楊芳 楊曉龍 仇新迪 馬宏濤

摘要：為實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)警等級的準(zhǔn)確劃分，在分析預(yù)警準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，以三峽庫區(qū)木魚包滑坡為例，以累計(jì)變形判據(jù)和變形速率判據(jù)聯(lián)合構(gòu)建了雙判據(jù)滑坡預(yù)警模型，其中，累計(jì)變形判據(jù)是在極限位移預(yù)警分析基礎(chǔ)上，結(jié)合變形預(yù)測的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)警等級劃分，而變形速率判據(jù)與之相似，也是在極限變形速率預(yù)警分析基礎(chǔ)上，結(jié)合其M-K分析的發(fā)展趨勢評價(jià)進(jìn)行預(yù)警等級劃分。實(shí)例分析結(jié)果表明：在累計(jì)變形判據(jù)的預(yù)警過程中，按極限位移判斷滑坡預(yù)警等級為Ⅱ級，但通過變形預(yù)測，得出滑坡變形呈上升趨勢，進(jìn)而應(yīng)提高一級預(yù)警，即通過累計(jì)變形判據(jù)得出滑坡預(yù)警等級為Ⅲ級;在變形速率判據(jù)的預(yù)警過程中，不同監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警結(jié)果存在一定差異，預(yù)警等級間于Ⅰ～Ⅲ級，按不利原則，確定變形速率判據(jù)下的滑坡預(yù)警等級為Ⅲ級。兩者分析結(jié)果一致，相互佐證了兩類判據(jù)的準(zhǔn)確性，綜合確定滑坡預(yù)警等級為Ⅲ級，即滑坡目前處于中等危險(xiǎn)，應(yīng)進(jìn)行較高頻率監(jiān)測，并做好避讓措施準(zhǔn)備，切實(shí)保證區(qū)內(nèi)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān) 鍵 詞：

滑坡監(jiān)測預(yù)警; 累計(jì)變形; 變形速率; M-K分析; 木魚包滑坡; 三峽庫區(qū)

中圖法分類號： P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.015

滑坡是我國常見地質(zhì)災(zāi)害之一，限于資金條件，無法對所有滑坡均進(jìn)行工程治理，多是采用群防群測手段進(jìn)行預(yù)警預(yù)防，主觀因素較大，難以保證預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，因此，如果在有限條件基礎(chǔ)上開展合理的滑坡預(yù)警具有重要意義[1-3]。目前，已有相關(guān)學(xué)者開展了滑坡預(yù)警研究，如蘇白燕等[4]在滑坡變形監(jiān)測成果基礎(chǔ)上，通過其變形速率的閾值來實(shí)現(xiàn)預(yù)警等級劃分，并構(gòu)建了相應(yīng)的預(yù)警平臺，實(shí)現(xiàn)了自動預(yù)警，取得了較好效果;李聰?shù)萚5]先將滑坡變形過程劃分為不同階段，再將滑坡變形速率作為預(yù)警判據(jù)進(jìn)行預(yù)警等級劃分，有效實(shí)現(xiàn)了滑坡預(yù)警，為其防治提供了參考依據(jù);陳賀等[6]也在深部位移監(jiān)測的基礎(chǔ)上，開展了滑坡變形階段劃分，并利用滑坡變形加速曲線實(shí)現(xiàn)了滑坡預(yù)警預(yù)報(bào);苑誼等[7]以滑坡變形速率和切線角為預(yù)警指標(biāo)，并對樹坪滑坡的預(yù)警閾值進(jìn)行設(shè)定，有效實(shí)現(xiàn)了滑坡預(yù)警等級劃分。上述研究取得了相應(yīng)成果，充分驗(yàn)證了在滑坡變形成果基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)警研究的可行性，但以上研究均是側(cè)重于變形速率的預(yù)警判據(jù)分析，未涉及累計(jì)變形判據(jù)研究，加之研究方法較為單一，也未開展預(yù)警準(zhǔn)則分析，缺乏系統(tǒng)性，因而仍有必要進(jìn)一步開展系統(tǒng)性的滑坡預(yù)警研究。本文以三峽庫區(qū)木魚包滑坡為實(shí)例背景，基于其監(jiān)測成果，在預(yù)警準(zhǔn)則分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于累計(jì)變形判據(jù)和變形速率判據(jù)的雙判據(jù)滑坡預(yù)警模型，以為滑坡災(zāi)害防治提供一定指導(dǎo)。

1 滑坡預(yù)警準(zhǔn)則及方法研究

1.1 預(yù)警準(zhǔn)則

滑坡預(yù)警是一個(gè)復(fù)雜過程，其準(zhǔn)則應(yīng)具有綜合性和可行性，即滑坡預(yù)警應(yīng)在常用指標(biāo)上構(gòu)建，并具有較強(qiáng)的可操作性。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

木魚包滑坡隸屬秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)，位于三峽壩址上游56 km處的右岸，平面呈漏斗狀，主滑方向?yàn)?0°，縱向長1 500 m，寬度約1 200 m，面積約180萬m2，平均厚度約50 m，總體積為9 000萬m3，屬深層巨型滑坡。

根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，得知滑床巖性主要為侏羅系石英砂巖和砂泥巖夾煤層，具有順向坡體結(jié)構(gòu)?；w主要包含有兩部分，即松散堆積層和擾動破壞砂巖層。其中，松散堆積層主要分布于地表，巖性為崩坡積和殘坡積碎石土，碎塊石母巖成分以砂、泥巖為主，含量局部差異變化較大;擾動破壞砂巖層主要是由區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動所致，節(jié)理裂隙較發(fā)育，利于降雨入滲?；瑤е饕獮榉圪|(zhì)壤土，夾雜少量碎塊石，黑色，具可塑～硬塑狀，遇水易軟化，抗剪強(qiáng)度相對較低。

區(qū)內(nèi)水文條件較為復(fù)雜，其中，地表水主要以前緣長江水系為主，且坡面沖溝在雨季會形成臨時(shí)徑流，流量受雨量影響較大。地下水主要分為孔隙水和裂隙水兩類，前者主要賦存于地表堆積體中，季節(jié)波動明顯，而后者主要賦存于滑床基巖裂隙中，對滑坡影響有限[16-17]。

自三峽水庫蓄水以來，木魚包滑坡出現(xiàn)了不同程度的變形，為有效掌握其變形規(guī)律，布設(shè)了四橫三縱的監(jiān)測網(wǎng)，其中，ZG291監(jiān)測點(diǎn)變形量相對最大，限于篇幅，以其所處縱斷面4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測成果為例，分析本文研究思路的有效性;同時(shí)，結(jié)合滑坡監(jiān)測點(diǎn)布置，得ZG291～ZG294監(jiān)測點(diǎn)的斷面布置如圖1所示。

在2006年11月至2009年12月間，按1月/次的監(jiān)測頻率，共計(jì)得到38個(gè)周期的監(jiān)測成果，具體變形曲線如圖2所示。由圖2可知，ZG291監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形相對最大，已達(dá)828 mm，其余3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的變形規(guī)律和變形量相當(dāng)，介于564～593 mm之間。總體來說，木魚包滑坡的變形位移較大，對其開展預(yù)警研究具有重要意義。

2.2 累計(jì)變形判據(jù)的預(yù)警分析

根據(jù)本文思路，先以累計(jì)變形判據(jù)進(jìn)行木魚包滑坡的預(yù)警分級，將其分析過程詳述如下。

（1） 極限位移的預(yù)警分析。

首先，利用Matlab擬合工具箱實(shí)現(xiàn)極限位移的擬合求解，結(jié)果如表3所示。由表3可知，各監(jiān)測擬合結(jié)果的擬合度均趨近于1，說明擬合效果較好，所得極限位移參數(shù)的可信度較高;同時(shí)，根據(jù)安全儲備參數(shù)Fc ，得知4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的安全儲備相當(dāng)，ZG293監(jiān)測點(diǎn)的安全儲備相對最高，其次是ZG291、ZG294和ZG292監(jiān)測點(diǎn)。其次，根據(jù)表1中的判據(jù)，對現(xiàn)有變形值條件下的所屬臨界區(qū)間進(jìn)行求解，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警等級評價(jià)，得到其判斷結(jié)果如表4所列。通過極限位移的預(yù)警分析，得出4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警等級均為Ⅱ級，相對略低。

（2） 位移發(fā)展趨勢的預(yù)警分析。

在前述極限位移預(yù)警分析基礎(chǔ)上，再對其發(fā)展趨勢進(jìn)行分析;同時(shí)，限于篇幅，本文僅以ZG291監(jiān)測點(diǎn)為例，詳述不同階段的優(yōu)化效果，且在預(yù)測過程中，以1～33周期為訓(xùn)練樣本，34～38周期為驗(yàn)證樣本，39～42周期為外推預(yù)測樣本。

先對不同激勵函數(shù)的預(yù)測效果進(jìn)行篩選，且在篩選過程中，以預(yù)測結(jié)果的相對誤差平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差為評價(jià)指標(biāo)，通過計(jì)算，得到其篩選結(jié)果如表5所列。由表5可知，3種激勵函數(shù)的預(yù)測效果存在一定差異，以Sigmiod型的平均相對誤差值最小，具備較高的預(yù)測精度，且其標(biāo)準(zhǔn)差也相對最小，進(jìn)而說明其預(yù)測結(jié)果具有相對更強(qiáng)的穩(wěn)定性，其次是Hardlim型和Sine型，因此，確定本文ELM模型的激勵函數(shù)為Sigmiod型。

其次，再利用粒子群算法和M估計(jì)分別優(yōu)化模型參數(shù)和預(yù)測誤差，且為了驗(yàn)證ELM模型較傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，再利用傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測研究，進(jìn)而得到上述各類模型在ZG291監(jiān)測點(diǎn)中的預(yù)測結(jié)果如表6和圖3所示。根據(jù)表6可知，在相應(yīng)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)處，隨著優(yōu)化過程的遞進(jìn)，預(yù)測結(jié)果的相對誤差值出現(xiàn)了不同程度的減小，說明3類優(yōu)化方法的有效性均較好，且RPSO-ELM模型的預(yù)測結(jié)果具有相對最小的平均相對誤差和標(biāo)準(zhǔn)差，說明其不僅具有相對最優(yōu)的預(yù)測精度，還具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性;同時(shí)，對比傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RPSO-ELM模型的預(yù)測結(jié)果可知，后者的預(yù)測精度及穩(wěn)定性相對更優(yōu)，進(jìn)而驗(yàn)證了本文預(yù)測模型相較傳統(tǒng)預(yù)測模型具有更好的預(yù)測效果。最后，通過外推預(yù)測，得知ZG291監(jiān)測點(diǎn)的變形將呈上升趨勢，無收斂跡象。

前述已驗(yàn)證了本文RPSO-ELM模型的有效性，再利用該模型對其余3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)發(fā)展趨勢進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如表7所列。對比ZG292～ZG294監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)測結(jié)果可知，在預(yù)測效果方面，三者平均相對誤差值相近，說明本文預(yù)測模型具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，其中，以ZG294監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)測效果相對最優(yōu)，其次是ZG292監(jiān)測點(diǎn)和ZG293監(jiān)測點(diǎn);在預(yù)測結(jié)果穩(wěn)定性方面，ZG294監(jiān)測點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差值相對最小，具有相對最小的波動性，其次是ZG292監(jiān)測點(diǎn)和ZG293監(jiān)測點(diǎn)，但三者標(biāo)準(zhǔn)差值均較小，變化差異不大。同時(shí)，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的外推預(yù)測結(jié)果也呈上升趨勢，并無收斂跡象。

因此，按極限位移判斷，滑坡預(yù)警等級為Ⅱ級，但4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的外推預(yù)測均得出滑坡變形呈上升趨勢，進(jìn)而應(yīng)提高一級預(yù)警，即通過累計(jì)變形判據(jù)得出滑坡預(yù)警等級為Ⅲ級。

2.3 變形速率判據(jù)的預(yù)警分析

類比前述分析，再利用變形速率判據(jù)對木魚包滑坡進(jìn)行預(yù)警分析，具體分析過程如下。

（1） 極限變形速率的預(yù)警分析。

以表1中的臨界系數(shù)Fr和表3中已求得的安全儲備參數(shù)Fc為基礎(chǔ)，計(jì)算得到極限變形速率的相關(guān)特征參數(shù)及預(yù)警等級如表8所列。由表8可知，按極限變形速率的預(yù)警準(zhǔn)則，得ZG292監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警等級為Ⅰ級，其余3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警等級為Ⅲ級，即滑坡不同位置的預(yù)警等級存在一定差異，按不利原則確定其預(yù)警等級為Ⅲ級。

（2） 變形速率發(fā)展趨勢的預(yù)警分析。

根據(jù)前述預(yù)警方法，再利用M-K檢驗(yàn)來分析判斷滑坡變形速率的發(fā)展趨勢，得其分析結(jié)果如表9所列。由表9可知，4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的Z值均大于零，但大小存在一定差異，即4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的變形速率均呈上升趨勢，并具有不同的顯著性，其中，ZG292監(jiān)測點(diǎn)的上升趨勢較顯著，而其余3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)僅屬顯著。

根據(jù)上述分析，按極限變形速率判斷，得知木魚包滑坡的預(yù)警等級為Ⅲ級，加之其變形速率呈上升趨勢，進(jìn)而確定在變形速率判據(jù)基礎(chǔ)上的預(yù)警等級為Ⅲ級。

綜合兩類判據(jù)的預(yù)警結(jié)果，得出累計(jì)變形判據(jù)的滑坡預(yù)警等級為Ⅲ級，變形速率判據(jù)的滑坡預(yù)警等級也為Ⅲ級，兩者分析結(jié)果一致，相互佐證了兩類判據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而綜合確定木魚包滑坡的預(yù)警等級為Ⅲ級，即滑坡目前處于中等危險(xiǎn)，應(yīng)進(jìn)行較高頻率監(jiān)測，并做好避讓措施的準(zhǔn)備。

3 結(jié) 論

（1） 累計(jì)變形和變形速率是滑坡預(yù)警的重要判據(jù)，具有全面性和系統(tǒng)性，適用性較強(qiáng)，能有效實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)警等級劃分。

（2） 在滑坡預(yù)警的實(shí)現(xiàn)方法中，各類分析方法均具有良好效果，所得結(jié)果也相互佐證了各自分析結(jié)果的有效性，綜合確定木魚包滑坡的預(yù)警等級為Ⅲ級，為其災(zāi)害防治提供了一定參考。

限于篇幅，本文僅以主滑面監(jiān)測成果進(jìn)行預(yù)警，建議后續(xù)研究可再對其余監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警分析，以全面掌握滑坡預(yù)警等級。

參考文獻(xiàn)：

[1] 喬建平.降雨型滑坡泥石流災(zāi)害預(yù)警原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[J].人民長江，2020，51（1）：50-55，74.

[2] 張寧，李青，李闖將，等.基于極限學(xué)習(xí)機(jī)和熵值法的巖土災(zāi)變預(yù)警[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（33）：251-258.

[3] 林劍，張奇飛，龍萬學(xué)，等.基于預(yù)警隸屬度函數(shù)多模型融合的滑坡預(yù)警方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2019，49（2）：477-484.

[4] 蘇白燕，許強(qiáng)，黃健，等.基于動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，45（5）：615-625.

[5] 李聰，朱杰兵，汪斌，等.滑坡不同變形階段演化規(guī)律與變形速率預(yù)警判據(jù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（7）：1407-1414.

[6] 陳賀，李亞軍，房銳，等.滑坡深部位移監(jiān)測新技術(shù)及預(yù)警預(yù)報(bào)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（增2）：4063-4070.

[7] 苑誼，馬霄漢，李慶岳，等.由樹坪滑坡自動監(jiān)測曲線分析滑坡誘因與預(yù)警判據(jù)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42（5）：115-122，128.

[8] 檀夢皎，殷坤龍，郭子正，等.基于CEEMDAN理論和PSO-ELM模型的滑坡位移預(yù)測[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2019，38（6）：165-175.

[9] 高彩云，高寧.一種基于M估計(jì)的Robust-ELM滑坡位移預(yù)測方法[J].大地測量與地球動力學(xué)，2019，39（2）：153-157.

[10] 高彩云.基于新型智能算法ELM的滑坡變形位移預(yù)測[J].人民長江，2017，48（7）：46-49，69.

[11] 任慶國.基于重標(biāo)極差法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隧道變形趨勢判斷[J].人民長江，2017，48（16）：54-59.

[12] 李秋全，郝付軍.三峽庫區(qū)堆積層滑坡的變形趨勢判斷及預(yù)測[J].水利水電技術(shù)，2019，50（5）：228-233.

[13] 王潤英，伍彥熹，慕子煜，等.基于M估計(jì)的抗差Kalman濾波算法在某混凝土重力壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2015，33（12）：89-92.

[14] 賀華剛.基于集成組合預(yù)測模型的隧道大變形預(yù)測研究[J].人民長江，2019，50（8）：172-177.

[15] 鞠興華，楊曉華，張莎莎.鐵路路基沉降變形趨勢的綜合檢驗(yàn)分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，28（3）：132-137.

[16] 鄧茂林，易慶林，韓蓓，等.長江三峽庫區(qū)木魚包滑坡地表變形規(guī)律分析[J].巖土力學(xué)，2019，40（8）：3145-3152，3166.

[17] 王少華，宛良朋，羅強(qiáng).三峽庫區(qū)木魚包滑坡典型剖面自身強(qiáng)度綜合評價(jià)[J].水力發(fā)電，2015，41（12）：40-43，53.

（編輯：胡旭東）