（采矿工程专业论文）基于相空间重构理论的边坡失稳预测.pdf

内蒙古科技人学硕l 学何论文 摘要 近年来，随着经济的同益发展，在诸如水电、露天采矿、能源及交通等地质工程 活动领域出现了越来越多的高陡边坡，而这些边坡往往又成为制约该工程是甭经济合 理乃至成败的重要因素。因此，对边坡失稳的研究具有极其重要的理论和实际意义。 通过采用近年来出现的相空间重构理论建立预测模型来对边坡失稳破坏时问进行预 测，不仅达到了对边坡进行失稳预测的目的，更重要的是给广大的工程技术人员提供 了一种研究、解决实际问题的新思路、新方法。 本论文首先对以往的预测理论作了综合分析，分别指出各自存在的优缺点，然后 从边坡作为一个非线性耗散动力系统这个角度来考虑边坡的稳定性。本论文中讨论了 如何有效正确地重构相空间，通过相空间重构可以恢复系统原有的动力系统，进而求 出系统的些特征量如l y a p u n o v 指数。利用该指数的不变性就可以建立位移预测模 型，这样就町以对边坡未来的位移变化做出预测。文中通过新滩滑坡的位移实例进行 了检验，运算证明结果是令人满意的。有了未来位移值后，就可以通过反映边坡演化 规律的协同分岔模型来计算出边坡可能破坏的时间。最后，结合白云鄂博铁矿东 矿菜边坡实际情况利用本论文提出的方法进行了综合分析，从而确定了这个边坡可能 发生失稳破坏的时间，达到了本论文的最终目的。 奉论文通过用美国微软公司著名的应用程序开发工具一v i s u a lc + + 6 0 编制了运 行在w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 等操作系统下具有微软i n t e m e te x p l o r e r6 0 风格的3 2 位应 用程序，使对白云鄂博铁矿东矿边坡位移值的时问序列的计算和预测全部由计算机自 动完成，一般技术人员所要做的仅仅是输入测点的空间坐标数据和预测所需要的一些 参数，通过选择菜单选项和单击按钮，就能实现对白云鄂博铁矿东矿边坡失稳的预测， 从而使广大技术人员从繁重的计算中解放出来，把精力放在具体的理论研究中。 关键词：时间序列 边坡 相空间重构 l y a p u n o v 指数 预测 可视化 丛茎量! ! 垫叁堂堕主堂垡笙兰 p r e d i c t i o no fs l o p ei n s t a b i l i t yb yu s l n g p h a s es p a c er e c o n s t r u c t i o n a b s t r a c t t o d a y ，m o r es t e e ps l o p e sa p p e a r o ns o m eg e o l o g i c a lf i e l d ss u c ha sw a t e ra n d e l e c t r i c i t y ，o p e n c a s tw o r k i n g ，e n e r g y s o u r c e sa n d t r a f f i c ，a n dt h e s es l o p e sa r ev i m lf a c t o r s w h i c hd e t e r m i n ee n g i n e e r i n ga r ee c o n o m i ca n dr e a s o n a b l eo rn o t ，t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho f s l o p ei n s t a b i l i t y h a v e i m p o r t a n tp u r p o r t i n t h e o r ya n df a c t t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h e p r e d i c t i o nm o d e l w i t ht h ep h a s e s p a c er e c o n s t r u c t i o nt h e o r y , i tf o r e c a s t st h es t a b i l i t yo f t h e s l o p e t h ep a p e r d o e s n to n l ya c h i e v et h ea i mo n f o r e c a s t i n gt h es l o p e ss t a b i l i t y , b u ta l s o o f f e rf ln e w t h o u g h to fs t u d y i n ga n dr e s o l v i n gt h ep r o b l e m t ot h o s ee x t e n d e dt e c h n o l o g y p e r s o n n e l f i r s t l y , t h ep a p e rm a k eag e n e r a la n a l y s i so nf o r m e rf o r e c a s tt h e o r i e s ，a n dp o i n to u t e a c hd e f e c t s ，t h e nc o n s i d e rt h es l o p e ss t a b i l i t yt h r o u g ht h es l o p ei san o n l i n e a rd i s s i p a t i v e d y n a m i cs y s t e m t h ep a p e rd i s c u s sh o w t or e c o n s t r u c tp h a s es p a c er i g h ta n de f f e c t i v e l y , a n db yu s i n gp h a s es p a c er e c o n s t r u c t i o nc a nr e s u m eo r i g i n a ld y n a m i cs y s t e m ，t h e no n eo f c a l c u l a t e s y s t e m se i g e n v a l u e s - - l y a p u n o ve x p o n e n t b a s e o nt h ei n v a r i a b l e n e s so f l y a p u n o ve x p o n e n t ，o n e c a ne s t a b l i s hd i s p l a c e m e n tf o r e c a s tm o d e l ，s oi n t e n d i n gs l o p e d i s p l a c e m e n tc a nb ec a l c u l a t e dt h r o u g ht h i sm o d e l t h es l o p ed i s p l a c e m e n ti sm a d ef o r x i n t a ns l o p es l i d e ，a n dt h er e s u l t sa r es a t i s f i e d a f t e rt h es l o p ed i s p l a c e m e n t sw e r eg a i n e d ， o n ec a nt b r e c a s tt h es l o p e sp o s s i b l ei n s t a b i l i t yt i m eb yc o o r d i n a t e - - f o r km o d e l f i n a l l y , i t s y n t h e t i c a l l ya n a l y s e sas l o p e sp r a c t i c a l ( b a i y u n - e - b oe a s tm i n e ) c o m p l e x i o n ，c o n f o r m s t h es l o p e sd e s t r o y e dt i m ea n da c h i e v e st h ep a p e r sa i m b yd e s i g n i n g t h e3 2 b i t a p p l i c a t i o np r o g r a m t h a tr u n so nt h e3 2 b i to p e r a t i n gs y s t e mo f w i n d o w9 8 2 0 0 0 x pw i t hv i s u a lc + + l a n g u a g et h ep a p e rm a k e st h ec o m p u t i n go f t h et i m e s e q u e n c eo f t h o s ed i s p l a c e m e n t sa n dp r e d i c t i o no nb a i - y u n e - b oe a s tm i n er o b o t i c i z e d ，t o i n p u tt h ec o o r d i n a t ed a t a ，c h o i c et h ep a r a m e t e rc h o i c em e n u s a n dc l i c kt h eb u t t o nn e e db e d o n eb yt h o s ee x t e n d e dt e c h n o l o g yp e r s o n n e l ，t h e nf o r e c a s t i n gt h es l o p e ss t a b i l i t yw i l lb e a c c o m p l i s h e d ，i t m a k et h o s ee x t e n d e d t e c h n o l o g yp e r s o n n e l f r e ef r o m c a l c u l a t i n g o n e r o u s l y ，t h e n t h e mw i l ld e v o t et h e i rm i n dt os t u d yt h et h e o r e t i c s k e y w o r d s ：t i m e s e q u e n c e ；p h a s es p a c er e c o n s t r u c t i o n ； f o r e c a s t ； s l o p e ；l y a p n n o ve x p o n e n t ； v i s u a l 一，一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：跏也 同期：竺兰! ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：砂钏炒导师签名：日期：鲨竺! ! ：3 i 内蒙甫科技火学硕士学位论文 1 绪论 1 1 边坡失稳危害及失稳区域的分布特点 一、边坡失稳的危害 边坡包括自然边坡和人工边坡，是岩石圈表面的天然地质和工程地质作用范围 内，具有露灭侧向临空碰的地质体，是广泛分布于地表的一种地貌形态。它的形成与 演变，与人类生产、生活有着极为密切的关系。 边坡失稳是山区和丘陵地区以及平原地区深基础开挖建设中经常遇到的斜坡变 形现象。它产生于特定的环境，并有其自身的发生、发展、演化以至消亡的生态过程 和规律。边坡失稳破坏作为一种地质灾害，与地震、泥石流和洪水等自然灾害一样， 它可以中断交通、堵塞江河、掩埋村庄、摧毁厂矿等。给人民的生命财产和经济建设 带来重大损失。 边坡失稳破坏有多种形式，其分类也不尽统一。按照国标工程地质协会滑坡及其 它块体运动委员会建议的分类方法( c r u d e n ，d m 1 9 9 1 ) ，边坡失稳分为崩落、倾 倒、滑动、侧向扩张和塑性流动5 种形式。滑动形式，即边坡岩体变形破坏，是指沿 特定的面或组合面产生剪切破坏的斜坡移动。其中，滑坡形式是边坡失稳破坏中最重 要和最常见的一种形式1 ”。 滑坡在岩石圈表面广泛分布，陆地和海洋都有滑坡的存在，世界上许多国家在经 济建设中都遭受其不同程度的危害。美洲的加拿大、美国、智利和巴西是滑坡较多的 国家。我国是世界上滑坡较多的国家之一。滑坡灾害严重影响着我国的国民经济建设， 威胁着人民生命财产和安全。1 9 2 0 年举世闻名的甘肃大地震，发生了许多滑坡，其 中最大的一次发生于陕甘地区，影响面积约为1 6 0 x 4 8 0 k r n 2 ，相当于爱尔兰大小，共 死亡1 0 多万人。1 9 8 0 年6 月3 同，湖北省远安县盐池河崩溃，1 0 0 万i l l 3 岩石从3 0 0 m 高处突然崩滑，掩埋了磷矿厂，死亡2 0 0 余人，损失极为惨重。1 9 8 9 年四川省华莹 山市溪1 ：3 镇发生滑坡，死亡2 2 1 人，直接经济损失达6 6 0 多万元。1 9 9 1 年云南省绍 通市头寨沟滑坡，死亡2 1 6 人，直接经济损失达1 0 0 多万元。武钢大冶铁矿1 9 6 7 1 9 7 9 年间曾发生2 5 次不同规模的滑坡，总落量1 2 0 万立方米。据不完全统计，1 9 4 9 年1 9 9 0 年，我国至少发生了8 5 0 次以上危害和影响重大的边坡失稳，至少造成9 6 4 5 人死亡。 二、边坡失稳区域的分布 从卜- 面的叙述可见，滑坡分布是世界性的。但边坡失稳作为一种地质现象，它的 1 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 地域分布取决于所处的地质环境。而地质环境是由各种环境因素组成的。这些环境因 素可分为岩土物理力学性质、地质构造、地形地貌、地表水文、地下水活动、气象气 候、植被状况和人类活动等。各类环境因素都有各自的活动规律，而同时又彼此影响， 相互作用。有些环境因素在滑坡的形成和激发过程巾起着主导的、决定性的作用。另 些环境因索则处于次要的、从属的地位。地质环境就是这些复杂的、有机地组合在 一起的环境囚素体系。滑坡区域的分布特征就是环境因素体系作用的结果。 中国边坡失稳区域的分巾有如下特点： ( 一) 分布的不均衡性 ( 1 ) 分布在新构造活动频度和强度大的地区。 ( 2 ) 分布在中新生代沉积厚度大的地区。 ( 3 ) 分布在暖湿气候与温湿气候区。 ( 4 ) 集中于湿润气候与干早气候的交界地区。 ( s ) 分布在地表水侵蚀切割强烈的地区。 ( 6 ) 分佰在人类活动强度大，对自然环境破坏严重的地区。 ( - - ) 形成机制的地域差异性 ( 1 ) 以岩土物理力学性质差异为主要特征的差异，黄土高原滑坡、半成岩巨型滑 坡、中新生代红层滑坡、冻土区滑坡，无不具有明显的地域分布上的差异。 ( 2 ) 以构造活动性为主导因素的滑坡，更表现出地域的差异性。 ( 3 ) 气候对滑坡的形成机制影响明显。 ( 三) 人类活动对滑坡发展趋势的影响日趋严重 据统计，边坡失稳与人类活动有关的要占6 0 以上。在铁路沿线，至少有l 3 的 滑坡是山于不适当地开挖山坡造成的。由于森林滥伐和歼山垦田，使全国森林覆盖面 积正以每年1 8 的速率递减，与此相应，滑坡的数量正以每年2 0 的数量增长。高 坝大库的兴建，使库区环境冈素改变，诱发滑坡复活或造成【l | 坡失稳。 1 2 边坡失稳预测预报的概念 预测就是通过调查和分析，对事物的动态和发展趋势，事先做出估计和评价。其 实质是利用以往的经验或数据资料认识事物的规律，最终指出事物发展的趋势或事物 在未来某时段的状态1 2 1 。 虽然事物的未来发展过程总是由必然性推移和偶然性推移组合而成，但其过程却 是连续的，并且具有规律性，这就是我们赖于进行预测的依据。预测方法大致可以分 一2 一 | j 蒙古科技人学硕+ 学位论文 为两类：是空间静态类，二是时问动态类。前者试图分析决定某个被预测量的特征 因素，给出结构方程，从而通过测量未来某时刻的因索状态得到预测值；后者不管决 定因素与变量结构，仅仪通过被预测量的历史数据总结出依时间推移的变动规律，从 而预测出该量在未来时刻的状态。 对一j ：边坡失稳预测来晚，主要有边坡失稳时间和边坡空间失稳预测。对于边坡失 稳时间预测的研究，可以充分利用现有的技术和研究成果，如利用某一单一监测数据 ( 如地下水、位移、声发射等) 建立边坡失稳预测模型，对失稳时间进行预报，尽管 某一啦一监测数据不能全面刻画边坡的全过程，但从中可提取出边坡系统的演化信 息，这方面的研究已证明了其实效性。而对于边坡空间失稳预测，由于边坡发生的地 点不同，岩体结构各异，各种因素交叉作用，使得这一研究难以深入。本文主要进行 的1 ：作是对边坡失稳时间进行预测，对于边坡的空间失稳预测并不涉及。 1 3 边坡失稳预测研究的意义及预测系统的总体规划 近年来，随着经济的f 1 益发展，在诸如水电、露天采矿、能源及交通等地质工程 活动领域出现了越来越多的高陡边坡，而这些边坡往往又成为制约该工程是否经济合 理乃至成败的重要因素。因此，如何经济、安全可靠地设计合理的边坡工程或分析评 价天然边坡的稳定性，进而对边坡的未来稳定状况做出预测，其重大的意义越发显得 突出。 露天矿边坡是人工边坡中规模较大、坡高较高的边坡，而且也是较易发生滑坡破 坏的边坡。露天矿边坡一旦造成滑坡，其损失是难于估计的。比如“稀土基地，_ 一白 云鄂博露天矿，它的边坡规模非常大。随着开采深度的加大，边坡稳定性显的更加重 要。凼此，白云鄂博东矿、主矿先后于1 9 9 1 年和1 9 9 6 年完成了边坡稳定性的研究， 在两个研究报告中指出了边坡变形破坏监测的重要性。然而由于各种原因，其监测网 一直未稚置，致使1 9 9 7 年东矿北帮发生一次长近1 0 0 米，高近5 0 米的滑体失稳而没 有提前预测预报，造成了几百万元的经济损失，如果实施了监测系统，同时根据监测 的数据对边坡未来的变形破坏的空间和时问做出预报，可及时采取有效措施使经济损 失减小到最低限度。边坡失稳预测预报有许多成功例子，例如，大冶铁矿1 9 7 9 年7 月1 1 同象鼻【且滑坡和白银露天矿1 9 8 3 年7 月9 同的滑坡，分别在滑坡前2 3 天做 出预报，避免了人员和设备的损失。对于白云鄂博露天矿而言，东矿滑体的存在严重 威胁着东矿安全生产的正常进行。因此，对该滑体失稳破坏的预测预报研究具有重要 的经济和社会效益。 边坡从小变形到失稳破坏演化的过去、现在和将来之间存在着一定的纵向发展逻 3 内蒙占科技人学硕士学位论文 辑关系。这种因果关系是受一定的自然规律的控制，应用地质、力学、数学理论等及 现代技术，可以预报边坡失稳的时间。 边坡失稳预报是建立在对边坡演化过程及现状进行深入研究和科学分析的基础 之上。边坡的工程地质测绘是边坡失稳预测的前提条件，没有边坡的工程地质测绘， 边坡的受力破坏凼素弄不清楚，失稳预测则无从谈起。因而边坡的工程地质测绘是本 论文所必须首先解决的问题，查清边坡的地质环境和影响因素，分析边坡破坏的根本 原因，从而为后面的失稳预测做准备【3 j 。 边坡的长期观测与边坡失稳时问预测是定时预报的基石。长期观测的主要目的是 为边坡预测提供所必须的物理、力学参数。没有观测数据，数学预测模型就不可能建 立，进而边坡的预测是不可能的【4 i 。边坡失稳定时预报既是边坡失稳灾害防治决策的 重要基础，又是边坡失稳灾害防治的组成部分。它是减轻边坡失稳灾害的关键，也是 滑坡学研究的前沿课题。因此，对于本论文来说，边坡失稳预测是核心内容，本论文 的最终目的就是通过对边坡位移的分析，进行预测从而搞清楚其破坏的时间，进而根 据预测结果对可能发生的边坡破坏进行防治，把边坡失稳所造成的损失降低到最低限 度。这也就足说，边坡失稳预测的丰要工作就是建立合适的预测模型，预测模型的选 择是否合适，关系到预测的结果是否合理p j 。 本文主要依据长期观测得到的边坡位移数据，利用现有的技术和研究成果，建立 边坡失稳预测模型，对失稳时间进行预报。这里面涉及的测点多、数据多、计算量大、 绘图量大、计算和绘图时间长、预测预报所需的数据转换繁杂以及相关的概念不易理 解、繁杂等问题，所有这些给传统的通过人工管理、计算数据的边坡失稳预测带来很 大的困难。通过开发边坡变形、失稳预测预报的计算机系统，可以使上述问题迎刃而 解，而且可以根据最新信息即喇对边坡变形破坏做出预报。通过丌发运行在w i n d o w 操作系统上、具有良好的用户界面的计算机应用程序，使普通的工程技术人员更加方 便地操作：通过数据库之间的有机连接，使各级数据的传递准确无误；通过图形处理， 使抽象的数据可视化，使管理人员易于决策。 通过上面的分析，本论文的主要任务已大致明确，图1 1 通过框图的形式把本论 文的内容表示出来。 d l j j 蒙占科技大学硕士学位论文 图i i 边坡失稳预测框图 5 山蒙古科技人学硕 ：学位论文 2 工程地质测绘及监测数据管理 2 1 工程地质测绘的基本概念 工程地质测绘是综合性的地质测绘，其根本任务是在地形图上填绘出测区的工程 地质条件。工程地质测绘的最终成果是绘制工程地质图，提出地区工程地质条件的评 价，测绘成果是正确规划进行其他类型地质工作( 勘探、试验、长期观测等) 的基础。 就具体边坡而吉，工程地质测绘就是查清工程地质条件、找出工程地质问题。也就是 查清边坡赋存的地质环境和影响冈素，判断是否具备边坡失稳的地质条件，为边坡失 稳预测打下基础。 在许多情况下，工程地质测绘是掌握地区： 程地质条件的一种投资少、收益快的 方法。只有通过测绘方法才能取得大面积地区、河谷结构、坝基、隧道、硐身地质结 构等的正确评价。多年的：r - 程地质勘查实践证明：预先不进行工程地质测绘就不能进 行有效的工程地质勘探，在这种情况一i - - n 取得的勘探结果往往是难以分析，或者对地 质结构得出不正确的结论。 2 2 工程地质测绘的具体内容 l ：程地质测绘主要分为两大部分：边坡的地质环境：边坡的动力条件。 2 2 1 边坡的地质环境 边坡的地质环境主要分为四个方面【6 j ： ( 1 ) 、边坡岩体介质；( 2 ) 、岩体结构；( 3 ) 、地应力场；( 4 ) 、水文地质条件。 ( 1 ) 边坡岩体介质分析边坡岩体的介质也即分析组成边坡的岩土的类型和性质 对产生滑坡的影响。在坚硬的岩石中，岩石的抗剪强度较大，能够经受较大的剪切力 而使其不变形滑动，于是发生滑坡的可能性很小【 】。但岩体内若夹有软弱破砰带或风 化层，当边坡陡时，在有地下水活动的情况下，如遇到暴雨、水浸泡软弱破碎带岩土， 使其抗剪强度大幅度降低，则易产生沿软弱面( 带) 的滑动。 在软质易风化岩层中，干燥时，岩层风化成散碎岩屑或碎片，当受水作用潮湿后， 容易形成表面溜滑。在这类岩层中开挖路瓤或基坑，如果边坡较陡，则非常容易产生 滑坡，尤其是在水的作用下更是如此。 6 内蒙占科技大学硕士学位论文 在粘性土层中，一般上部地层较松散，易渗水：下部地层比较致密而起隔水作用。 当水下渗后，在分界处构成软弱结构面，常引起上层士体沿此软弱面滑动。在坡积土 层中，当其含水量较大时，抗剪强度会显著降低，此时坡积土易沿下伏基岩而滑动。 ( 2 ) 岩体的结构边坡的岩体结构对其稳定性具有极其重要影日向。在了解岩体结构 对边坡失稳的影响之前，对岩体的结构作一下简要的介绍。岩体具有其自身的结构， 但由于岩体宏观不连续所具有的控制作用，因此岩体结构研究中，不象土结构那样注 重细观和微观结构特征，而特别注意宏观结构特征，为了便于叙述，现介绍岩体结构 中的两大要素或称岩体结构单元。 结构面结构面是指岩体内开裂的和易，l 裂的地质界面。它是由一定的地质实 体抽象出来的概念术语，它在横向延展上具有面的几何特征，而在垂直方向上则与儿 何学中的面不同。它常填充有一定的物质、具有一定的厚度，不是等同于真实的几何 学的面。在地质实体中，结构面是由一定的物质组成的，如节理和裂隙是由两个面及 丽间充填的水或气的实体组成的。断层及层问错动面也是由卜下盘两个面及面问充填 的断层泥和水( 气) 构成的地质体组成的。岩体内的结构面及受其控制下形成的岩体 结构控制着岩体的变形、破坏机制及力学法则。 结构体结构体是被结构面切割成的岩块，也是具有一定地质实体特征的概念 术语。它们是将地质信息抽象为地质模型和力学模型的很有价值的要素之一。结构体 特征可以用结构体形状、块度及产状描述，和结构面一样，结构体也是有级序的。结 构体与结构面是相互依存的，主要表现在三个方面： 结构体形状和结构面的组合密切相关：结构体块度或尺寸与结构面的间距密切相 关；结构体级序与结构面级序亦具有相互依存关系。 ( 3 1 地应力场在岩体土体的力学性质中，很重要一点是与应力大小密切相关。对 于边坡的稳定性来说，研究地应力显的尤其重要。因为边坡的失稳破坏，从根本上说， 是在各种因素及地质条件相互作用。f ，使斜坡的岩土发生剪切破坏而引起的，滑坡的 发生决定于斜坡内部的岩土强度与f 滑的剪切力之闻的相互关系，当下滑的剪切力大 于岩土强度所形成的抗滑力时，斜坡就会变形，直至破坏滑动。而下滑的剪切力则与 地应力有关，通过对地应力的分析，得出产生下滑的剪切力的原因，从而对后面的预 测提供分析依据。地应力按其构造成因来分，可分为三大类：非构造应力：构造应力： 残余应力。 非构造应力非构造应力可分为地形应力、采动应力、荷载应力、胀缩应力四 种。对于地形应力来说，其是指由于地形变化引起的地应力。尤其是峡谷地形的谷底 经常出现地应力集中的现象，而且河流切割越深应力集中的程度越加剧。如我国一滩 水电站坝址河谷区，经地应力测景及岩芯的研究结果表明，谷底应力集中达1 6 0 米左 7 内蒙_ 占科技人学硕士学位沦文 右。峡谷地形经常出现地应力的现琢。 对于采动应力来说，其是指在人工开挖地而工程和地下工程时，经常引起工程周 围地质体的应力调整及重新分布，它与地形应力一样不形成新的应力。 对于荷载应力来说，其是指人工加载或卸载引起的应力。例如，建造高层建筑， 桩基、桥墩、大坝、水库等高大建筑物后，其重量必然传递到地质体上，如果地质体 的局部产生过大的应力，即会危及建筑物基础的稳定和安全。同样载荷也会引起岩体 内部的j 、t 力变化。 对于胀缩应力来醴，其是指地质体改变了原来的物理、化学环境以后，包括外来 物质成分的加入等，使其体积发生膨胀或收缩而产生的应力。因这里主要是谈非构造 应力，因此多是在地表附近、地下浅部、人为工程附近等局部地点出现胀缩应力，并 0 i 包括地壳深处一些岩石的胀缩变化，以及岩浆作用、变质作用等引起的岩矿体积胀 缩所发生的应力变化。如地温变化的影响，水、气的影响。水、气的影响中，除了孔 隙压力变化有影n 向外，还存在物理化学变化的影响，如膨胀岩的吸水膨胀，煤吸附瓦 斯后的体积膨胀等。这些都会引起应力的变化。 构造应力构造应力是指导致构造运动，产生构造应变，形成各种构造形迹的 那部分地应力。它可分为自重应力、边界应力、体力应力和地球物理应力四部分。 其中，自重应力是指地质体自重所产生的应力。对于平坦地层，按弹性理论，则 有水平应力( 口。) 和垂直应力( 仃，) 的表达式： 盯。= p g h 】 = 圭p g h f l vj 式中，密度： g 重力加速度； h 埋藏深度； v 泊松比。 按这种计算，吼一般仅仅为盯。的1 3 左右，而世界各国实测地应力绝大多数是水 平应力大于垂直应力。垂直应力值往往与岩体的自重力大体对应。凶此，地壳巾一i 仅 确有白重力的存在，而且自重力在大多数情况下可能是垂直应力的重要来源，也是水 平应力的一小部分。 边界应力系指由于地块形状，边界外力以及协调条件变化所引起的应力。发育的 r 一 内蒙占科技大学硕士学位论文 地质构造把地壳划分成为许多程度不同的块体，这些块体又处于运动之中，必然会引 起块体之间边界上应力的变化，这可通过对段块构造的分析加以确定。 体力应力是指由体力作用形成的应力。前面介绍的自重应力即是体力的一种，但 因为自重应力所具有的独特意义，因此单独叙述，除此之外，还有引力、离心力、惯 性力等。如潮汐的引力是大家所熟悉的，它是潮汐地震的主要来源。 地球物理应力是指由于某些地球物理指标的改变所引起的应力，诸如地磁、地电、 地热等的变化引起的应力，关于这方面的研究开展得比较少。 残余应力残余应力是指除出外力作用以后，尚残存在岩体中的应力。它在岩 石建造过程中形成的，由于这种残余应力值甚小，往往只有零点几兆帕，所以在日常 地应力数值中并没有将它扣除，而是简单地“忽略不计”。 ( 4 ) 水文地质条件水文地质条件对滑坡的影响主要表现在降雨、地表水、和地下 水影响三个方面p l 。 降雨对滑坡的影响降雨对滑坡的影响，主要表现在雨水的下渗。在降水量较 火、雨季持续时间较长的地区，雨水大量渗入使斜坡上的岩土层潮湿软化，并达到饱 和，甚至在斜坡下部的隔水层上积水，使斜坡上滑体的重量增加，而斜坡岩土的抗剪 强度却降低，最终导致发生滑坡。在干旱地区和半干旱地区，尤其是在粘土层或粘土 质岩石层，炎热干燥的气候使粘土干裂，此时若遇到暴雨，水沿裂隙大量渗入岩体内 部而产生滑坡。一般晚来，浅层滑坡往往在雨季中十分活跃，中厚层及大型滑坡一般 在雨季的中后期活动。滑坡调查也表明，不少滑坡具有“大雨大滑、小雨小滑、无雨 刁i 滑”的特点。 地表水对滑坡的影响降雨后地面上的流动水和江河湖海的水都对滑坡的产 生有影响，地表水的下渗，不仅增加斜坡上土体的含水量，增加岩土体重量，而且当 水渗入不透水层土时，使接触面湿润，减少磨擦阻力及粘聚力，从而产生滑动。此外， 地表及江河水流不断地冲刷切害8 岩坡，使岩坡逐渐增商变陡，并削弱l l | 坡的支撑部分， 引起山坡下滑。 地下水对边坡的影响地下水的增加，会使斜坡上的岩土体含水量增加；而斜 坡岩土的含水量增加，会大大降低岩土的力学强度。如红土的含水量增加到3 5 时， 其抗剪强度就会降低6 0 以卜，泥岩和页岩饱水时的抗剪强度比天然状念下的抗剪 强度降低3 0 4 0 。地下水位的增高，会使斜坡的岩土体重量增加，下滑力增加， 而且浸湿范围加大，从而大大降低岩土体的粘聚力。此外地下水流速的加大，会促使 斜坡体内的岩土受潜蚀，从而破坏斜坡的稳定性。 一9 一 内蒙古科技大学硕十学位论文 2 2 2 边坡的动力条件 动力条件分为人为因素的影响、地震两部分f 3 】。 ( 1 ) 人为因素的影响人为因素的影响造成的滑坡己越来越多，据滑坡调查表明， 建国以来发生的滑坡中有近一半的滑坡与不合理的工程与开发活动有关。随着国民经 济的高速发展和土地的限制，工程滑坡问题也会越来越严重，人为引起的滑坡主要表 现在以下几个方面i j5 1 ： 破坏坡角支撑；斜坡顶部加栽：破坏坡体的排水系统和表层覆盖：不合理的开采。 ( 2 ) 地震因素的影响地震可分为自然地震和爆破地震两种情况，这两者对滑坡 都有着极大的影响。地震的强烈作用使斜坡岩土的内部结构发生破坏和变化，原有的 结构面张裂、松弛，加卜地下水的较大变化，以及地下水位的突然升高或降低，对斜 坡的稳定性产生很不利的影响。此外，一次强烈地震的发生，往往会伴随着许多余震， 在地震力的反复振动冲击卜，斜坡体上的岩土容易发生变形破坏 1 6 1 。 通过对以上内容的分析，其根本目的是查清出边坡赋存的地质环境和影响因素， 从而对边坡失稳进行空问预测，判断其失稳或变形的形式，失稳的范围、方量和方向 等( 如图2 1 所示) ，并且要制订长期观测的原则和措施。从而为后面的观测点的选 择提供依据。 2 3 位移数据的观测 图2 1 空间预测的主要内容 经过上述的工程地质测绘后，从而进行边坡失稳的空间预测，确定了观测点的位 置，也即确定出边坡最有可能发生破坏的位置，接下来的工作就是对该观测点进行位 移的长期观测，从而测得建立预测模型所需要的原始数据。 一1 0 内蒙占科技人学硕士学伉论文 2 3 1 露天矿边坡特点 具体到矿山边坡来说，它是种临时或半永久性边坡，它允朗：发生少量滑塌甚至 局部性舰模较大的滑塌，但不允许突然发生造成人员伤亡或重大经济损失的滑塌。因 此，与其它工程边坡相比，露大矿山边坡具有如下特点： 多为岩质边坡，边坡高，坡角陡，安全系数较低； 随矿体开采逐渐增高，有一定的服务年限； 多处于裸露状态，直接承受风化等自然力的作用，并遭受诸如爆破等动力作用的 影响； 对于金属矿山，囡受浅部构造的影响，： 程地质条件通常较为复杂。边坡稳定主 要受大型不连续面控制，特别是煤矿，软弱泥质岩层和地下水是边坡稳定的主要影响 因素。 ( 1 ) 边坡监测的任务是： 提供边坡恶性发展的报警，以保证作业人员及设备的安全，且在变形趋稳时解除 警报，以利组织生产； 提供可靠的监测资料以识别不稳定边坡的变形和潜在破坏的机制及其影响范围， 以制定防灾、减灾措施： 对丁矿山边坡，提供信息以便矿山调整采、掘计划，甚至修改设计： 参与提出处理潜在滑体方案，为方案的实施提供安全监测，并对处理效果提出评 价。 边坡监测的目的是对可能发生滑坡的危险边坡进行观测，查明滑动性质、滑体规 模和准确预报滑坡等以确保生产安全，避免灾难性事故的发生。 ( 2 ) 露大矿边坡监测的内容包括： 边坡而上移动值的大小和分布，移动的过程、规律； 滑动面位置、形状，滑体的大小、滑动方向； 边坡移动对坡顶及其附近各种建筑物的危害程度； 加固措施的效果。 2 3 1 露天矿边坡的监测 观测点的长期观测包括许多方面，其主要目的是为边坡失稳预测提供物理参数和 力学参数。就位移监测方面，包括地面位移监测和深部位移监测。近些年来，随着科 学技术的发展，位移监测技术也取得了较大的进展，从原来的测距桩、伸长计、地面 1 1 内蒙古科技犬学硕士学何论文 三角水准网等，目前已发展到计算机数据采集和过程控制的多点边坡位移自动记录 仪、遥控位移测量系统( 雷达、红外线) 。不仅监测的方法增多，而且测量数据的准 确度和精度都得到了很大的提高。 ( 1 1 观测点的布置j j 7 j 观测点应硝i 置在下列地段：工程地质条件较复杂，如断层、破碎带、风化带、岩 层节理发育等地段；受地下水和地表水危害较大的地段；运输枢纽；己形成较高的边 坡和服务年限较长的地段；正在进行边坡治理的地段。 观测线的条数取决于滑坡范围( 监测范围) 的大小、边坡岩石力学性质变化情况 及地质条件复杂程度。一般在滑体中央部分、沿预计的最大滑动速度方向( 多数情况 为大致垂直于露天矿边坡走向方向) 布置一条，在其两侧再稚设若干条。在滑体具有 特征性的部位应设专门的观测点进行监测，当发现某些观测点有移动时，可在这些观 测点的上、下、左、右增设观测点，以便准确确定边坡移动范围。 ( 2 ) 采样间隔 对于非时间或连续过程关联的数据，不存在采样间隔的问题，如岩土参数的室内 测定，每种测试一般需重复5 次左右，每次实测数据不与时间关联。而滑坡位移值则 是连续时间，的函数，当我们观测滑坡位移值时，总是一定间隔测一次，这其中就有 一个采样间隔问题。如对一个时间序列型数据，在等问隔上取值，可得到一组时间序 列值： 在x ( f ) 的采样过程中，不同的采样问隔a i 可以得到不同的数字数据序列，这种离 散的序列抛弃了z ( ，) 在如+ y j 和“+ f ? 之问的值，即这部分信息在采样后丧失 女一ii ；1 了。显然f 愈小，信息损失就愈少。但随着f 的减小，采样和统计处理的数据量也 就愈大，不仅采样时花费的人力、物力和财力要增多，而且在数据处理时需要计算机 内存及c p u 时间也增加了，所以采样问隔不能无限制地减小。 s h a n n o n 采样定理给出了理论的采样间隔时间，规定了能从采样数据复现原信号 所必须的最小采样频率( 或最大采样间隔) 。尽管由于很难事先确定有序型数列的总 体频率特性，我们还是j ，以根掘经验、直观和实际的物理要求，参照采样定理，在不 过分减小信息损失和不过分增加数据量之间做出合理的选择p j 。 对于本边坡失稳预测系统而言，由上面的分析结合本边坡时间序列数据的具体特 点，时问序列数据的时问问隔选择为等时间间隔。在等时间问隔中，问隔值的选择是 一1 2 内蒙占科技大学硕士学位论文 其核心问题，时间序列数据的时间间隔选择太人反映不了时问序列数据所实际反映的 真实情况；时间序列数据的时间间隔选择太小，虽然时间序列数据的信息损失量较小， 但统计所需的数量增加，各利偶然因素的影响较大，对计算机的硬件配置较高。根据 白云鄂博铁矿东矿边坡的实际测点的监测情况，选择时间序列数据的时间间隔为1 天。 ：面讨论了等时间间隔的情况f 时间问隔的选择，在不等时间间隔的情况下，涉 及到时间间隔的变化情况，简单的情况下时间f h 】隔简单地按照有规律的递增或递减的 方式变化，如简单的等差数列。这种情况下，在等时间间隔计算的基础上作适当的改 变，依然可按照上述的方法进行分析；但如时间间隔的变化较复杂，变化的规律性不 明显，这种情况下的计算就个- - h 。t 简单的套用上述的公式分析，而应根据具体情况建立 相应的数学函数关系式，结合具体的特点来进行分析。 ( 3 ) 现场实测 对于本论文来说，所需测的数据为观测点的地表位移，它是通过对某- - n 点的不 同时期的空间坐标h ( x ，y ，z ) ，h ：( x ，y ，z ) ，日。( z ，y ，z ) 的测量而计算得到的。故 测量方法采用地表位移监测。 具体的步骤包括以下三步： 监测仪器的选择 光电测距一经纬仪及其觇标； 监测点的布置 依据上述测点布置原则布置测点。 现场实测 根据上述的三个步骤结合具体测点的实际情况来进行具体的测点的位移数据测 量。 2 4 观测数据的管理 根据前面的位移观测测出在不同时间测点的空间坐标值后，紧接着的工作就是通 过同- n 点的不同时刻的位置而计算出该测点的位移。 为了便于数据的以后处理，需要对这些数据进行管理，通过在计算机编程建立位 移预测应用系统的数据库管理予系统，来对所测数据进行管理，数掘库管理系统的基 本结构如图2 2 所示： 下面把数据库管理系统中涉及的步骤作以下简述： 一、建立原始数据库 一1 3 一 内蒙古科技人学硕士学位论文 原始数据库的建立主要是通过在计算机程序中建立一个具有增加、删除、修改和 查洵等功能的数据库，对原始数据进行管理，从而方便工程技术人员及时根据具体情 况对数掘进行必要的修改、增加和查询。 图2 2 数据库管理结构框架图 二、观测数据的检验和预处理 在工程地质工作中，数据类型是多种多样的，应对其进行分类检验之后，再作处 理；测量数据常是时间、空间或某一过程的连续函数，实测时，往往只能按定的间 隔取值，怎样合理的选择采样的间隔，使得收集的样本能表征母体的性质，这在上边 已经讨论过；其次，在得到大量的观测数据之后，还要进行初步的整理和必要的检验， 以期去粗取精，去伪存真，为进一步深入分析提供了可靠的依据和参考1 6 j 。 ( 1 ) 监测数据的性质 岩质边坡监测数据的性质主要表现在几个方面： 综合性 监测数据是多种因素( 开挖、爆破、降水等) 综合作用的结果，其中蕴含着环境 因素、工程因素、仪器设备误差作用量，如何采用合适的数学方法剔除误差，分解各 种因素的作用量，对把握边坡的稳定状况无疑有重要的作用。 趋势性 尽管存在仪器误差及各种人为因素、环境因素所形成的误差，但检测数据仍然还 有一定的趋势性，如加速趋势、减速趋势等，它代表边坡运动的基本特征。 联系性与独立性 岩质边坡各个不同部位的运动状态是不一样的，但某些部位又是相互影响、相互 联系的，阕此岩质边坡的监测信息既有某些测点的突出个体特性又有较多的相互联系 一1 4 内蒙古科技大学硕十学位论文 的特性，这一特性的揭示对认识边坡的变形破坏机制有重要意义。监测资料的联系性 丰要表现在三个方面：t 时间上的联系性，是指测点监测资料的事件关联性，揭示 边坡运动随时问变化的规律性：i i 空间联系性，是指边坡上不同测点之间的运动状 态具有联系性，通过空i d j 上平面、剖面不同测点之间的运动特点的联系性分析，从平 面上可以圈定变形破坏范围的变化，从剖面上可以分析破坏机制的变化、边坡变形破 坏的爿i 断扩大或停止，从而对认识整个边坡的不同阶段的稳定性起重要作用；i i i 环 境联系性是指影响边坡稳定性的环境因素和边坡运动的联系性，如降水量、地下水位 和边坡累计位移的联系性，这一联系对认识环境因素对边坡稳定性的作用有重要的影 向。 ( 2 ) 监测资料的预处理 为了消除监测资料的误差，增补缺少的检测值，有必要进行监测数据的修匀、插 补等预处理。 监测数据的修匀法 为了消除偶然误差，使监测数据成为一条连续光滑曲线可用三点移动修匀法来处 理。 设f 为时间坐标，y 为测点值，y 为修匀值，若相似三点有线性关系，可根据最 小二乘法求直线方程： v = a t + b 式中a 、b 为系数。 由最小一：乘法，使测点的残差平方和为最小 月 “= ( y 一y i ) 2 e ( a t ，+ b - y ，) 2 = m i n 须使 o u o a o u o a 0 0 求解方程组可得相邻- - n 点的修匀坐标( r 、y j ) 分别为 一1 5 一 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 内蒙古科技人学硕十学位论文 e ( + f 2 + f 3 ) ， e ( f 2 + t 3 + t d ) ；( f 。+ f 。+ o ) ， ；( _ y ，+ y ：+ _ y ，) ( y ! + y 3 + y 4 ) ( 2 5 ) 由( 2 5 ) 可知，三点移动平均法的修匀点为三点所构成的三角形的j l 何重心。 这样就易于用简单的几何方法来在野外处理