基于信息分解的滑坡變形穩(wěn)定性評價及預(yù)警分析

鄧小鵬

摘要：為實現(xiàn)滑坡穩(wěn)定性評價及臨災(zāi)預(yù)警等級劃分，以三峽庫區(qū)八字門滑坡為例，結(jié)合滑坡變形監(jiān)測成果，先利用雙樹復(fù)小波實現(xiàn)滑坡變形信息分解，以剔除滑坡變形數(shù)據(jù)的誤差信息，保證后續(xù)分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;其次，利用尖點(diǎn)突變理論對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價;最后，利用極限位移準(zhǔn)則和V/S分析分別進(jìn)行滑坡現(xiàn)狀預(yù)警和后期預(yù)警，以實現(xiàn)滑坡預(yù)警綜合評價。實例分析結(jié)果表明：滑坡變形數(shù)據(jù)的確含有一定量的誤差信息，對滑坡穩(wěn)定性評價及預(yù)警分析具有較大影響;雙樹復(fù)小波能有效分離滑坡變形的有用信息和誤差信息，但在信息分解過程中應(yīng)注重參數(shù)優(yōu)化篩選，以保證分離效果;八字門滑坡現(xiàn)狀處于穩(wěn)定狀態(tài)，且滑坡后部穩(wěn)定性相對更強(qiáng)，前部穩(wěn)定性相對更弱;在預(yù)警分析方面，八字門滑坡現(xiàn)狀預(yù)警等級為Ⅲ級，且其后期預(yù)警顯示其變形仍將持續(xù)增加，進(jìn)而建議對滑坡進(jìn)行較高頻率監(jiān)測，并做好避讓措施準(zhǔn)備，以切實保證區(qū)內(nèi)居民的生命財產(chǎn)安全。

關(guān) 鍵 詞：

穩(wěn)定性評價; 預(yù)警分析; 信息分解; 雙樹復(fù)小波; 尖點(diǎn)突變理論; V/S分析; 八字門滑坡; 三峽庫區(qū)

中圖法分類號： P642.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.016

三峽庫區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，加之地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，使得區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害歷來較多，且三峽水庫蓄水以來，庫區(qū)水位周期性波動，誘發(fā)了大量滑坡災(zāi)害，嚴(yán)重威脅區(qū)內(nèi)居民的生命財產(chǎn)安全，因而開展庫區(qū)滑坡災(zāi)害研究具有重要意義[1-3]。目前，針對庫區(qū)滑坡的研究雖相對較多，但滑坡穩(wěn)定性評價及其預(yù)警分析一直都是滑坡研究的熱點(diǎn)課題，仍有相關(guān)問題茲待解決。

在滑坡穩(wěn)定性評價方面，吳云等[4]利用數(shù)值模擬開展了滑坡穩(wěn)定性研究，有效掌握了不同工況條件下的滑坡穩(wěn)定性;唐紅梅等[5]利用傳遞系數(shù)法進(jìn)行了滑坡穩(wěn)定性分析，為滑坡穩(wěn)定性計算及其設(shè)計提供了理論依據(jù)。上述研究雖為庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性計算奠定了基礎(chǔ)，但數(shù)值模擬難以表達(dá)滑坡的不均勻特征，而傳遞系數(shù)法又是在相應(yīng)假設(shè)條件下構(gòu)建的，因而上述研究均存在一定不足，仍需進(jìn)一步開展滑坡穩(wěn)定性研究。

在滑坡預(yù)警分析方面，李聰?shù)萚6]在滑坡變形階段劃分的基礎(chǔ)上，利用變形速率指標(biāo)構(gòu)建了滑坡預(yù)警判據(jù);苑誼等[7]在閾值設(shè)定基礎(chǔ)上，通過區(qū)間定值實現(xiàn)了滑坡預(yù)警等級的定量劃分;黃曉虎等[8]在勘查成果基礎(chǔ)上，構(gòu)建了滑坡臨災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，為滑坡預(yù)警提供了一種新的思路。上述研究在滑坡預(yù)警方面取得了一定成果，但均未涉及極限位移準(zhǔn)則條件下的滑坡預(yù)警分析，也未涉及滑坡后期預(yù)警分析。

同時，三峽庫區(qū)滑坡眾多，其中，八字門滑坡規(guī)模較大，威脅對象較為復(fù)雜，對其研究很有必要。目前，已有相應(yīng)學(xué)者開展了八字門滑坡的相關(guān)研究，如尚敏等[9]利用一元線性回歸實現(xiàn)了滑坡累計變形預(yù)測研究;熊珅等[10]則開展了滑坡變形機(jī)理分析;魏東等[11]則利用數(shù)值模擬開展了滑坡穩(wěn)定性評價。上述研究雖為八字門滑坡防治奠定了基礎(chǔ)，但未涉及基于滑坡變形成果基礎(chǔ)上的滑坡穩(wěn)定性評價與預(yù)警分析。因此，本文以八字門滑坡為工程背景，基于其現(xiàn)場變形監(jiān)測成果，先利用雙樹復(fù)小波實現(xiàn)其信息分解;再利用尖點(diǎn)突變理論實現(xiàn)其穩(wěn)定性評價;最后，利用極限位移準(zhǔn)則和V/S分析分別實現(xiàn)滑坡的現(xiàn)狀預(yù)警和后期預(yù)警分析，以期為八字門滑坡的災(zāi)害防治及群防群測提供一定的參考依據(jù)。

1 基本原理

2 實例分析

2.1 工程概況

八字門滑坡隸屬秭歸縣歸州鎮(zhèn)，位于三峽大壩上游約38 km處，兩側(cè)邊界為同源沖溝，前緣侵入長江，呈上窄下寬的不規(guī)則扇形形態(tài)?；驴v向長度為550 m，寬度間于80～120 m，面積約13.5萬m2，平均厚度約30 m，體積約400萬m3，屬深層大型滑坡[9-11]。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡區(qū)具侵蝕構(gòu)造中低山地貌，地形上陡下緩，后側(cè)斜坡坡度介于40°～60°之間，中下部具有3級平臺，呈陡緩階梯狀特征，其中，一、二級平臺斜坡坡度相對較緩，間于5°～10°，規(guī)模較小，而三級平臺相對較陡，前緣斜坡坡度10°～25°。同時，據(jù)鉆孔資料可知，滑體由上至下的巖性可分為3層，即填筑土、粉質(zhì)黏土和碎石土，其中，填筑土主要是由坡體中部公路修建產(chǎn)生的棄土，厚度變化差異較大，介于1～10 m之間，夾雜一定量的碎石，粒徑多間于3～30 cm;粉質(zhì)黏土主要分布于滑坡中部，呈褐紅色，具可塑～硬塑狀，厚度間于4～20 m，平均厚度約12 m;碎石土在區(qū)內(nèi)分布較廣，呈褐黃色，厚度間于6～50 m，平均厚度30 m，母巖巖性以砂巖為主?；瑤Э煞譃?層，其中，主滑帶位于基覆界面，埋深變化較大，后部多間于8～20 m，中部間于30～48 m，前緣間于15～20 m，巖性以粉質(zhì)黏土為主，含有少量角礫，其母巖成分為砂巖;次滑帶主要位于滑坡中部，分布差異較大，在滑坡后緣埋深主要間于6～18 m，巖性主要以粉質(zhì)黏土為主，而在滑坡中下部埋深主要間于27～33 m，巖性主要以碎石土為主。

滑坡區(qū)水文條件也較為復(fù)雜，其中，地表水主要以前緣香溪河流水為主，其水位隨三峽庫區(qū)水位波動影響較大，對滑坡前緣岸坡穩(wěn)定具有較大影響。地下水按其賦存條件主要分為裂隙水和孔隙水兩類，前者主要賦存于下覆基巖裂隙中，后者主要賦存于上部堆積體孔隙中，兩者多接受降雨補(bǔ)給，并向前緣河流排泄，對滑坡穩(wěn)定性具有一定影響。

受庫區(qū)蓄水波動影響，八字門滑坡歷年均出現(xiàn)不同程度的變形破壞，為充分掌握其變形規(guī)律，對其進(jìn)行了變形監(jiān)測，共計布設(shè)了4個監(jiān)測點(diǎn)（見圖1），其中，ZG110和ZG111監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)較為完整。

同時，值得指出的是，分析過程中的時間分布對預(yù)警結(jié)果也存在一定影響，若分析周期過長，較早的監(jiān)測成果對現(xiàn)有滑坡穩(wěn)定性的預(yù)警貢獻(xiàn)較小，甚至起反作用，不利于現(xiàn)狀預(yù)警分析;反之，若分析周期過短，則難以避免近期偶然因素對預(yù)警結(jié)果的影響。因此，合理的分析周期對預(yù)警效果具有一定影響，結(jié)合工程實際，確定2009～2012年的監(jiān)測成果作為本文預(yù)警分析的數(shù)據(jù)來源，若需更新后續(xù)監(jiān)測成果，用最新監(jiān)測成果替換原有較早監(jiān)測成果即可，以實現(xiàn)其滾動預(yù)警分析。

在監(jiān)測過程中，監(jiān)測頻率1次/月，共計得到48個監(jiān)測樣本，其變形曲線如圖2所示。由圖2可知：ZG111監(jiān)測點(diǎn)累計變形相對更大，已達(dá)939.2 mm，而ZG110監(jiān)測點(diǎn)的累計變形為774.1 mm，且兩者均具有階梯波動特征，分析其原因應(yīng)與庫水位及降雨周期性變化相關(guān)。

2.2 信息分解分析

如前所述，滑坡變形數(shù)據(jù)含有有用信息和誤差信息，先利用雙樹復(fù)小波對其進(jìn)行信息分解處理，且為了保證小波參數(shù)的最優(yōu)性，對閾值選取方法、閾值選取標(biāo)準(zhǔn)及分解層數(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化篩選，具體分析結(jié)果如下。

（1） 不同閾值選取方法優(yōu)化。

先設(shè)定閾值選取標(biāo)準(zhǔn)為啟發(fā)閾值，分解層數(shù)為12層，得軟閾值和硬閾值選取方法的篩選結(jié)果如表3所列。由表3可知，硬閾值的信息分離效果評價指標(biāo)值為2.511，而軟閾值的信息分離效果評價指標(biāo)值為2.437，前者的分離效果相對更優(yōu)，因而確定本文雙樹復(fù)小波的閾值選取方法為硬閾值。

（2） 不同閾值選取標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化。

雙樹復(fù)小波的閾值選取標(biāo)準(zhǔn)主要有4類，即極限閾值、啟發(fā)閾值、無偏閾值和固定閾值，篩選結(jié)果如表4所列。由表4可知，固定閾值的信息分離效果評價指標(biāo)值為2.597，相對最大，說明其分離效果相對最優(yōu)，其次是啟發(fā)閾值、無偏閾值和極限閾值，進(jìn)而確定本文雙樹復(fù)小波的閾值選取標(biāo)準(zhǔn)為固定閾值。

（3） 不同分解層數(shù)優(yōu)化。

在確定硬閾值選取方法和固定閾值標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將分解層數(shù)的篩選范圍設(shè)定為8～16層間的偶數(shù)層，所得篩選結(jié)果如表5所列。由表5可知，不同分解層數(shù)的分離效果存在一定差異，隨分解層數(shù)增加，分離效果呈先優(yōu)后差趨勢，當(dāng)14層分解時，其信息分離效果評價指標(biāo)值為2.653，相對最優(yōu)，進(jìn)而確定本文雙樹復(fù)小波的分解層數(shù)為14層。

（4） 信息分離效果驗證。

通過前述，已篩選確定參數(shù)優(yōu)化后的雙樹復(fù)小波，為驗證其分離效果，再將其結(jié)果與部分傳統(tǒng)小波的分離效果進(jìn)行對比，得其結(jié)果如表6所列。由表6可知：不同傳統(tǒng)小波的分離效果也存在一定差異，其中，cof小波和sym小波的信息分離效果評價指標(biāo)均值分別為2.506和2.515，均小于本文雙樹復(fù)小波的2.653，進(jìn)一步驗證了信息分解模型的有效性。

通過上述分析，得知本文信息分解模型較傳統(tǒng)小波模型具有一定的優(yōu)越性，驗證了雙樹復(fù)小波在滑坡變形數(shù)據(jù)信息分解中的適用性，并將其分解結(jié)果作為后續(xù)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 滑坡穩(wěn)定性評價

在前述信息分解基礎(chǔ)上，利用尖點(diǎn)突變理論對滑坡變形的有用信息進(jìn)行穩(wěn)定性分析，且為了對比信息分解對滑坡穩(wěn)定性的影響，也利用尖點(diǎn)突變理論對原始變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析研究，結(jié)果如表7所列。

由表7可知，信息分解前、后的突變特征值均大于0，說明滑坡現(xiàn)狀均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但通過信息分解，相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的突變特征值均出現(xiàn)不同程度的減小，說明通過誤差信息剔除，可使穩(wěn)定性分析結(jié)果趨于保守，更加利于災(zāi)害防治。同時，ZG111監(jiān)測點(diǎn)的突變特征值較ZG110監(jiān)測點(diǎn)更大，說明前者的穩(wěn)定性相對更強(qiáng)，結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)分布位置可知，滑坡后部穩(wěn)定性相對更強(qiáng)，前部穩(wěn)定性相對更弱。

因此，滑坡穩(wěn)定性整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，且誤差信息對其穩(wěn)定性評價具有一定影響，從側(cè)面驗證了本文滑坡變形信息分解的必要性。

2.4 滑坡預(yù)警分析

根據(jù)本文思路再對滑坡進(jìn)行預(yù)警分析，且將預(yù)警過程分述為現(xiàn)狀預(yù)警和后期預(yù)警兩方面，具體分析過程如下。

（1） 現(xiàn)狀預(yù)警分析。

通過極限位移求解，再求得其預(yù)警系數(shù)，得其現(xiàn)狀預(yù)警結(jié)果如表8所列。在極限位移值方面，ZG111監(jiān)測點(diǎn)的極限變形值要大于ZG110監(jiān)測點(diǎn)的極限變形值，說明滑坡后緣的變形程度相對更大;同時，在信息分解前，ZG110監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警等級為Ⅱ級，其余條件下，各監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警等級均為Ⅲ級，結(jié)合預(yù)警系數(shù)大小和預(yù)警等級，說明信息分解前的預(yù)警等級相對略低，即通過信息分解后的預(yù)警等級評價相對更保守，與前述穩(wěn)定性評價結(jié)果一致。

（2） 后期預(yù)警分析。

如前所述，通過誤差信息分解，能使分析結(jié)果趨于保守，且滑坡變形的有效信息分析更具真實性，進(jìn)而利用其進(jìn)行滑坡后期預(yù)警分析。

首先，利用V/S分析得到滑坡后期預(yù)警分析結(jié)果如表9所列。根據(jù)表9可知，在擬合效果方面，兩監(jiān)測點(diǎn)的擬合度均較趨近于1，且誤差平方和也較小，進(jìn)而說明其擬合效果較優(yōu)，所得趨勢判斷參數(shù)的可信度較高;同時，兩監(jiān)測點(diǎn)的Hurst指數(shù)均大于0.5，說明滑坡變形發(fā)展趨勢與現(xiàn)有趨勢相同，呈持續(xù)增加趨勢，且根據(jù)趨勢等級劃分，得知ZG110監(jiān)測點(diǎn)趨勢等級為Ⅱ級，趨勢程度為較強(qiáng)，而ZG111監(jiān)測點(diǎn)趨勢等級為Ⅲ級，趨勢程度為強(qiáng)，得前者趨勢性相對略弱;另外，兩監(jiān)測點(diǎn)的CM值均大于0，說明兩變形序列具有正相關(guān)特征，且ZG111監(jiān)測點(diǎn)的相關(guān)性相對更大。

其次，通過前述分析，已判斷滑坡變形的后期發(fā)展情況，再利用V/S分析對滑坡變形發(fā)展趨勢進(jìn)行階段性評價，以分析其階段性發(fā)展規(guī)律;同時，將滑坡周期劃分為4個階段，每階段遞增12個周期，所得階段性分析結(jié)果如表10所列。

根據(jù)表10可知，兩監(jiān)測點(diǎn)的Hurst指數(shù)在不同階段均大于0.5，說明滑坡變形呈持續(xù)增加趨勢，但其值隨時間增加，逐步減小，得出其趨勢性趨于減弱;同時，兩監(jiān)測點(diǎn)的CM值均大于0，說明兩變形序列始終呈正相關(guān)特征，且其CM值逐步減小，相關(guān)性也趨于減弱。

根據(jù)上述滑坡預(yù)警分析，得出八字門滑坡現(xiàn)狀預(yù)警等級為Ⅲ級，即應(yīng)進(jìn)行較高頻率監(jiān)測，并做好避讓措施準(zhǔn)備，且其后期預(yù)警趨于增強(qiáng)趨勢，進(jìn)而應(yīng)加大滑坡災(zāi)害防治力度，切實做好防失穩(wěn)準(zhǔn)備。

3 結(jié) 論

以三峽庫區(qū)八字門滑坡變形監(jiān)測成果為基礎(chǔ)，在變形信息分解的基礎(chǔ)上，通過滑坡穩(wěn)定性評價和預(yù)警分析，主要得出如下結(jié)論。

（1） 受監(jiān)測環(huán)境、人為誤差等因素影響，滑坡變形數(shù)據(jù)含有一定量的誤差信息，對滑坡穩(wěn)定性評價及預(yù)警分析均有較大影響，進(jìn)而在變形數(shù)據(jù)應(yīng)用過程中，很有必要進(jìn)行有用信息與誤差信息的分解處理，且雙樹復(fù)小波在滑坡變形數(shù)據(jù)信息分解中的效果較好，但其應(yīng)用過程應(yīng)注重參數(shù)優(yōu)化，以切實保證分離效果。

（2） 通過穩(wěn)定性評價，得知八字門滑坡在現(xiàn)狀條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，且ZG11監(jiān)測點(diǎn)的突變特征值較ZG110監(jiān)測點(diǎn)更大，說明前者的穩(wěn)定性相對更強(qiáng)，即滑坡后部穩(wěn)定性相對更強(qiáng)，前部穩(wěn)定性相對更弱。

（3） 通過預(yù)警分析，得知八字門滑坡現(xiàn)狀預(yù)警等級為Ⅲ級，且其后期預(yù)警顯示其變形仍將持續(xù)增加，滑坡穩(wěn)定性趨于減弱趨勢，進(jìn)而建議對滑坡進(jìn)行較高頻率監(jiān)測，并做好避讓措施準(zhǔn)備。

（4） 由于八字門滑坡監(jiān)測過程較長，加之采用的監(jiān)測手段具有一定差異，建議后期可進(jìn)一步開展不同監(jiān)測手段條件下或不同周期條件下的預(yù)警分析，以進(jìn)一步驗證本文預(yù)警思路的準(zhǔn)確性。

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（編輯：胡旭東）