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]。滑坡是主要的地質(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(qiáng)度遠(yuǎn)不及地震和火山,但其發(fā)生的頻率和分布范圍卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地震和火山。

尤其是公路穿越高山深谷時(shí),地形險(xiǎn)峻,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,由于施工時(shí)對(duì)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(shí)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(cái)產(chǎn)安全造成了極大威脅,也給國(guó)家?guī)?lái)巨大損失。因此,對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的意義十分重大。

1 滑坡預(yù)報(bào)方法的分類及適用性分析

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

1)確定性預(yù)報(bào)模型。

該模型的顯著特點(diǎn)是用嚴(yán)格的推理方法,特別是數(shù)學(xué)、物理方法進(jìn)行精確分析,得出明確的預(yù)測(cè)判斷。換言之,確定性預(yù)報(bào)模型是用明確的函數(shù)來(lái)表達(dá)其數(shù)學(xué)關(guān)系的。此類模型預(yù)報(bào)可反映滑坡的物理實(shí)質(zhì),多適用于滑坡或斜坡單體預(yù)報(bào)[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(lái)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(lái)的一些方法,屬加速蠕變經(jīng)驗(yàn)方程,精度較低,適于滑坡的中短期預(yù)報(bào)和臨滑預(yù)報(bào)。應(yīng)用實(shí)例有中國(guó)長(zhǎng)江三峽新灘滑坡,四川省巫溪縣中陽(yáng)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(jì)算簡(jiǎn)單,適用于長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。而運(yùn)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(guò)程,進(jìn)而對(duì)滑坡進(jìn)行分析判斷。

2)非確定性預(yù)報(bào)模型。

該模型與確定性預(yù)報(bào)模型相反,不能用明確的函數(shù)來(lái)表達(dá)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(guó)土開(kāi)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(cè)資料,通過(guò)一定形式的數(shù)學(xué)處理(濾波、平滑、回歸等),進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)報(bào)或跟蹤預(yù)報(bào)。因此,這類模型適用于各類滑坡的中、短期預(yù)報(bào)。應(yīng)用實(shí)例有意大利瓦伊昂滑坡,中國(guó)長(zhǎng)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(bào)模型系列中,不同方法的結(jié)合預(yù)報(bào)對(duì)提高預(yù)報(bào)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(bào)加載體積改變量已知的特定外部加載型滑坡的發(fā)生時(shí)間。

3)類比分析法。

此類方法通過(guò)與被測(cè)對(duì)象相近似的參照對(duì)象的比較,來(lái)類推被測(cè)對(duì)象的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)?？蔀榻橛诖_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(bào)模型、黃金分割法、力學(xué)圖解法以及一些直觀的評(píng)判方法均屬此類。

綜合信息預(yù)報(bào)模型是針對(duì)所圈定的預(yù)報(bào)對(duì)象、范圍,選擇能反映崩滑體變形活動(dòng)狀態(tài)的各種預(yù)報(bào)因子,并根據(jù)地質(zhì)勘察、變形監(jiān)測(cè)資料的綜合分析結(jié)果,確定各因子在滑坡活動(dòng)中所起作用的重要程度[5];同時(shí),借鑒已崩滑的同類型滑坡的變形破壞特點(diǎn)和過(guò)程,確定各因子在不同變形階段可能顯示的狀態(tài),通過(guò)模糊評(píng)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(chǎng)操作,適用于臨滑預(yù)報(bào),常能取得十分滿意的預(yù)報(bào)效果。應(yīng)用實(shí)例有中國(guó)長(zhǎng)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(guò)對(duì) 10余個(gè)有完整系統(tǒng)狀態(tài)歷時(shí)曲線的巖體失穩(wěn)實(shí)例的分析總結(jié),認(rèn)為系統(tǒng)非線性非穩(wěn)定變形階段的歷時(shí)是線性平穩(wěn)變形階段歷時(shí)的 0.618倍,具有相對(duì)的不變性,提出了黃金分割預(yù)報(bào)方法。這種方法只要線性階段的歷時(shí)確定的足夠準(zhǔn)確,用該方法預(yù)報(bào)就應(yīng)該具有足夠的準(zhǔn)確性。該方法簡(jiǎn)單、適用、精度也高,多適用于滑坡的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。

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(bào)判據(jù)是從大量實(shí)際調(diào)查資料中提煉出來(lái)的各種能反映滑坡變化動(dòng)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(bào)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(bào),可信度高,實(shí)用性強(qiáng),便于操作等,因此有重要的應(yīng)用推廣價(jià)值。

2 滑坡預(yù)報(bào)的發(fā)展前景

2.1 實(shí)踐中存在的問(wèn)題

每一種預(yù)報(bào)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(wèn)題,對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)邊坡研究積累的大量現(xiàn)場(chǎng)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還缺乏系統(tǒng)研究,真正操作性強(qiáng)、能普遍推廣應(yīng)用的預(yù)報(bào)系統(tǒng)還沒(méi)有建立。

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

3)對(duì)研究人員來(lái)說(shuō),滑坡體相關(guān)力學(xué)參數(shù)還是灰色問(wèn)題,難以結(jié)合大量的相關(guān)信息進(jìn)行滑坡實(shí)體綜合預(yù)報(bào)。

4)有效的分析手段問(wèn)題?；骂A(yù)報(bào)所需要的信息是全方位的,并且表現(xiàn)為四維空間問(wèn)題。傳統(tǒng)的二維或簡(jiǎn)單的三維處理手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(bào)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(jìn)的技術(shù)手段已成為必然趨勢(shì)。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

1)滑坡預(yù)報(bào)的智能化方法的發(fā)展。近年來(lái),工程學(xué)科中的智能化浪潮一浪高過(guò)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(jì)算智能科學(xué)理論在工程學(xué)科的應(yīng)用中獨(dú)樹(shù)一幟。其在滑坡預(yù)報(bào)方面的應(yīng)用也將會(huì)對(duì)該研究領(lǐng)域做出創(chuàng)新性貢獻(xiàn)。

2)基于非線性動(dòng)力學(xué)的滑坡滑動(dòng)時(shí)間預(yù)報(bào)研究。滑坡系統(tǒng)是在開(kāi)放和遠(yuǎn)離平衡的條件下,在與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的過(guò)程中,通過(guò)能量耗散過(guò)程和內(nèi)部的非線性力學(xué)機(jī)制來(lái)形成和維持的宏觀時(shí)序“耗散結(jié)構(gòu)”。它是在沒(méi)有外界特定干預(yù)的情況下、獲得時(shí)空有序的“自組織系統(tǒng)”[6]。而非線性動(dòng)力學(xué)理論的研究對(duì)象正是具有上述特征的開(kāi)放復(fù)雜系統(tǒng),它較好地解決了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)中確定性和不確定性模型的統(tǒng)一問(wèn)題,可以很好地刻畫(huà)滑坡運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性特征和規(guī)律,在滑坡預(yù)報(bào)中具有重要的意義。這種觀點(diǎn)和方法將滑坡預(yù)報(bào)研究從經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)引入物理預(yù)報(bào),是認(rèn)識(shí)上的一個(gè)飛躍。但目前仍處于起步階段,因而將來(lái)的工作應(yīng)著重加強(qiáng)非線性動(dòng)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(bào)理論體系。

3)以“3S”技術(shù)的應(yīng)用為代表,滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的技術(shù)手段得到前所未有的發(fā)展?；聻?zāi)害體作為一個(gè)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(duì)這樣復(fù)雜系統(tǒng)大量信息進(jìn)行綜合管理的功能。GIS可以在實(shí)現(xiàn)綜合信息管理的同時(shí),還能為各類滑坡預(yù)報(bào)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(chǎng)監(jiān)測(cè)與信息傳輸功能也是傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)不可能實(shí)現(xiàn)的?！?S”技術(shù)系統(tǒng),形成了從實(shí)時(shí)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(jìn)手段?！?S”技術(shù)系統(tǒng)與專家系統(tǒng)(Expert System,簡(jiǎn)稱ES)通過(guò)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(shuō),近期滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)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(yǔ)

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(jì)損失和人員傷亡,給社會(huì)帶來(lái)的危害性越來(lái)越大。根據(jù)每個(gè)滑坡的具體條件,選擇合適的預(yù)報(bào)方法,并盡可能采用多種方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào),對(duì)提高滑坡預(yù)報(bào)的精度和成功率會(huì)大有裨益,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益?；诜蔷€性動(dòng)力學(xué)的滑坡滑動(dòng)時(shí)間的預(yù)報(bào)的研究,滑坡預(yù)報(bào)的智能化以及“3S”技術(shù)可能是今后一段時(shí)期內(nèi)滑坡預(yù)報(bào)的重點(diǎn)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(jì)大學(xué)出版社, 1997.

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

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

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

[5] 王尚慶.長(zhǎng)江三峽滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)[M].北京：地質(zhì)出版社, 1999.

[6] 周萃英.滑坡預(yù)測(cè)的方法學(xué)進(jìn)展[J].地質(zhì)科技情報(bào),1999, 18(4)：89-92.