浅谈滑坡预报方法

叶 枫

0 引言

滑坡是指边坡上的岩土体在自然或人为的因素影响下失去稳定,沿贯通的破坏面(或带)整体下滑的现象[1]。“滑坡”一词使用很广泛,往往把正在变形中的岸坡、崩、滑堆积体和处于稳态的崩、滑堆积体都称为“滑坡”[2]。滑坡是主要的地质灾害类型之一,其危害和影响程度仅居地震、火山之后,尽管它的一次性破坏强度远不及地震和火山,但其发生的频率和分布范围却远远高于地震和火山。

尤其是公路穿越高山深谷时,地形险峻,地质构造复杂,由于施工时对山体的破坏,如若再遭受特大暴雨等灾害天气,山体滑坡更是时有发生,引发相当严重的地质灾害,给人民群众的生命财产安全造成了极大威胁,也给国家带来巨大损失。因此,对滑坡灾害进行准确预测预报的意义十分重大。

1 滑坡预报方法的分类及适用性分析

由于滑坡预报内容的多样性,也就决定了滑坡预报基础技术和方法手段的非单一性,综合国内外目前工程实践中常用的预报方法,可大致分为以下三类：

1)确定性预报模型。

该模型的显著特点是用严格的推理方法,特别是数学、物理方法进行精确分析,得出明确的预测判断。换言之,确定性预报模型是用明确的函数来表达其数学关系的。此类模型预报可反映滑坡的物理实质,多适用于滑坡或斜坡单体预报[4]。

最早提出的斋腾迪孝法,K.KAWAMURA法,HOCK法,传统的极限平衡分析法以及在数值模拟技术方面发展起来的有限元、边界元、离散元及其耦合方法等都属于确定性方法。其中,以斋腾法以及以其为基础发展起来的一些方法,属加速蠕变经验方程,精度较低,适于滑坡的中短期预报和临滑预报。应用实例有中国长江三峡新滩滑坡,四川省巫溪县中阳村滑坡。

极限分析法考虑了影响滑坡稳定的各种因素,如地震作用力、孔隙水压力、外部加载等,理论上较为严密,物理概念清晰,计算简单,适用于长期预报。而运用有限元、边界元、离散元可以模拟分析滑坡的稳定性和位移变形发展的过程,进而对滑坡进行分析判断。

2)非确定性预报模型。

该模型与确定性预报模型相反,不能用明确的函数来表达其数学关系。此类模型多适用于区域的土地利用和国土开发规划,具有宏观决策的意义。这类模型一般是利用已取得的位移监测资料,通过一定形式的数学处理(滤波、平滑、回归等),进行趋势预报或跟踪预报。因此,这类模型适用于各类滑坡的中、短期预报。应用实例有意大利瓦伊昂滑坡,中国长江三峡新滩滑坡,陕西省(天水东)黄龙西村滑坡。

在非确定性预报模型系列中,不同方法的结合预报对提高预报精度有重要的作用。指数平滑法与抛物线回归法相结合的方法,根据已知的临滑变形速率,可以预报加载体积改变量已知的特定外部加载型滑坡的发生时间。

3)类比分析法。

此类方法通过与被测对象相近似的参照对象的比较,来类推被测对象的未来发展趋势。可为介于确定性和非确定性分析之间的一种方法,即属混合型方法。综合信息预报模型、黄金分割法、力学图解法以及一些直观的评判方法均属此类。

综合信息预报模型是针对所圈定的预报对象、范围,选择能反映崩滑体变形活动状态的各种预报因子,并根据地质勘察、变形监测资料的综合分析结果,确定各因子在滑坡活动中所起作用的重要程度[5];同时,借鉴已崩滑的同类型滑坡的变形破坏特点和过程,确定各因子在不同变形阶段可能显示的状态,通过模糊评判、加权平均或“专家”打分的方法,用以判别滑坡所处的变形阶段。这种方法直观适用,便于现场操作,适用于临滑预报,常能取得十分满意的预报效果。应用实例有中国长江三峡链子崖危岩体、黄腊石滑坡、新滩滑坡等。

1988年,张悼元教授通过对 10余个有完整系统状态历时曲线的岩体失稳实例的分析总结,认为系统非线性非稳定变形阶段的历时是线性平稳变形阶段历时的 0.618倍,具有相对的不变性,提出了黄金分割预报方法。这种方法只要线性阶段的历时确定的足够准确,用该方法预报就应该具有足够的准确性。该方法简单、适用、精度也高,多适用于滑坡的中长期预报。

力学图解法可用作滑坡的判据,并能判定滑坡的破坏形式。

综上所述可以看出,由于综合信息预报判据是从大量实际调查资料中提炼出来的各种能反映滑坡变化动态的前兆信息特征,能判别滑坡变形阶段,可以防止其他数学预报模型出现的判断失误和适用于各种类型滑坡不同变形阶段预报,可信度高,实用性强,便于操作等,因此有重要的应用推广价值。

2 滑坡预报的发展前景

2.1 实践中存在的问题

每一种预报方法的适用条件和应用都有不同程度的局限性,仍然存在如下不足：

1)资料的有效管理与充分利用问题,对长期以来边坡研究积累的大量现场资料和实践经验还缺乏系统研究,真正操作性强、能普遍推广应用的预报系统还没有建立。

2)滑坡的应用预报应是强调定性、定量综合集成的智能学预报方法,这方面的研究还在起步阶段。

3)对研究人员来说,滑坡体相关力学参数还是灰色问题,难以结合大量的相关信息进行滑坡实体综合预报。

4)有效的分析手段问题。滑坡预报所需要的信息是全方位的,并且表现为四维空间问题。传统的二维或简单的三维处理手段是远远不够的,许多有用并且是重要的信息不能得到充分的利用,预报的准确性必然受到影响。因此,传统的分析手段已不能满足要求,采用先进的技术手段已成为必然趋势。

2.2 发展趋势

1)滑坡预报的智能化方法的发展。近年来,工程学科中的智能化浪潮一浪高过一浪。其中,以遗传算法、模糊逻辑和神经网络为代表的计算智能科学理论在工程学科的应用中独树一帜。其在滑坡预报方面的应用也将会对该研究领域做出创新性贡献。

2)基于非线性动力学的滑坡滑动时间预报研究。滑坡系统是在开放和远离平衡的条件下,在与外界环境交换物质和能量的过程中,通过能量耗散过程和内部的非线性力学机制来形成和维持的宏观时序“耗散结构”。它是在没有外界特定干预的情况下、获得时空有序的“自组织系统”[6]。而非线性动力学理论的研究对象正是具有上述特征的开放复杂系统,它较好地解决了地质灾害预报中确定性和不确定性模型的统一问题,可以很好地刻画滑坡运动的复杂性特征和规律,在滑坡预报中具有重要的意义。这种观点和方法将滑坡预报研究从经验预报和统计预报引入物理预报,是认识上的一个飞跃。但目前仍处于起步阶段,因而将来的工作应着重加强非线性动力学理论的研究,使之与目前的系统论、信息论等的研究成果构成系统的滑坡预报理论体系。

3)以“3S”技术的应用为代表,滑坡监测预报的技术手段得到前所未有的发展。滑坡灾害体作为一个复杂的巨大系统,包含有各种各样大量的、白色的、灰色的与黑色的信息。目前,难以有任一软件系统可以替代GIS对这样复杂系统大量信息进行综合管理的功能。GIS可以在实现综合信息管理的同时,还能为各类滑坡预报研究、管理与应用相关的人员提供最为直观的可视化功能;GPS,RS的现场监测与信息传输功能也是传统的滑坡监测预报不可能实现的。“3S”技术系统,形成了从实时数据信息获取到数据管理、分析、表现的高度一体化,为滑坡研究提供了全新的先进手段。“3S”技术系统与专家系统(Expert System,简称ES)通过接口(Interface)结合,即形成了完整的面向应用的分析决策系统。可以说,近期滑坡监测预报方法可能难以出现逾越“3S”技术功能的更新的技术手段。

3 结语

滑坡是世界上十大自然灾害之一,容易造成极大的经济损失和人员伤亡,给社会带来的危害性越来越大。根据每个滑坡的具体条件,选择合适的预报方法,并尽可能采用多种方法进行综合预报,对提高滑坡预报的精度和成功率会大有裨益,具有巨大的经济效益及社会效益。基于非线性动力学的滑坡滑动时间的预报的研究,滑坡预报的智能化以及“3S”技术可能是今后一段时期内滑坡预报的重点研究、发展方向。

[1] 胡中雄.土力学与环境土工学[M].上海：同济大学出版社, 1997.

[2] 崔政权,李 宁.边坡工程——理论与实践最新发展[M].北京：中国水利水电出版社,1999.

[3] 王旭春.三峡库区滑坡预报“3S”系统关键问题研究[D].北京：中国矿业大学,1999.

[4] 殷坤龙,晏同珍.滑坡预测及相关模型[J].岩石力学与工程学报,1996,15(1)：1-8.

[5] 王尚庆.长江三峡滑坡监测预报[M].北京：地质出版社, 1999.

[6] 周萃英.滑坡预测的方法学进展[J].地质科技情报,1999, 18(4)：89-92.