本文關(guān)鍵詞： 滑坡 多場(chǎng)信息 模型試驗(yàn) 數(shù)據(jù)挖掘 關(guān)聯(lián)規(guī)則 決策樹(shù)C5.0　出處：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：滑坡地質(zhì)災(zāi)害在我國(guó)分布廣泛,危害嚴(yán)重。漸進(jìn)式滑坡的失穩(wěn)破壞并不是瞬時(shí)發(fā)生的,而是經(jīng)歷了局部破壞,擴(kuò)展,傳遞,形成貫通性滑動(dòng)面的累進(jìn)性破壞過(guò)程。開(kāi)展?jié)u進(jìn)式滑坡變形演化特征研究,揭示其內(nèi)在演化過(guò)程和外在演化特征,對(duì)于滑坡預(yù)測(cè)和防治具有重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。滑坡變形和破壞具有多場(chǎng)演化特征,多場(chǎng)信息是正確診斷滑坡演化進(jìn)程的依據(jù)。現(xiàn)有滑坡預(yù)測(cè)與防治多依據(jù)某一時(shí)段的位移-時(shí)間曲線或特征參量,基本未考慮或無(wú)法考慮滑坡的多場(chǎng)演化進(jìn)程。滑坡是一個(gè)由固、液、氣組成的復(fù)雜開(kāi)放系統(tǒng),因而其變形和滑移具有多物理場(chǎng)特征,單純依據(jù)位移-時(shí)間關(guān)系,在理論和應(yīng)用上有明顯的缺陷,多場(chǎng)信息特征是滑坡演化進(jìn)程診斷的基礎(chǔ)。海量的數(shù)據(jù)處理需求以及應(yīng)用對(duì)現(xiàn)有理論的挑戰(zhàn),催生了對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行深入數(shù)據(jù)挖掘。在滑坡監(jiān)測(cè)元器件,數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲(chǔ)技術(shù)高度發(fā)展的今天,滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸性增長(zhǎng)趨勢(shì)。海量的數(shù)據(jù)樣本以及多場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,增加了滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的技術(shù)難度,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法難以或者無(wú)法完成,迫切需要引入新的理論和方法,發(fā)掘海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)背后的隱含模式。數(shù)據(jù)挖掘正是順應(yīng)這種需求而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處理技術(shù)�；诨露鄨�(chǎng)信息演化特征和滑坡監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)挖掘的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值,本文從滑坡變形演化的角度,采用室內(nèi)模型試驗(yàn),野外監(jiān)測(cè)和理論分析相結(jié)合的手段,收集滑坡演化過(guò)程中的力學(xué)、物理狀態(tài)參量,揭示滑坡地質(zhì)系統(tǒng)演化過(guò)程的多場(chǎng)信息演化、遷移規(guī)律；引入經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘算法,建立多場(chǎng)耦合作用模式下,滑坡變形演化與外部誘發(fā)因素多維關(guān)聯(lián)規(guī)則,構(gòu)建滑坡變形演化多場(chǎng)信息閾值判據(jù),實(shí)現(xiàn)基于外部誘發(fā)因素的滑坡變形狀態(tài)判識(shí)。主要研究?jī)?nèi)容和研究成果概括如下：(1)結(jié)合滑坡變形特征與受力特點(diǎn),開(kāi)展了漸進(jìn)式滑坡內(nèi)在演化階段和外在演化特征研究。建立簡(jiǎn)化力學(xué)模型,結(jié)合應(yīng)變軟化理論,對(duì)不同受力特征的滑坡漸進(jìn)破壞內(nèi)在演化過(guò)程展開(kāi)研究;基于資料和文獻(xiàn)收集,對(duì)不同成因類型和受力特征的滑坡演化外在體現(xiàn)形式-時(shí)空演化特征展開(kāi)研究。①將漸進(jìn)推移式滑坡的內(nèi)在演化過(guò)程細(xì)分為：初始平衡階段,初始擾動(dòng)階段,局部破壞階段,不穩(wěn)定啟動(dòng)階段,漸進(jìn)破壞擴(kuò)展傳遞階段,整體滑動(dòng)失穩(wěn)階段六個(gè)階段；對(duì)各階段坡體內(nèi)部土體剪應(yīng)力、擾動(dòng)荷載和土壓力分布和演化特征展開(kāi)了研究。②將漸進(jìn)牽引式滑坡內(nèi)在演化過(guò)程細(xì)分為：初始平衡,初始擾動(dòng),局部破壞,不穩(wěn)定啟動(dòng),漸進(jìn)破壞擴(kuò)展傳遞和多級(jí)失穩(wěn)破壞六個(gè)階段；對(duì)各階段坡體內(nèi)部土體剪應(yīng)力、擾動(dòng)荷載和土壓力分布和演化特征展開(kāi)了研究。③在資料和文獻(xiàn)收集基礎(chǔ)上,將不同成因類型和受力特征滑坡位移-時(shí)間曲線劃分為：平穩(wěn)型,曲線型,直線型,階躍型,收斂型,回落型,波動(dòng)型和混合型八種類型。④總結(jié)了推移式滑坡和牽引式滑坡的裂縫空間演化特征。漸進(jìn)推移式滑坡后段為主滑段,后段坡體在較大下滑推力作用下產(chǎn)生拉裂滑坡,坡體出現(xiàn)拉張裂縫,坡體變形向前緣擴(kuò)展傳遞,坡體相繼出現(xiàn)側(cè)翼剪張裂縫,前緣鼓脹裂縫和壓性裂縫。漸進(jìn)牽引式宏觀上呈現(xiàn)出漸進(jìn)后退特點(diǎn),漸進(jìn)后退僅是滑坡變形時(shí)空演化的宏觀和階段性表現(xiàn),存在局部牽引和整體推移、先“牽引”后“推移”的時(shí)空轉(zhuǎn)化過(guò)程。(2)自主設(shè)計(jì)了滑坡多場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)與模型試驗(yàn)平臺(tái)。①滑坡多場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)與模型試驗(yàn)平臺(tái)由加載、土壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),基于三維激光掃描坡面位移場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),基于顆粒圖像測(cè)速坡面位移測(cè)量系統(tǒng),坡面溫度測(cè)量系統(tǒng)組成。該試驗(yàn)平臺(tái)側(cè)重于監(jiān)測(cè)采集滑坡變形演化過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng),位移場(chǎng),速度場(chǎng)以及溫度場(chǎng)等多場(chǎng)信息。②推導(dǎo)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)單個(gè)掃描點(diǎn)空間位置精度的評(píng)價(jià)模型和點(diǎn)云密度評(píng)價(jià)模型,這為基于三維激光掃描技術(shù)變形監(jiān)測(cè)的測(cè)量成果精度評(píng)定和測(cè)量方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了所必需的理論基礎(chǔ)�？臻g位置精度評(píng)價(jià)模型和點(diǎn)云密度評(píng)價(jià)模型顯示：測(cè)站內(nèi)精度最弱點(diǎn)位于激光掃描儀器的視窗邊緣；掃描距離5 m以內(nèi),水平掃描角度[30°,30°]內(nèi)保持較高的點(diǎn)云密度；掃描時(shí)應(yīng)控制垂直掃描角度β的取值范圍,使儀器接收到足夠多的回波信息；同時(shí)結(jié)合實(shí)際掃描儀的視場(chǎng)范圍和物理模型的尺寸綜合確定掃描儀的水平和垂直掃描角度,保證較高的單點(diǎn)位置精度和點(diǎn)云密度。③對(duì)比研究了點(diǎn)云數(shù)據(jù)位移測(cè)量方法：三維激光掃描技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)位移測(cè)量方式有多種,其中點(diǎn)云疊加和點(diǎn)云比較是面測(cè)量,可以獲得整個(gè)模型坡面的變形和位移情況；重心法、擬合法是點(diǎn)測(cè)量,可以獲得單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確的位移量�；谌S激光掃描技術(shù)坡面變形監(jiān)測(cè)是結(jié)合點(diǎn)測(cè)量和面測(cè)量的優(yōu)勢(shì)：通過(guò)點(diǎn)云疊加和點(diǎn)云比較獲取坡面的變形趨勢(shì)和變形量級(jí),采用重心法和擬合法獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確的位移量。既能獲得坡面的整體變形,又能獲得單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確位移量,避免傳統(tǒng)特征點(diǎn)監(jiān)測(cè)以點(diǎn)帶面的局限性。④簡(jiǎn)要介紹了顆粒圖像測(cè)速技術(shù)和紅外熱像技術(shù)的原理,數(shù)據(jù)處理流程以及各自的誤差來(lái)源。(3)以自主研發(fā)的滑坡多場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)與模型試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ),通過(guò)選取典型地質(zhì)模型,開(kāi)展了推移式滑坡漸進(jìn)式破壞多場(chǎng)信息演化特征模型試驗(yàn)研究。監(jiān)測(cè)采集滑坡模型變形滑移過(guò)程中多場(chǎng)信息(變形場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等),結(jié)合滑坡變形演化階段劃分,揭示漸進(jìn)式滑坡多場(chǎng)信息轉(zhuǎn)移、遷移規(guī)律。①通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)多場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和物理模型試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。實(shí)例驗(yàn)證表明該多場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)與模型試驗(yàn)平臺(tái)能夠在室內(nèi)模擬重現(xiàn)滑坡的變形破壞過(guò)程,同步采集滑坡變形破壞過(guò)程中的多場(chǎng)信息(變形場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等)。②基于監(jiān)測(cè)信息,將漸進(jìn)式滑坡模型演化過(guò)程劃分為：初始變形,勻速變形,加速變形和整體破壞四個(gè)階段。③初始變形階段坡面的速度矢量坡體后緣均勻分布；勻速變形階段,坡體的速度矢量集中于坡體的裂縫區(qū)域；加速變形階段,坡體的速度矢量集中于坡腳部位。④滑坡推力分布形式隨著坡體變形演化表現(xiàn)出差異性：初始變形階段坡體的土壓力分布特征呈現(xiàn)出矩形分布,勻速變形階段土壓力分布特征呈現(xiàn)出拋物線分布,加速變形階段坡體的土壓力分布呈現(xiàn)出拋物線分布：坡體土壓力的最大值隨著變形階段的演化下移至坡體的深部區(qū)域。⑤滑坡變形區(qū)域的坡面溫度高于坡體穩(wěn)定區(qū)域；滑坡變形、演化過(guò)程中,平均紅外輻射溫度曲線表現(xiàn)出“穩(wěn)定-升高-快速降低”的特征；斜坡失穩(wěn)破壞前夕,平均紅外輻射溫度曲線表現(xiàn)出升高-快速降低的趨勢(shì)。(4)開(kāi)展了滑坡-抗滑樁體系多場(chǎng)信息演化特征物理模型試驗(yàn),監(jiān)測(cè)采集滑坡模型變形滑移過(guò)程中多場(chǎng)信息,結(jié)合滑坡變形演化階段劃分,揭示滑坡-抗滑樁體系漸進(jìn)破壞多場(chǎng)信息演化特征。①坡面位移場(chǎng)特征量-方差D(X)的突變與地表裂紋的擴(kuò)展有很好的相關(guān)性,能夠很好地說(shuō)明坡體表面在地表裂紋擴(kuò)展之前的變形局部化,以及裂紋擴(kuò)展之后坡面位移場(chǎng)的重新調(diào)整。坡面位移場(chǎng)方差D(X)值可以用于指示坡面凹陷,剪張裂縫,鼓脹裂縫等局部化變形的產(chǎn)生以及發(fā)展,是對(duì)坡面當(dāng)前狀態(tài)的定量表達(dá)。當(dāng)坡面發(fā)育裂縫產(chǎn)生局部化變形時(shí),D(X)值急劇變化；裂縫平穩(wěn)發(fā)展時(shí)D(X)值變化小而平穩(wěn)；當(dāng)坡面裂縫產(chǎn)生貫通時(shí),D(X)值急劇增大；D(X)曲線在斜坡破壞前夕有明顯的激增,也就是說(shuō)位移場(chǎng)特征量-坡面位移場(chǎng)方差D(X)可以用來(lái)指示地表裂縫的發(fā)育、擴(kuò)展以及斜坡變形破壞的發(fā)生�？梢試L試采用長(zhǎng)距離三維激光掃描設(shè)備,利用這一統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)應(yīng)用于實(shí)際滑坡工程的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。②滑坡-抗滑樁體系坡面位移場(chǎng)方差H指數(shù)隨著其穩(wěn)定性的演化表現(xiàn)出“低值-回升-降維”演化規(guī)律,失穩(wěn)破壞前夕,H指數(shù)小于0.5。斜坡由有序穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)向另外一個(gè)有序穩(wěn)定狀態(tài)(更加穩(wěn)定態(tài)),再由有序穩(wěn)定(更加穩(wěn)定態(tài))轉(zhuǎn)向失穩(wěn)突變狀態(tài)(失穩(wěn)臨界點(diǎn))。坡面位移場(chǎng)方差H指數(shù)可以用于對(duì)滑坡-抗滑樁體系的失穩(wěn)趨勢(shì)與規(guī)律進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。③樁后推力深度方向上呈先增大后減小的趨勢(shì),推力分布形式近似為拋物線型,合力作用點(diǎn)位置位于模型樁自由段1/2處。坡體土壓力最大值逐漸轉(zhuǎn)移至坡體的深部位置。(5)將經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘算法引入到滑坡監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)處理中,提出了滑坡多場(chǎng)信息數(shù)據(jù)挖掘流程,該數(shù)據(jù)挖掘流程能夠發(fā)掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的隱含模式,建立滑坡多維信息融合時(shí)序關(guān)聯(lián)模型,構(gòu)建演化進(jìn)程多場(chǎng)信息閾值判據(jù),實(shí)現(xiàn)基于外部誘發(fā)因素的滑坡?tīng)顟B(tài)判識(shí)。①數(shù)據(jù)挖掘是未來(lái)滑坡監(jiān)測(cè)信息處理的發(fā)展方向之一。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)爆炸性增長(zhǎng)的今天,數(shù)據(jù)挖掘算法能夠智能的、自動(dòng)的從海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)背后的隱含模式,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以易于理解的形式呈現(xiàn)出來(lái)。②提出了一種建立滑坡多場(chǎng)信息關(guān)聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘流程。該數(shù)據(jù)挖掘流程主要包括：數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)預(yù)處理,多場(chǎng)信息定性化,關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘。該數(shù)據(jù)挖掘流程基于兩步聚類算法和關(guān)聯(lián)規(guī)則Apriori算法,能夠發(fā)掘滑坡變形演化與外部誘發(fā)因子之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則,確定多維時(shí)序關(guān)聯(lián)判據(jù)。③提出了一種構(gòu)建變形演化多場(chǎng)信息閾值的數(shù)據(jù)挖掘流程。該數(shù)據(jù)挖掘流程重要包括：數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)預(yù)處理,變形演化定性化,決策樹(shù)模型。該數(shù)據(jù)挖掘流程基于兩步聚類算法和決策樹(shù)C5.0算法,能夠建立滑坡變形演化與外部誘發(fā)因素之間的多場(chǎng)信息閾值判據(jù)。(6)選取三峽庫(kù)區(qū)直線型和階躍型典型滑坡實(shí)例,構(gòu)建滑坡多場(chǎng)信息關(guān)聯(lián)規(guī)則,建立變形演化多場(chǎng)信息閾值判據(jù)。①通過(guò)典型滑坡實(shí)例監(jiān)測(cè)信息的數(shù)據(jù)挖掘,對(duì)前文提出的數(shù)據(jù)挖掘流程的進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。實(shí)例驗(yàn)證表明,所提出的數(shù)據(jù)挖掘流程能夠分析累計(jì)的滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),智能的、自動(dòng)的發(fā)掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)背后隱含模式,有助于加深人們對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的認(rèn)知程度,同時(shí)為滑坡穩(wěn)定性分析以及變形預(yù)測(cè)提供依據(jù)。②利用提出的數(shù)據(jù)挖掘流程,開(kāi)展了直線型時(shí)序曲線實(shí)例-馬家溝滑坡的多場(chǎng)信息數(shù)據(jù)挖掘,建立滑坡多場(chǎng)信息關(guān)聯(lián)規(guī)則,構(gòu)建滑坡變形演化多場(chǎng)信息閾值判據(jù)。共挖掘多場(chǎng)信息關(guān)聯(lián)強(qiáng)規(guī)則20條,關(guān)聯(lián)規(guī)則成果顯示：強(qiáng)降雨和庫(kù)水位快速下降為引起馬家溝滑坡變形的主要誘發(fā)因子,庫(kù)水位快速下降期間變形顯著。共挖掘馬家溝變形演化多場(chǎng)信息閾值判據(jù)6條,所挖掘的閾值判據(jù)精度較高,能夠用于對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形演化進(jìn)行預(yù)測(cè)；閾值判據(jù)變量重要性程度從高到低依次為：庫(kù)水位波動(dòng)因子,累計(jì)降雨強(qiáng)度因子,短時(shí)降雨因子,平均庫(kù)水位因子。坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)由較低速率進(jìn)入中等速率變形的日降雨量強(qiáng)度為18 mm,坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入快速變形的閾值為月累計(jì)降雨強(qiáng)度為174.50 mm,坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)快速變形的庫(kù)水位波動(dòng)閾值為-2.24m/月,即庫(kù)水位以2.24m/月的速率下降。③利用提出的數(shù)據(jù)挖掘流程,開(kāi)展了階躍型時(shí)序曲線實(shí)例-朱家店滑坡的多場(chǎng)信息數(shù)據(jù)挖掘,建立滑坡多場(chǎng)信息關(guān)聯(lián)規(guī)則,構(gòu)建滑坡變形演化多場(chǎng)信息閾值判據(jù)。共挖掘朱家店滑坡變形演化閾值判據(jù)7條,閾值判據(jù)顯示：判據(jù)因子重要性程度由高到低依次為：庫(kù)水位波動(dòng)因子,累計(jì)降雨強(qiáng)度因子,平均庫(kù)水位因子；引起坡體進(jìn)入變形初始階段的月度累計(jì)降雨強(qiáng)度閾值為85.5 mm,引起坡體進(jìn)入變形加速階段的庫(kù)水位下降閾值為7.06 m/月,約合0.235 m/天,引起坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入變形加速階段的月度累計(jì)降雨強(qiáng)度閾值為144.3mm。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)歸納如下：(1)結(jié)合滑坡變形特征與受力特點(diǎn),開(kāi)展了漸進(jìn)式滑坡內(nèi)在演化階段和外在演化特征研究。建立漸進(jìn)破壞簡(jiǎn)化力學(xué)模型,結(jié)合應(yīng)變軟化理論,對(duì)不同受力特點(diǎn)滑坡漸進(jìn)式破壞內(nèi)在演化階段和外在演化特征展開(kāi)了研究,將漸進(jìn)牽引式滑坡和漸進(jìn)推移式滑坡內(nèi)在演化過(guò)程細(xì)分為六個(gè)階段。在資料和文獻(xiàn)收集的基礎(chǔ)上,將不同成因類型和受力特征的滑坡位移-時(shí)間曲線劃分為以下八種形態(tài)：平穩(wěn)型,曲線型,直線型,階躍型,收斂型,回落型,波動(dòng)型和混合型。(2)基于物理模型試驗(yàn),開(kāi)展了滑坡漸進(jìn)式破壞多場(chǎng)信息演化特征研究。自主設(shè)計(jì)了滑坡多場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)與模型試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)該試驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展了天然和抗滑樁加固工況滑坡物理模型試驗(yàn),監(jiān)測(cè)采集變形破壞過(guò)程中多場(chǎng)信息(位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等),結(jié)合滑坡演化階段劃分,揭示其多場(chǎng)信息轉(zhuǎn)移、遷移規(guī)律。(3)基于數(shù)據(jù)挖掘,結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)典型滑坡實(shí)例,建立了直線型和階躍型滑坡外部誘發(fā)因素與變形之間的互響應(yīng)關(guān)聯(lián)規(guī)則,構(gòu)建滑坡變形演化多場(chǎng)信息閾值判據(jù)。提出了滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多場(chǎng)信息數(shù)據(jù)挖掘流程,該數(shù)據(jù)挖掘流程能夠發(fā)掘數(shù)據(jù)背后的隱含模式,建立滑坡多場(chǎng)信息關(guān)聯(lián)規(guī)則,構(gòu)建滑坡變形演化多場(chǎng)信息閾值判據(jù)；并將該數(shù)據(jù)挖掘流程應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)典型滑坡實(shí)例-馬家溝滑坡和朱家店滑坡,建立了直線型和階躍型滑坡實(shí)例多場(chǎng)信息關(guān)聯(lián)規(guī)則和變形演化多場(chǎng)閾值判據(jù)。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P642.22
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本文編號(hào)：1554686