基于CatBoost-SHAP模型的滑坡易发性建模及可解释性

文章致力于深入探索滑坡易发性建模中集成学习模型的不确定性和可解释性。以浙江省东部沿海山区为研究对象,利用谷歌历史影像与Sentinel-2A影像,记录了2016年超级台风“鲇鱼”触发的552起浅层滑坡事件。研究首先对连续型因子进行了不分级、等间距法和自然断点法的工况设计,进一步划分为4,6,8,12,16,20级。随后,引入了类别增强提升树模型(CatBoost)以评估不同工况下的滑坡易发性值,再结合受试者曲线与沙普利加性解释法分析,对建模过程中的不确定性和可解释性进行了深入研究,目的在于确定最优建模策略。结果表明:(1)在CatBoost模型计算中,河流距离成为最关键的影响因子,其次是与地质条件、人类活动相关的因子;(2)不分级工况下,模型能够获得最高的AUC值,达到0.866;(3)相较于等间距法,自然断点法的划分策略展现出更佳的泛化能力,且模型预测性能随着分级数量的增加而增加;(4)沙普利加性解释法模型揭示了主要影响因子道路距离、河流距离、DEM和坡向对台风诱发滑坡的控制机制。研究成果能够加深对滑坡易发性的理解,提高滑坡预测的准确性和可靠性,为相关地区的防灾减灾工作提供科学依据。

基于I-D阈值的滑坡气象预警双指标模型

确定降雨阈值对于管控降雨型滑坡灾害风险具有重要意义。以浙江衢州市98处降雨型滑坡为例进行降雨阈值研究。在统计分析1970—2019年梅汛期间诱发滑坡降雨特征的基础上,首先对比分析I-D、E-D和E-I曲线建立的降雨阈值模型,然后基于I-D阈值建立以当日降雨量R0和5 d有效降雨量R5为预警指标的滑坡气象预警双指标模型,最后采用历史降雨和滑坡数据检验模型的合理性和可靠性。结果表明:(1)I-D模型对于降雨型滑坡的预测能力优于E-D和E-I模型;(2)按双指标模型反演衢州市历史50 a滑坡气象预警情况,红色、橙色和黄色预警的年均预警次数为1.5,3.2,9.3次,具有较高的合理性;20处验证滑坡点被双指标模型准确预警,其中15处为红色和橙色预警,此外模型成功预警了2014年全部8处降雨型滑坡;(3)用于检验模型预测能力的7处滞后性滑坡全部成功预警,其中3处橙色预警、3处黄色预警和1处蓝色预警。本研究提出的预警模型有助于衢州市滑坡气象预警发布,为政府部门开展风险评价和管理提供新思路与方法。

不同栅格尺寸下输电线路地质灾害易发性评价

输电线路的安全运行对国家经济建设与发展具有重要意义,而针对输电线路进行地质灾害易发性评价的研究较少。以京津冀地区的输电线路为例,选取高程、坡度、坡向、地形起伏度、地层岩性、距断层距离、距水系距离、土地利用类型8个指标因子,采用频率比法对各指标因子进行分级,构建易发性评价体系。再利用不同的机器学习模型,使用不同尺寸的栅格单元作为评价单元对研究区进行易发性评价。最后,选取精度最高的机器学习模型与传统的层次分析法完成研究区易发性区划图。研究结果表明:贝叶斯网络模型在区域输电线路易发性评价中的应用效果最好,模型性能最强,最高AUC值为0.876。与传统的层次分析法相比,BN模型在研究区易发性制图中的效果更好,精度更高。此外,采用50 m的栅格作为评价单元在研究区易发性评价中取得了最好的应用效果,研究成果为输电线路地质灾害易发性评价以及栅格尺寸的选用提供了思路以及参考。

地震作用下库区堆积层滑坡失稳机制

为研究地震作用下库区堆积层滑坡失稳机制,以雅鹊湾滑坡为例,基于Geo-Studio中Quake/W和Slope/W耦合建立数值模型,分析其在地震作用下的稳定性变化和动力响应。在地震作用下滑坡稳定系数在1.199~0.859波动,随着库水位由175 m降低到145 m,滑坡稳定性由欠稳定降为不稳定;堆积层越厚的部位,受到地震作用后位移越大,滑带和后缘基岩发生的位移较为一致;监测点峰值加速度随高程的增加而增加,且加速度峰值的出现时间也随高程增加而滞后;坡面峰值加速度受到坡度的影响,监测点坡度发生较大改变时,峰值加速度会相应的减小。分析其在地震作用下的失稳机制,得出堆积层滑坡后缘剪切破坏,表层岩土体沿平行于滑带的滑面滑动,剪出口为库水位淹没的区域,滑坡由表层向深部滑动,最终基岩上覆土体全部滑动破坏,同时滑坡滑移会导致后缘基岩产生临空面,极易发展成为崩塌灾害。

基于理想点法与组合赋权的围岩质量评价模型

为了克服围岩质量评价结果的模糊性和随机性对隧道安全的影响,首先遴选了围岩的单轴抗压强度、岩石质量指标、岩体完整性系数、地下水发育状态、岩体声波速度和结构面走向与洞轴线夹角6个指标,建立了基于层次分析法、熵权法和拉格朗日乘子法的各个指标的权重计算方法,并采用理想点法构建了隧道围岩质量的评价模型;然后将该模型运用到布伦口-公格尔水电站地下洞室4个标段的围岩质量评价中。通过对比发现,计算出的结果与现场实测数据基本吻合,说明所建立的围岩质量评价模型为隧道围岩质量评价提供了新方法。

爆破作用下危岩稳定的可靠度分析

为进行爆破作用下危岩稳定性的可靠度分析,基于可靠度理论和极限平衡方程,建立了考虑爆破力作用下的滑移式危岩、坠落式危岩和倾倒式危岩的功能函数、可靠指标和失稳概率计算方法。以天生三桥爆破施工为例,计算结果表明,受到爆破作用后离爆破点较近的危岩处于欠稳定~不稳定状态,离爆破点较远的危岩处于稳定~基本稳定状态,滑移式、坠落式和倾倒式危岩在受到爆破作用后失稳概率分别提高了20.78%、14.91%和5.8%。总结分析不同因素对爆破作用下危岩失稳概率的影响可知,粘聚力降低使坠落式危岩更易发生破坏;摩擦角变化对滑移式危岩失稳概率影响更显著;危岩和基座抗拉强度变化对重心在倾覆点外侧的危岩影响更大;炸药量和爆心距变化对坠落式危岩影响最大,倾倒式危岩次之,滑移式危岩最小。

基于修正的传递系数法的粉土质边坡冻融稳定性分析

为了给冻融边坡的稳定系数计算方法提供更多的有效途径,以G580线和田至康西瓦公路段K81+100粉土边坡为研究对象,从冻融边坡的特征入手,考虑边坡融化后的渗透力,以及热流量对融化深度的影响。对传递系数法进行修正,推导出冻融边坡稳定系数的计算公式。通过具体条件分析不同温度变化下融化深度与稳定系数的关系,得出融深1.2 m时边坡稳定性最差。基于日气温变化正弦函数公式分析,得出上午7~10时稳定系数降低幅度最大,约7.2%;14时的时候达到每日最大融深,稳定系数降至最小值1.255。通过改变粉土含水率发现当含水率大于20%,边坡开始处于最不稳定状态。最后利用Flac3D建立温度场模拟土体冻结融化的情况,得出边坡稳定系数为1.281,在水的渗流和自重情况下,竖直方向在坡体上缘发生约53.5 mm的最大位移,水平方向在滑体中下部发生约82.6 mm的最大位移。模拟数据与现实情况吻合良好,为冻融区粉土边坡稳定性研究提供了理论依据。

基于统计损伤理论的饱和细粒砂岩本构模型研究

为了更好地揭示饱和细粒砂岩在不同孔隙水压力作用下的损伤本构关系,基于损伤力学/概率统计方法和有效应力原理,采用MC强度准则假定微元强度服从对数正态分布,建立了基于统计损伤理论的饱和细粒砂岩本构模型,修正了统计损伤模型参数 F0、 S0与孔隙水压力之间的关系表达式,建立了能够更加客观地反映饱和细粒砂岩损伤状态的本构模型。理论与试验对比研究表明所建立的模型具有一定的可靠性,在此基础上,研究了统计损伤模型参数 F0、 S0对饱和细粒砂岩物理特征的影响,探讨了饱和细粒砂岩在不同围压、不同孔隙水压力下的损伤演化规律,为实际工程案例中饱和细粒砂岩的损伤变化提供了参考。

贵州瓮马铁路边坡生态护坡技术研究

以贵州瓮马铁路瓮安站边坡绿化工程为依托,为优选出适合该地区的植物与基材,调查了铁路沿线地区植物种类、土壤组成,开展了单一植物在不同基材中种植和不同配比植物在不同基材中种植的室内试验,分析了不同配比基材的保水性及不同配比植物生长高度、种子发芽率和试验后土壤的抗剪强度;引用层次分析法(AHP)和多因素准则,对最优基材配比和最优植物配比进行了筛选。研究表明:保水剂3%,蛭石4%,肥料1%的基材配比最适宜植物发芽,保水剂4%,蛭石5%,肥料1.5%的基材配比最适宜植物生长;单种植物最优搭配为美国四季春与保水剂4%,蛭石5%,肥料1.5%的基材配比;混种植物最优组合为百喜草、狗尾草、三叶草、黑麦草的种子配比和保水剂4%,蛭石5%,肥料1.5%的基材配比;混种植物的抗剪强度大于单个植物的抗剪强度,混种植物的根须之间由于长短不同,相互结合更加紧密,增大了土体的抗剪强度。

基于一阶二次矩阵的寒区土质高切坡可靠稳定性分析

以寒区土质高切坡为研究对象,构建了寒区土质高切坡浅层滑动失稳模型。基于极限平衡原理和一阶二次矩阵可靠性原理,建立了寒区土质高切坡的可靠指标和失稳概率计算方法。以G580线和田至康西瓦公路段K86+780~K86+840土质高切坡为例进行了寒区土质高切坡可靠度计算;并分析了各种因素对寒区土质高切坡失稳概率的影响规律。结果表明,该方法建立的可靠指标与失稳概率计算方法可以用于寒区土质高切坡稳定性分析;并且当融化深度大于1.4m时高切坡失效概率迅速升高,1.4~2.1m失效概率增长74.4%;当融化深度大于2.1m时坡体处于不稳定的状态;当土质高切坡黏聚力从8kPa增长到14kPa的时候,失稳概率降低约88.4%,稳定系数增长0.45;当土质高切坡内摩擦角从15°增长到23°时,失稳概率降低约15%,稳定系数增加约0.07;当土质高切坡坡率由0.5增加到0.8时,边坡失稳概率由26.5%增长到61.41%,坡率到0.8时为峰值,大于0.8之后失稳概率逐渐减小,到1.5时失稳概率降低至25.2%,降低约36.21%。

考虑爆破作用的隧道爆破楔形体稳定性分析

隧道楔形体危岩稳定性分析是隧道危岩灾害防治的依据。根据爆破峰值加速度衰减规律及楔形体结构面的假定,通过牛顿第二定律确定作用于楔形体峰值爆破荷载,并对其进行修正得到时程爆破惯性力,建立了隧道楔形体危岩稳定性分析的物理模型及计算模型,提出了楔形体稳定性分析的动态极限平衡方法,该方法得出了楔形体稳定系数的计算公式,并分析了不同因素对稳定系数的影响。计算结果表明:边墙楔形体在爆破荷载作用下,楔形体随时间而出现压力和拉力的变化,整个作用时间持续0.3~0.4 s左右;边墙楔形体在爆破荷载作用下最大峰值荷载达到410.52 kN,最小峰值荷载为-285.69 kN;洞顶楔形体在爆破荷载作用下最大峰值荷载达到140 kN,最小峰值荷载为-95.23 kN;边墙单滑面爆破荷载作用稳定系数最大增加了93%,最大减少了63.3%;边墙双滑面稳定系数最大增加了75%,最大减小了47.4%;洞顶单滑面在爆破荷载作用下稳定系数最大增加了75.5%,最大减少了56.4%,洞顶双滑面最大增加了81.5%,最大减小了57.8%;当爆心距由2 m增加到5 m时,两者稳定系数最大相差1.92;当滑面倾角由28°增加到58°时,天然稳定系数降低了1.5,爆破对稳定系数的影响最大减小了4.5;当炸药量由28 kg增加到58 kg时,稳定系数最大增加了1.65;当面积由8 m^(2)增加到20 m^(2)时,稳定系数最大增加了0.75。因此,该楔形体稳定系数计算方法能较好的反映和评价爆破荷载下隧道楔形体的稳定性。

三峡水库消落带岩质边坡稳定可靠度分析

为了建立三峡库区消落带岩质边坡的可靠指标和失稳概率计算方法,基于极限平衡和可靠度分析原理,考虑边坡出流缝被堵塞和未被堵塞两种情况,采用不同的静水压力分布假设,建立了消落带岩质边坡在水压力作用下的力学模型。以暴雨工况下三峡库区重庆巫山箭穿洞岩质边坡为例,进行可靠度计算。计算结果表明:该危岩失稳概率达到26.76%,处于基本稳定状态,与实际情况相符合。采用控制变量法,分析了各敏感性因素对岩质边坡失稳概率的影响规律。研究结果表明:该消落带岩质边坡在滑面倾角增大时,稳定系数降低,失稳概率增大;在凝聚强度、内摩擦角、后缘裂隙倾角增大时,其稳定系数增大,失稳概率降低。研究结果可为三峡库区消落带岩质边坡的稳定性分析提供新的方法和理论依据。

基于AHP-可拓理论的消落带岩质边坡稳定性分析

基于层次分析法(AHP)的可拓理论,以单轴抗压强度、岩体质量指标、变形模量、岩体透水系数、地下水发育程度、日最大降雨量、消落带水位变化、岩体结构面特征、黏聚力、内摩擦角10个因素为预测指标,采用层次分析法计算影响边坡稳定性的各个指标权重,在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上建立了三峡库区消落带岩质边坡稳定性分析的物元模型。通过对重庆巫山箭穿洞岩质边坡T1j1、T1d4、T1d3三段进行稳定性评价,发现T1j1属于Ⅰ级(稳定),T1 d4和T1 d3属于Ⅳ级(欠稳定),需要对基座和危岩进行加固处理,得出的结论与工程实际相符合。研究结果表明:基于层次分析法的可拓理论能较好地确定消落带岩体稳定性评价指标的权系数和反映其稳定性等级,可应用于消落带岩质边坡稳定性分析。

隐伏岩溶区小净距隧道爆破振动规律

为研究隐伏岩溶区小净距隧道开挖及爆破振动对施工安全的影响规律,以贵州省里平Ⅱ号隧道工程为依托,以隐伏岩溶区小净距隧道为研究对象,通过LS-DYNA软件对不同工况进行数值模拟及分析,得到了爆破振动效应下围岩的应力分布和位移变化情况,总结了隧道爆破地震波沿隧道轴向及衬砌环向的速度衰减规律,分析了振动速度峰值随溶洞直径大小及溶洞隧道距离大小的变化规律。结果表明:当溶洞直径一定时,围岩竖向位移、隧道拱顶监测点振动速度峰值随着溶洞与隧道之间距离的增大而减小;当溶洞与隧道之间的距离一定时,围岩竖向位移、隧道拱顶监测点振动速度峰值随溶洞直径的增大而减小;里平Ⅱ号隧道中溶洞直径为2 m且溶洞与隧道之间的距离为3 m时,先行洞初衬最大主应力超出了混凝土抗拉强度,故爆破开挖前应对该位置进行加固处理,确保施工安全。可见,分析结果可为指导隐伏岩溶区小净距隧道爆破施工提供可靠依据。

基于遥感解译的盐湖地区输电线路杆塔地面沉降易发性评价

跨越察尔汗盐湖地区的750 kV柴鱼输电线路是国家西部能源运输通道上重要的一环,受盐湖地区特殊的地质环境与人类活动影响,使得部分杆塔塔基发生不均匀沉降,严重威胁到输电线路的安全运行.针对盐湖地区目前存在的杆塔地基变形破坏问题,利用小基线集合成孔径雷达干涉测量(SBAS-InSAR)技术对杆塔基础变形失稳前2018年的Sentinel-1A数据开展遥感解译,获取了盐湖地区地面沉降分布情况.基于频率比法,筛选出与地面沉降相关性较强的8种评价因子构建盐湖地区地面沉降易发性评价指标体系,采用多层感知器神经网络(MLPNN)、逻辑回归(LR)、贝叶斯网络(BN),对比分析了盐湖地区地面沉降的易发性评价效果和精度.评价结果表明,MLPNN、LR、BN的评价精度均较高,分别为0.85、0.84、0.82.这表明,通过遥感解译获得地面沉降样本数据与机器学习相结合的方法是盐湖地区输电线路杆塔地面沉降易发性评价的有效手段;同时,评价结果可为输电线路杆塔监测、运行管理及新塔选址提供参考.

基于I-D-R阈值模型的滑坡气象预警

建立滑坡灾害多维度气象预警判据和划分“网格化”预警单元能够为滑坡灾害气象预警提供科学依据.本文以浙江省金华市磐安县205个降雨型滑坡为研究对象,首先,基于平均有效降雨强度-降雨历时(I-D)阈值模型,采用普通最小二乘回归(OLSQ)和分位数回归(QR)划分临界阈值曲线;其次,引入当日降雨量(R),进一步优化I-D阈值模型,建立I-D-R阈值模型,采用不同参数估计方法对比不同阈值模型精度,选择最优阈值模型作为磐安县滑坡灾害气象预警判据;最后,基于降雨分布的差异性,在划分地形单元的基础上利用泰森多边形(VD)建立了乡镇级别的“网格化”预警单元.结果显示:(1)I-D-R阈值模型相比于I-D阈值模型具有更好的预警精度,且基于QR的I-D-R阈值模型效果更好,警告及以上阈值等级精度提升到50%,特别注意及以上阈值等级精度提升到88.9%;(2)采用基于QR的I-D-R降雨阈值作为磐安县51个预警单元四级气象预警(红、橙、黄、蓝)的判据,并提出相应的应急响应措施.研究成果提供了一种新的阈值模型,能够为磐安县区域气象预警提供借鉴与参考.

考虑未来土地利用动态情景的滑坡易发性制图

山区城镇化的建设会造成土地利用的变化,从而改变滑坡的易发性。然而,目前在滑坡灾害的管理中缺乏未来土地利用动态变化下的易发性研究。基于此,本文以重庆市万州区长江沿岸乡镇为例,首先利用斑块生成土地利用变化模拟(Patch-generating Land Use Simulation,PLUS)模型对该地区2025年与2030年的土地利用动态因子进行预测;随后,结合研究区所收集的静态因子与滑坡灾害数据构建了易发性评价的数据库。并利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对XGBoost、LightGBM与CatBoost共3种基于GBDT(Gradient Boosting Decision Tree)框架的集成学习模型进行超参数的调整并开展动态易发性建模;最后,基于最优评价模型开展未来土地利用动态变化情景下的滑坡易发性进行制图。研究结果表明:①基于PLUS模型的土地利用变化结果能够为未来滑坡易发区域的预测提供准确的基础数据;②通过对比PSO算法参与建模前后的AUC结果,可以发现PSO-CatBoost模型能够更好的拟合研究区滑坡清单和触发因子的非线性关系,并获得了最优的建模精度;③综合考虑未来土地利用与滑坡易发性的研究框架表明未来长江沿岸乡镇的建筑用地发展会提高潜在的滑坡易发性。本文所提出的研究思路对于构建坚韧有效的山区城镇防灾减灾体系具有重要的实际意义,并可为未来山区城镇的规划提供科学指导。

基于滑坡致灾强度预测的建筑物易损性定量评价

针对目前建筑物易损性定量评价中缺乏滑坡致灾强度预测研究,创新性地提出了一种基于InSAR技术的致灾强度经验曲线与ABAQUS二次开发的空间化位移预测相结合的建筑物易损性定量评价方法.以三峡库区石龙门滑坡为例,利用PS-InSAR解译的2017-2020年间滑坡年平均位移,通过函数反演获取了滑坡累积位移‒致灾强度经验曲线;使用ABAQUS编写荷载和孔隙水压力子程序模拟了极端工况下(库水位下降+强降雨)的滑坡累积位移,用于建筑物易损性预测计算.建筑物抗灾能力由PSO-Fuzzy AHP模型加权赋值8个指标构成,与滑坡致灾强度两部分相结合即可定量评价建筑物易损性.研究结果表明:(1)本文提出的抗灾能力评价体系能够很好表征三峡库区农村建筑物的结构特征,具备较高的评价精度;(2)基于PS-InSAR得到的上限致灾强度曲线为Ipu=0.065×Dtot 0.236,具备更高的预测精度,有效减少了假阴性误报;(3)通过ABAQUS模拟的极端工况致灾强度随着降雨量增加而增加,预测的房屋易损性等级随之提高,并且成功预警了前期调查有明显变形的房屋.可见提出的致灾强度预测方法和易损性评价模型具有很高的空间辨识度和预警精度,通过滑坡强度信息能够开展实时建筑物易损性制图.

基于stacking集成策略和SBAS-InSAR的滑坡动态易发性制图

当前滑坡易发性评价方法存在集成建模策略缺失及假阴性误报现象。首先创新性地利用stacking算法集成随机森林(random forest,RF)和极端梯度提升树(extreme gradient boosting,XGBoost),用于预测滑坡发生的空间概率;然后采用小基线集干涉测量方法解译2018年1月~2021年9月的104景Sentinel-1A数据,将沿视线的变形速度(Vlos)重新投影为沿斜坡方向(VSlope);最后采用经验关联矩阵将易发性分级与变形速度分级相结合,以生成滑坡动态易发性图。研究结果表明,stacking-based RF-XGBoost模型具有比决策树(decision tree,DT),RF,XGBoost,贝叶斯模型(Bayesian network,BN)和多层感知器神经网络(multilayer perceptron neuro network,MLPNN)更好的预测效果和泛化能力。滑坡动态易发性图对变形强烈的区域具有良好的识别效果,降低了3%~8%低易发性占比,提升了2%左右的高~极高易发性占比。现场调查验证了该方法能够在工程活动强烈的区域提高滑坡易发性等级,减少假阴性误报。大周镇极高动态易发区主要分布在长江沿岸及北部凤凰村,应加强监测预警。提出的集成框架及滑坡动态易发性制图技术能够提高区域滑坡的空间辨识度和预警精度,可以作为滑坡灾害区域规划的新手段。

基于集成学习建模的滑坡易发性评价

单一的机器学习模型往往难以满足滑坡易发性制图的需要,为提升滑坡易发性评价精度.提出了一种基于集成策略的机器学习模型组合优化的方法,以重庆市云阳县西部的12个乡镇为例进行滑坡易发性评价.首先,基于366处滑坡数据以及高程、坡度等9个指标因子构建易发性评价指标体系.然后以决策树模型(decision tree mode,DT)、逻辑回归模型(logistic regression,LR)和贝叶斯网络模型(bayesian network,BN)为基础模型,利用集成学习的三大类型,袋装法(bagging)、提升法(boosting)以及堆叠法(stacking)进行模型组合.并对各组合模型分别用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO),贝叶斯算法(bayesian optimization,BO)进行超参数优化以及K最邻近算法(K-nearest neighbor,KNN)进行模型链接.最后采用ROC曲线与统计分析的方式来评估各集成学习模型精度.研究结果表明:与基础模型相比,三类集成学习模型精度均有提升,DT-LR-BN模型提升了3.5%~12.8%,RF模型提升了8%;BO-XGBoost模型提升了13.1%;KNN-stacking模型提升了7.4%~17%,BO-XGBoost模型的AUC值最高为0.811.集成学习能有效提升机器学习模型性能,提高滑坡易发性制图的精度,研究为机器学习模型之间的组合优化提供了新的思路与方法.