时域关联建模的降雨型滑坡变形定量分析方法

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滑坡灾害是我国最常见、危害最大的地质灾害之一,具有发生频繁、突发性强且易受外界诱发因素影响等特点。其中,降雨诱发的滑坡分布最广,发生频率最高,据统计结果显示,约90%的滑坡灾害都与降雨直接或间接相关。随着GNSS等对地观测技术的快速发展,直接利用在降雨过程中滑坡位移监测内容开展滑坡预警成为目前主要手段。然而,滑坡位移仅反映降雨作用下滑坡的历史变形情况,单一滑坡指标建立的降雨型滑坡模型难以提供较长且有效的预警时长。因此,如何利用实时监测的降雨型滑坡降雨、滑坡位移及地下水位等多类指标进行关联分析,成为实现降雨型滑坡超前预警的关键问题。针对上述问题,本文充分理解降雨型滑坡变形的演化阶段及规律,研究滑坡关键监测指标的数据曲线变化特征,从时间变化角度出发分析其相关关系;在此基础上,创新地提出定量描述区域降雨-滑坡变形时间关系的时域关联测度及计算参数,并建立响应函数进行评估,进一步划分了适应不同区域环境降雨型滑坡的时域关联模式,为定量分析提供了理论和模型基础;最后以有效关联建模为目标,提出滑坡监测数据的时域处理算法与变形响应的时长分析方法,从而为降雨型滑坡危险性的提前预警和短临预报提供参考。具体的研究结论如下:(1)降雨型滑坡监测数据的时间关联特征分析基于地质学、水动力学,测绘学等理论,充分收集历史文献资料及滑坡调查资料,综合分析了降雨型滑坡的关键监测指标及时间关联特征。根据反映滑坡状态及其动态变化的监测数据,总结了降雨诱发滑坡变形过程中地表位移、深部位移及地下水位数据变化特点,包括降雨触发阈值和时间关联特征,为滑坡响应降雨的关联挖掘提供分析边界和方法基础。(2)面向区域降雨-滑坡变形的时域关联建模基于降雨型滑坡监测内容和关联特性,提出了描述滑坡变形响应区域降雨的时域关联测度及其测算参数,并以此构建适应不同地质环境滑坡的时域关联模型。在此过程中,运用时域统计方法,提取降雨诱发阈值和滑坡响应突变的量值,初步计算时域关联测度的取值范围;结合时域关联挖掘理论,特别提出面向区域降雨-滑坡变形的响应函数构建及关联性评估方法,能够为典型降雨型滑坡提供普适的关联分析模型。(3)基于时域关联模型的滑坡变形定量分析将长时期区域降雨量数据和滑坡变形数据作为研究对象,针对数据误差性、高频性和间断性导致难以直接进行关联建模问题,提出自适应卡尔曼滤波的降噪算法及时域变换的数据重构算法,保留数据自身特征的同时易于时域关联挖掘。在此基础上,利用时域处理后的监测信号构建响应函数,并通过函数的关联性评估方法最终确定最优时域关联测度,为滑坡响应降雨的周期、滞后变形时长的前置预警提供长时效科学依据。(4)重庆市奉节县典型降雨型滑坡变形分析实验以重庆市奉节县典型降雨型滑坡为研究区,通过对5处地理环境各异的典型降雨型滑坡中7个监测点位历史数据进行实例分析,其中(1)新铺滑坡关联模式表现为:地表位移和深部位移分别与区域降雨存在5天及15天延迟响应时长下,以55-56天为循环周期的滞后关联,代表以上区域可根据循环周期内降雨及变形累积量,提前一个滞后时长进行滑坡预警;(2)藕塘滑坡关联模式表现为:地表及深部与区域降雨均存在以58天为循环周期的一致性关联,代表以上区域可根据降雨积累量对未来滑坡变形进行同步预警;(3)同时与现实资料进行对比,验证了本文方法的可行性与有效性。
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