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三峡库区是地质灾害的重灾区和多发区。2006年,国务院实施了三峡库区高切坡监测预警工程建设,这是三峡库区三期地质灾害防治的重要组成部分。建立三峡库区高切坡监测预警信息系统,是高切坡防治的一项重要非工程措施。系统的建立将为高切坡监测信息的综合汇总、系统管理、检索查询、风险决策、应急反应提供重要的技术支撑,从而有效地减少或避免灾害导致的人员伤亡和财产损失。大量原始观测资料分析及预测模型的建立是高切坡监测工作的核心内容之一,是高切坡变形失稳预警、判断灾害发生规模、人员财产受损程度状况和制订应急方案的基础。
论文依托于“三峡库区巴东县高切坡专业监测工程”项目,根据三峡库区高切坡的地质环境特征和监测工作的特点,在对高切坡危险性进行空间预测评价的前提下,先利用小波分析对监测数据去噪,再采用改进的变维分形预测模型对高切坡的位移进行预测,从而对高切坡的变形进行预警。在以上理论研究的基础上,在.NET平台下设计和开发了适合于三峡库区的高切坡监测预警系统,并对系统进行了工程实例应用。论文的主要研究内容有两个部分:高切坡监测预警理论的研究和基于.NET平台的高切坡监测预警系统的设计及开发,详细内容如下:
1.高切坡监测预警理论的研究:
(1)总结了高切坡专业监测的特点。论文首先分析了三峡库区巴东县高切坡的现状、分布特点、监测内容和方法、监测数据采集及数据处理过程,总结了高切坡专业监测的特点,为系统的需求分析打下了基础。
(2)高切坡空间危险性预测评价的研究。分析了三峡库区高切坡的地质环境特征及稳定性影响因素,选取地形、岩性等静态因素和降雨、人工活动等动态因素作为评价指标,建立了适合三峡库区高切坡危险性评价的指标体系,然后对各指标进行量化和分级,最后利用模糊综合评判模型对高切坡危险性进行评价。
(3)小波去噪技术和分形理论预测方法的结合应用于高切坡变形预测的研究。小波分析在监测数据去噪方面的具有其独特性,而分形理论模型具有自相似性、非线性以及小数据量预测的特征,很适合于高切坡变形预测。先利用前者对监测数据进行去噪,剔除粗差,再利用后者对去噪后的监测数据进行预测,这样两者的结合可以提高预测的精度。文中采用的预测模型是改进的变维分形预测模型,该模型计算量小,算法简单,便于程序实现。
(4)高切坡变形的预警值确定及预警等级划分。将高切坡的累计位移量作为预警的判据,借鉴前人的研究成果,对高切坡的位移进行了等级划分,并给出了各预警等级下的预警值。
2.基于.NET平台的高切坡监测预警系统的设计及开发:
(1)系统的需求分析及总体设计。根据三峡库区巴东县高切坡监测预警项目的实施方案,以及三峡库区高切坡专业监测的特点,对系统的功能需求进行了分析。在此基础上对系统的结构、功能进行了总体设计,并对系统的三层架构(表示层、业务逻辑层、数据库访问层)进行了详细的设计。
(2)系统的数据库和主要功能模块的设计及实现。根据系统需求分析,建立抽象的概念数据模型,然后对其进行逻辑设计和物理设计,最后在SQL Server2005中完成数据库的创建。认真研究了各主要功能模块的算法和流程,采用面向对象的方法来对个模块进行了设计和封装。
(3)系统的工程实例应用。以巴东县京信中学北侧高切坡为例,对系统主要功能模块的正确性和适用性进行了验证。
本论文的研究成果如下:
(1)在高切坡监测预警理论研究的基础上,设计和开发了一个基于.NET平台的高切坡监测预警系统。该系统能实现高切坡监测数据管理、数据分析预测、高切坡危险性评价以及预警等功能。系统在.NET平台下运行稳定,效率高,具有很强的可维护性和可扩展性,且对软硬件配置要求低。
(2)高切坡危险性模糊综合评判功能的适用性。对京信中学北侧高切坡进行危险性模糊综合评判,得到其危险性等级为中度危险,表明该高切坡变形失稳的可能性较大,而通过实际监测数据分析及野外宏观变形调查发现该高切坡的变形确实很大,且一直处于变形阶段,评价结果与高切坡的实际状态是一致的,说明了该功能模块适用于高切坡的危险性评价。
(3)通过比较小波去噪前后的预测数据,发现去噪之后的预测精度较高,说明将小波去噪技术和改进的变维分形模型结合起来对监测数据预测可以达到很好的预测效果。
(4)通过比较改进的变维分形模型和灰色GM(1,1)模型的预测数据,发现改进的变维分形模型的预测精度要优于灰色GM(1,1)模型,且模型预测精度高,说明改进的变维分形模型在小数据量预测方面占有优势,适用于高切坡变形预测。