黃茨滑坡時間預(yù)測預(yù)報

李嘉祺 康 田 周鵬超 孫 昊

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

1 概述

大量的研究與實踐表明:由于滑體變形規(guī)律的復(fù)雜性，滑坡的中長期預(yù)報較難，不確定性較為顯著；而在短期和臨滑預(yù)報階段，滑坡位移時序變化相對確定，此時滑坡劇滑時間預(yù)報才有實現(xiàn)的可能[1]。

1995年1月30日凌晨，甘肅省蘭州市鹽鍋峽鎮(zhèn)黃茨村北側(cè)黑方臺南緣突然發(fā)生滑坡，但由于鐵科院西北分院已預(yù)報其即將于1995年1月31日～2月7日整體下滑，從而避免了大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失[2,3]。本文以黃茨滑坡為例，采用齋藤迪孝法、曲線回歸分析模型和灰色GM(1,1)模型分別對黃茨滑坡進(jìn)行短期時間預(yù)測。

2 黃茨滑坡概況

黃茨滑坡位于甘肅省蘭州市鹽鍋峽鎮(zhèn)黃茨村北側(cè)黑方臺南緣，是一個典型的由灌溉引發(fā)的臺緣滑坡，其自軟塑黃土至卵石層底面為18 m為持水層，地下水滲流層面(5 cm厚的飽水軟塑黏土)即為滑面位置。

1994年8月～1995年1月，鐵科院西北分院對其進(jìn)行了長達(dá)半年的監(jiān)測，積累了大量的監(jiān)測資料，文章預(yù)測模型主要以電子自記單點位移計的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。12月22日～1月22日，儀器故障，無資料。分析A7和B2的監(jiān)測數(shù)據(jù)，1995年11月25日～12月21日共27 d數(shù)據(jù)見圖1，1996年1月23日～1996年1月29日數(shù)據(jù)見圖2。

3 時間預(yù)測預(yù)報

3.1 Verhulst灰色模型預(yù)測

Verhulst生物生長模型最早由晏同珍教授應(yīng)用于滑坡預(yù)測預(yù)報研究[4-6]，其微分方程形式是：

(1)

(2)

(3)

設(shè)位移觀測數(shù)據(jù)的時間間隔為Δt，則式(3)可寫成：

(4)

滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(等時間距=Δt)為：

對監(jiān)測數(shù)據(jù)處理得到累加生成數(shù)列：

(5)

式(4)和(5)聯(lián)立得:

(6)

(7)

a,b系數(shù)根據(jù)下式求解：

(8)

其中，矩陣(A┆B)為矩陣A和B的合矩陣。

學(xué)生自評問卷的調(diào)查結(jié)果顯示，94%的學(xué)生認(rèn)為知曉游泳自救與水上救助知識對學(xué)會安全游泳是非常重要的，98%的學(xué)生渴望學(xué)習(xí)游泳自救與水上救助，提升這方面能力，而57%的學(xué)生不喜歡上體育課是因為“競技游泳技術(shù)教學(xué)為主（蛙泳、自由泳等）與我無關(guān)”。

表1 觀測點A7日位移值

根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)，采用7個點的位移觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)觀測的時間間隔為1 d，t1=1995年1月23日，按照Verhulst灰色系統(tǒng)模型建模的步驟建立預(yù)測方程，得到：

a=0.295 563，b=0.001 774。

將a,b代入得時間預(yù)測方程為：

(9)

滑坡的預(yù)測破壞時間為1995年1月31日13點55分。

表2 觀測點B2日位移值

根據(jù)表2所列數(shù)據(jù)，采用7個點的位移觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)觀測的時間間隔為1 d，t1=1995年1月23日，按照Verhulst灰色系統(tǒng)模型建模的步驟建立預(yù)測方程，得到：

a=0.625 778，b=0.002 4。

將a,b代入得時間預(yù)測方程為：

(10)

滑坡的預(yù)測破壞時間為1995年1月30日0點18分。

3.2 GM(1，1)模型

灰色GM(1，1)模型和Verhulst模型思路上是一致的。灰色系統(tǒng)對于信息不完整或不完全的實際情況具有良好的適用性，它能夠解決貧信息，少數(shù)據(jù)的實際問題，其中GM(1,1)模型[7-11]在滑坡預(yù)報中得到廣泛的運用。其原理如下：

tr=ln(tanα)/a(X(0)(1)-b/a)/(-a)>tn。

其中，tr為滑坡監(jiān)測資料最后一個數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時間。

利用11月25日～12月21日監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡短期預(yù)測反分析，結(jié)果如表3所示。

表3 基于GM(1,1)模型預(yù)測結(jié)果

3.3 齋藤的蠕變模型預(yù)測

齋藤迪孝方法是以蠕變理論為依據(jù),得出均質(zhì)土滑坡時間預(yù)報的一種經(jīng)驗公式[11-14]，具體如下：

1)計算地面位移:

x1(t1)，x2(t2)，x3(t3)…。

2)計算平均速度的倒數(shù):

4)畫直線連接A和B。

5)延長直線，交橫軸于點tr，即為滑坡破壞時間。

運用該模型對黃茨滑坡進(jìn)行預(yù)報，選取23,26,29三天數(shù)據(jù)進(jìn)行蠕變破壞模型計算，計算結(jié)果如圖3所示。當(dāng)y=0時，x分別等于32.606,38.125，即監(jiān)測點A7和B2的預(yù)測時間分別為2月1日14點33分和2月7日3點00分。

3.4 小結(jié)

灰色Verhulst模型，依據(jù)1月23日～1月29日機(jī)械式位移計A7日數(shù)據(jù)的預(yù)報結(jié)果為1月31日13點55分，最接近實際時間。而齋藤的蠕變模型得出的破壞時間則分別為2月1日14點33分和1995年2月7日3點00分，不同數(shù)據(jù)預(yù)測的結(jié)果差異很大。GM(1，1)模型中進(jìn)行短期預(yù)報時，1994.12.15～1994.12.21時間內(nèi)電子式位移計B2監(jiān)測資料預(yù)測效果比較好，而其他情況下差別比較大。

4 結(jié)語

1)三種預(yù)測模型都能大致預(yù)測出滑坡的滑動時間，其中Verhulst模型與齋藤的蠕變模型適宜于滑坡的臨滑預(yù)報，GM(1，1)模型適用于中短期預(yù)測預(yù)報。

2)滑坡的時間預(yù)測精度與選取數(shù)據(jù)有關(guān)，主要包括三部分：監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度；監(jiān)測孔的分布位置；滑坡運動所處的階段。同時在預(yù)測前對監(jiān)測信息數(shù)據(jù)列進(jìn)行分析研究，以便獲得信息序列的特性，依據(jù)得出的特性對其進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)先處理。

3)對于日本齋藤的蠕變模型預(yù)測時，其t1與t2的位移s有很大的任意性，而預(yù)測精度又與t1和s的取值有很大關(guān)系，所以其預(yù)測精度與適用性有待進(jìn)一步研究，其模型有待進(jìn)一步完善。