（采矿工程专业论文）复杂条件下滑坡体稳定性及滑坡趋势预测研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 采矿引起山体滑坡是人类活动引发滑坡灾害中最广泛、最严重的 灾害形式之一，严重地制约着采矿业的可持续发展。矿山滑坡工程问 题的研究是一个复杂的系统工程，存在着大量复杂的不确定性和隐蔽 性因素，如何利用获得的有限资料，对滑坡体稳定性进行综合评价， 理清其稳定性影响因素并建立有效的滑坡趋势及强度预测预报模型， 意义重大。针对所面临的问题，本文结合河南灵宝大湖滑坡工程项目， 应用统计学理论及最新发展起来的未确知数学理论、神经网络理论、 灰色理论等对其进行研究，取得了以下成果和结论，有望对矿山滑坡 工程问题的研究起到一定的促进作用。 1 ) 针对矿山滑坡存在着大量未确知性信息，引入未确知数学理 论对影响滑坡体稳定性的耦合成灾因素进行了分析，从滑坡体和采空 区两个方面选取岩土体特性、新构造运动特征、坡高、坡角、年平均 降雨量、场地地震烈度、地下水、地下水体、矿柱尺寸和布置、采空 区规格形状、工程布置、岩石质量指标、空区跨度、面积、高度、埋 藏深度等1 6 个影响因素作为边坡稳定性综合评价指标，首次系统地 建立了耦合成灾因素下滑坡体稳定性的综合分析模型，该模型不仅可 以实现耦合成灾因素下滑坡体稳定性的综合评价，还可以按照其危险 程度进行排序，为合理有序的治理滑坡灾害提供依据。 2 ) 由于滑坡地质过程、形成条件、诱发因素的复杂性、多样性 及其变化的随机性和复杂性，从而导致滑坡动态信息极难捕捉，加之 滑坡动态监测技术的不成熟和滑坡预报理论的不完善，滑坡变形预测 一直被认为是一项十分困难的前沿课题。本文采用灰色一广义回归神 经网络联合模型对滑坡变形的趋势及随机项进行预测，以期适应滑坡 变形预测的随机性及复杂性的特点，此既利用灰色系统理论具有所需 要的样本数据少，原理简单，运算方便，短期预测精度高，可检验等 优点，也发挥神经网络并行计算，容错能力强，自适应能力强等优点， 模型既克服了原始数据少，数据波动性大对预测精度的影响，也增强 了预测的自适应性。 3 ) 滑坡活动强度的预测预报是滑坡空间预测预报工作中极为重 要的方面，它是滑坡灾情损失预测的基础。本文主要针对滑坡距离及 滑坡的冲击力进行研究，基于广义神经网络提出了滑坡强度预测模 中南大学硕士学位论文 摘要 型，该模型可以预测滑坡距离、堆积区滑体厚度及堆积区滑体宽度； 基于力学理论建立了滑坡冲击力的估算模型，该模型可以计算出在不 同静载变形所对应的滑坡冲击力。 4 ) 将本文建立的边坡稳定性未确知综合预测模型、灰色广义 回归神经网络耦合模型、滑坡距离及滑坡冲击力预测模型应用到了河 南灵宝大湖滑坡工程项目中，为河南灵宝滑坡体科学合理地综合治理 提供了科学的理论依据。 关键词：矿山滑坡；未确知数学；灰色理论；广义回归神经网络；滑 坡距离；滑坡冲击力 i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i n el a n d s l i d ed i s a s t e ri so n eo ft h em o s ts e r i o u sp r o b l e m so f l a n d s l i d eh a z a r d si n d u c e db yh u m a na c t i v i t y ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t m i n es a f e t yp r o d u c t i o na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t m i n el a n d s l i d e e n g i n e e r i n g i sac o m p l e xs y s t e me n g i n e e r i n g ，i nw h i c ht h e r ee x i s t s n u m e r o u sc o m p l i c a t e df a c t o r so fu n c e r t a i n t ya n du n k n o w n i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c et oc o m p r e h e n s i v e l ye v a l u a t et h es t a b i l i t y , f i g u r eo u tt h e i n f l u e n c e df a c t o r su n d e rt h el i m i t e do b t a i n e di n f o r m a t i o n ，a n df o r m e f f e c t i v ef o r e c a s t i n gm o d e lo f s l i d i n gt e n d e n c ya n ds t r e n g t hp r e d i c t i o no f m i n el a n d s l i d e i nt h i sp a p e r ，t h e s er e g a r d sa r es t u d i e di nc o n n e c t i o nw i t h t h ep r o g r a mo fl i n g b a ol a n d s l i d ee n g i n e e r i n ga n dw i t ht h eu s eo fa p p l i e d s t a t i s t i c st h e o r y ，n e u r a ln e t w o r km e t h o da n df u z z yt h e o r y ，e t c t h em a i n c o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) b a s e do nu n a s c e r t a i n e dm e a s u r e m e n tt h e o r y , ac o m p r e h e n s i v e l y e v a l u a t i o nc o u p l i n gm o d e lu n d e rv a r i o u sf a c t so fl a n d s l i d es t a b i l i t yi s e s t a b l i s h e df i r s t l y , i n c l u d i n gs i x t e e ni n d e x e sr e f l e c t i n gt h es t a b i l i t yo f s l o p ef r o mt h ec o n d i t i o n sb o t ht h el a n d s l i d ea n dt h eg o a fs u c ha sr o c ka n d s o i l c h a r a c t e r i s t i c s ，c o n s t r u c t i o no ft h en e wc a m p a i g nf e a t u r e s ；s l o p e w e i g h t ，s l o p ea n g l e ，t h ea v e r a g ea n n u a lr a i n f a l l ，t h es i t es e i s m i ci n t e n s i t y , w a t e r , g r o u n d w a t e r , p i l l a r s i z ea n dl a y o u t ，t h e s h a p e o ft h e g o a f s p e c i f i c a t i o n s ，e n g i n e e r i n gl a y o u t ，r o c kq u a l i t y , l o n g s p a n g o a f , a r e a ， h e i g h t ，d e p t he ta 1 t h em o d e lc a na c h i e v ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n u n d e rt h ec o u p l i n gf a c t o ri nl a n d s l i d ed i s a s t e r , a n dc a ng i v et h e i rd e g r e e o r d e ro fd a n g e rs o r t 2 ) t h ef o r e c a s to fl a n d s li d ed e f o r m a t i o nh a sb e e nc o n s i d e r e dt ob ea v e r y d i f f i c u l t s u b j e c tf o r w a r d ，f o rt h ec o m p l e x i t ya n d d i v e r s i t y o f l a n d s l i d eg e o l o g i c a lp r o c e s s ，t h ec o n d i t i o n so ff o r m a t i o na n di n d u c e d f a c t o r s ，a n ds o a st ot h ed i v e r s i t ya n dr a n d o m n e s so ft h e i rv a r i a t i o n ， w h i c hl e a d t ot h e c a p t u r eo ft h ed y n a m i ci n f o r m a t i o no fl a n d s l i d e s e x t r e m e l yd i f f i c u l t ，c o m b i n e dw i t ht h ei m m a t u r i t yo fd y n a m i cm o n i t o r i n g t e c h n o l o g yo fl a n d s l i d e sa n dt h ei m p e r f e c t i o no ff o r e c a s t i n gt h e o r y t h i s p a p e rp r e d i c t st h et r e n da n dr a n d o mi t e m so fl a n d s l i d ed e f o r m a t i o nb y i i i 中南大学硕士学位论文 a d o p t i n g ag r a y ( g r ) 一g e n e r a lr e g r e s s i o nn e u r a l n e t w o r k ( g r n n ) c o u p l i n gm o d e l ，谢t hav i e wt om e e tt h ec h a r a c t e ro ft h er a n d o m n e s sa n d c o m p l e x i t yo f t h ef o r e c a s to fl a n d s l i d ed e f o r m a t i o n 3 ) t h ep r e d i c t i o no ft h es e v e r i t yo fa c t i v i t yo fl a n d s l i d e s ，a l l e x t r e m e l yi m p o r t a n ta s p e c ti nt h ew o r ko fl a n d s l i d es p a c ef o r e c a s t ， i s t h eb a s i so ft h ef o r e c a s to fl a n d s l i d ed i s a s t e rl o s s e s t h i sp a p e rm a i n l y s t u d y t h ed i s t a n c ea n dt h ei m p a c tf o r c eo fl a n d s l i d e s af o r e c a s t i n gm o d e l f o rl a n d s l i d ed i s t a n c eb a s e do nt h eg e n e r a ln e u r a ln e t w o r ka n da n e s t i m a t i o nm o d e lo fl a n d s l i d ei m p a c tf o r c eb a s e do nt h em e c h a n i c st h e o r y a r ep r o p o s e d 4 ) t h eu n a s c e r t a i n e di n t e g r a t e df o r e c a s t i n gm o d e lo fs l o p es t a b i l i t y 、 t h e g r a y - g e n e r a lr e g r e s s i o n n e u r a ln e t w o r kj o i n tm o d e la n dt h e f o r e c a s t i n gm o d e lo fl a n d s l i d ed i s t a n c e sa n dl a n d s l i d ei m p a c t f o r c e e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r , w h i c ha r ea p p l i e dt ot h el a n d s l i d ep r o j e c ti n l i n g b a o o fh e n a np r o v i n c e a c c o r d i n gt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s ，t h e s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ec o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n to ft h el a n d s l i d ei n l i n g b a oo fh e n a n a r ep r o v i d e d a b s t r a c t ：m i n el a n d s l i d e ；u n a s c e r t a i n e dm e a s u r e m e n tm a t h e m a t i c s ； g r a yt h e o r y ； n e u r a ln e t w o r k ；d i s p l a c eo ft h el a n d s l i d e ；t h el a n d s l i d e i m p a c tf o r c e i v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 众所周知，矿山源源不断地为其他工业部门提供原材料，在国民经济中发挥 举足轻重的作用。如果矿山生产不能正常进行，那么其后长长的产业链的运转都 将受到不同程度的打击，由此导致的直接和间接损失将是无法估量的。矿山企业 的生产直接关系着国民经济的运转，然而正如“矿山这个词语所描述的情况一 致，矿产资源绝大部分赋存于山地丘陵地区，所以，矿山生产也就普遍不可避免 地面临矿山滑坡的威胁。例如，矿山滑坡对河南省灵宝大湖金矿的巨大影响：正 常生产被迫停工、人身财产安全面临巨大威胁、潜在滑坡区要治理、公路要改道、 河流要入涵洞等等，大湖金矿仅仅是我国众多面临矿山滑坡灾害威胁矿山中的普 通一座。由此可见，对矿山滑坡进行相关研究以便为矿山滑坡防灾减灾提供理论 及技术支持具有紧迫且重大的现实意义。 滑坡是地壳表层斜坡上的岩土体，在滑坡基本因素和诱发因素共同作用下， 沿一定的滑动面整体向下滑动的一种地质灾变现象。它具有多样性，复杂性，多 因素等特征，是一种破坏力很大的多发性地质灾害。滑坡在全球范围内广泛分布， 危害极为严重【，如1 9 7 0 年秘鲁h u a s e a r a n 山区因地震而触发的一起山崩，造成 1 8 0 0 0 人死亡；1 9 6 3 年意大利v a j o n t 水库滑坡，致使当时世界上最高的双曲拱坝 失效，洪水夺走了2 6 0 0 多人的生命；1 9 8 1 年我国四川盆地因降雨而诱发大小不 等的滑坡有6 万多处，直接经济损失超过3 亿人民币。世界上滑坡灾害严重的国 家，如美国、日本、意大利、印度、中国等，每年因滑坡而造成的损失均在1 0 亿美元以上。 矿山开采引起的山体滑坡在滑坡灾害中占据相当大的比重，矿山滑坡不仅严 重的损毁工程设施、破坏矿区生产作业、导致人员伤亡、造成巨大的财产损失， 还会破坏森林植被、损毁农田、形成泥石流、加剧水土流失和荒漠化程度。矿山 滑坡灾害已引起全球广泛关注【2 , 3 】，在美国、加拿大、澳大利亚、德国及南非等 国家均有大量关于矿山滑坡灾害的报道【4 期。加拿大s o u t h w a l e sc o a l f i e l d 煤田、 德国b a l k e m a 矿区、斯里兰卡高原矿区、澳大利亚o k t e d i 和p o r g e r a 矿山等都因开 采引起较大的山体滑坡灾害，同时也加剧了矿区生态退化及荒漠化的环境损害 7 , 8 1 。仅加拿大和美国每年因滑坡造成的经济损失就高达2 2 亿美元。 西部是我国2 1 世纪矿产资源的主要开发区域，西部矿区多处于山区地表， 地质构造复杂，矿层多以大倾角、大厚度方式赋存，这些条件决定了开采引起滑 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 坡灾害的屡屡发生。开采引起的滑坡不同于一般意义的滑坡，它是由开采方法、 覆岩赋存条件、地表地形条件等复杂因素决定的，是一个复杂系统，具有隐蔽性、 突发性、扩展性，治理难度非常大。许多研究表明，矿山滑坡是由开采引起覆岩 沿岩层中的软弱层滑移或地表松散堆积层在爆破震动和开采扰动作用下发生的 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 】，这些特性决定了许多开采引起滑坡发生在开采地表移动角以外，是一 个复杂系统协同作用的结果，而不是一个单纯的开采地表沉陷及滑坡问题。西部 矿区开采引起的许多滑坡灾害也说明了开采诱发滑坡是由地下开采系统、覆岩赋 存系统、地表地貌协同作用的复杂系统。要解决矿山滑坡问题，就要分析影响矿 山斜坡稳定性的各种因素，理清其内因和诱因( 外因) ，在此基础上运用相关理论 进行合理的灾害预测预报，如此才可能有效减轻甚至避免矿山滑坡危害。 矿山滑坡危害巨大，但目前情况下我国还没有足够的经济和技术力量对滑坡 灾害点进行全面的治理，因此开展有效的滑坡灾害预测预报研究不失为解决当前 问题的有效途径与方法。人类不能完全消除滑坡灾害，但可以采取积极的、有效 的方法来减轻这种灾害，这已经被一些实例多次证明。如1 9 8 5 年6 月1 2 日凌晨， 位于长江三峡上游的新滩古镇发生大滑坡，滑坡体积约为3 1 07 m 3 ，滑动面积约 为1 1 k m 2 ，滑速1 0 - 3 0 m s ，最大涌浪高3 0 m 。波及上下游各约l o k m ，整个新 滩古镇被毁，但由于预报及时准确，撤离措施果断有效，滑区内居住的4 5 7 户 1 3 7 1 无一人伤亡，创造了滑坡预报史上的奇迹，其效益与费用比为4 4 ：1 ( 孙广忠， 1 9 9 0 ) ；1 9 9 5 年1 月3 1 日，黄茨大滑坡发生，近6 0 0 万m 3 的滑坡直泻而下，整 个滑坡历时9 0 m i n 1 3 】，由于预报准确，减灾防灾措施及时有效，没有造成任何人 员伤亡，财产损失也极小。美国加利福尼亚州矿山及地质办公室对加州 1 9 7 0 2 0 0 0 年的滑坡灾害损失做了估计，如果采取地质调查、合适的工程措施， 以及有效的土地利用控制手段，其灾害损失将减少9 0 以上，而相应的效益与费 用之比大于9 ：1 【1 4 】。由此，可见滑坡预测预报研究的重要性。 采矿引起山体滑坡灾害是人类活动引发滑坡灾害最广泛、最严重的部分，严 重地制约着采矿业的可持续发展，随着西部资源大开发，这一问题将更加突出 1 4 , 1 5 】。因此，对矿山滑坡进行充分地研究，理清其影响因素并建立有效的预测预 报模型体系的是减少矿山滑坡灾害，改善矿区生态环境亟待解决的问题，它的研 究具有重大的理论、经济价值和社会意义。 1 2 课题来源 河南省灵宝大湖金矿始建于1 9 8 2 年5 月，位于灵宝市阳平镇境内，为全国 著名黄金生产基地小秦岭金矿田北矿带内规模最大的一座金矿。矿山投产二十多 年，为国家创造了巨大的经济效益，并仍具巨大的潜在经济价值。但由于长期开 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 采致使矿区地质环境逐渐恶化，2 0 0 1 年以来，矿区发生过多起采空区塌陷、滑 坡、地裂缝等地质灾害。矿区中部的滑坡体对滑坡前缘部位的选厂、设备、建筑、 公路及人民财产构成了严重的威胁。为此，对其滑坡体稳定性及滑动趋势的研究 意义重大。 本文将以项目河南灵宝大湖金矿滑坡治理与采矿方法研究为依托，结合 自己主持的中南大学米塔尔创新项目复杂条件下采空区上大型滑坡体安全治理 技术研究( 编号：0 7 似1 4 ) 及中南大学学位创新项目不确定信息下滑坡体 滑动趋势及强度研究( 编号：1 4 4 3 7 4 4 3 5 0 0 0 0 2 0 ) 开展复杂条件下滑坡体稳定 性及滑坡趋势预测研究。 1 3 研究现状及发展趋势 1 3 1 滑坡体稳定性研究现状及发展趋势 边坡稳定性分析研究的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土 力学和岩石力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。二次世界大战前 后，边坡问题的研究尚属土力学的研究范畴，边坡稳定性分析方法主要借鉴土力 学的研究成果【l6 】。例如1 9 1 6 年由p r a n t l e 提出，f e l l e n i u s 和t a y l o r ( 1 9 2 2 ) 发展的 圆弧滑动法、1 9 5 5 年的b i s h o p 条分法、1 9 5 4 年的j a n b u 条分法和2 0 世纪7 0 年 代形成的极限平衡理论，是建立在刚塑性体模型基础上的破坏理论，是古典土力 学解决土质边坡稳定性的核心。而现代土力学是致力于土体真实破坏过程的理论 研究，它的建立要运用到损伤力学、细观力学和分形理论等现代力学分支，最后 完成对边坡破坏过程的数学模拟。 岩石边坡的研究依赖于岩石力学的发展，早期人们将简单均质弹性、弹塑性 理论为基础的半经验半理论边坡分析方法用于岩质边坡的稳定性研究，但其计算 结果与工程实际有较大差掣1 。7 1 。在2 0 世纪6 0 年代初期，随着大型工程的建设， 所形成的边坡规模加大，遇到的地质条件极其复杂，特别是1 9 6 3 年意大利v a i o n t 水库左岸的滑坡等一系列水电工程事故的发生后，促使人们对岩石力学进行深入 的研究，岩石边坡稳定性研究也向前迈进了一大步。人们清楚的认识到在岩质边 坡稳定性分析中，必须将地质分析与力学机制分析紧密结合起来，从而形成了 6 0 年代初期的刚体极限平衡法，以及结构面的力学特性对岩体滑动的影响研究。 1 9 6 7 年人们第一次尝试用有限元研究边坡的稳定性问题，给定量评价边坡的稳 定性创造条件，并使其逐步过渡到数值方法，从而使边坡稳定性研究进入模式机 制和作用过程的研究成为可能，同时以概率论为基础的可靠度方法也被引入边坡 的稳定性研究中。同一时期，我国在边坡工程稳定性研究方面也取得了丰硕的成 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 果，如岩体结构理论及相应的边坡岩体稳定性分析的岩体工程地质力学方法等。 2 0 世纪8 0 年代后，由于计算机技术的发展及岩体力学性质研究的进展，各 种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究。1 9 8 3 年孙玉科对盐池河山崩变 形机制作了平面有限元分析。1 9 9 1 年j o n s 对英国威尔士煤田边坡稳定性与采矿 沉陷性状的相关性进行了有限元分析，并用模型实验进行验证。1 9 7 1 年c u n d a l l 提出了非连续介质的离散元，用于模拟边坡的渐进破坏。1 9 9 1 年t o s h i h i s a 运用 该方法分析了日本3 0 5 国道的岩石边坡的破坏过程。1 9 8 6 年f l a c 的出现，为边 坡分析提供了一种极其有效的方法，它不但可以处理大变形问题，而且可以模拟 某一软弱面的滑动变形，能真实反映实际材料的动态行为，并可考虑锚杆、挡土 墙、抗滑桩等支护结构与围岩的相互作用，被公认为是岩土力学数值模拟行之有 效的方法。1 9 8 8 年8 r a d y 运用它对矿山倾斜采场的加固方案进行了模拟；1 9 9 3 年b i l l a u x 对6 m 高冲填体进行了模拟；1 9 9 5 年王永嘉将f 1a c 引入国内，先后在 水电、隧洞、边坡中广泛使用。 2 0 世纪9 0 年代，边坡问题的研究将传统的边坡工程地质学、现代岩土力学 和现代数学力学相结合，形成了所谓的现代边坡工程学【1 1 7 1 。同时各种现代科学 的新技术，如系统工程论、数量理论、信息理论、模糊数学、灰色理论、破坏概 率分析法、神经网络模型、耗散论、协同学、突变理论、混沌理论、分形理论等 不断用于边坡问题研究中【1 8 抡引，从而给边坡的稳定性研究提供了新理论、新方 法。 我国露天矿边坡稳定性研究从5 0 年代开始。1 9 6 5 年孙玉科、王思敬、孙广 忠在“岩质边坡稳定性的工程地质研究”中提出“岩体结构 理论的学术观点， 并先后提出岩质边坡岩体结构分类，边坡稳定性岩体结构分析，实体比例投影及 其在露天矿边坡稳定性分析中的应用等理论，并于1 9 9 9 年出版了专著中国露 天矿边坡稳定性研究。自8 0 年代以后我国矿山边坡研究工作得到了很大发展， 先后对大弧山、尖山、磐山、攀钢石英石矿、平朔露天煤矿、抚顺露天煤矿、金 川矿等几十个矿山的边坡进行了系统研究，取得了一系列的科研成果【2 心3 1 。其中， 王思敬、孙广忠、何满潮以及中国科学院地质研究所、马鞍山冶金设计研究院和 中国矿业大学等在露天矿边坡研究中都做出了重要贡献l l7 。 边坡稳定性问题的分析包含了两个相互联系的基本任务：一方面要对与人类 工程活动有关的天然斜坡或已建成的人工边坡的稳定状况、演化趋势及成灾可能 性做出评价和预测；另一方面要为设计合理的边坡制定有效的边坡整治措施提供 依据。 边坡稳定性分析的研究经历了由表及里、由浅入深、由经验到理论、由定性 到定量、由单一评价到综合评价、由传统理论方法到新理论、新技术的发展过程。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 对边坡稳定性的分析已经构成了一个科学体系，大致可分为定性分析方法、定量 分析方法( 数学模型法) 和不确定性分析方法。另外，还有物理模拟分析方法和现 场监测分析方法等等1 2 7 2 8 l 。 1 ) 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可 能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化 史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说 明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳 定状况及其发展趋势做出评价；但不能考虑其内在的应力与强度、变形与变形能 力之间的矛盾。常用的方法主要有：自然( 成因) 历史分析法；工程类比法；图解 法；s m r 方法；边坡稳定的专家系统等方法。 2 ) 定量分析方法 定性的分析方法是以大量的已有数据和工程经验为基础的，它无法为具体的 工程设计与施工提供量化的指导，而只有定量的分析才可能成为边坡稳定性评价 的重要指导。定量分析方法的基本思想是在地质分析的基础上，将复杂的问题通 过合理的抽象，得到适宜的模型，选取适宜的参数，进行边坡稳定性的定量计算， 最后将结果图形化，从而实现边坡稳定性的评价。目前广泛使用的定量分析模型 分两大类：一是基于极限平衡理论的极限平衡分析法；二是数值分析法。 ( 1 ) 极限平衡分析理论 极限平衡分析理论是将有滑动趋势范围内的边坡岩体按某种规则划分为一 个个小块体，通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡 分析1 1 7 1 。长期以来，极限平衡法在大量的边坡工程中得到应用和实践。该方法 最早由瑞典学者ke p e t t e r s s o n 与s f l u l t i n ( 1 9 1 6 ) 提出，后经e e l l e n i u s ( 1 9 2 6 ) ， j a n b u ，a wb i s h o p ( 1 9 5 5 ) ，s a r m a 等一系列的改进和修正，已经发展成为一套 具有广泛适用性的理论。目前有多种极限平衡分析方法，如：f e l l e n i u s 法、b i s h o p 法、j a n b u 法、m o r g e n s t e mp r i n c e 法、余推力法、s a r m a 法、楔体极限平衡分析 法等等。 ( 2 ) 数值计算方法 随着计算机技术的发展，自6 0 年代以来，很多数值计算方法都用到边坡稳 定分析中1 1 叼o i 。数值计算方法是将带有边值条件的常微分方程或偏微分方程离散 为线性代数方程组，采用适当的求解方法解方程组，获得基本未知量，进而根据 几何方程和物理方程，求出研究范围内的其它未知量。它往往以一定的力学本构 模型和几何模型为基础，考虑岩土体的变形和位移特征，并依据研究对象的不同 而有所差别1 2 。数值计算方法主要有：有限元( f e m ) 法；边界元( b e m ) 法；离散 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 元( d e m ) 法；块体理论( b d 与不连续变形分析( d d a ) ；无界元( i d e m ) 法等等。 从介质的连续性而言，以有限元、边界元为代表的数值方法常应用于连续介 质，而以离散元为代表的一些数值方法则常常用于非连续介质。从介质的变形特 性来说，有的仅限于小变形分析，有的则专用于大变形研究。数值分析方法能从 较大范围考虑介质的复杂性，全面地分析边坡的应力应变状态，有助于对边坡变 形和破坏机理的认识，较极限平衡法有很大改进和补充。但是数值分析方法也存 在着一定的局限性，主要表现为【”- z a i ：一是地质条件的局限性，使得地质模型及 本构关系的确定存在不可避免的偏差；二是计算参数的选取误差影响了计算精 度；三是作为数值理论和方法载体的数值软件也存在一定的偏差。因此，数值分 析方法在实际应用时受到了局限。 目前，随着数值分析方法的不断发展，出现了不同数值分析方法的结合使用， 如有限元、边界元、无限元、离散元、块体元等的相互结合；数值解与解析解的 相互结合；数理统计与数值解的相互结合等。这些方法的相互结合充分发挥了各 自的优点，能更好地反映出岩体工程的计算特点，适应岩体的非均质、不连续的 特点，更好地表现出无限域及其近场和远场效应，表达了工程因素的时空变化以 及岩体力学参数的不稳定性。这些耦合计算使得岩体结构离散合理化，复杂岩体 结构进一步简化，从而达到经济、高效的目的。 3 ) 不确定性分析方法 边坡岩体是性质极其复杂的地质介质，其力学特性参数、结构面分布规律、 工程性质等都是复杂的、多变的，呈时空变化的，具有强烈的不确定性。这些不 确定性的客观存在给边坡稳定性分析带来了巨大的困难。通过一些新的学科和理 论的引入与交叉，逐步形成了一些新的边坡稳定性分析方法，如以概率论与数理 统计为基础的可靠性分析方法、以模糊数学为基础的模糊综合评价方法、以灰色 系统理论为基础的灰色系统评价方法、以及以神经网络理论为基础的神经网络评 价方法等等。这些评价方法在边坡稳定性分析与评价中均取得了比较好的应用成 果，推动了边坡稳定性研究的发展。 ( 1 ) 可靠性分析方法 可靠性分析方法，认为影响边坡稳定性的诸多因素具有随机性和变异性，是 具有一定概率分布的随机变量；通过大量的现场调查，运用数理统计方法求出它 们的各自的概率分布及其特征参数：建立边坡稳定性分析的功能函数；求解边坡 岩体的失效概率和边坡稳定性的可靠指标。 可靠性方法已经广泛应用于边坡及滑坡的分析中1 3 。c l a e sa l e n 应用概率方 法对g o t a 河谷地区的边坡进行了广泛而细致的分析，并拓展了该方法的内容； 姚耀武等推导了b i s h o p 法的可靠度公式，并编制了相应的计算程序；张兴等对 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 多滑面边坡的破坏概率进行了计算；祝玉学等将可靠性理论引入到岩质边坡稳定 性分析中，并在国家重点项目“尖山铁矿边坡优化设计方法研究中得到了成功 的应用1 3 。目前，对可靠性分析方法的研究主要集中在随机变量的概率分布类 型的确定和在一定的功能函数下的边坡稳定性可靠指标的计算这两个方面。 ( 2 ) 模糊综合评价方法 模糊综合评价方法将模糊数学理论运用到边坡稳定性分析与评价中，在处理 边坡稳定性分析中的模糊性时具有一定的优势【1 8 , 3 5 - 3 9 。它首先找出边坡稳定性的 影响因素，并进行分类，分别赋予一定的权值；用隶属函数代替确定论中非此即 彼的特征函数来描述其中具有模糊性的影响因素；然后根据最大隶属度原则判断 边坡单元的稳定性。其缺点是各个影响因素的权重选取带有主观判断的性质。 ( 3 ) 灰色系统评价方法 灰色系统理论是邓聚龙教授于1 9 8 2 年创立的一种新理论，是现代控制理论 中一个新的领域1 3 列。边坡稳定性分析与评价面临有限数据的困扰，边坡岩体的 复杂性和少量的试验难以覆盖边坡岩体结构和性质在分布上的不均匀性，大量的 相关信息无法揭露，隐藏在边坡岩体的变形和破坏的表面现象之中。所谓灰色系 统就是既包含己知信息，又含有未知的不确切的信息。灰色系统理论经过近2 0 年的研究和发展，在许多领域得到了应用，特别是在大型工程系统、农业系统、 生态系统、经济系统，以及气象、地震等方面的灰色预测预报模型研究方面，灰 色系统理论显示了相当的适用性。在边坡工程方面，灰色预测分析、灰色关联分 析、灰色聚类分析等方法均有所应用。 ( 4 ) 神经网络评价方法 所谓神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能 的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统。神经网络模型用于模 拟人脑神经元活动的过程，其中包括对信息的加工、处理、存贮和搜索等过程。 考虑到边坡稳定性分析中的不确定性和非线性特征，夏元友等提出了基于神 经网络的岩质边坡稳定性评估系统研究d 3 l 。夏元友等还根据b p 模型的非线性动 力学特点，自学习、自组织的处理能力，通过大量边坡实例样本的学习，提出了 岩质边坡安全系数的神经网络估算方法。马洪生i 等将边坡工程看作是开放式 的广义工程体系，其本身的规律有着高度的非线性特征，传统的线性化模型无法 准确地描述这种特征，运用神经网络理论提出了圆弧式破坏边坡的边坡安全系数 估计方法。 1 3 2 滑坡体滑动趋势及滑坡强度研究现状及发展趋势 1 ) 滑坡体滑动趋势研究现状及发展趋势 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 由于滑坡地质过程、形成条件、诱发因素的复杂性、多样性及其变化的随机 性和复杂性，从而导致滑坡动态信息极难捕捉，加之滑坡动态监测技术的不成熟 和滑坡预报理论的不完善，滑坡空间预测一直被认为是一项十分困难的前沿课题 e l 挣1 4 7 】。尽管如此，经过广大研究人员的不断探索，滑坡预报理论和方法有较大 的进展，经历从现象预报、经验预报到统计预报、灰色预报再到非线性预报的历 程，目前已进入系统预报 j 、全程预报和实时跟踪动态预报的阶段。许多学者 引用了对处理复杂问题比较有效的非线性科学理论来研究滑坡的预报问题，提出 了多个滑坡预报模型，其中代表性的有：尖点突变和灰色尖点突变模型【1 3 6 1 、动 态分维跟踪预报模型、协同预报模型等。同时还提出了一些滑坡预报的联合模型， 如滑坡预报的b p g a 混合算法以及协同一分岔预报模型等。人们逐渐开始重视 滑坡预报判据和综合预报模型的研究，并开始从物理现象和物理模型分析入手进 行滑坡预报的探索。 2 ) 滑坡强度研究现状及发展趋势 滑坡活动强度的预测预报是滑坡空间预测预报工作中极为重要的方面，它是 滑坡灾情损失的基础。滑坡活动强度主要包括滑动距离、滑动速度和滑坡体积( 规 模) 三个方面。滑坡强度的预测可以为滑坡体的综合治理提供一定的理论指导， 近年来对滑坡强度的研究相对较少，主要有以下一些方法： ( 1 ) 基于能量转换关系及质心运动学法 根据王思敬等人【1 1 2 】在我国几个大型滑坡运动机理研究的基础上，通过对滑 坡运动全过程能量分析的基础上，提出的最大滑动距离预测公式： lm a x = 1 g f 。u m + h71 f ( 、) 式中：m 为滑坡体质量；u 为滑坡体变形能量；日为重心落差；工为滑动距离； 厂为摩擦系数；g 为重力加速度。 ( 2 ) 基于统计的经验估算法 a 前后缘高差法 多年以来，人们把滑坡后缘高程作为参数进行滑坡滑动距离的预测预报计 算： s = 2 旧一h ：) ( 1 2 ) 式中：胁为滑坡后缘高程；飓一滑坡前缘高程；s 为滑动距离。 b 森胁宽法 1 9 8 1 年，日本学者森胁宽用滑坡发源区上缘和出口连线的倾角与“架空 坡”( h l ) 之间的关系，统计分析了3 3 个不同体积的滑坡，建立了“垂直滑落高 度”g , 平滑移距离“和滑动前发源区坡角”的正切值之间的关系。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 月l = 0 7 3 t a n a 一0 0 7 ( 1 3 ) 式中：日为滑体垂直滑落高度( 滑坡前后缘高差) ；l 为水平滑移距离；a 发源区 坡度角( 破裂地面的坡项与坡脚的连线同水平线的夹角) 。 同时，在分析了滑坡体积资料，提出了“架空坡的对数与滑坡体积的对数 之间的关系： l g ( h l ) = o 0 9 4 1 9 ( y ) + 0 0 1 ( 1 4 ) h l 与矿的相关系数是o 7 4 8 ，据此方法就可以预测预报滑距和滑坡体积。 c 李保雄、王得楷法【1 1 4 】 1 9 9 8 年，甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所的科研人员以黄土力学性 质测试为基础，结合5 0 多个典型黄土滑坡灾害实例的研究反演，提出了考虑滑 出条件的黄土滑动距离的理论预测模型： l = 刀a h ( o 5 t a n ) ( 1 5 ) 式中：一滑坡体最大水平滑动距离( m ) ；厶纾一滑坡体前后缘高差( m ) ；聆一滑坡体 滑出条件系数，可参考表1 1 ，取o 1 一l ；一综合内摩擦角； 表1 1 滑坡体滑出条件系数表 滑出条件 磊斯 滑坡堆积区地势狭窄，临空条件差，滑体前方有大型阻隔物 0 1 0 3 3 3 剪出口位于坡脚附近，滑坡堆积区地表起伏，分布有中、小型阻隔物物0 3 - 0 5 5 5 剪出口位于坡脚附近，滑坡堆积区地表稍有起伏，无大型阻隔物 o 5 0 7 7 7 滑坡临空面开阔，滑坡前方地势平缓，无阻隔体0 7 - 0 9 9 9 剪出口临空高度高，滑坡前方地势平坦，无阻隔体0 9 1 0 0 0 d a e s e h e i d e g g e r 法 奥地利学者a e s c h e i d e g g e r 在调查了世界上三十多个大型滑坡的运动特征 后，首先提出了架空坡斜率f 的概念，发现存在下列关系： l g f = - o 1 5 6 6 6 1 9 v + 0 6 2 4 1 9 2 ( 1 6 ) 卜滑坡体积，根据滑坡体积v 求m y 后，按下式计算滑速：k = 4 2 9 ( h - f 1 ) ，g 为 重力加速度。 方玉树法【1 1 9 】 方玉树认为滑坡总斜率与总能量之间存在显著相关性。在大量阅读相关文献 和野外调查基础上，收集并分析了6 3 个水平运动不明显受阻也未转化为泥石流 的滑坡总斜率与总能量数据。通过对其进行统计学分析，获得了大型高速滑坡总 斜率t 对总能量e 的回归方程： p = 1 0 0 1 珈0 3 7 9 l g e ( 1 7 ) 式中：= h l ，h 为滑坡最大垂直距离，l 为滑坡最大水平距离，相关系数为 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 o 9 6 ，标准差0 0 1 9 对其作显著性检验的结果表明，大型高速滑坡总斜率极为显 著地与其总能量相关。 g 王念秦多元统计方法【1 2 0 王念秦等针对”典型黄土滑坡”的特征，如分布于黄土台塬( 高阶地) 边；具有”上 部黄土，下部基岩”的坡体结构；台塬面相对平整，且长期进行农业灌溉( 大于1 5 年) ； 滑动体沿黄土下部隔水层、基岩顶部或基岩内部软弱层面滑动；台塬边无阻碍滑 动体滑出的障碍物，即具有良好的临空条件；滑坡发生在无地震活动期，或者说滑 坡由自身重力、降雨、地下水及冻融作用而产生等状况收集了2 0 组与滑坡滑动 距离有关的资料，以多元回归分析理论为基础，建立了滑距预测模型该模型选取 黄土厚度h ，斜坡坡度0 ，滑坡体平均厚度d 和滑动前滑坡体长度，四个指标为模 型参数，其黄土滑坡滑距预测模型为： l = - 1 2 4 9 6 1 8 6 h + 3 13 秒+ 3 2 4 d + 2 8 7 1 ( 1 8 ) 接触面黄土滑坡滑距预测模型： l = - 1 4 7 2 5 5 5 h + 2 4 9 0 + 2 0 0 5 d + 2 5 7 1( 1 9 ) 因具有较强的针对性和较小的适用范围，并考虑了多种影响因素，故具有较高 的准确性和广泛的实用性 ( 3 ) 基于力学理论的滑坡距离计算方法 y o i c h io k u r a 掣1 1 5 】建立了基于滑坡潜在影响区地形地貌以及软弱面岩土特 性的滑坡距离估算模型，见图1 1 。模型如下