滑坡灾害预报的非线性动力学方法

基于现代反演理论,建立了滑坡灾害预测的非线性动力学模型,给出了可预报时间尺度的确定方法及稳定性判断准则。通过实例分析表明,非线性动力学分析方法是行之有效的。     

新书报导

《非线性工程地质学导引》:秦四清、张悼元、王士天、黄润秋著。西南交通大学出版社1993年12月出版。该书系统研究了节理岩体的非确定性结构与强度特征(包括节理岩体的分维特征与工程地质意义、非确定性岩石力学参数取值及岩体质量分级原理)、室内地应力测试新方法、岩体突变失稳理论(包括顺层斜坡弯曲失稳、层状岩体失稳、斜坡滑动失稳、水库地震、冲击地压)、滑坡灾害非线性动力学预报理论(包括滑坡混沌识别、分叉、灰色—模糊尖点突变模型、非线性动力学模型)。全书共四章,约26万字,书未附有“滑坡灾害预报系统LTFS源程序”。该书系第一作者博士后的研究成果,经专家评审,认为是国内第一部具开拓性、创造性的高水平专著。可供从事分形、混沌、突变等非线性科学研究和从事工程地质和岩体力学等专业的科技人员,以及有关专业的研究生参考之用。每册定价10元。《岩石声发射技术概论》:秦四清、李造鼎、张倬元、邓荣贵著。西南交通大学出版社1993年12月出版。该书系统研究了岩石声发射的微观机理,岩石断裂特性的声发射特征、凯塞效应机理、应用凯塞效     

斜坡平面滑动失稳新理论的探索─—刚度效应失稳理论

针对斜坡平面滑动失稳问题，建立了尖点突变模型．给出了发生快速滑坡和慢速滑坡的判别式，提出了刚度效应失稳理论。     

斜坡平面滑动失稳新理论的探索：刚度效应失稳理论

针对斜坡平面滑动失稳问题，建立了尖点突变模型，给出了发生快速滑坡和慢速滑坡的判别式，提出了刚度效应失稳理论。     

用加卸载响应比理论探讨斜坡失稳前兆

加卸载响应比理论是由我们学者首次提出的一种用于研究非线性系统失稳前兆和失稳预报的新理论。本文将该理论引入滑坡前兆探索和滑坡中期预防中。研究结果表明，加卸载响应比理论可作为滑坡前兆探索和滑坡预报的手段，并且在某些方面它比常规预报方法更具优越之处。     

滑坡灾害系统非线性研究进展

结合滑坡灾害系统自组织特征分析,全面地介绍了分形理论、协同学理论、混沌动力学、突变理论和人工神经网络在滑坡地质灾害科学研究中的应用现状,评述了各种理论方法研究中存在的主要问题,指出了滑坡灾害系统非线性研究发展方向和今后着重要深入探讨的领域。     

岩体演化的非线性动力学模型与稳定性分析

以时间序列为基础,应用支持向量机建立岩体演化的非线性动力学模型,依据Lyapunov指数给出最长可预报时间,并通过函数拟合、变量代换将其化为标准的尖点突变模型,利用突变理论对其进行稳定性分析。结果表明,该模型预测效果理想,并具有良好的推广能力。     

陕西山阳特大型滑坡视向滑移-溃屈破坏力学分析

陕西山阳滑坡为典型的陡倾层状斜向岩质斜坡,其破坏模式不同于常见的顺倾层状岩质斜坡溃屈破坏模式,也不同于斜倾层状山体的视向滑移-剪切破坏模式,更不同于陡倾顺层岩质斜坡的倾倒、倾倒-滑移破坏模式,属于视向滑移-溃屈破坏模式。在实地调查的基础上,从斜坡结构特征、结构面组合特征以及剪出口特征分析了滑坡的破坏模式,进而分析了山阳滑坡的视向滑移-溃屈破坏机制;以梁板理论、层状板裂结构岩体弯曲-溃屈破坏的力学模型为基础,结合斜倾层状岩质滑坡的视向滑动机制研究,建立了基于斜坡自重、地下水静水压力、侧向摩阻力以及斜坡岩体厚度变化作用下的陡倾层状斜向岩质斜坡视向滑移-溃屈破坏力学模型,进行力学分析,推导了溃屈段长度条件方程,并以山阳滑坡为例验证了长度条件方程的正确性。     

四川茂县新磨村滑坡启动机制物理模拟试验研究

2017年四川省茂县新磨村滑坡的启动具有明显的“锁固段”效应。在现场调查基础上,采用高强度脆性材料制作斜坡模型,开展物理模拟试验,重现滑坡变形破坏过程,分析新磨村后山高位顺层滑坡在反倾节理和潜在滑移破裂面控制下的启动机制,结合“锁固段”岩体变形破坏特征、变形监测数据和声发射信号,研究滑坡临滑前兆。试验发现：受上部滑体推挤,滑源区前部“锁固段”岩体沿反倾节理鼓胀剪出,在坡表形成鼓胀裂缝,在斜坡内部形成顺坡向拉裂面,两组破裂面组合形成阶梯状破坏面,构成“锁固段”岩体破坏边界条件。斜坡在上部滑移块体推挤下,中部形成向临空面高速启动的弹射块体,并带动下部倾倒块体向坡外运动,滑坡启动。故对于此类滑坡,可将沿反倾节理剪出形成的鼓胀裂缝视为宏观临滑前兆;同时在“锁固段”屈服阶段,坡表与坡顶的位移比值随时间先快速增长、后平缓,表征滑面逐渐贯通,滑坡各部位变形逐渐趋于协同,滑坡即将失稳。该比值时序曲线的斜率趋近于零可视为此类滑坡的临滑前兆。研究结论对发育反倾节理的顺层边坡失稳预警有理论和实践意义。     

滑坡灾害系统非线性动力学研究

从非线性动力学的观点出发、以滑坡的时间序列数据为基础，研究了滑坡灾害系统的动力学特征：相空间特征及其吸引子。建立了滑坡灾害系统的非线性动力学模型。通过对这一典型滑坡事例－新滩滑坡的预测表明：在一定时间尺度内，其趋势预监测情况吻合良好。最后的Ａ．Ｎ．Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ熵分析给出了新滩滑坡确定性预测的时间尺度为１．８年。     

地震作用下岩羊村滑坡稳定性与失稳机制研究

以云南香丽高速公路沿线的岩羊村滑坡为研究对象,开展了滑坡动力稳定性评价及失稳机制研究：进行了不同烈度地震下的滑坡稳定性分析,采用滑带弹性区体积占比的变化反映其失稳过程,结合滑坡变形破坏模式,对滑坡整体稳定性进行评价;针对极限地震工况,分别从时间和空间角度描述滑坡失稳过程;建立了同时考虑滑带弱化和硬化的滑坡尖点突变模型,揭示了滑坡失稳的触发机制。研究表明：滑坡在区域Ⅷ度地震烈度条件下基本保持稳定,在锁固段的“锁固作用”下滑坡仅发生局部破坏;滑坡发生整体失稳的临界峰值加速度为2.29 m/s2,其失稳机制为在前缘牵引、后缘拉裂作用下,滑带塑性区贯通导致的整体失稳;地震作用下滑带前缘、中部、后缘并非同步破坏,表现为累积?触发效应;利用改进尖点突变模型推导了刚度效应失稳判据,揭示了滑坡整体稳定性与滑带介质的刚度及尺寸特性密切相关。研究结果为岩羊村滑坡的防治与抗震设计提供了指导,并可为同类工程的动力稳定性评价与失稳机制分析所借鉴。     

Nonlinear Evolutionary Mechanisms of Instability of Plane-Shear Slope: Catastrophe, Bifurcation, Chaos and Physical Prediction

Summary. A cusp catastrophe model is presented and the necessary and sufficient conditions leading to landslides are discussed. The sliding surface is assumed to be planar and is a combination of two media: medium 1 is elastic-brittle or strain-hardening and medium 2 is strain-softening. The shear stress-strain constitutive model for the strain-softening medium is described by the Weibull’s distribution law. This paper is a generalization and extension of the paper by Qin et al. (2001b), in which the shear stress-strain constitutive model for medium 2 was described by a negative exponent distribution; a special case of the Weibull’s distribution law. It is found that the instability of the slope relies mainly on both the stiffness ratio of the media and the homogeneity index and that a new role of water is to enlarge the material homogeneity or brittleness and hence to reduce the stiffness ratio. A nonlinear dynamic model (also called a physical forecasting model), which is derived by considering the time-dependent behavior of the strain-softening medium, is used to study the time prediction of landslides. An algorithm of inversion on the nonlinear dynamic model is suggested for seeking the precursory abnormality and abstracting mechanical parameters from the observed series of a landslide. A case study of the Jimingsi landslide is analysed and its nonlinear dynamic model is established from the observation series of this landslide using the suggested model and the algorithm of inversion. It is found that the catastrophic characteristic index |D| shows a quick rise till reaching an extremely high peak value after the slope evolves into the tertiary creep, and subsequently approaches a zero value prior to instability, which can be regarded as an important precursory abnormality index. By taking into account the evolutionary characteristic of the slope being in the secondary creep, a simplified nonlinear dynamic model is proposed for studying the properties of bifurcation and chaos. It is shown that the emergence of chaos depends on the mechanical parameters of the sliding-surface media.     

滑坡位移多重分形特征与滑坡演化预测

在系统分析滑坡位移监测资料和位移演化特征的基础上,根据多重分形理论基本原理,对滑坡位移演化所具有的复杂性、突变性和非线性特征进行了分析和研究。单一分形维数对滑坡位移的演化趋势预测存在不足,文中分别以新滩滑坡、丹巴滑坡和黄蜡石滑坡为例,计算了滑坡位移时序演化的多重分维数演化特征。分析和评价位移演化规律与多重分维数演化特征的关系发现,多重分维数D1 > D2 > … > D∞时,滑坡趋于稳定;D1 < D2 < … < D∞时,滑坡向失稳破坏演化。当滑坡位移时序多重分维数演化特征出现拐点时,即分维数由D1 > D2 > … > D∞,经D1 > … > Dn < Dn+1 < … < D∞到 D1 < D2 < … < D∞的演化过程时,滑坡向不稳定的状态演化;当分维数由D1 < D2 < … < D∞,经D1 > … > Dn D2 > … > D∞的演化过程时,滑坡向趋于稳定的状态演化。研究表明,可以运用多重分维数演化特征对滑坡位移演化趋势与规律进行评价与预测。     

基于突变理论的滑坡危险性评价

滑坡危险性评价与预测是滑坡灾害防治中的首要任务,科学合理地评价滑坡危险性十分重要。以岩桑树水电站库区发育的潜在滑坡为例,据其特有的地质环境条件,选取坡体风化程度、斜坡坡度等9个影响因素作为滑坡危险性评价的指标,并建立分级标准将滑坡危险性分为轻度危险、中度危险、重度危险和极度危险4个等级。将突变理论运用到滑坡危险性评价中,从而建立了新的稳定性评判模型。基于突变级数法的滑坡危险性评价方法,综合考虑了各评价指标间的相关性,真实地描绘了滑坡系统的内在机制。实例分析结果表明,该方法评判结果准确率高,可为滑坡的防治提供依据。     

突变理论在边坡工程应用的研究进展

突变理论是非线性科学领域中的一个重要分支,作为一种数学工具已经在众多领域得到广泛应用,在边坡工程中的应用尤为活跃。首先简述了突变理论的发展概况和基本原理,然后分别从3个方面详细论述了突变理论在边坡工程应用中的研究进展,即基于尖点突变法的边(斜)坡稳定性分析、基于突变级数法的边(斜)坡稳定性评价和基于灰色理论、模糊数学的尖点突变预测模型对滑坡时间预报,重点讨论了相应的理论模型、应用方法和实际效果,最后结合目前存在的问题探讨突变理论在边坡工程的发展趋势。     

A Cusp Catastrophe Model of Instability of Slip-buckling Slope

Summary A cusp catastrophe model is developed for slip-buckling slope by catastrophe theory, and the formulations of the necessary and sufficient conditions for instability of the slope are presented. It is found that different regions (II, III and IV in Fig. 4) in the control space divided by the bifurcation set correspond well to the primary, secondary and tertiary creep phases. The corresponding discriminate expressions for the slope in each of these three creep phases are given. The applicability of the cusp catastrophe model is tested by applying the equations to the Bawang Mountain landslide, located 5 kilometers above the Ertan hydroelectric power station along Yalong River in China. The method gives reasonable results.     

基于组合赋权-未确知测度理论的滑坡危险性评价

危险性评价与预测是滑坡灾害预防与减灾工作首要解决的重要内容。以西藏隆子县研究区内发育的滑坡为例,据其特有的地质环境条件,选取滑坡发育高程、坡度等13项影响因素作为滑坡危险性评价的指标,并建立分级标准将滑坡危险性划分为高度、中度和低度三级。采用组合赋权-未确知测度理论耦合评价模型,构建了评价指标未确知测度函数、评价指标组合赋权值、置信度判别准则,对研究区内20个滑坡进行了危险性评价,获得了每个滑坡危险性等级,并与模糊物元和突变理论评价结果及实测结果对比,评价结果基本符合实际情况,证明该方法科学合理,可为滑坡危险性预测提供新思路。     

基于集对分析的滑坡变形动态建模研究

滑坡是一个确定-不确定的动态系统,其变形表现出复杂的非线性演化特征。为了克服传统分析方法在处理系统不确定性方面的不足,将集对分析法（SPA）引入岩土变形监测分析领域,并结合层次分析法（AHP）提出了滑坡变形动态预测模型,给出了基于概率论的最优预测算法,提出并证明了集对论中最大同一度在等势条件下存在极限解,据此提出位移势的概念。在位移势的基础上,进行SPA二次建模,提出了基于SPA的滑坡变形与水库蓄水过程相关性动态分析模型。运用上述预测模型对新近发生的刘家沱滑坡进行变形监测定量分析,实践证明：最优预测值具有良好的短期预报精度;位移势能够表征系统当前状态下位移所能达到的最大潜力,可作为短期预测的上限值,其变化能够反映系统宏观层面上的演化特征,对滑坡演变加速预警具有指导意义;运用集对分析方法进行滑坡变形响应滞后效应的定量研究是一条可行的新思路,反演结果与实际情况吻合;该方法在岩土监测分析领域有良好的应用前景。     

基于尖点突变模型饱水边坡稳定性分析

为分析不同饱水条件下露天矿坑边坡稳定性,基于尖点突变理论,考虑矿坑水位变化对滑坡面岩体的劣化作用,构建饱水条件下边坡稳定性分析尖点突变模型。结果表明:不同饱水条件下对边坡岩石力学性质产生损伤,损伤演化方程符合负指数变化规律,并根据弱化规律建立非线性饱水弱化函数;对饱水滑面介质建立本构方程,引入饱水弱化函数,构建不同饱水条件下边坡稳定性分析尖点突变模型;根据尖点突变模型判别式得到,饱水作用对岩石损伤越大,判别值逐渐趋于0,边坡状态由稳定向失稳方向转变。研究成果可为边坡体内部含有的地质构造,如软弱结构等,以及受水位影响的库岸边坡稳定性分析提供有益思路。     

A seismic landslide hazard analysis with topographic effect,a case study in the 99 Peaks region,Central Taiwan

It has been known that ground motion amplitude will be amplified at mountaintops; however, such topographic effects are not included in conventional landslide hazard models. In this study, a modified procedure that considers the topographic effects is proposed to analyze the seismic landslide hazard. The topographic effect is estimated by back analysis. First, a 3D dynamic numerical model with irregular topography is constructed. The theoretical topographic amplification factors are derived from the dynamic numerical model. The ground motion record is regarded as the reference motion in the plane area. By combining the topographic amplification factors with the reference motions, the amplified acceleration time history and amplified seismic intensity parameters are obtained. Newmark’s displacement model is chosen to perform the seismic landslide hazard analysis. By combining the regression equation and the seismic parameter of peak ground acceleration and Arias intensity, the Newmark’s displacement distribution is generated. Subsequently, the calculated Newmark’s displacement maps are transformed to the hazard maps. The landslide hazard maps of the 99 Peaks region, Central Taiwan are evaluated. The actual landslide inventory maps triggered by the 21 September 1999, Chi-Chi earthquake are compared with the calculated hazard maps. Relative to the conventional procedure, the results show that the proposed procedures, which include the topographic effect can obtain a better result for seismic landslide hazard analysis. Electronic supplementary material  The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.