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近年来,随着我国科学技术水平的不断提高和国家经济建设的快速发展,工程建设项目与日俱增,由此导致的地质灾害呈现出逐年递增的趋势。滑坡作为其中一种最常见的地质灾害对我国人民的生命和财产安全构成了严重的威胁。因此,如果能够对滑坡体的变形加以监控,并由此及时作出滑坡灾害的预测预报,就可以尽早采取相应的防治措施,从而将滑坡灾害造成的损失降至最低。
由于滑坡地质过程、形成条件、诱发因素的复杂性、多样性及其变化的随机性、非稳定性,导致滑坡动态信息极难捕捉,加之滑坡动态监测技术的不成熟和滑坡研究理论的不完善,因此滑坡预测预报一直被认为是一项十分困难的前沿课题。此外,滑坡监测费用高、周期长,也是制约滑坡预测预报研究的因素之一。经过多年的发展,非线性动力学应运而生,学者们逐渐认识到滑坡是一个极其复杂的地质系统,在其演化过程中,不断与周围的环境进行着能量、物质的交换,因此滑坡系统往往表现出明显的非线性特征。对于带有这种特性的滑坡系统,传统的线性方法已不能满足解决非线性问题的需求。在本文中,笔者选择非线性理论中的混沌理论对滑坡系统进行研究。
混沌理论被誉为继量子力学、相对论创立后,20世纪物理学的第三次革命。相对于以往大多数都是确定论和概率论的研究方法,混沌理论研究的是非线性系统内随机性所具有的特殊规律性。由于滑坡系统既受内部非线性因素的作用又受外部随机因素的影响,导致滑坡演化行为具有既有确定性又有确定性随机的特点,因此运用混沌理论来解决滑坡问题在理论上是可行的。
本文以三峡库区八字门滑坡为研究对象,运用混沌理论对该滑坡系统进行了混沌分析与滑坡变形趋势预测。笔者首先对滑坡预测预报模型进行了总结和分类,分析研究了国内外的滑坡预测模型各自的特点及其不足。进而介绍了混沌理论的基本理论和方法,对滑坡演化进入混沌状态的路径为倍周期的特点进行了分析和论述。对八字门滑坡的位移时间序列进行了相空间重构,采用奇异值分解法和自相关函数法确定了该滑坡的嵌入维数和延迟时间,而后介绍了基于相空间重构理论的滑坡位移时间序列降噪方法,应用局部平均降噪法对八字门滑坡三个监测点的位移时间序列进行了降噪处理,并计算了降噪后的滑坡的嵌入维数和延迟时间。在确定了相空间重构的参数后,笔者根据混沌动力学理论,运用G-P演算法和小数据量法计算了该滑坡系统的关联维和Lyapunov指数,并运用这两个变量对该滑坡系统的混沌特性进行了研究。最后根据八字门滑坡的监测资料,选用混沌预测方法中的加权零阶局域一步预测法对八字门滑坡的变形发展趋势进行了预测。综合论文的研究内容,得出了如下结论:
(1)通过对滑坡预测预报模型的总结和分类,分析研究了国内外的滑坡预测预报模型各自的特点及其不足,针对滑坡系统内随机性所具有的特殊规律性,笔者认为运用混沌理论进行滑坡预测预报在物理基础上较传统方法更科学。
(2)分析了对于位移曲线为蠕变曲线的滑坡,其孕育的过程是通过倍周期进入混沌状态的。从物理机制上分析得出,对于受到多个系统耦合的滑坡系统而言,当系统中占主导地位的影响因素被其他一些次要因素共同牵制时,或者各个影响因素势均力敌时,滑坡系统的演化就可能产生混沌现象。
(3)将重构后的滑坡位移时间序列采用局部平均降噪方法进行降噪,利用降噪后的数据计算了该滑坡的关联维数与最大李亚普诺夫指数,结果显示,三个监测点资料的相空间吸引子的维数均为分数,最大李氏指数也均大于0,不过数值相当小,甚至接近于0,表明该滑坡的三个位移时间序列均存在混沌特征,只是混沌性强弱有别,总的来说,该滑坡系统存在混沌特性,属于-弱混沌状态。
(4)在确定八字门滑坡系统具有混沌特性的基础上,分析研究了适合于滑坡时间序列预测的局域预测法,并利用加权零阶局域一步预测法对降噪后的八字门滑坡的变形发展趋势进行了预测。与实测数据对比后发现,该方法的预测结果精度较高。
总的来说,基于混沌理论的滑坡位移预测模型能较好的反应滑坡演变的特性,并能充分利用现有的监测数据进行位移预测研究,是一种具有研究价值的新方法。