R/S分析法在堆積層滑坡預測預報的應用

王彬　賀可強　羅會來　郭棟　王海波

摘要：堆積層滑坡是指發(fā)生在第四系及近代松散堆積層的一類滑坡，具有分布廣、規(guī)模大、突發(fā)性強、且危害性嚴重的特點，堆積層滑坡的監(jiān)測是地質災害預測預報的核心內容。對監(jiān)測數(shù)據的非線性分形分析評價及對邊坡穩(wěn)定性的預測具有重要的社會和經濟意義。本論文以新灘滑坡的監(jiān)測位移數(shù)據為例，運用R／S分析法對堆積層邊坡監(jiān)測位移時間序列進行分析，得出了Hurst指數(shù)隨邊坡穩(wěn)定性發(fā)展的變化規(guī)律，并利用此規(guī)律對八字門滑坡進行預測。

關鍵詞：堆積層滑坡；位移分形；R/S分析法；預測預報

1 前言

滑坡預報的核心是預報方法與失穩(wěn)判據[1]，國內外在滑坡災害預測及邊坡穩(wěn)定性分析方面已取得顯著的進展。這些研究成果一般采用傳統(tǒng)的力學、統(tǒng)計學方法，但是滑坡的孕育發(fā)展是一個復雜的過程，其中，堆積層滑坡是指發(fā)生在第四系及近代松散堆積層的一類滑坡，該類邊坡是一個具有眾多因素、結構復雜、功能綜合的巨大系統(tǒng)組成的[2]。非線性科學如突變理論、混沌理論和分形理論等正是以處理復雜系統(tǒng)見長，于是人們將處理復雜系統(tǒng)的非線性科學引入滑坡災害地質過程的演化系統(tǒng)，相繼建立了一些描述斜坡演化的非線性動力學方程。

2 分形參數(shù)Hurst指數(shù)及其在堆積層滑坡預測預報中的作用與意義

(2)如果0.5

(3)如果0

2.3分形參數(shù)Hurst指數(shù)在堆積層滑坡預測預報中的意義

作為滑坡體變形演化過程的歷史記錄，滑坡體的實測位移值存在統(tǒng)計上的自相似性[9]，具有分形結構特征，且隨著變形的發(fā)展，分形特性越來越明顯。根據R/S分析理論，通過計算，當H>0.5 時，代表事物發(fā)展過程具有持久性，事物所處狀態(tài)將不發(fā)生變化且具有相對穩(wěn)定性，表明邊坡穩(wěn)定性和位移值具有持久增大的趨勢，其穩(wěn)定狀態(tài)將不發(fā)生變化，H指數(shù)相對值越大，邊坡穩(wěn)定性越具有持久性，其穩(wěn)定性相對也就越高。當0

3R/S分析法在堆積層滑坡中的預測預報作用

3.1 新灘滑坡位移監(jiān)測

3.2 滑坡時間—位移數(shù)據處理與分析

將時間序列劃分為若干區(qū)間，每個區(qū)間都是獨立的。為了確保每一區(qū)間計算結果不受其他區(qū)間數(shù)據影響，每一個數(shù)據必屬于、且只屬于一個區(qū)間，然后對每一個區(qū)間分別計算Hurst指數(shù)。賀可強，孫林娜，王思敬[7]用這種分區(qū)方法，取得良好效果。

1、等間距分段處理結果及分析

深入分析1978年1月至1984年12月14個區(qū)間兩個監(jiān)測點的Hurst指數(shù)變化，我們可以看到隨著時間變化，位移Hurst指數(shù)存在先增大后下降的趨勢，大約在1982年7月至12月達到峰值（0.93左右），此后有曲折下降的趨勢。

2、 不等間距分段處理結果及分析

新灘滑坡的變形時期按照位移速度的大小分為初始蠕變期，勻速變形期，加速變形期，劇變破壞期（如圖1）。計算各個階段的位移Hurst指數(shù)值以及變化如圖3所示。

3.3 八字門滑坡的位移Hurst指數(shù)及其預測預報

由圖4可知，兩個監(jiān)測點的位移Hurst指數(shù)均穩(wěn)定在0.84以上，最大值為0.91左右，還未達到峰值（0.93），且各段差距不大，總體上處在Hurst指數(shù)曲折上升階段。從新灘滑坡得出來的規(guī)律可推知八字門滑坡的穩(wěn)定性具有持久性，近期不會出現(xiàn)滑動，滑坡目前處于初始蠕滑階段。

4 結論

本論文應用R/S分析法對新灘滑坡的位移數(shù)據進行分析計算，得出如下結論：

（1）邊坡位移Hurst指數(shù)隨著邊坡穩(wěn)定性的發(fā)展演化，呈現(xiàn)出先曲折增大后曲折減小的趨勢，峰指大約為0.93左右，當邊坡穩(wěn)定性降低時出現(xiàn)降維現(xiàn)象，降幅為0.2左右。

（2）計算出臨界降維值DH，取DH為邊坡整體失穩(wěn)判據，監(jiān)測點降維后的Hurst指數(shù)均小于DH，由此可作為一個邊坡整體失穩(wěn)的預測預報判據。

（3）不同穩(wěn)定階段的Hurst指數(shù)值不同，隨著邊坡穩(wěn)定性的發(fā)展，位移Hurst指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的總體規(guī)律，峰值為1.0，在劇變破壞期位移Hurst指數(shù)存在降維突變，降幅為0.2左右。

（4）利用新灘滑坡的位移Hurst指數(shù)規(guī)律對八字門滑坡進行了預測預報，得出八字門滑坡的穩(wěn)定性具有持久性，近期不會出現(xiàn)滑動，滑坡目前處于初始蠕滑階段。

參考文獻

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基金項目：國家自然科學基金項目(No.40672182；40872184);中國水利水電科學研究院開放基金項目 (IWHRKF201019);高等學校博士學科點專項科研基金(20113721110002) 三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室開放基金項目“三峽庫區(qū)堆積層滑坡位移矢量角失穩(wěn)判據研究”（項目編號：2008KDZ04）；山東省自然基金項目“深基坑邊坡位移矢量角對變形控制設計及位移失穩(wěn)預測的意義研究”（項目編號：BS2009HZ018）。山東省自然科學基金項目“降雨作用下堆積層滑坡變形破壞機理與失穩(wěn)判據研究”（項目編號：ZR2011DL002）。

作者簡介：

王彬(1986-)，男，青島理工大學土木工程學院，碩士，從事地質工程方面的研究。

賀可強(1960-)，男，博導，教授，從事巖土工程與地質工程教學研究工作。