形險峻,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,由于施工時對山體的破壞,如若再遭受特大暴雨等災(zāi)害天氣,山體滑坡更是時有發(fā)生,引發(fā)相當(dāng)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,給人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成了極大威脅,也給國家?guī)砭薮髶p失。因此,對滑坡災(zāi)害進行準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報的意義十分重大。

1 滑坡預(yù)報方法的分類及適用性分析

由于滑坡預(yù)報內(nèi)容的多樣性,也就決定了滑坡預(yù)報基礎(chǔ)技術(shù)和方法手段的非單一性,綜合國內(nèi)外目前工程實踐中常用的預(yù)報方法,可大致分為以下三類：

1)確定性預(yù)報模型。

該模型的顯著特點是用嚴(yán)格的推理方法,特別是數(shù)學(xué)、物理方法進行精確分析,得出明確的預(yù)測判斷。換言之,確定性預(yù)報模型是用明確的函數(shù)來表達其數(shù)學(xué)關(guān)系的。此類模型預(yù)報可反映滑坡的物理實質(zhì),多適用于滑坡或斜坡單體預(yù)報[4]。

最早提出的齋騰迪孝法,K.KAWAMURA法,HOCK法,傳統(tǒng)的極限平衡分析法以及在數(shù)值模擬技術(shù)方面發(fā)展起來的有限元、邊界元、離散元及其耦合方法等都屬于確定性方法。其中,以齋騰法以及以其為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一些方法,屬加速蠕變經(jīng)驗方程,精度較低,適于滑坡的中短期預(yù)報和臨滑預(yù)報。應(yīng)用實例有中國長江三峽新灘滑坡,四川省巫溪縣中陽村滑坡。

極限分析法考慮了影響滑坡穩(wěn)定的各種因素,如地震作用力、孔隙水壓力、外部加載等,理論上較為嚴(yán)密,物理概念清晰,計算簡單,適用于長期預(yù)報。而運用有限元、邊界元、離散元可以模擬分析滑坡的穩(wěn)定性和位移變形發(fā)展的過程,進而對滑坡進行分析判斷。

2)非確定性預(yù)報模型。

該模型與確定性預(yù)報模型相反,不能用明確的函數(shù)來表達其數(shù)學(xué)關(guān)系。此類模型多適用于區(qū)域的土地利用和國土開發(fā)規(guī)劃,具有宏觀決策的意義。這類模型一般是利用已取得的位移監(jiān)測資料,通過一定形式的數(shù)學(xué)處理(濾波、平滑、回歸等),進行趨勢預(yù)報或跟蹤預(yù)報。因此,這類模型適用于各類滑坡的中、短期預(yù)報。應(yīng)用實例有意大利瓦伊昂滑坡,中國長江三峽新灘滑坡,陜西省(天水東)黃龍西村滑坡。

在非確定性預(yù)報模型系列中,不同方法的結(jié)合預(yù)報對提高預(yù)報精度有重要的作用。指數(shù)平滑法與拋物線回歸法相結(jié)合的方法,根據(jù)已知的臨滑變形速率,可以預(yù)報加載體積改變量已知的特定外部加載型滑坡的發(fā)生時間。

3)類比分析法。

此類方法通過與被測對象相近似的參照對象的比較,來類推被測對象的未來發(fā)展趨勢。可為介于確定性和非確定性分析之間的一種方法,即屬混合型方法。綜合信息預(yù)報模型、黃金分割法、力學(xué)圖解法以及一些直觀的評判方法均屬此類。

綜合信息預(yù)報模型是針對所圈定的預(yù)報對象、范圍,選擇能反映崩滑體變形活動狀態(tài)的各種預(yù)報因子,并根據(jù)地質(zhì)勘察、變形監(jiān)測資料的綜合分析結(jié)果,確定各因子在滑坡活動中所起作用的重要程度[5];同時,借鑒已崩滑的同類型滑坡的變形破壞特點和過程,確定各因子在不同變形階段可能顯示的狀態(tài),通過模糊評判、加權(quán)平均或“專家”打分的方法,用以判別滑坡所處的變形階段。這種方法直觀適用,便于現(xiàn)場操作,適用于臨滑預(yù)報,常能取得十分滿意的預(yù)報效果。應(yīng)用實例有中國長江三峽鏈子崖危巖體、黃臘石滑坡、新灘滑坡等。

1988年,張悼元教授通過對 10余個有完整系統(tǒng)狀態(tài)歷時曲線的巖體失穩(wěn)實例的分析總結(jié),認為系統(tǒng)非線性非穩(wěn)定變形階段的歷時是線性平穩(wěn)變形階段歷時的 0.618倍,具有相對的不變性,提出了黃金分割預(yù)報方法。這種方法只要線性階段的歷時確定的足夠準(zhǔn)確,用該方法預(yù)報就應(yīng)該具有足夠的準(zhǔn)確性。該方法簡單、適用、精度也高,多適用于滑坡的中長期預(yù)報。

力學(xué)圖解法可用作滑坡的判據(jù),并能判定滑坡的破壞形式。

綜上所述可以看出,由于綜合信息預(yù)報判據(jù)是從大量實際調(diào)查資料中提煉出來的各種能反映滑坡變化動態(tài)的前兆信息特征,能判別滑坡變形階段,可以防止其他數(shù)學(xué)預(yù)報模型出現(xiàn)的判斷失誤和適用于各種類型滑坡不同變形階段預(yù)報,可信度高,實用性強,便于操作等,因此有重要的應(yīng)用推廣價值。

2 滑坡預(yù)報的發(fā)展前景

2.1 實踐中存在的問題

每一種預(yù)報方法的適用條件和應(yīng)用都有不同程度的局限性,仍然存在如下不足：

1)資料的有效管理與充分利用問題,對長期以來邊坡研究積累的大量現(xiàn)場資料和實踐經(jīng)驗還缺乏系統(tǒng)研究,真正操作性強、能普遍推廣應(yīng)用的預(yù)報系統(tǒng)還沒有建立。

2)滑坡的應(yīng)用預(yù)報應(yīng)是強調(diào)定性、定量綜合集成的智能學(xué)預(yù)報方法,這方面的研究還在起步階段。

3)對研究人員來說,滑坡體相關(guān)力學(xué)參數(shù)還是灰色問題,難以結(jié)合大量的相關(guān)信息進行滑坡實體綜合預(yù)報。

4)有效的分析手段問題?；骂A(yù)報所需要的信息是全方位的,并且表現(xiàn)為四維空間問題。傳統(tǒng)的二維或簡單的三維處理手段是遠遠不夠的,許多有用并且是重要的信息不能得到充分的利用,預(yù)報的準(zhǔn)確性必然受到影響。因此,傳統(tǒng)的分析手段已不能滿足要求,采用先進的技術(shù)手段已成為必然趨勢。

2.2 發(fā)展趨勢

1)滑坡預(yù)報的智能化方法的發(fā)展。近年來,工程學(xué)科中的智能化浪潮一浪高過一浪。其中,以遺傳算法、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的計算智能科學(xué)理論在工程學(xué)科的應(yīng)用中獨樹一幟。其在滑坡預(yù)報方面的應(yīng)用也將會對該研究領(lǐng)域做出創(chuàng)新性貢獻。

2)基于非線性動力學(xué)的滑坡滑動時間預(yù)報研究。滑坡系統(tǒng)是在開放和遠離平衡的條件下,在與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的過程中,通過能量耗散過程和內(nèi)部的非線性力學(xué)機制來形成和維持的宏觀時序“耗散結(jié)構(gòu)”。它是在沒有外界特定干預(yù)的情況下、獲得時空有序的“自組織系統(tǒng)”[6]。而非線性動力學(xué)理論的研究對象正是具有上述特征的開放復(fù)雜系統(tǒng),它較好地解決了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報中確定性和不確定性模型的統(tǒng)一問題,可以很好地刻畫滑坡運動的復(fù)雜性特征和規(guī)律,在滑坡預(yù)報中具有重要的意義。這種觀點和方法將滑坡預(yù)報研究從經(jīng)驗預(yù)報和統(tǒng)計預(yù)報引入物理預(yù)報,是認識上的一個飛躍。但目前仍處于起步階段,因而將來的工作應(yīng)著重加強非線性動力學(xué)理論的研究,使之與目前的系統(tǒng)論、信息論等的研究成果構(gòu)成系統(tǒng)的滑坡預(yù)報理論體系。

3)以“3S”技術(shù)的應(yīng)用為代表,滑坡監(jiān)測預(yù)報的技術(shù)手段得到前所未有的發(fā)展。滑坡災(zāi)害體作為一個復(fù)雜的巨大系統(tǒng),包含有各種各樣大量的、白色的、灰色的與黑色的信息。目前,難以有任一軟件系統(tǒng)可以替代GIS對這樣復(fù)雜系統(tǒng)大量信息進行綜合管理的功能。GIS可以在實現(xiàn)綜合信息管理的同時,還能為各類滑坡預(yù)報研究、管理與應(yīng)用相關(guān)的人員提供最為直觀的可視化功能;GPS,RS的現(xiàn)場監(jiān)測與信息傳輸功能也是傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測預(yù)報不可能實現(xiàn)的?！?S”技術(shù)系統(tǒng),形成了從實時數(shù)據(jù)信息獲取到數(shù)據(jù)管理、分析、表現(xiàn)的高度一體化,為滑坡研究提供了全新的先進手段?！?S”技術(shù)系統(tǒng)與專家系統(tǒng)(Expert System,簡稱ES)通過接口(Interface)結(jié)合,即形成了完整的面向應(yīng)用的分析決策系統(tǒng)?？梢哉f,近期滑坡監(jiān)測預(yù)報方法可能難以出現(xiàn)逾越“3S”技術(shù)功能的更新的技術(shù)手段。

3 結(jié)語

滑坡是世界上十大自然災(zāi)害之一,容易造成極大的經(jīng)濟損失和人員傷亡,給社會帶來的危害性越來越大。根據(jù)每個滑坡的具體條件,選擇合適的預(yù)報方法,并盡可能采用多種方法進行綜合預(yù)報,對提高滑坡預(yù)報的精度和成功率會大有裨益,具有巨大的經(jīng)濟效益及社會效益。基于非線性動力學(xué)的滑坡滑動時間的預(yù)報的研究,滑坡預(yù)報的智能化以及“3S”技術(shù)可能是今后一段時期內(nèi)滑坡預(yù)報的重點研究、發(fā)展方向。

[1] 胡中雄.土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué)[M].上海：同濟大學(xué)出版社, 1997.

[2] 崔政權(quán),李 寧.邊坡工程——理論與實踐最新發(fā)展[M].北京：中國水利水電出版社,1999.

[3] 王旭春.三峽庫區(qū)滑坡預(yù)報“3S”系統(tǒng)關(guān)鍵問題研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué),1999.

[4] 殷坤龍,晏同珍.滑坡預(yù)測及相關(guān)模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1996,15(1)：1-8.

[5] 王尚慶.長江三峽滑坡監(jiān)測預(yù)報[M].北京：地質(zhì)出版社, 1999.

[6] 周萃英.滑坡預(yù)測的方法學(xué)進展[J].地質(zhì)科技情報,1999, 18(4)：89-92.