張鎖柱

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050000;2.自然資源部金屬礦山地下水災(zāi)害防治工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050000)

0 引言

露天采礦場的高陡巖質(zhì)邊坡地區(qū)因受到地震、開采擾動、氣候變化等因素的影響易產(chǎn)生滑坡、坍塌、采空區(qū)塌陷等災(zāi)害,將嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命及財產(chǎn)安全。因此,對高陡巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)預(yù)警進(jìn)行研究是有必要的。對高陡巖土邊坡失穩(wěn)情況的研究主要分為2個方向即邊坡形變預(yù)測和邊坡穩(wěn)定性預(yù)測。邊坡形變預(yù)測主要指通過構(gòu)建空間位移模型,對巖體流變等影響因素進(jìn)行分析,進(jìn)而對邊坡的變形量進(jìn)行合理預(yù)估[1]。邊坡穩(wěn)定性預(yù)測主要指的是通過對邊坡蠕變演化過程進(jìn)行分析,結(jié)合邊坡的位移變化特征,對邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析[2]。目前,已有學(xué)者針對不同的利用各種算法建立數(shù)學(xué)模型來對邊坡失穩(wěn)的進(jìn)行預(yù)測,并取得一定的認(rèn)識[3-5]。本文選取露天采礦的高陡巖土邊坡為研究對象,建立基于多點位移監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測邊坡失穩(wěn)狀態(tài),以期對露天采場的高陡巖土邊坡動態(tài)及時預(yù)警起到一定的借鑒作用。

1 邊坡失穩(wěn)預(yù)警方法

高陡巖質(zhì)邊坡的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為巖體穩(wěn)定性分析提供有效的數(shù)據(jù)支持,調(diào)取高陡巖質(zhì)邊坡在多個監(jiān)測坡面的位移信息,并結(jié)合位移預(yù)警閾值,可實現(xiàn)對邊坡失穩(wěn)情況的及時預(yù)警。一般對于高陡巖質(zhì)邊坡位移信息的監(jiān)測主要包括單點位移監(jiān)測和多點位移監(jiān)測。由于單點位移監(jiān)測數(shù)值無法全面反映出邊坡巖體的力學(xué)穩(wěn)定性,因此選取多點位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,獲取邊坡失穩(wěn)狀態(tài)下的位移閾值[5]。受到高陡巖質(zhì)邊坡演化階段的影響,邊坡的位移監(jiān)測信息呈現(xiàn)一定的時間變化規(guī)律。不同演化階段下所采集到的位移監(jiān)測信息可表征出邊坡不同的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)狀態(tài)。為保證獲取到的位移監(jiān)測信息具有一定的代表性,先要對高陡巖質(zhì)邊坡變形的演化階段進(jìn)行分析。一般情況下,高陡巖質(zhì)邊坡主要會經(jīng)歷4個階段的位移變化,分別為初始變形階段、勻速變形階段、加速變形階段以及邊坡失穩(wěn)階段[4],具體演變過程如圖1所示。

圖1 高陡巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)演化階段

根據(jù)上述邊坡失穩(wěn)的演化階段可以看出,邊坡在經(jīng)歷完加速變形階段后,會進(jìn)入到一段急速變形階段,即所謂的臨滑期。此刻邊坡的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與失穩(wěn)狀態(tài)下的臨界值最為接近,因此采用邊坡處于臨滑期的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。假設(shè)在高陡巖質(zhì)邊坡多點監(jiān)測剖面中,某監(jiān)測點的位移空間狀態(tài)表達(dá)式[5]:

X(k+1)=ΦX(k)+ΓW(k)

(1)

式中:X(k)為k時刻的位移狀態(tài)值;W(k)代表位移信息的高斯白噪聲序列;Φ代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;Γ代表輸入矩陣。監(jiān)測點的位移空間狀態(tài)可以通過采用邊坡位移量以及位移速度對其進(jìn)行表征,因此將位移量與位移速度作為狀態(tài)向量,結(jié)合文獻(xiàn)[5]可以得到表達(dá)式(2)。

(2)

其中,x(k)代表監(jiān)測點在k時刻的位移量,mm;v(k)代表監(jiān)測點在k時刻的相對位移速度,mm/s;T代表位移監(jiān)測采樣時間間隔,s;a(k)代表測點由k到k+1時的加速度,mm/s2。對此,本文結(jié)合局部濾波器對上述的邊坡位移信息數(shù)據(jù)進(jìn)行多源融合處理。結(jié)合文獻(xiàn)[5]對所有邊坡位移監(jiān)測信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分配處理見式(3)。

(3)

(4)

2 實驗論證

2.1 實驗條件

以為某市露天采礦場的高陡巖質(zhì)邊坡臨滑災(zāi)害數(shù)據(jù)為研究對象,調(diào)取該市災(zāi)害數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù),從中抽取20組因結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)導(dǎo)致的邊坡崩塌數(shù)據(jù)作為測試樣本。該采礦場的邊坡長度為1 570 m,整體高程為+45～-172 m,最大邊坡角度為45°,邊坡呈ES—WN走向。每組測試樣本的具體參數(shù)見表1。

研究區(qū)域已有的地質(zhì)資料可知,該地區(qū)主要巖性為灰?guī)r,巖體呈層狀分布。在邊坡布置3處不同的監(jiān)測點位,每個點位所對應(yīng)的巖體抗拉強(qiáng)度均有所不同,具體監(jiān)測點位剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中,監(jiān)測剖面1的的巖體抗拉強(qiáng)度為0.127 Mpa,監(jiān)測剖面2的巖體抗拉強(qiáng)度為0.228 Mpa,監(jiān)測剖面3的巖體抗拉強(qiáng)度為0.278 Mpa。針對預(yù)警區(qū)間進(jìn)行劃分,并記錄不同預(yù)警方法下的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)系數(shù)誤差,以此判定3種預(yù)警方法對于同一組邊坡數(shù)據(jù)的預(yù)測情況。分別針對3個不同的監(jiān)測剖面進(jìn)行失穩(wěn)預(yù)警處理,根據(jù)剪切強(qiáng)度提前劃分出失穩(wěn)預(yù)警區(qū)間,對比不同巖體抗拉強(qiáng)度下,預(yù)警精度的變化情況。

表1 測試樣本參數(shù)

圖2 邊坡監(jiān)測剖面結(jié)構(gòu)

2.2 預(yù)警精度結(jié)果

主要的對比指標(biāo)為3種方法下邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)誤差,該值越趨近于0,代表該方法的預(yù)警精度越高,具體實驗結(jié)果如圖3所示。其中,虛線部分代表失穩(wěn)預(yù)警區(qū)間,預(yù)警的精準(zhǔn)程度將通過處于該區(qū)間內(nèi)時的邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)誤差來體現(xiàn)。

從圖3實驗結(jié)果可知,3個監(jiān)測剖面的失穩(wěn)預(yù)警區(qū)間是不一樣的,這應(yīng)該是與巖體受到的剪切強(qiáng)度影響有關(guān)。通過觀察邊坡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)誤差變化曲線,利用基于多點位移監(jiān)測數(shù)據(jù)融合邊坡失穩(wěn)預(yù)警方法所得到的系數(shù)誤差值均處于預(yù)警區(qū)間內(nèi),而其余2種常規(guī)方法的系數(shù)誤差均在不同程度上超出失穩(wěn)預(yù)警區(qū)間,且系數(shù)誤差值較大。說明該方法具備的預(yù)警精度較準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

(1)結(jié)合研究區(qū)的實際情況,利用基于多點位移監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的邊坡失穩(wěn)預(yù)警方法,對多點位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,獲取邊坡失穩(wěn)狀態(tài)下的位移閾值。

(2)采用某市露天采礦場的邊坡臨滑災(zāi)害數(shù)據(jù)來進(jìn)行實驗驗證,其結(jié)果證明建立該方法的可行性。

(3)采用3種邊坡邊坡失穩(wěn)預(yù)警方法的誤差系數(shù)作對比,其結(jié)果表明基于多點位移監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的邊坡失穩(wěn)預(yù)警方法的有較高的精確性。

圖3 不同檢測剖面邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)誤差對比