露天矿山高陡边坡稳定性分析及滑坡预警技术.doc

露天矿山高陡边坡稳定性分析及滑坡预警技术 . .第卷第期 中国安全生产科学技术年月文章编号:? 一?露天矿山高陡边坡稳定性分析及滑坡预警技术栾婷婷,谢振华,张雪冬北京科技大学土木与环境工程学院,北京摘要:我国露天矿山的开采深度不断加大,导致了高陡边坡及滑坡事故增多。在分析边坡稳定性影响因素的基础上,对目前边坡稳定性分析常用的方法进行了总结,介绍了极限平衡分析法和可靠性分析法。从滑坡的空间、时间、强度三方面对滑坡预报预警的十余种模型的应用类型、使用方法及预警判据进行了详细归纳,并对模型法和人工神经网络法做了重点介绍,为滑坡预警技术的研究提供重要的依据和理论支持。最后,分析并总结了露天矿山高陡边坡滑坡预警的研究趋势。关键词:高陡边坡;滑坡;稳定性分析;预报预警中图分类号:. 文献标志码:./.,?, ? , , ,:?,? ., ,. , ?:, ,. ?。,. : ; ;坡的形成,导致滑坡事故增多,由于忽视露天矿山边引言坡稳定性分析和滑坡灾害的预报预警研究,我们有我国露天矿山的开采规模和开采深度不断增 很多教训得以借鉴,世纪年代抚顺西露天矿加,逐步形成凹陷采场或深凹采场,从而造成高陡边 北帮边坡大规模倾倒滑移变形,国内外罕见,严重影响地面工业、民用建筑的安全,国家投资几个亿开展大规模滑坡治理。年月日,重庆市武隆收稿日期:?县铁矿乡鸡尾山发生山体垮塌,滑坡总量超过作者简介:栾婷婷,博士研究生。万,造成严重的生命财产损失。基金项目:国家十二五科技支撑计划项目据统计,一个大型高边坡总体坡角加陡一度,可万方数据第卷中国安全生产科学技术结构面、构造结构面、原有的裂纹裂隙扩展或产生新节省剥岩费用数以千万元乃至亿元人民币。可见,的裂纹;使地下水状态发生改变,直接或间接地影响露天矿开采过程中确保边坡安全和提高经济效益的矛盾日益突出。深入开展矿山高陡边坡失稳机制及 到滑移处的阻滑能力,对于比岩石强度低得多的节预报预警的基础研究,对于推动我国未来的边坡治 理、层理、裂隙等原有应力破坏区的软弱面而言,则理技术发展、防治高陡边坡诱发的地质灾害、保证矿 可能形成一定范围的爆破松动区。山安全生产具有重要的理论与实际意义。边坡稳定性分析边坡稳定性影响因素露天矿边坡稳定性分析一直是岩石力学等相关影响露天边坡稳定性的因素可以分为内因和外 学科的基本命题。回顾历史,露天矿边坡稳定性分因两方面。内因影响主要包括岩性及岩体结构、地 析方法经历了由经验到理论、由定性到定量、由单一质构造等。外因影响主要包括水文地质、开采技术 评价到综合评价、由传统理论和方法到新理论、新方条件、爆破震动。 法、薪技术的发展过程,对确保矿山边坡稳定起到巨.岩性及岩体结构因素 大作用。边坡稳定性分析方法可分为两大类:定性边坡岩体自重、抗剪强度等岩体物理力学特性 分析法和定量分析法。是影响边坡稳定的重要因素之一。岩体滑动破坏是 定性分析法主要包括地质分析法、工程类比法、在坡脚和坡顶附近出现应力集中区和张应力区,岩 图解分析法、专家系统、范例推理法和岩体质量评分体应力的变化促使其产生新的变形,且当岩体应力 法等。定量分析法又分为确定性分析法和超过其抗剪强度时,岩体发生破坏。因此,抗剪强度 非确定性分析法。其中,确定性分析法主要包括极越大,边坡稳定性越好。岩石的结构面也对边坡的 限平衡分析法和数值分析法两大类;非确定性分析稳定性有影响。结构面的形状使得岩体强度有明显 法目前研究的比较多,方法种类近十余种,比较基础的结构效应,边坡的破坏机理和破坏模式主要由薄 的有灰色系统评价法、可靠性分析法、模糊综合评价弱的结构面控制。 法、聚类分析法、人工神经网络法、遗传进化算法、物.地质构造因素 理模型法及现场监测法等。本文选择介绍具有代表包括区域构造特点、边坡地段的褶皱形态、岩层 性的极限平衡分析法和可靠性分析法。产状、断层和节理裂隙发育特征、破碎带、极不稳定 .极限平衡分析法的软弱夹层和遇水膨胀的软弱面形成的弱面,及区 极限平衡分析法是纳人设计规程的边坡稳定性域新构造运动活动等。 分析中最常用的方法,它假设边坡出现滑动面且处.水文地质条件 于极限平衡状态,然后将边坡离散成有垂直边界的包括地表水的渗入和地下水。露天矿山滑坡多 刚体条块,建立条块之间的静力平衡方程,通过求解发生在雨季或冰雪解冻的时期,因疏干排水方法不静力平衡方程得到边坡的稳定安全系数。最有代表当所致。地下水富集程度的提高一方面增大坡体下 性的极限平衡分析方法比较如表所示。滑力;另一方面降低软弱夹层和结构面的抗剪强度, 其中比较先进的法可较好地模拟断层、引起孑隙水压力上升,降低滑动面上的有效正应力, 节理等不连续结构面,可考虑条块间的相互作用力,减小了滑动面的抗滑力,导致边坡失稳。 也可考虑地下水,外荷载的作用。基本原理是:边坡.开采技术条件 破坏的滑体除非是沿一个理想的平面或弧面滑动,包括边坡角度、边坡形式、开采程序、推进方向 才可能作一个完整的刚体运动,否则,滑体必须先破等因素。其中,边坡角度越小,边坡稳定性越好;上 裂成多个可相对滑动的块体,才可能发生滑动。也部缓下部陡的边坡比上部陡下部缓的边坡要稳定; 就是说在滑体内部要发生剪切情况下才可能滑动。边坡出露的时间越短稳定性越好。法的特点是用极限加速度系数来描述边坡的.爆破震动稳定程度。它可以用于评价各种形态破坏模式下的爆破震动使边坡围岩中的剪应力增大,使原生边坡稳定性,而且它的条块的分条是任意的,可以对万方数据第期中国安全生产科学技术表 常用极限平衡分析方法比较等。基于概率设计系统,提出了利用?概率分析功能对边坡稳定性进行可靠性分析的方法。陈昌富等叫基于响应面法,建立了一种高效的边坡可靠度指标和失效概率近似计算方法。该方法的缺点是:计算前所需的大量统计资料难于获取,各因素的概率模型及其数字特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决,其计算通常也较一般的极限平衡方法复杂。滑坡预警技术滑坡预警是在边坡稳定性分析评价的基础上,各种特殊的边坡破坏模式进行稳定性分析。进行滑坡的预测、预报,警情出现后,立即向滑坡发极限平衡方法的优点在于力学模型简单,计算生地区发出警报,以便能及时采取应急救援措施,已公式简捷、对于简单边坡计算精度比较高。然而极达到防灾减灾的目的。滑坡预报主要应包括对滑坡限平衡法只能给出边坡的安全系数及其相应的滑动灾害发生的地点空间、时间、强度滑坡活动强度面位置、形状,无法考虑边坡内部岩土体的应力一应及破坏程度等进行预测预报。经过近半个世纪的变关系,所以得到的安全系数只是所假定的滑动面探索与研究,国内外许多学者、专家提出了各种各样上的平均安全系数,而不能求得滑体内部或滑动面的预报模型,本文对近年来研究较为活跃的滑坡预上的真实内力或反力。 报模型进行归纳卜,如表所示。其中模型法和人工神经网络法应用比较广泛,预报效果.可靠性分析法也较为理想。可靠性分析法是近年发展起来的新方法,理.模型论与实践均证明,影响边坡稳定性的诸因素常常具模型是德国生物学家于有一定的随机性,它们多是具有一定概率分布的随年提出的一种生物增长模型。他认为生物的繁衍、机变量。世纪年代中后期,加拿大能源与矿生长、成熟、消亡过程,可以用该模型描述和预测。业中心和美国亚利桑那大学等开始把概率统计理论晏同珍教授考虑到滑坡的演变与其相似性,将这一引用到边坡岩体的稳定性分析中来。该方法的原理模型引进滑坡变形预测研究中。模型的应是把边坡岩体性质、载荷、地下水、破坏模式、计算模用范围是变加速度阶段,即滑坡的失稳破坏阶段,对型等影响边坡稳定性的多个因素作为不确定量,进于短期预报有很强的适应性引。行统计分析,求出它们各自的概率分布及其特征参滑坡位移过程的主要微分方程为:数,再利用某种可靠性分析方法,如蒙特卡罗法、可靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求解边坡岩穹:口戈一面似一体的破坏概率即可靠度。由于滑坡的演变过程类似于生物从繁殖到消亡祝玉学把在规定的条件下和规定的实用期限的过程,因此将从成熟向消亡转化的临界点作为滑内,安全系数或安全储备大于或等于某一规定值的坡的临界位移值,当/为极大值时,滑坡发生时概率,即边坡保持稳定的概率定义为可靠度。可见,间间隔为:用可靠度比用安全系数在一定程度上更能客观、定一上: 量地反映边坡的安全性。孟达等以鞍钢眼前山 ?露天铁矿南邦节理岩体边坡为工程背景,综合应用滑坡发生时间预测值为:一、可靠性分析等多种理论方法定量揭示,一土 了边坡岩体概率损伤分布与演化规律。吴应祥万方数据第卷中国安全生产科学技术表滑坡预报模型的主要类型.人工神经网络法人工神经网络是模仿人脑工作方式而设计的一种机器。它采用类似于“黑箱”的方法,通过学习和记忆找出输入输出变量之间的非线性关系,在执行问题时,将所获得的数据输人给训练好的网络,依据网络学习到的知识进行推理,得到合理的答案。它具有很强的自学习、自适应和联想记忆能力,同时,还具有高速的并行处理能力,高度的容错性、灵活性和适应性等优点。在用神经网络进行预测预报中,可以把各种可能对边坡稳定性有影响的因素作为网络的输入,建立这些定性或定量影响因素同边坡安全系数之间的预测模型引。其模型可表示为:。,咒:,?,%口妒%誓一刚人工神经网络模型对观测序列几乎没有什么要求,它几乎可以对任何可能的序列进行分析。目前,模型人工神经网络已在岩土工程位移预测获得较为广泛的应用,何方维,朱明等纠用神经网络预测岩质边坡的稳定性,经大量样本进行网络训练,得出可靠的网络模型,预测露天矿最终边坡的最优化角度。误差反向传播模型?,简称模型是在神经网络的基础上采用梯度下降法、附加动量法,或法反复迭代调整网络连接权,使网络的实际输出和期望输出的均方差极小化,将已有模式输入网络进行相关预测预报。模型的工作过程分为学习训练和预测回想。学习训练分为两个阶段:信息正向传播?输入训练对象,使其完成从输入层到隐含层逐层处理,最终经输出层的正向训练过程;误差反向传播?计算实际输出与期望输出的误差值,将其完成从输出层到隐含层,最终经输入层的反向训练过程,完成对网络的权值逐层计算修改。模型适用于中、短期预测预报,尤其是短期预测预报精度较高。当训练对象是采样时间间隔按式中,是待定系数,用最小二乘法求解。戈。,。照天来计算的监测信息时,结果比较准确,如果采样为初始位移值及初始时间。时间间隔较长,则结果较差。但从数学理论上看模型目前已被广泛采用。李天斌根据算法可归结为非线性梯度优化问题,不可避免地会斜坡变形破坏的位移量化曲线更接近反函存在局部极小问题,收敛速度较慢且迭代时间数曲线,提出了反函数模型。较长】。万方数据第期中国安全生产科学技术如上所述,滑坡预报的模型多种多样,每种模型动的多样性和影响因素的复杂性及耦合作用,如降所考察的预报参数不尽相同,对监测数据的时间序雨诱发的水压变化和爆破震动引起的岩体损伤破坏列要求也不一致,且分别针对不同的预报阶段。因等,这些因素往往在滑坡发展到一定阶段就变成了此,要想得到较准确的预报结果,在建立与选用预报主要因素,因此若只考虑某单一因素建立模型势必模型时应考虑以下点:影响预报的可信度。在选取滑坡预报指标时,如何模型的选择应用必须以滑坡体的地质条件选取能够反映滑坡动态过程的最佳指标组合成为滑为基础,模型能够用监测数据验证,并有足够的精 坡预警的关键。度。不同的监测阶段,需选用不同的预测预报滑坡智能预警系统的研究。现代计算机技模型,尽可能充分利用已有的试验研究成果及监测术为滑坡预警的定量研究和复杂繁琐的计算模型提数据和地质调查信息。供了先进的计算手段,把滑坡预警技术与计算机技多种模型方法综合运用,相互验证,提高预术紧密的结合起来,智能处理监测数据,快速、方便测预警的精度与可靠性。的对预警指标的取值进行处理,进而对边坡的稳定性进行评价预测并对将要发生的滑坡警情及时做出结束语预报,这将成为我国矿山防止灾害发生的重要手段。进一步的研究表明,高效、完善的智能预警系统在滑滑坡的预报预警研究在国内外都是一个古老而坡的预测预警研究中起着举足轻重的作用。常新的课题,国外关于滑坡的预报研究起步较早,研究途径也是多样化的,某些研究已经比较成熟。国参考文献杨天鸿,解连库,唐春安,等.抚顺西露天矿北帮边坡内关于滑坡预报的研究虽然起步晚于国外,但最近治理工程效果初步评价.岩石力学与工程学报,十余年进展较快,取得了突破性进展。预警技术方,:面借鉴了国外不少理论与方法,由于滑坡问题的复.?, , ?,杂性,滑坡时间预报目前还是一个世界性的科学难题,运用什么样的理论,建立何种理论模型进行预报. 预警并没有完全解决。甚至是否存在这样的理论模, :型,能有效的解决滑坡的时间预报,还是一个处于探.索研究中的问题。至今我国离系统、全面、可靠、精杨天鸿,张锋春,于庆磊,等.露天矿高陡边坡稳定性确的滑坡预报预警技术仍有很远距离。因此,结合研究现状及发展趋势.岩石力学,:露天矿山岩质高边坡的工程实际,进一步开展露天.矿山高陡边坡的滑坡预警研究具有重要的理论意义?, , ?, 和现实影响,此项研究前景非常广阔,主要体现在以? .下三方面。,:?边坡稳定性的动态评价研究。露天矿边坡李全明,付士根,王云海.露天开采边坡稳定性分析客观对象是动态发展的,必须跟踪监测其稳定性;同方法及灾害防治措施研究.中国安全科学学报,时主观的稳定性评价随采矿发展也是动态的。矿山,:边坡的时效性为客观监测与主观理论计算的相互动?,?, ?.态修正提供了客观条件,促进了理论与实践的有机 ? 结合。总之,露天矿边坡动态评价是一个理论计算. ,和现场监测“互动”的不断循环过程,这才符合矿山,:边坡的特点。王思文,张绪杰,宋玉金.露天矿边坡稳定性的安全多指标综合预报预警研究。滑坡系统是一因素分析及防治建议.露天采矿技术,:.个