一種滑坡預(yù)測的定量研究方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種滑坡預(yù)測的定量研宄方法，其屬于基礎(chǔ)科學(xué)理論與應(yīng)用基礎(chǔ)、自 然災(zāi)害預(yù)測與防治研宄領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 滑坡是一種嚴(yán)重危及人類生命財產(chǎn)安全的重大自然災(zāi)害之一。長期以來，世界各 國每年用于滑坡預(yù)測研宄的經(jīng)費(fèi)開支都很大，但是，由于傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論和傳統(tǒng)應(yīng)用基礎(chǔ)理 論一直沒有給出一個用于指導(dǎo)滑坡預(yù)測的統(tǒng)一理論，使得人們在滑坡預(yù)測實踐中不得不進(jìn) 行新的探索，所以，目前，在滑坡預(yù)測研宄中出現(xiàn)了各種各樣探索性的研宄方法。然而，從這 些方法的研宄結(jié)果來看，迄今為止，還沒有十分令人滿意的實際效果，還尚沒有產(chǎn)生可以用 于規(guī)范滑坡預(yù)測工作的系統(tǒng)理論體系。
[0003] 目前，人們用于滑坡預(yù)測的理論與方法主要基于傳統(tǒng)力學(xué)和傳統(tǒng)應(yīng)用力學(xué)方法。 而傳統(tǒng)力學(xué)和傳統(tǒng)應(yīng)用力學(xué)方法忽略了一個最基本的自然規(guī)律問題：控制滑坡的作用、坡 體物質(zhì)性質(zhì)及其變化與滑坡現(xiàn)象之間到底存在怎樣的關(guān)系規(guī)律？由于人們不是在搞清楚 滑坡災(zāi)害與其控制因素之間確切的定量關(guān)系規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行滑坡預(yù)測的，所以，人們始終 難以根據(jù)滑坡與其控制因素之間的自然關(guān)系規(guī)律來確定滑坡預(yù)測的基本理論與方法。因 此，長期以來，在全世界范圍內(nèi)，盡管耗費(fèi)了很大的人力、物力和財力，但在滑坡預(yù)測研宄方 面一直沒有獲得令人滿意的成果。
[0004] 傳統(tǒng)滑坡預(yù)測理論與實施方法的缺陷來源于傳統(tǒng)力學(xué)與傳統(tǒng)應(yīng)用力學(xué)中長期存 在的缺陷。這種缺陷的核心內(nèi)容就是對控制滑坡的作用、滑坡物質(zhì)自身性質(zhì)、運(yùn)行環(huán)境的性 質(zhì)與滑坡現(xiàn)象本身的本質(zhì)和相互關(guān)系規(guī)律認(rèn)識不清，沒有可以用于滑坡預(yù)測的正確的理論 公式和原理，以至于找不到計算、預(yù)測滑坡現(xiàn)象發(fā)生與否的正確方法。
[0005] 1982年以來，筆者一直從事作用學(xué)和地球動力學(xué)研宄，創(chuàng)立了作用學(xué)基本理論體 系。在作用學(xué)中有一個重要的理論叫作用對立統(tǒng)一定量理論，該理論給出了可以用于災(zāi)害 預(yù)測的方程與方法體系，在其指導(dǎo)下可以推導(dǎo)出用于指導(dǎo)預(yù)測包括滑坡預(yù)測的應(yīng)用理論體 系。
[0006] 作用對立統(tǒng)一定量理論：虛作用量加實作用量等于作用量；虛作用量等于虛度乘 作用量；實作用量等于實度乘作用量；虛度加實度等于1.虛度和實度是受作用物體的性質(zhì) 參數(shù)，同時也是反映受作用物體所處環(huán)境特性的參數(shù)。虛度和實度都不是固定不變的常數(shù)， 而是隨著受作用時間的變化而變化、隨著受作用條件的變化而變化的自然參數(shù)。但是，這種 變化是有規(guī)律的，虛度的變化率與實度的變化率之和總是等于〇.這些規(guī)律被合稱為作用 對立統(tǒng)一定量理論。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0008] 式中，A叫作用量，A = Ft，F(xiàn)叫作用力，t叫作用時間；AF叫虛作用量，AF= FFt，F(xiàn)F 叫虛作用力；AT叫實作用量，AT=FTt，F(xiàn)T叫實作用力；E叫虛度；T叫實度；T。和T t分別叫做 初始實度和終止實度；匕和Et分別叫做初始虛度和終止虛度；a和0分別叫做實度變化 率和虛度變化率。
[0009] 本發(fā)明認(rèn)為，控制滑坡現(xiàn)象發(fā)生的主要因素有兩個：作用和邊坡物質(zhì)的虛度（或 實度）性質(zhì)。其中，控制滑坡現(xiàn)象發(fā)生的作用因素主要包括重力、大氣降水、地表水、氣溫變 化產(chǎn)生的脹縮作用、大地震動或波動產(chǎn)生的作用。這些作用合成了一個控制滑坡運(yùn)動現(xiàn)象 發(fā)生的驅(qū)動作用（主動作用），是規(guī)定滑坡現(xiàn)象是否發(fā)生？何時發(fā)生？在何地發(fā)生的最主 要的決定因素。邊坡物質(zhì)的性質(zhì)是控制滑坡現(xiàn)象發(fā)生的制約因素，是決定滑坡現(xiàn)象是否發(fā) 生的制約條件，例如，是否有滑動余地？往哪個方向滑？滑動面在哪里？等等，這些問題的 答案都包含在邊坡物質(zhì)的虛度和實度參數(shù)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明針對目前滑坡預(yù)測理論與方法存在對控制滑坡的作用、滑坡物質(zhì)自身和環(huán) 境的性質(zhì)之和與滑坡現(xiàn)象之間的本質(zhì)和它們之間的相互關(guān)系規(guī)律認(rèn)識不清、沒有可以用于 滑坡預(yù)測的正確理論公式和原理的不足，將筆者創(chuàng)立的作用對立統(tǒng)一定量理論與方法引入 滑坡預(yù)測科學(xué)，建立了一種滑坡預(yù)測的定量研宄方法。
[0011] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
[0012] 一種滑坡預(yù)測的定量研宄方法，包括如下步驟：
[0013] (1)確立用于滑坡預(yù)測的新原理與新公式：控制滑坡現(xiàn)象發(fā)生的決定因素有兩 個，即驅(qū)動作用和滑坡地層的性質(zhì)；其中，驅(qū)動作用為主動作用，如重力作用、大氣降水產(chǎn)生 的作用、地表水活動產(chǎn)生的作用、地震傳遞而來的作用之和，滑坡地層的性質(zhì)為易滑程度的 虛度和穩(wěn)定程度、抗滑程度的實度；滑坡位移與控制滑坡的驅(qū)動作用力成正比，與滑坡物質(zhì) 的虛度成正比，與時間成正比，與滑坡質(zhì)量成反比；即，控制滑坡的作用量A和初始虛度（易 滑程度初始值）匕和虛度變化率（易滑程度變化率）0與滑坡位移距離x之間的關(guān)系式為
[0015] 式中，x表示滑坡體位移量，m表示滑坡體質(zhì)量，t表示滑坡運(yùn)動時間，Et表示終止 虛度（易滑程度終止值）；根據(jù)這個原理與公式，通過實際觀測來獲得控制滑坡的作用力F、 作用量^ 、各地段的滑坡距離Xi、滑坡物質(zhì)質(zhì)量叫、滑坡時間&，進(jìn)而通過計算得到 一系列滑坡運(yùn)動虛度值￡1及其變化率ei，最然后就可以計算滑坡現(xiàn)象發(fā)生的危險時刻，最 終進(jìn)行滑坡預(yù)測和預(yù)報；
[0016] (2)觀測滑坡面，確定滑坡質(zhì)量：滑面觀測、確定滑坡質(zhì)量，可以為確定控制滑坡 的作用量奠定基礎(chǔ)；
[0017] (3)觀測確定控制滑坡運(yùn)動的作用力和作用量：通常，控制滑坡的作用主要是連 續(xù)的重力作用和季節(jié)性的大氣降水作用，兩個作用量的計算公式分別為
[0018] 重力產(chǎn)生的作用量Ai=Fit=mgt
[0019] 大氣降水產(chǎn)生的作用量
[0020] 式中，匕表示重力，g表示重力加速度，m表示滑坡質(zhì)量，t表示滑坡持續(xù)時間，Q表 示單位受作用水平面的降水量，S表示降水對滑坡體作用的水平面面積；
[0021] 控制滑坡的作用量通常也就等于這兩個作用量之和，即
[0023] 如果滑坡體有運(yùn)動初速度Vd，那么，
[0025] (4)觀測計算虛作用量：虛作用量等于滑坡質(zhì)量與滑坡運(yùn)動速度vt之積，即
[0026] Af=EA=mvt=mat；
[0027] 式中，E表示虛度（易滑程度），A表示作用量，m表示滑坡質(zhì)量，vt表示即時滑坡 速度，a表示滑坡運(yùn)動加速度，t表示滑坡時間，通過滑坡監(jiān)測可以得到滑坡運(yùn)動現(xiàn)象的即 時速度和加速度；
[0028] (5)求滑坡體運(yùn)動環(huán)境的性質(zhì)參數(shù)（虛度和實度）：虛度（易滑程度）等于虛作用 量與作用量之比，即
[0030] 實度（穩(wěn)定程度、不滑程度、抗滑程度）等于1減虛度，BP
[0032] 在滑坡觀測研宄中，可以獲得一系列滑坡運(yùn)動觀測數(shù)據(jù)和分析計算結(jié)果數(shù)據(jù)，如 各個觀測點(diǎn)處的滑坡速度、加速度、作用量、虛作用量、虛度和實度，可以按照時間、地點(diǎn)列 成表格，以備深入研宄提供依據(jù)；
[0033] (6)計算虛度變化率或?qū)嵍茸兓剩禾摱茸兓实扔诮K止虛度Et減初始虛度E。之 差與變化時間t之比，即
[0035] 實度變化率等于虛度變化率的負(fù)值，即，a =-0 ;
[0036] (7)進(jìn)行滑坡預(yù)測計算分析：滑坡運(yùn)動與其控制因素之間的一般關(guān)系式是
，滑坡運(yùn)動速度與其控制因素之間的一般關(guān)系式是
，滑坡現(xiàn)象將要發(fā)生時間與其控制因素之間關(guān)系的一般式為
[0038] -般來說，初期，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)下虛度等于零，即初始虛度等于 零，即E(i= 〇 ;因此，滑坡時間與其控制因素之間的關(guān)系式可以表達(dá)為
[0040] 可見，在滑坡預(yù)測研宄中，只要能夠測到作用量A、滑坡速度vt、滑坡質(zhì)量m、虛度變 化率0四個量，就可以預(yù)測滑坡現(xiàn)象發(fā)生的時間；
[0041] 如果控制滑坡質(zhì)量m運(yùn)動的的作用力為Ft=FQ+St，即控制滑坡的作用力是變力， 控制滑坡的作用量是
，控制滑坡的虛度值為匕=￡(|+01并且 考慮滑坡角0和初始滑坡運(yùn)動速度％，那么，滑坡運(yùn)動方程可以表述為
[0043] 該式可以表述為另一種形式：
[0045] 對此式進(jìn)行一次微分，得滑坡運(yùn)動速度，即
[0047] 通過二次微分，得滑坡運(yùn)動加速度，即
[0049] 通過三次微分，得滑坡運(yùn)動加速度的變化率，即
[0051] 通過整理，可以得到滑坡時間與各種控制因素之間的關(guān)系式，即
[0053] 此式就是滑坡時間預(yù)測公式。若Ef 0,那么，
，可 見，滑坡現(xiàn)象發(fā)生受驅(qū)動力的增加率S、邊坡物質(zhì)的虛度變化率0、初始控制力F。、初始虛 度^、滑坡加速度的變化率e、滑坡角0幾個量的直接控制；若給出虛度變化率和加速度 變化率（滑坡體失穩(wěn)條件）極限值，根據(jù)滑坡預(yù)測時間計算公式計算得到的時間，就是滑坡 災(zāi)害發(fā)生的時間，也就是我們要得到的滑坡預(yù)測時間；滑坡現(xiàn)象孕育、發(fā)展與發(fā)生過程可