基于滑坡累积位移的滑坡体危险状态分析.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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 .
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
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