滑坡预测预报研究现状述评张永兴,胡居义,文海家1）新型监测手段2）预警模型3）研究热点、难点分析滑坡是地质灾害的主要类型之一,其危害和影响程度仅居地震、火山之后。

我国是世界上滑坡分布最广、危害最重的国家之一。

据不完全统计,滑坡灾害每年至少造成300人死亡,数千万元的直接经济损失,危害程度仅次于地震。

因此,对滑坡灾害进行预测预报研究意义十分重大。

对于具体滑坡而言,滑坡预测预报包括三方面内容:滑坡滑动时间预报、滑坡活动强度预报及滑坡危害预测。

滑坡预测预报研究在国内外由来已久,近十多年来,研究十分活跃。

1前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]。

滑坡通常造成巨大的危害,在滑坡、崩塌、泥石流和剥落等边坡破坏的几种主要形式中,它是危害性最大、分布最广的一种;另外,滑坡是主要的地质灾害类型之一,危害和影响程度仅居地震、火山之后[1]。

我国是世界上滑坡分布最广、危害最严重的国家之一。

如1983年甘肃洒勒山滑坡,三分钟内6000万m3土体下滑,掩埋了三个村庄,死亡237人;1985年三峡新滩滑坡,3000万m3土石下滑,200万m3滑入长江,激起36m高的涌浪,毁坏船只77条,10人丧生,新滩古镇也被摧毁[2];2001年5月1日重庆发生了震惊全国的武隆滑坡,使得一座建筑面积为4061m2的9层楼房全部被滑坡体摧毁掩埋,造成79人死亡,7人受伤[3]。

边坡的稳定是相对的,不稳定是绝对的。

即使现在稳定的边坡,在经过长期的地质作用或人类活动等不利因素影响后,可能由稳定状态向不稳定状态发展,最终造成滑坡。

因此,对滑坡进行预测预报进行研究意义非常重大。

对于具体滑坡而言,滑坡预测预报包括三方面内容: 滑坡空间预测预报、滑坡时间预测预报、滑坡活动强度预报预测。

2滑坡预测预报的具体含义研究滑坡的预测预报问题,我们首先必须了解预测预报的含义。

从广义上讲,滑坡预测预报应包括以下三个方面的内容。

2.1空间预测空间预测即预测可能发生滑坡的地点。

很显然,这是首先要解决的问题,不知道哪里可能发生滑坡,滑坡预报便无从谈起,其中必须考虑以下两个层次的问题: 一是区域性或区域段预测,它应该查明哪些区域(段)比较容易发生滑坡,哪些区域较难发生滑坡。

这是基于自然环境、工程地质等多方面的区域稳定性评价。

二是场地性的滑坡空间预测。

它应该查明工程场地范围内有几处滑坡,每一处滑坡的位置、范围、规模、稳定状态以及在各种可预测因素影响下的演化趋势,并提出粗略的应对措施。

2.2时间预报时间预报一般是指预报发生剧烈滑动的时间。

在查明哪里可能产生滑坡之后,人们首先面临的是需不需要治理,来不来得及治理以及怎样治理的问题。

对那些经济效益不大,或者虽然具有较好的经济效益但已处于失稳状态、来不及治理的滑坡,便应预报出其发生剧滑的时间,以便及时采取疏散转移、搬迁躲避、停止交通等措施,把可能产生的损失减少到最低程度,这也是研究滑坡预报的最重要意义之一。

2.3灾害范围及程度预测灾害范围及程度预测即预测滑坡灾害的影响范围及可能产生的危害程度。

这里的影响范围不仅指土体可能到达的范围和高速运动的滑体其前方气浪的破坏,在滑坡体可能滑入水中的情况下,还应包括滑体滑入水中激起的涌浪及其影响。

了解这些将有助于确定合理的搬迁躲避范围以及应采取的措施.3 滑坡空间预测预报空间预测是指对滑坡发生的地点、规模等的预测,目前使用较多的方法有以下几种。

3.1传统的稳定系数预测法稳定系数预测法是最早的滑坡空间预测的方法。

该法通过计算滑坡体的安全系数Fs来预测某一具体边坡的稳定性。

Fs=F抗滑力F下滑力当Fs<1.0边坡处于不稳定状态当Fs=0.0边坡处于临界状态当Fs>1.0边坡处于稳定状态计算稳定性系数的方法有多种,如基于极限平衡理论的条分法、瑞典法、数值分析法等。

在计算中,参数的选取直接影响到分析结果的正确性。

这种方法多适用于滑坡单体的预测,在工程中应用非常广泛,且为设计人员熟悉。

3.2神经网络法[5][6][7][8]神经网络能通过对已知样本的学习,掌握输入与输出间复杂的非线性映射关系,并对这种关系进行存储记忆,直接为预测提供知识库,同时,还具有高速的并行处理能力、自组织学习能力、高速的容错性、灵活性和适应性等优点。

神经网络对斜坡稳定性空间预测是用研究程度较高的斜坡地段作为已知样本对网络进行训练,直到网络掌握数据间的非线性映射关系为止,然后用该地区其它稳定性未知的地段作为预测样本,输入已经学习好的网络,通过网络的联想记忆功能直接预测稳定性。

在用神经网络进行预测预报中,可以把各种可能对边坡稳定性有影响的因素作为网络的输入,而提高预测的精度。

许强等运用此方法预测了黄河某水电站库区和三峡某些典型斜坡地段的稳定性,其预测精度达到90%。

3.3信息模型法[4]信息模型法把各种滑坡因素在滑坡作用过程中所起作用的大小程度用信息量表达。

殷坤龙认为滑坡现象受多种因素的影响,且各种因素的作用性质不相同,对某一具体滑坡而言,总会存在“最佳因素组合”,基于此理论,信息模型主要研究“滑坡因素组合”,而不是停留在单个因素上,所以预测精度较高。

殷坤龙等用此方法成功地对重庆市的斜坡稳定性进行了预测。

3.4灾变模型预测法[9][10]计算边坡的稳定系数需要涉及到岩土的计算参数,由于岩土性质的不确定性和离散性,使得同一边坡采用不同的计算参数得出差别较大结果,甚至得出相反的结论。

采用灾变理论避开了这些不确定性的参数的影响,它假定系统在任何时刻的状态都可完全由给定的几个状态内部量(x1,x2……,xn)的值来确定,同时系统还受到m个独立的控制量(u1,u2……um)的控制,通过数学方法,研究系统状态的稳定与否与各量值的关系。

该方法综合考虑了各种边坡要素对边坡稳定性的不同程度的影响,能较真实地描绘边坡系统的状态。

吴文德等运用尖点灾变模型对某一中型露天矿山的稳定性进行了预测,得出了与现场实际相吻合的结果。

3.5模糊综合评判法[10][11]边坡的稳定性受诸多因素的影响,很难用一个确定的结论来表述其稳定还是不稳定,往往用模糊概念来表述,如把边坡的稳定等级分为“危险区”、“不稳定区”、“较不稳定”、“稳定区”等。

模糊综合评判方法就是对边坡稳定性等级进行分类,并通过专家评分或构造隶属函数确定对同一等级各因素以及某一因素在不同等级中对边坡稳定性的影响程度(隶属度),建立模糊评判矩阵,确定边坡的稳定性对各等级的隶属程度,最后按择优原则预测边坡的稳定性。

该方法的最终结果是否可靠,受单因素的选择和隶属度的确定影响较大。

4.滑坡时间预测预报滑坡灾害发生时间的预测预报是要确定滑坡在未来可能发生的时间区段或确切时间,为提前采取必要的预防措施提供科学依据。

通常,所要预测预报的时间越长,所能依据信息的可靠度就相应的下降,预测预报结果的可靠度也就越低。

按照预测预报时间的长短,滑坡灾害的时间预测预报可分成长期预报、短期预报和临滑预报。

(1)长期预报长期预报是指当已发现某些滑坡迹象(包括老滑坡残留迹象和新生滑坡初始迹象),当尚未出现明显位移变化时,对滑坡未来的稳定性演化趋势做出的一种预测。

预测结果只是一种"可能性"- -滑坡可能继续保持稳定、或可能失稳下滑。

其预报期限一般应在一年以上。

历史滑坡及其活动性资料、易滑坡地质环境的确定,是长期预测不可缺少的基础资料。

主要是研究滑坡与气候条件、地震活动、人类活动等的对应关系。

(2)短期预报滑坡灾害短期时间预报是依据滑坡影响因素对滑坡作用的强度和随时间的变化规律。

在掌握滑坡动态发展趋势的基础上,分析推断滑坡灾害的近期演化趋势,预测滑坡可能产生的季度或月份。

滑坡灾害的短期时间预测可以依据两个方面的重要途径:一是滑坡自身运动的内在规律和活动性趋势分析的研究途径。

二是滑坡活动性触发因素的规律性与滑坡活动性之间关系的研究途径。

(3)临滑预报临滑预报是指当滑坡已开始出现整体下滑前的一些宏观变形迹象。

滑坡位移已明显进入加速段时,对剧滑时间做出的准确预报。

其预报期限应在几天之内,根据监测手段的不同,预报精度也可以是"日"、"小时",甚至是"分"。

需要强调的是,临滑预测预报必须有严格可靠的连续监测数据,且数据越多,预测的精度也随之提高。

开展位移场以外的物理场监测,如摩擦热、声发射等监测,是扩大临滑预测预报内容的重要途径。

4.1宏观前兆判别预报[11]滑坡失稳成灾是有宏观先兆的,对这些前兆的判别往往可构成预报的坚实基础。

宏观先兆可概括如下:①整体切割边界的形成;②整体滑移前的局部小崩小滑的发生且趋频;③位移监测资料表现为加速趋势;④地下水的变化,如突然消失、突然涌水及翻浑水等;⑤地热异常,剪出口处热气及热浪现象发生;⑥地声现象,往往有声发射强度及频度的增加;⑦岩粉散溢,剪出口由于摩擦剪切而有岩粉的散溢现象;⑧滑体上的动物常常在滑前有明显的异常。

4.2斋滕模型[2][5]斋滕法是国内外系统研究滑坡预测预报的初始理论。

该方法以土体的蠕变理论为基础。

土体的蠕变分为三个阶段(图1),第Ⅰ阶段是减速蠕变阶段(AB 段),第Ⅱ阶段是稳定蠕变阶段(BC 段),第Ⅲ阶段是加速蠕变阶段(CE)。

1965年,斋滕迪孝根据室内实验和仪器监测的结果,提出以第Ⅱ蠕变阶段和第Ⅲ蠕变阶段的应变速率为基本参数的预测预报经验公式,认为在稳定蠕变阶段,各时刻的应变速率与该时刻距破坏时刻的时间的对数成反比,相应计算公式为:59.0lg 916.033.2lg ±⨯-=εr t在加速蠕变阶段,取期间变形量相等的t1、t2、t3三个时间来计算最后破坏时间,相应计算公式为:()()()2/2/13221211t t t t t t t t r ----+= 公式中,tr 为边坡最终破坏时间。

运用这种方法,我国学者对1983年7月9日发生的金川露天矿采石场滑坡和1985年6月12日发生的湖北新滩滑坡等进行了成功的预报。

4.3统计数学模型法近年来,随着各种统计数理理论在地学中的广泛应用,许多研究者尝试以位移为参数,以统计数理理论为基础,建立滑坡位移一时间关系的数学模型,以期用数学模型描述滑坡变形的统计规律,预报滑坡发生时间。

这是目前滑坡预测预报研究中最活跃之处,在我国尤其活跃。

目前,最常见的统计数学模型有:回归模型(晏同珍,1988),灰色理论模型(陈明东,1988),泊松旋回模型(晏同珍,1987),生物生长模型(晏同珍,1988),梯度正弦模型(崔政权,1989),突变理论模型(秦四清,1993),灰色一灾变藕合模型(秦四清,1993)等。

所有的模型预报法都只用于临滑预报,并都是对已发生的滑坡作反演拟合预报,事后验证效果良好。