滑坡时间预测预报研究.pdf

1 滑坡时间预测预报研究 ① 滑坡时间预测预报研究 ① 许强 黄润秋 李秀珍 （成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室，四川 成都 610059） [摘摘 要要] 我国是一个深受滑坡灾害困扰的国家之一，每年由滑坡所造成的经济损失异常惨重。因此，滑 坡预测预报已成为人们研究的一个热点问题。本文对滑坡时间预测预报的研究现状和研究进展 作了系统地总结，重点探讨了滑坡预报模型包括定量预报模型、定性预报模型以及 GMD 预报 模型等、预报判据研究方面的进展，提出了滑坡综合信息预报的思路及具体的实施技术路线。 [关键词关键词] 滑坡预报，预报模型，预报判据，综合预报，GIS，专家系统 1. 前言前言 我国是一个崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生十分频繁和灾害损失极为严重的国家， 尤其是西部地区。据初步统计，我国每年由崩塌、滑坡、泥石流等灾害所造成的直接经济损 失约 200 亿元人民币。而由于灾害对社会所带来的影响如中断水、陆交通所产生的间接损 失更是无法估量。直接由工程建设所诱发的崩滑灾害事件也屡见不鲜。因此，与地震预报一 样，滑坡的预测预报也是近年来人们研究的一个热点问题。 崩滑地质灾害研究归根结底是对其发生的可能性作出合乎科学的评价以及对其发生时 间作出准确的预测。 这是人类自有工程活动以来就苦苦追求与探索的问题， 但也是一个直到 现在也没有得到很好解决的问题。 回顾历史，多数学者认为，日本学者斋藤M.Satio在 20 世纪 60 年代提出的滑坡预报经 验公式，可以作为滑坡预报研究工作的真正起点。在此之后，经过广大学者的苦心探索，滑 坡预报理论和方法有了较大的发展。 从滑坡预测预报理论而言， 目前国内外学者在不同的发展阶段已提出了数十个滑坡预测 预报理论模型和方法。同时，为了提高滑坡预测预报的精度，尽量消除外界随机因素对预报 结果造成的影响，还有针对性地提出了一系列有关滑坡监测数据的预处理方法如平滑、滤 波、等间隔化等；从滑坡预报发展阶段来讲，已经历了从现象预报、经验预报到统计预报、 灰色预报再到非线性预报的历程，目前已进入了根据检测反馈信息进行实时跟踪动态预报， 以及将定性预报、 定量预报以及现代数值预报技术有机结合的综合预报阶段。 从技术方法角 度，已从手工、经验预报，到开发基于理论预报模型的滑坡预报系统，发展到基于 GIS 平 台，借助于专家系统的思路和方法，开发滑坡综合预测预报系统的阶段[1-5]。 纵观人们对滑坡预测预报问题的研究历程，可见，研究程度的每一次加深，都是对滑坡 灾害发生机理与预测评价认识上的一次质的飞跃。 人们认识的每一次进步， 都在逼近对客观 自然界更为确切地描述， 都在接近自然界发展的真理。 本文特对滑坡预测预报相关方面的进 展和问题作一系统总结。 2. 滑坡预报模型滑坡预报模型 近年来，随着滑坡预报研究的逐渐深入，人们已经逐渐认识到，由于滑坡发生的地质条 件、 成因机理以及外界影响因素等方面的复杂性， 滑坡的预测预报仅仅从纯数学的角度建立 滑坡预报的定量预报模型是很难从根本上解决问题， 于是人们又提出了根据宏观变形破坏迹 象建立滑坡的定性预报模型， 以及通过现代数值与物理模拟手段， 将斜坡演化的地质力学机 理、内部变形破坏过程与其综合表现变形有机的结合起来的 GMD 预报模型。 2.1 滑坡定量预报模型和方法滑坡定量预报模型和方法 滑坡定量预报模型主要是随着数学的发展阶段而提出的相应的模型，具体包括确定性 预报模型、统计预报模型、非线性预报模型三类。确定性模型是把有关滑坡及其环境的各类 2 参数用测定的量予以数值化，用严格的推理方法，特别是数学、物理方法，进行精确分析， 得出明确的预报判断。 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测。 统计预报模型主要是运用现代数理统计的各种统计方法和理论模型，着重于对现有滑 坡及其地质环境因素和其外界作用因素关系的宏观调查与统计， 获得其统计规律， 并用于拟 合不同滑坡的位移-时间曲线，根据所建模型做外推进行预报。非线性预报模型是引用了对 处理复杂问题比较有效的非线性科学理论而提出的滑坡预报模型。 表 1 为现有的具有代表性的滑坡定量预报模型和方法一览表。 表 1 滑坡定量预报模型和方法总结表 1 滑坡定量预报模型和方法总结 [6][6] 滑坡预报模型及方法 适用阶段 备注 斋滕迪孝方法 HOCK 法 K KAWAWURA 蠕变试验预报模型 福囿斜坡时间预报法 加速蠕变阶段 以蠕变理论为基础，建立了加速蠕变 经验方程，其精度受到一定的限制。 蠕变样条联合模型 临滑预报 以蠕变理论为基础考虑了外动力因素 滑体变形功率法 临滑预报 以滑体变形功率作为时间预报参数 滑坡形变分析预报法 中短期预报 适用于黄土滑坡 确 定 性 预 报 模 型 极限平衡法 长期预报 灰色GM1,1模型[传统GM1,1模型、 非等时距序列的 GM1,1模型、 新陈代 谢 GM1,1模型、优化 GM1,1模型、 逐步迭代法 GM1,1模型等] 短临预报 模型预测精度取决于模型参数的取 值， 优化 GM1,1模型也适用于滑坡的 中长期预报， 逐步迭代法 GM1,1模型 计算精度较高 生物生长模型 （Pearl 模型、 Verhulst 模型、Verhulst 反函数模型） 短临预报 在加速变形阶段预报精度较高 曲线回归分析模型 多元非线性相关分析法 指数平滑法 卡尔曼滤波法 时间序列预报模型 马尔科夫链预测 模糊数学方法 泊松旋回法 动态跟踪法 斜坡蠕滑预报模型GMDH 预报法 梯度正弦模型 正交多项式最佳逼近模型 中短期预报 多属趋势预报和跟踪预报，当滑坡 处于加速变形阶段时，可以较准确地 预报剧滑时间。 灰色位移矢量角法 短期和临滑预报主要适用于堆积层滑坡 统 计 预 报 模 型 黄金分割法 中长期预报 BP 神经网络模型 中短期预报 较适合于短期预报预报 协同预测模型 临滑预报 滑坡预报的 BPGA 混合算法 中短期预报 协同-分岔模型 临滑预报 联合模型预报精度较单个模型高 突变理论预报尖点突变模型和灰色 尖点突变模型 中短期预报 动态分维跟踪预报 中长期预报 可跟踪预报斜坡的最短安全期 非线性动力学模型 长期预报 非 线 性 预 报 模 型 位移动力学分析法 长期预报 3 2.2 滑坡定性预报模型和方法滑坡定性预报模型和方法 实例检验结果表明，尽管目前国内外学者已提出了上述数十个滑坡预测预报的理论模 型，但完全依靠滑坡定量预报模型并不能完全解决滑坡预报问题。 目前所谓的“成功预报” ，大多只是根据临滑现象所作出的经验判断，采用定量预报模 型对滑坡所作出的预测预报， 几乎无一例外地都是一些事后检验。 到目前为止还没有一个滑 坡是真正依靠定量预报成功的实例。 究其原因，由于各个滑坡体所处的环境条件、本身的结构特征等方法的差异，使得滑 坡体的变形演化规律具有极强的个性特征， 任何一个滑坡定量预报模型不可能适用于所有滑 坡的预测预报， 往往仅能适用于某一类滑坡或某一演化阶段的预测预报， 而上述各滑坡定性 预报模型究竟适用于哪种类型或哪个演化阶段的滑坡预报， 目前并没有调查清楚。 这就导致 人们在真正采用定量模型进行滑坡预报时具有很大的盲目性， 对于同一个滑坡， 采用不同的 预报模型可能会得出千差万别的预测结果， 究竟哪些结果更接近真实， 目前尚无很好的判别 方法。 基于此，目前国内外学者开始重视对滑坡宏观变形破坏迹象以及滑坡前兆信息的研究， 并倡导将斜坡变形破坏的宏观信息与滑坡监测的资料有机地结合起来， 将定量预报与定性预 报有机结合的综合预报方法。 滑坡定性预报模型是以滑坡开始变形直至最终破坏过程中所表现出来的各种前兆、迹 象等为依据，以模糊评判、加权平均等法为主建立的与各类滑坡特征相适应的预报模型。一 般滑坡的变形演化过程可分为缓慢蠕动、匀速蠕滑、加速蠕滑和急剧变形 4 个阶段。 根据宏观变形破坏迹象，可定性识别滑坡所处的变形演化阶段。 大量的滑坡实例研究结果表明，滑坡滑动前一般都会表现出明显的宏观变形破坏迹象， 如地表变形，包括滑坡后缘的张裂缝、错台、沉陷、滑体两侧的剪切裂缝、羽状裂缝、前缘 的鼓张裂缝、放射状裂缝等；地物变形，包括滑坡体上建筑物开裂、道路错断、滑坡剪出口 形成和贯通导致前缘土体松弛、坍塌或局部滑动、树木倾斜等。 例如，表 2 为王尚庆[2]等人归纳总结的新滩滑坡和各演化阶段的宏观变形破坏迹象。 表 2 新滩滑坡各演化阶段的宏观变形破坏迹象据王尚庆，1998，有删减 预报判据预报判据 I.缓慢变形阶段缓慢变形阶段 1979 年 8 月以前 II匀速变形阶段匀速变形阶段 1979 年 8 月1982 年 7 月 III加速变形阶段加速变形阶段 1982 年 7 月-1985 年 5 月上旬 IV急剧变形阶段急剧变形阶段 1985 年 5 月中旬-6 月 11 日 1.裂缝 主滑区地表局部出 现近南北向长大裂 缝 雨期原地表裂缝复 活， 有新的扩展变形 迹象 滑体后缘及两侧出现羽 状张裂缝， 并逐渐扩展， 趋于连通，呈现整体滑 移的边界条件 裂缝形成弧形拉裂 圈，并急剧加长、增 宽、下沉、新裂缝不 断产生 2. 隆起与 沉陷 无明显隆起与沉陷 现象 滑体局部有小的隆 起与沉陷变形 滑体后部拉张下沉，前 缘坡脚出现剪胀异常 滑体后部急剧下沉， 前缘出现鼓包，路面 隆起 3. 崩塌 滑体后缘、 西侧上方 的危岩体时有小崩 塌 滑体后缘广家崖逐 年崩塌加载，量达 160 万 m3,前缘陡坎 有小规模崩滑发生 雨期滑体前缘小崩塌现 象时有发生 滑体后部大幅度沉 陷，前缘崩滑日夜不 断，频次渐高，规模 渐大 4. 变形量 变形微弱， 月变形率 100mm 或 更 大，蠕变曲线出现拐 点，斜率变化突增变 陡，趋于 90 5. 变形量变形量与降雨关系当月降雨量200mm当 月 降 雨 量 200mm变形与降雨近于同步 4 与降雨关 系 不明显 时，变形出现突变， 且有滞后现象 时，乃出现突变，且有 滞后期缩短 6.地下水 动态 滑体内地下水无明 显异常变化 滑体内地下水较正 常值高，泉水流量增 大或减小 滑体内地下水位维持高 水位，泉水冒砂变浑， 流量大幅度增大或减 小，主滑区坡脚泉水干 枯 滑体剪出口附近水位 升降异常，湿地面积 突然增大，剪破日甚 一日， 率先发生 70 万 m3滑坡 7.其它 滑体后缘广家崖和 西侧黄岩逐年崩塌 加载堆积， 促使斜坡 开始蠕动变形 1982 年 3 至 5 月， 主 滑区姜家坡陡岩坍 塌 3 万 m3土石 主滑区坡体上树木南 倾，前缘率先出现崩滑 体，伴有小崩、小滑产 生 出现地微动、地声、 地热及经纬仪气泡整 置不平等异常 此外，在滑坡的临滑阶段还会表现出明显的前兆异常。主要为变形异常滑坡、崩塌发 生前数天或数小时，一般会伴随间断的小规模崩滑、滚石、坠石。坡体后缘裂缝加速张开、 闭合、陷落，前缘隆起、鼓胀等。地下水异常包括滑坡体及前缘泉点数目增加或减少，水 位跃变，水质、水量、水温、水的颜色发生变化等。动物异常包括蛇、鼠出洞，鱼群聚集， 鸡飞、犬吠等。地声包括岩土体移动、破裂、摩擦发出的声响、建筑物倒塌、滚石发出的 声响等，地气包括滑坡区冒出的有味或无味的热气等。 2.3 滑坡滑坡 GMD 预报模型和方法预报模型和方法 无论是定量预报所利用的滑坡监测信息还是定性预报所依据的滑坡宏观变形破坏迹象 和前兆异常特征， 都是斜坡体在其发展演化过程中的外在表现， 未顾及到斜坡变形破坏的内 在本质，其预测的精度和准确度自然会受到限制。为此，黄润秋、许强等人[1]突破传统的现 象（位移等）预报模式，提出以斜坡（滑坡）地质模型为基础，斜坡演变过程中坡体内部地 质-力学作用机理和过程分析为核心，紧密结合位移监测成果，将地质灾害发生的斜坡地质 （Geology）结构基础、斜坡变形破坏机理（Mechanism） ，尤其是滑动面发育演化的过程机 理，与斜坡变形的外部表现位移（Deation）三者有机的结合，通过数值和物理模拟 等途径，建立能综合反映斜坡变形破坏内部作用机理与其外部表现相统一的综合地质（G） 力学机理M形变（D）耦合模型，即 GMD 模型。从本质上阐明通常利用各种手段监 测到的滑坡外在表现所代表的滑体变形和失稳的地质力学机理内涵。 在此基础上， 根据所 建立 GMD 模型，通过数值模拟等手段对时间的进一步延拓和条件的改变，达到预报滑坡的 目的。 滑坡 GMD 预报思路和方法已经在三峡库区一些滑坡的研究中得到初步应用， 已证明其 可行性，当然要真正推广使用还需要作深入细致的研究工作。 3．滑坡预报判据．滑坡预报判据 除滑坡预报模型外，滑坡预报研究的另一方面重要方面是预报判据。滑坡预报判据是指 用于判定斜坡体进入临界失稳状态的指标。根据文献资料，目前，国内外学者已提出了 10 余种滑坡预报判据，具体可归纳为表 3。 表表 3 滑坡的各种预报判据滑坡的各种预报判据[6] 判据名称 判据值或范围 适用条件 备注 稳定性系数K K≤1 长期预报 可靠概率Ps Ps≤95 长期预报 声发射参数 K A0/A≤1 长期预报 A0为岩土破坏时声发射记数最大值； A为实际观测值 塑性应变 p i ε ∞→ p i ε 小变形滑坡 中长期预报 滑面或滑带上所有点的塑性应变均 趋于无穷大 5 塑性应变率dtd p i /ε∞→dtd p i /ε 小变形滑坡 中长期预报 滑面或滑带上所有点的塑性应变率 均趋于无穷大 变形速率Vf Vf→VCr 中长期预报 不同类型的滑坡发生前， 其临界变形 速率VCr从 0.1mm/d 到 1000mm/d 不 等，差别较大 位移加速度α 0≥a 临滑预报 加速度值应取一定时间段的持续值 蠕变曲线切线角α ο 70≥α 临滑预报 黄土滑坡α在 οο 5 .8989为滑坡 发生危险段 位移矢量角 突然增大或减小 临滑预报 堆积层滑坡位移矢量角锐减 分维值D 1 中长期预报 D 趋近于 1 意味着滑坡发生 分叉集方程判据D 0 临滑预报 D 趋近于 0 意味着滑坡发生 蠕变曲线切线角 和位移矢量角 ο 70≥α且位移矢量 角突然增大或减小 临滑预报 新滩滑坡变形曲线的斜率为 74， 位移矢量角显著变化，锐减至 5。 双 参 数 判 据 位移速率和位移 矢量角 位移速率不断增大 或超过临界值， 位移 矢量角显著变化 堆积层滑坡临滑 预报 4. 滑坡的综合信息预报滑坡的综合信息预报 前已述及，由于滑坡地质灾害的成因机理、形成条件、诱发因素等的复杂性、多样性 以及其变化的随机性、 非线性， 完全从定量的角度或完全从定性的角度准确地预测预报滑坡 的发生时间都是非常困难的。因此，要想实现滑坡的准确预报，必须既要注重滑坡的共性特 征，掌握斜坡演化的一般规律，又要注重滑坡的个性特征，研究滑坡体形成的基本条件、地 质结构、成因机理、演化阶段即稳定性状况；将监测资料为依据的定量预报与以宏观变形破 坏迹象和前兆异常为依据的定性预报有机结合，从而实现滑坡的综合信息预报。 欲真正实现滑坡的综合信息预报，首先必须借助于 GIS 手段将与滑坡预测预报相关的 各种信息进行科学合理地管理；同时，滑坡的综合预报，既涉及到定量信息如各种监测数 据，也涉及到定性信息如滑坡体的工程地质环境条件和影响因素、宏观变形破坏迹象、前 兆信息等等，要充分利用这两类信息实现综合决策和判断，也必须借助于专家系统的思路 和技术手段[7 、8]。为此，我们建立了如图 1 所示的滑坡综合信息预报技术路线。 6 野外调查、资料收集 数据库建立 图件信息库 地质信息库 工程地质信息库监测信息库模拟信息库 预报模型库预报判据库宏观迹象信息库专家知识库滑坡实例库 室内外测试信息库 定性预报定量预报数值预报 滑坡预测预报研究 变 形 破 坏 机 制 稳 定 性 状 态 变 形 阶 段 滑 动 时 间 未 来 位 移 值 滑 动 时 间 变 形 破 坏 机 制 稳 定 性 状 态 演 化 过 程 滑 动 时 间 滑坡的综合预测预报 基于GIS的滑坡综合预测预报信息系统 实例验证 数据整理及图件绘制 专家系统 滑坡基础信息数据库 滑坡预报综合信息库 图 1 滑坡综合信息预报技术路线框图 图 1 滑坡综合信息预报技术路线框图 从图 1 可以看出，滑坡综合信息预报的第一步是建立与滑坡预报密切相关的信息库， 信息库又具体包括两大类， 一类为与被预报的斜坡体直接相关的个性特征， 如基本地质信息、 监测测试信息、以及数值物理模拟信息等，通过这些信息，可以掌握被预报斜坡体的工程地 质环境条件、成因机制、变形演化基本情况；另一类为滑坡预测预报所需要的共性特征，如 通过大量文献资料归纳总结的具有一定普遍性和参考借鉴意义的信息滑坡实例库、专家知 识库、宏观变形破坏迹象库等以及为滑坡预报提供的预报模型库、预报判据库等。 依据上述信息，便可以根据监测资料，采用定量预报模型对滑坡未来的位移和具体发 生时间进行预测； 根据坡体基本的值资料、 宏观变形迹象和前兆信息， 采用定性预报和 GMD 预报方法，判断坡体变形破坏的成因机制、变形演化阶段、目前的稳定性状况，推测发生失 稳破坏的大体时间。在此基础上，借助于专家系统的思路和手段，对滑坡体目前的状况作出 7 综合判断。 基于图 1 所示的技术路线，我们已基于 GIS 平台，初步开发成功了滑坡综合预测预报 系统。 5. 结论结论 由于斜坡本身所处的环境条件、影响因素、成生机理等方面的复杂性，滑坡时间预报 是一世界性难题。本文认为，建立滑坡预报模型和预报判据是滑坡时间预报的核心，将定性 预报与定量预报有机结合，进行滑坡的综合预报是实现真正成功预报的关键。 本文对滑坡预报模型分为定量预报模型、定性预报模型以及 GMD 预报模型，并分别对 这三种预报模型的研究现状及近年来的研究进展作了系统归纳和总结。 滑坡的定量预报模型主要是根据滑坡监测数据，采用一定的数学方法所建立的坡体失 稳破坏时间的预报模型， 具体又包括确定性预报模型、 统计预报模型、 非线性预报模型三类。 滑坡定性预报模型主要是根据斜坡演化过程中所表现出来的宏观变形破坏迹象以及临 近失稳阶段所显现的异常特征来判断和推测坡体所处的变形演化阶段、 稳定性状况及可能失 稳时间。 GMD 预报模型是通过对斜坡地质模型的研究以及物理模拟和数值模拟手段， 建立能综 合反映斜坡变形破坏内部作用机理与其外部表现相统一的综合地质（G）-力学机理M-形变 （D）耦合模型。GMD 预报模型是今后滑坡预报发展的必然趋势。 滑坡预报判据是指用于判定斜坡体进入临界失稳状态的指标。本文对目前国内外学者 所提出的 10 余种滑坡预报判据及其适用性进行了系统地分析和总结。在上述基础上，提出 了滑坡综合预报的观点及其具体的实施技术路线。 参考文献参考文献 [1] 许强,黄润秋,李秀珍等.滑坡预报模型及预报判据总结及滑坡预测预报系统开发 [R].国土资源部 2000 年 科技专项计划长江三峡地质灾害监测与预报研究报告.成都 成都理工大学,2001. [2] 王尚庆, 等. 长江三峡滑坡监测预报[M]. 北京 地质出版社, 1998. [3] 李天斌,陈明东,王兰生等. 滑坡实时跟踪预报[M]. 成都 成都科技大学出版社, 1999. [4] 秦四清,张倬元,王士天等.非线性科学导引[M]. 成都西南交通大学出版社,1993. [5] 黄润秋,许强著.工程地质广义系统科学分析原理及应用[M].北京地质出版社,1997. [6] 李秀珍,许强.滑坡预报模型和预报判据[J].灾害学.2003,18471-78. [7] 李彦荣.基于 GIS 的滑坡预测预报系统开发及应用研究 [硕士论文 D].成都成都理工大学,2002. [8] 李东山,滑坡综合预报专家系统的开发及应用研究.[硕士论文 D].成都成都理工大学,2002.