R/S分析法在堆積層滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的應(yīng)用

王彬　賀可強(qiáng)　羅會(huì)來(lái)　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(lèi)滑坡，具有分布廣、規(guī)模大、突發(fā)性強(qiáng)、且危害性嚴(yán)重的特點(diǎn)，堆積層滑坡的監(jiān)測(cè)是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的核心內(nèi)容。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的非線性分形分析評(píng)價(jià)及對(duì)邊坡穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。本論文以新灘滑坡的監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)為例，運(yùn)用R／S分析法對(duì)堆積層邊坡監(jiān)測(cè)位移時(shí)間序列進(jìn)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(duì)八字門(mén)滑坡進(jìn)行預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：堆積層滑坡；位移分形；R/S分析法；預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

1 前言

滑坡預(yù)報(bào)的核心是預(yù)報(bào)方法與失穩(wěn)判據(jù)[1]，國(guó)內(nèi)外在滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)及邊坡穩(wěn)定性分析方面已取得顯著的進(jìn)展。這些研究成果一般采用傳統(tǒng)的力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，但是滑坡的孕育發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(lèi)滑坡，該類(lèi)邊坡是一個(gè)具有眾多因素、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合的巨大系統(tǒng)組成的[2]。非線性科學(xué)如突變理論、混沌理論和分形理論等正是以處理復(fù)雜系統(tǒng)見(jiàn)長(zhǎng)，于是人們將處理復(fù)雜系統(tǒng)的非線性科學(xué)引入滑坡災(zāi)害地質(zhì)過(guò)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(dòng)力學(xué)方程。

2 分形參數(shù)Hurst指數(shù)及其在堆積層滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的意義

作為滑坡體變形演化過(guò)程的歷史記錄，滑坡體的實(shí)測(cè)位移值存在統(tǒng)計(jì)上的自相似性[9]，具有分形結(jié)構(gòu)特征，且隨著變形的發(fā)展，分形特性越來(lái)越明顯。根據(jù)R/S分析理論，通過(guò)計(jì)算，當(dāng)H>0.5 時(shí)，代表事物發(fā)展過(guò)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(duì)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(shì)，其穩(wěn)定狀態(tài)將不發(fā)生變化，H指數(shù)相對(duì)值越大，邊坡穩(wěn)定性越具有持久性，其穩(wěn)定性相對(duì)也就越高。當(dāng)0

3R/S分析法在堆積層滑坡中的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)作用

3.1 新灘滑坡位移監(jiān)測(cè)

3.2 滑坡時(shí)間—位移數(shù)據(jù)處理與分析

將時(shí)間序列劃分為若干區(qū)間，每個(gè)區(qū)間都是獨(dú)立的。為了確保每一區(qū)間計(jì)算結(jié)果不受其他區(qū)間數(shù)據(jù)影響，每一個(gè)數(shù)據(jù)必屬于、且只屬于一個(gè)區(qū)間，然后對(duì)每一個(gè)區(qū)間分別計(jì)算Hurst指數(shù)。賀可強(qiáng)，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(jié)果及分析

深入分析1978年1月至1984年12月14個(gè)區(qū)間兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Hurst指數(shù)變化，我們可以看到隨著時(shí)間變化，位移Hurst指數(shù)存在先增大后下降的趨勢(shì)，大約在1982年7月至12月達(dá)到峰值（0.93左右），此后有曲折下降的趨勢(shì)。

2、 不等間距分段處理結(jié)果及分析

新灘滑坡的變形時(shí)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(jì)算各個(gè)階段的位移Hurst指數(shù)值以及變化如圖3所示。

3.3 八字門(mén)滑坡的位移Hurst指數(shù)及其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

由圖4可知，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(dá)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(lái)的規(guī)律可推知八字門(mén)滑坡的穩(wěn)定性具有持久性，近期不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)，滑坡目前處于初始蠕滑階段。

4 結(jié)論

本論文應(yīng)用R/S分析法對(duì)新灘滑坡的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出如下結(jié)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(shì)，峰指大約為0.93左右，當(dāng)邊坡穩(wěn)定性降低時(shí)出現(xiàn)降維現(xiàn)象，降幅為0.2左右。

（2）計(jì)算出臨界降維值DH，取DH為邊坡整體失穩(wěn)判據(jù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)降維后的Hurst指數(shù)均小于DH，由此可作為一個(gè)邊坡整體失穩(wěn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)判據(jù)。

（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(duì)八字門(mén)滑坡進(jìn)行了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，得出八字門(mén)滑坡的穩(wěn)定性具有持久性，近期不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)，滑坡目前處于初始蠕滑階段。

參考文獻(xiàn)

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[7]賀可強(qiáng)，孫林娜，王思敬，滑坡位移分形參數(shù)Hurst指數(shù)及其在堆積層滑坡預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]，巖石力學(xué)與工學(xué)報(bào)，2009年第6期：1107—1115.

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.40672182；40872184);中國(guó)水利水電科學(xué)研究院開(kāi)放基金項(xiàng)目 (IWHRKF201019);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20113721110002) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目“三峽庫(kù)區(qū)堆積層滑坡位移矢量角失穩(wěn)判據(jù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2008KDZ04）；山東省自然基金項(xiàng)目“深基坑邊坡位移矢量角對(duì)變形控制設(shè)計(jì)及位移失穩(wěn)預(yù)測(cè)的意義研究”（項(xiàng)目編號(hào)：BS2009HZ018）。山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“降雨作用下堆積層滑坡變形破壞機(jī)理與失穩(wěn)判據(jù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：ZR2011DL002）。

作者簡(jiǎn)介：

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

賀可強(qiáng)(1960-)，男，博導(dǎo)，教授，從事巖土工程與地質(zhì)工程教學(xué)研究工作。