大冶鐵礦滑坡預(yù)測(cè)模型研究

肖 云, 周春梅, 虞 玨， 李 沛

(1.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司大冶鐵礦， 湖北 黃石 435006)

0 引 言

近40年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者為滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)作出了大量的工作，提出了幾十種預(yù)測(cè)理論模型和方法.就各國(guó)研究現(xiàn)狀而言，中、日兩國(guó)滑坡災(zāi)害研究開(kāi)展較多，歐美相對(duì)較少.眾多學(xué)者中，基于監(jiān)測(cè)資料的趨勢(shì)定量預(yù)報(bào)的研究占多數(shù).值得注意的是，不同地質(zhì)情況的滑坡，應(yīng)該從不同的實(shí)際去考慮滑坡的預(yù)報(bào)問(wèn)題.

大冶鐵礦形成了國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)的裂隙巖質(zhì)高陡邊坡，1972年以來(lái)采場(chǎng)北坡內(nèi)發(fā)生了大小不等的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害達(dá)20多次.目前災(zāi)害仍然頻繁發(fā)生，直接威脅到正在坑底開(kāi)采的人員、設(shè)備的安全，因此對(duì)北幫滑坡運(yùn)動(dòng)特征及預(yù)測(cè)模型的研究刻不容緩.

1 滑坡概況

大冶鐵礦東采獅子山北幫滑坡為一巖質(zhì)滑坡，該滑坡發(fā)育于大冶鐵礦東露天采場(chǎng)北幫斜坡上，斜坡坡頂高程+276 m，坡底高程-168 m，坡面因人工采礦呈折線形，總體坡角50～52 °.滑坡位于尖F9斷層的上盤，于1996年發(fā)生滑動(dòng)，稱為A2滑坡.滑坡總體積86 000 m3，后緣高程+192 m，前緣剪出口高程-22 m ，主滑方向SE∠32 °，垂直高差達(dá)214 m[1].

2 滑坡運(yùn)動(dòng)特征

大冶鐵礦地測(cè)科自1990年5月～1996年6月對(duì)大冶鐵礦東露天采場(chǎng)北幫斜坡上尖F9滑坡及其西側(cè)邊坡巖體進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，每一高程一般都有3～5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)周期約為每月一次.

從滑坡體的后緣、中部、前緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)水平位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，滑坡中后部位移大，前緣位移小.從累計(jì)垂直位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，巖質(zhì)滑坡中后部垂直位移最大，同時(shí)距離F9斷層越近，位移越大[2].

滑坡位移-時(shí)間變形曲線顯示，變形發(fā)展上可分為三個(gè)階段(如圖1，以132-11點(diǎn)為例).勻速變形階段，也可稱為蠕滑階段，該經(jīng)歷階段一般為4～5年，曲線特征表現(xiàn)為下部比較平緩，曲線斜率較小，變形速度較小，一般小于1.0 mm/ d.滑坡位移按一定的速率均勻增加，曲線較圓滑近似直線，無(wú)明顯突變，邊坡一直處于緩慢變形破壞，沒(méi)有崩落發(fā)生.加速變形階段，到達(dá)一定變形破壞階段后，數(shù)值突然增大，位移曲線有明顯的拐點(diǎn)，位移增加，速率快，該階段一般為4～5個(gè)月，變形速度一般超過(guò)2.0 mm/d.滑坡可能發(fā)生，需要預(yù)警預(yù)報(bào).裂縫增多并逐漸貫通，并出現(xiàn)臺(tái)坎現(xiàn)象，滾石較為頻繁，局部可能滑脫.破壞失穩(wěn)階段，該階段一般經(jīng)歷一個(gè)月，位移曲線直線上升，曲線近似陡直，位移變形速度成倍增長(zhǎng)，一般達(dá)到10 mm/d，滑坡即將發(fā)生[3].

圖1 A2滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)132-11水平位移曲線

3 基于位移信息的灰色理論模型研究

3.1 優(yōu)化的GM(1，1)模型

灰色系統(tǒng)(Grey System)理論是鄧聚龍教授于1982年首先創(chuàng)立的一種新型理論，目前GM(1,1)模型是應(yīng)用最廣泛的灰色模型之一[3-7]。

GM(1,1)模型擬合曲線是指數(shù)曲線，在區(qū)間上指數(shù)曲線對(duì)應(yīng)的面積總小于梯形對(duì)應(yīng)的面積.傳統(tǒng)的GM(1,1)相當(dāng)于一個(gè)完整的指數(shù)曲線，當(dāng)序列數(shù)據(jù)越大時(shí)，模型的誤差越大(圖2a).圖2b可知，n個(gè)小區(qū)間的面積之和可以更加接近于原始數(shù)據(jù)序列曲線，以此作為優(yōu)化的GM(1,1)模型，既能適用于低增長(zhǎng)指數(shù)序列，又能適用于高增長(zhǎng)指數(shù)序列，提高模型的精度和適用性.

圖2 優(yōu)化示意圖(a優(yōu)化前;b優(yōu)化后)

選取滑坡體中部132-11測(cè)點(diǎn)的全程觀測(cè)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)單點(diǎn)的灰色GM(1，1)模型.除下雨天沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)定期每三個(gè)月大致相同時(shí)間觀測(cè)一次，假定每個(gè)月均為30天，因此該變形觀測(cè)資料可視為是等時(shí)間距的數(shù)據(jù)序列.

經(jīng)過(guò)二次修正后建立優(yōu)化GM(1，1)模型如下：

比較兩種不同模型的預(yù)測(cè)精度(見(jiàn)表1).表明未經(jīng)過(guò)優(yōu)化時(shí)，平均相對(duì)殘差為34.53%；經(jīng)過(guò)二次修正后，平均相對(duì)殘差為7.51%.經(jīng)過(guò)二次修正后優(yōu)化的GM(1，1)模型其預(yù)測(cè)精度大大提高，滿足P>0.95,C<0.35為一級(jí)精度(好)，并且預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)序列之間偏差較小.

表1 兩種不同模型的預(yù)測(cè)精度比較

3.2 優(yōu)化GM(1，1)模型的驗(yàn)證

圖3 132-11監(jiān)測(cè)點(diǎn)推導(dǎo)的預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)A2滑坡體上單點(diǎn)的GM(1，1)預(yù)測(cè)模型的研究可知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈較規(guī)則的指數(shù)增長(zhǎng)，優(yōu)化的GM(1，1)模型有著較好的適用性(平均相對(duì)誤差7.51%)；滿足預(yù)測(cè)精度為一級(jí)精度要求.

4 結(jié) 語(yǔ)

a. 通過(guò)對(duì)高陡邊坡滑坡勘察、位移監(jiān)測(cè)資料的多方面的綜合分析，推導(dǎo)出的基于位移信息的優(yōu)化GM(1,1)模型具有比傳統(tǒng)GM(1,1)模型更高的預(yù)測(cè)精度，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)曲線拐點(diǎn)及變形階段、趨勢(shì)均高度吻合.因此優(yōu)化的GM(1,1)模型可以用于中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型，并且其模擬精度高，預(yù)測(cè)值可信度大，對(duì)臨滑滑坡也有一定的預(yù)警意義.

b. 在滑坡變形的不同階段，位移—時(shí)間曲線形態(tài)不同，呈現(xiàn)出典型的三階段特征，處于臨滑階段的位移-時(shí)間曲線呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì).依據(jù)提出的預(yù)測(cè)模型，在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，可根據(jù)曲線發(fā)展的拐點(diǎn)及趨勢(shì)變化，判斷位移發(fā)生變化的加速階段，按變化趨勢(shì)在曲線上找出滑坡失穩(wěn)時(shí)刻，進(jìn)行預(yù)報(bào).

參考文獻(xiàn)：

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