滑坡预测预报研究发展简述

【摘　要】本文在指出滑坡灾害对国民经济建设所带来的危害的基础上，提出滑坡预测预报的必要性；然后系统的论述了滑坡预测预报的含义，从空间预测预报和时间预测预报两个方面深入论述了滑坡预测预报研究的主要方法；最后分析了当前预测预报中存在的问题并展望其未来的发展趋势。

【关键词】滑坡；预测预报；存在的问题；发展趋势

0.前言

滑坡是指边坡上的岩土体在自然或人为因素影响下失去稳定，沿贯通的破坏面（或带）整体下滑的现象[1]，是生态环境和工程建设中经常遇到的广泛且严重的地质灾害之一，给世界各国人民的生命财产和经济建设带来了巨大损失。如美国每年因滑坡而造成的损失达10亿多美元[2]，欧洲的意大利金1963年发生的瓦依昂水库库岸滑坡，造成2500多人死亡，水库也因此失效。我国是一个滑坡、崩塌灾害较为频发的国家，据不完全统计，近十年来几乎每年平均有一次重大崩、滑灾害事件[3]。因此，如何降低、减少滑坡灾害对人民生命财产和我国经济建设的损失，对滑坡进行预测预报预报显得尤为重要。

目前对滑坡灾害预测预报还存在着分歧，有人认为滑坡灾害空间预测相对容易，而时间预测预报则十分困难，因而着重于发展滑坡灾害的时间预测预报研究，而忽略空间预测；也有人认为滑坡灾害的空間预测可以独立于时间预测预报进行，即滑坡灾害空间预测就可以表达不同自然地质条件下的滑坡空间危险性程度。实际上滑坡预测预报是包括空间和时间两个方面，二者缺一不可。滑坡的时间预测预报困难，其空间预测同样并不容易。滑坡的空间预测为时间预报提供对象，时间预测预报的选点，应以滑坡空间预测成果为依据，才可避免时间预测预报选点的错误。

随着人们对滑坡发生机理的深入认识、计算机以及数学和力学理论的完善，关于滑坡预测预报的新技术不断涌现，并在实际当中取得了良好的效果。下面对目前运用较多的预测预报方法做简要介绍。

1.滑坡空间预测预报

空间预测是时间预测预报的先决条件，主要是通过滑坡条件分析，确定出对滑坡作用有利的因素组合，根据这些有利因素组合来预测区域上某斜坡段将来产生滑坡的可能性，圈定出可能产生滑坡变形的范围。只有在明确了预测的对象之后，才可有目的地开展滑坡灾害的时间预测预报。

1.1稳定系数预测法

该方法是最早的滑坡空间预测方法。该方法通过计算滑坡体的安全系数Fs来预测某一边坡的稳定性。

当Fs<1.0时，边坡处于不稳定状态；

当Fs=1.0时，边坡处于临界状态；

当Fs>1.0时，边坡处于稳定状态。

计算稳定系数的方法有多种，如基于极限平衡理论的条分法、瑞典圆弧法、数值分析方法等。在计算中，参数选取对结果的正确性有直接影响。这种方法在工程中应用非常广泛，且为设计人员所熟悉。

1.2神经网络法

该方法能通过对已知样本的学习，掌握输入与输出间复杂的非线性映射关系，并对这种关系进行存储记忆，直接为预测提供知识库，同时，还具有高速的并行处理能力、自组织学习能力、高速的容错性、灵活性和适应性等特点。

神经网络法对斜坡稳定性空间预测，主要是用研究程度较高的斜坡地段作为已知样本对网络进行训练，直到网络掌握数据间的非线性映射关系为止，然后用该地区其他稳定性未知的地段作为预测样本，输入已经学习好的网络，通过网络的联想记忆功能直接预测稳定性。

在用神经网络进行预测预报中，可以把各种可能对边坡稳定性有影响的因素作为网络的输入，而提高预测精度。张清(1992)、冯夏庭(1995)，黄润秋和许强(1998)稳定性分析和变形的预测预报，效果较好。

1.3信息模型法

该方法是把各种滑坡因素在滑坡作用过程中所起作用的大小程度用信息量表达。殷坤龙认为滑坡受多种因素的影响，且各种因素作用性质不相同，对某一具体滑坡而言，总会存在“最佳因素组合”，基于此理论，信息模型主要研究“滑坡因素组合”，而不是停留在单个因素上，其预测精度较高。

1.4灾变模型预测法

计算边坡的稳定系数需要确定岩土体的计算参数，由于岩土性质的不确定性和离散性，使得同一边坡采用不同的计算参数得出的结果差别较大，甚至得出相反的结论。采用灾变理论避开了这些不确定的参数的影响，它假定系统在任何时刻的状态都可完全由给定的几个状态内部量的值来确定，同时系统还受到若干个独立的控制量的控制，通过数学方法，研究系统状态的稳定与否与各量值的关系。该方法综合考虑了各种边坡要素对边坡稳定性的不同程度的影响，能真实的描绘边坡系统的状态。

1.5模糊综合评判法

边坡的稳定性受诸多因素的影响，很难用一个确定的结论来表述其稳定还是不稳定，往往用模糊概念来表述，如把边坡的稳定等级分为“危险区”、“不稳定区”、“较不稳定区”、“稳定区”等。模糊综合评判方法就是对边坡稳定性等级进行分类，并通过专家评分或构造隶属函数来确定对同一等级各因素以及某一因素在不同等级中对边坡稳定性的影响程度，建立模糊评判矩阵，确定边坡的稳定性对各等级的隶属程度，最后按择优原则预测边坡的稳定性。该方法的最终结果是否可靠，受单因素的选择和隶属度的确定影响较大。

2.滑坡时间预测预报

滑坡时间预测预报是指对滑坡发生的具体时间的预报，即对已获取的监测数据，通过数学模型来预测未来某一时刻坡体的状态。通常分为长期预报、短期预报和临滑预报。长期预报是对滑坡未来的稳定性演化趋势做出的预测；短期预报主要是分析滑坡灾害的近期演化趋势；临滑预报是当滑坡位移已明显进入加速段时，对剧滑时间做出的准确预报。目前关于滑坡时间预测预报的主要方法有以下几种。

2.1宏观前兆判别预报

宏观前兆判别预报主要是利用滑坡发生前兆现象进行预报。主要前兆有：滑坡前缘出现放射状裂缝、土体隆起现象；滑坡后缘裂缝急剧扩大，并不断出现新裂缝，后部快速下座，四周岩土体松弛；滑动带岩土体因摩擦错动发出声响，裂缝中冒出热气或冷气；泉水、民井出现异常现象；动植物出现惊恐异常现象；树林出现歪斜现象等。很明显这些宏观迹象是滑坡临滑预测预报的可靠参数，如宝成线须家河滑坡(1963年9月3日)是依据滑坡宏观变形前兆作出比较准确的滑坡预测预报。

2.2斋藤模型

该方法由日本学者斋藤迪孝提出，以土体的蠕变理论为基础。土体的蠕变分为三个阶段(图1)，第Ⅰ阶段是减速蠕变阶段(AB段)，第Ⅱ阶段是稳定蠕变阶段(BC段)，第Ⅲ阶段是加速蠕变阶段(CE)。

图1　土体蠕变模型

1965年，斋滕迪孝根据室内实验和仪器监测的结果，提出以第Ⅱ蠕变阶段和第Ⅲ蠕变阶段的应变速率为基本参数的预测预报经验公式，他认为在稳定蠕变阶段，各时刻的应变速率与该时刻距破坏时刻的时间的对数成反比，相应计算公式为:

1gtr=2.33-0.516×1gε±0.59

当坡体进入加速蠕变阶段，可根据位移-时间曲线作预报。取曲线上三个点t1、t2、t3使其t1-t2和t2-t3两段之间的位移量相等，发生破坏时相应的计算公式为：

tr-t1=

2.3灰色理論模型预测

灰色模型是根据德国数学及生物学家Verhulst用灰色系统理论建立的用于生物繁殖量的预测模型演变过来的滑坡时间预测预报模型。灰色理论的预测是趋势性预测，在实际使用中，为了保证预测的现实逼近性，通常需要用最新的实测数据进行建模。预测模型为：

tr=-1n()+t1

其中a，b为与滑坡位移原始监测数据有关的参数。

2.4非线性动力学模型预测

非线性动力学模型是按照非线性动力学的观点并运用耗散结构理论和协同学的宏观研究方法从时间序列数据中建立的边坡系统动力学模型。

2.5多参数预报法

该方法主要是选取多种参数，预报滑坡发生时间。美国学者B.Voight于1989年提出多参数预报经验公式：

tf-tx=(Ω-Ω)/A(α-1)

式中：Ω—任意参数，位移，剪应力，地面倾角等；Ω—初始值；Ω—预报值；α，A—经验常数。

2.6神经网络预报法

与神经网络用于空间预测预报一样，时间预报是用监测到的原始位移建立网络模型，属于一种非参数预报方法。该方法无须事先假设边坡的破坏模型，避免事先假设模型所带来的误差。

2.7黄金分割法

张倬元教授等于1988年提出。系统非线性非稳定变形阶段的历时是线性平稳变形阶段历时的0.618倍，具有相对不变性。根据前期线性平稳变形阶段的历时，求出将要经历的非线性变形阶段的历时，从而得出岩体失稳破坏的时间。

3.存在的问题及发展趋势展望

由以上所述可知，目前滑坡预测预报取得了巨大的成就。空间预测从传统的安全系数法到现在的模糊理论综合评判的方法，时间预报从宏观前兆判别预报到现在的人工智能的引入，而且在实际工程中都得到了很好的验证。但由于工程地质条件的复杂、自然条件的变化以及人类工程活动等因素的随机性和不可控制性，现阶段对滑坡作出准确可靠的预报还是十分困难的。从过去已经发生的滑坡地质灾害来看，当前绝大多数的滑坡都很难做到提前预报，究其原因，主要在于：一方面是滑坡成灾机理的影响因素复杂，不确定性因素较多，边坡破坏方式、变形过程和变形机制复杂多变，大增加了预报的难度；另一方面是人们对滑坡危害性的认识不足和受到资金的限制，现在只有极少数的重大滑坡实施了长期监测，而大多数的滑坡未采取任何的工程措施，以致很多滑坡都是在没有任何监控的条件下突然发生的；还有人认为滑坡空间预测较为容易，而时间预测较为困难，因而大力发展时间预测却忽略空间预测。这些均是我国目前滑坡治理中存在的问题。

综上所述，目前要达到用精确的数学模型来模拟边坡稳定性问题和用精确的预报模型来预测滑坡的时间和空间问题,还相当困难。预计滑坡预测预报的发展研究将集中于以下几方面：基于非线性动力学的滑坡滑动时间预测预报研究；智能学预测方法的发展；多参数综合预测预报研究；3S在滑坡预测预报中的应用；外界影响因素在滑坡演变过程中的作用和定量评价研究。

【参考文献】

［１］文宝萍.滑坡预侧预报研究现状与发展趋势[J].地学前缘,1996,3(1):86-91.

［２］刘汉东.边坡失稳定时预报理论与方法.郑州:黄河水利出版社，1996:1-4.

［３］张咸恭，王思敬，张卓元等.中国工程地质学.北京:科学出版社,2000:186-215.