R-S研究法在堆积层滑坡预测预报应用

R/S研究法在堆积层滑坡预测预报应用 摘要堆积层滑坡是指发生在第四系及近代松散堆积层的 一类滑坡，具有分布广、规模大、突发性强、且危害性严重 的特点，堆积层滑坡的监测是地质灾害预测预报的核心内 容。对监测数据的非线性分形分析评价及对边坡稳定性的预 测具有重要的社会和经济意义。本论文以新滩滑坡的监测位 移数据为例，运用R/S分析法对堆积层边坡监测位移时间 序列进行分析，得出了 Hurst指数随边坡稳定性发展的变化 规律，并利用此规律对八字门滑坡进行预测。 关键词堆积层滑坡；位移分形；R/S分析法；预测预 报 1前言 滑坡预报的核心是预报方法与失稳判据［1］,国内外在 滑坡灾害预测及边坡稳定性分析方面已取得显著的进展。这 些研究成果一般采用传统的力学、统计学方法，但是滑坡的 孕育发展是一个复杂的过程，其中，堆积层滑坡是指发生在 第四系及近代松散堆积层的一类滑坡，该类边坡是一个具有 众多因素、结构复杂、功能综合的巨大系统组成的［2］。非 线性科学如突变理论、混沌理论和分形理论等正是以处理复 杂系统见长，于是人们将处理复杂系统的非线性科学引入滑 坡灾害地质过程的演化系统，相继建立了一些描述斜坡演化 的非线性动力学方程。 2分形参数Hurst指数及其在堆积层滑坡预测预报中的 作用与意义 2 如果0. 50. 5时，代表事物发展过程具有持久性，事 物所处状态将不发生变化且具有相对稳定性，表明边坡稳定 性和位移值具有持久增大的趋势，其稳定状态将不发生变 化，H指数相对值越大，边坡稳定性越具有持久性，其稳定 性相对也就越高。当0H0. 5时，表示事物发展过程具有反 持久性，事物所处的状态将发生变化。这个过程表明边坡的 稳定性和位移具有反持久性，期稳定状态将反生变化，边坡 向失稳方向发展。H指数相对值越小，边坡稳定性及持久性 也就越低，边坡失稳风险就越大。 3 R/S分析法在堆积层滑坡中的预测预报作用 3. 1新滩滑坡位移监测 3. 2滑坡时间一位移数据处理与分析 将时间序列划分为若干区间，每个区间都是独立的。为 了确保每一区间计算结果不受其他区间数据影响，每一个数 据必属于、且只属于一个区间，然后对每一个区间分别计算 Hurst指数。贺可强，孙林娜，王思敬［7］用这种分区方法， 取得良好效果。 1、等间距分段处理结果及分析 深入分析1978年1月至1984年12月14个区间两个监 测点的Hurst指数变化，我们可以看到随着时间变化，位移 Hurst指数存在先增大后下降的趋势，大约在1982年7月至 12月达到峰值（0.93左右），此后有曲折下降的趋势。 2、不等间距分段处理结果及分析 新滩滑坡的变形时期按照位移速度的大小分为初始蠕 变期，匀速变形期，加速变形期，剧变破坏期（如图1）。计 算各个阶段的位移Hurst指数值以及变化如图3所示。 3.3八字门滑坡的位移Hurst指数及其预测预报 由图4可知，两个监测点的位移Hurst指数均稳定在 0.84以上，最大值为0.91左右，还未达到峰值（0.93）,且 各段差距不大，总体上处在Hurst指数曲折上升阶段。从新 滩滑坡得出来的规律可推知八字门滑坡的稳定性具有持久 性，近期不会出现滑动，滑坡目前处于初始蠕滑阶段。 4结论 本论文应用R/S分析法对新滩滑坡的位移数据进行分析 计算，得出如下结论 （1）边坡位移Hurst指数随着边坡稳定性的发展演化, 呈现出先曲折增大后曲折减小的趋势，峰指大约为0. 93左 右，当边坡稳定性降低时出现降维现象，降幅为0. 2左右。 （2）计算出临界降维值DH,取DH为边坡整体失稳判据, 监测点降维后的Hurst指数均小于DH,由此可作为一个边坡 整体失稳的预测预报判据。 3 不同稳定阶段的Hurst指数值不同，随着边坡稳 定性的发展，位移Hurst指数呈现先增大后减小的总体规律, 峰值为1.0,在剧变破坏期位移Hurst指数存在降维突变， 降幅为0. 2左右。 4 利用新滩滑坡的位移Hurst指数规律对八字门滑 坡进行了预测预报，得出八字门滑坡的稳定性具有持久性， 近期不会出现滑动，滑坡目前处于初始蠕滑阶段。 参考文献 [1] 王尚庆等著，长江三峡滑坡监测预报[M],地质出 版社，2008 [2] 张进，房定旺等，非线性科学在滑坡预测预报中的 应用[J],金属矿山,2006,546-48. [3] B. B. Mandelbrot, Fractals The Fractal Geometry of Nature [M]. San Francisco. CA Freeman, 1982. [4] H. E. Hurst Long-Term Storage in Reservoirs An Experimental Study [J], Trans,Am,Soc, Civ, Eng,1951116. [5] 孙霞，吴自勤,黄的，分形理论及其应用[M],合 肥中国科学技术大学出版社，2003. [6] 牛奉高，刘维奇，分数布朗运动与Hurst指数的关 系研究[J],山西大学学报[J], 201013 280-284. [7] 贺可强，孙林娜，王思敬，滑坡位移分形参数Hurst 指数及其在堆积层滑坡预报中的应用[J],岩石力学与工学 报，2009 年第 6 期11071115. [8] 湖北省岩崩滑坡研究所，三峡库区耕归兴山两县地 质灾害预警工程专业监测简报[J], 20032005年。 基金项目国家自然科学基金项目No. 40672182； 40872184；中国水利水电科学研究院开放基金项目 IWHRKF201019；高等学校博士学科点专项科研基金 20113721110002三峡库区地质灾害教育部重点实验室开 放基金项目“三峡库区堆积层滑坡位移矢量角失稳判据研 究”项目编号2008KDZ04；山东省自然基金项目“深基 坑边坡位移矢量角对变形控制设计及位移失稳预测的意义 研究”项目编号BS2009HZ018o山东省自然科学基金项 目“降雨作用下堆积层滑坡变形破坏机理与失稳判据研 究”项目编号ZR2011DL002o 作者简介 王彬1986-,男，青岛理工大学土木工程学院，硕士, 从事地质工程方面的研究。 贺可强I960-,男，博导，教授，从事岩土工程与地 质工程教学研究工作。