[发明专利]一种高寒高海拔高陡边坡稳定性监控方法

权利要求书

1.一种高寒高海拔高陡边坡稳定性监控方法，其特征在于：包括现场工程地质水文地质调查、工程地质岩体质量评价及岩体力学参数确定、边坡稳定性分析以及防治对策，所述现场工程地质水文地质调查包括：

一、工程地质水文地质补充勘察，一是对地层岩性进行定名及层组划分，了解岩石的破碎情况及层间软弱夹层的性质和位置；二是采取室内岩石物理力学试验样品；

二、工程地质水文地质编录包括：

钻孔岩芯工程地质编录

划分工程地质岩组和获取岩石质量指标，描述岩石节理、裂隙发育程度、充填物、粗糙度；

钻孔水文地质编录

研究地层的岩性、裂隙发育规律、含水层的透水性和富水性，为确定含水层的厚度、空间分布提供依据；

三、钻孔摄像声波测试及成果整理，获取钻孔中岩体动力参数，评价边坡的稳定性，确定岩体风化带、构造破碎带、裂隙密集带的位置、厚度，评价岩体的完整性和强度；

四、岩石强度点荷载试验及取样，按现场实际钻取的岩性，根据不同位置的钻孔岩性，在现场进行了岩石的点载荷试验及取样；

所述工程地质岩体质量评价及岩体力学参数确定包括：

一、室内岩石力学试验，在实验室制成标准试样后，进行高寒高海拔高陡的岩石物理力学参数的试验；

二、工程地质岩体质量评价，岩体质量评价的基本方法为岩体分级，岩体分级评价方法有：RQD值分级法、岩体基本质量等级分类表格法、岩体基本质量等级BQ法、CSMR边坡岩体质量分类法、节理岩体的CSIR分级法、Q系统分级法、GSI分类法；

三、试验参数的工程处理，通过费辛柯法、格吉(Georgi)法、经验折减法、岩体内摩擦角换算法、GSI方法来对岩石参数进行计算；

所述边坡稳定性分析包括以下步骤：

a、影响因素的敏感性分析，影响边坡稳定性的因素有很多，根据高寒高海拔高陡的具体情况，分析考虑了以下5种因素：

(a)边坡高度H；

(b)粘结力c；

(c)内摩擦角φ；

(d)边坡角α；

(e)岩体容重γ；

按高寒高海拔高陡的赋存条件、采矿工艺、室内岩石力学试验，在理论和实践分析的基础上把5个影响因素的各水平值控制在适当范围内，试验中每个因素取5个水平；

各因素在不同水平的值，若按一固定增加或减少顺序以一定步长变化，做试验时易产生系统的顺序偏差，为克服这种偏差，在取值范围内，部分影响因素采用随机序列构造试验的水平取值，边坡安全系数的计算公式：根据计算大小排序，得出影响因素顺序；其中c_i、L_i、W_i、U_i、和α_i代表粘结力、长度、自重、水压力、内摩擦角和边坡角；

b、赤平投影定性分析，根据结构面与坡面的组合关系，对边坡的稳定性进行初步的定性分析，即判断边坡的危险结构面组合；根据高寒高海拔高陡实际边坡进行分区结果，可以分成多个不同的区域；根据钻孔成像测试成果的统计分析，将优势产状和分区区域边坡面的产状分别作出相应的赤平投影图，以便得到不同工程地质分区边坡面与岩体结构面的组合关系，分析不同岩体结构面对各分区边坡稳定性的影响；

c、边坡破坏模式分析，边坡稳定性分析时，判定边坡破坏模式主要是考虑岩性、岩体结构面类型、优势结构面产状和边坡结构参数因素及其关系，对岩质边坡主要依据是岩体结构与边坡的组合关系，主要遵循以下原则：

(1)根据已有的工程地质水文地质资料，尽量找出“确定面”或“特征面”，即为坡体内不连续面或软弱夹层、破碎带、岩层控制面相互连通、与边坡临空面构成的形状、位置、大小都已确定的潜在剪切面，这类潜在剪切面主要受控于工程地质和力学特征；

(2)按节理裂隙组数、产状或岩体强度来考虑边坡破坏模式，有下列条件之一者，均可判定为圆弧型破坏模式：

①均匀松散介质、冲积层、大型岩层破碎带；

②有三组或多组产状各异的软弱结构面存在，且不与边坡面同向；

③强风化碎裂结构的岩体；

④某些强度很低的岩石边坡；

(3)采用先进的数值模拟分析技术，根据边坡体内最大剪应变和剪切破坏区的发展状况与趋势，来确定或验证边坡体的滑动模式；

d、极限平衡与可靠性分析，其中极限平衡分析包括以下步骤：

(1)分析剖面，根据边坡工程地质分区、补勘钻孔及其它钻孔的布置情况，对高寒高海拔高寒高海拔高陡边坡的剖面进行极限平衡分析，分析剖面主要是依据高寒高海拔高陡境界终了图、补勘钻孔编录成果，且在原有地质剖面上切取而成，

(2)坡体受力计算分析，极限平衡分析考虑三种受力情况：

I：自重状况；

II：自重+地震状况；

III：自重+地下水稳定渗流场状况；

(3)边坡稳定性分析步骤与合理边坡角的确定

(a)采用极限平衡法分析方法进行稳定性分析计算，极限平衡法分析方法主要有：瑞典条分法(或Fellenius法)、简化Bishop法、Janbu简化法和Spencer法；

因为简化Bishop法分析精度高且计算速度快，最能反映边坡稳定性的实际状态，故此次将Bishop法作为稳定性分析计算的主要方法；

(b)每个剖面先进行三种受力情况及不同边坡角的整体稳定性分析，找到各工程地质分区临界稳定状态的最小边坡角，分析采取一面坡的形式；

(c)根据不同工程地质分区各剖面的分析结果，确定各分区的合理边坡角；

e、边坡台阶的平面破坏分析包括以下步骤：

(1)倾角换算

从赤平投影分析结果来看，边坡岩体内优势结构面的走向均与边坡面的走向斜交，故在进行边坡平面破坏分析时，需要将优势结构面的真倾角投影到边坡面的倾向方向上，结构面在坡面倾向方向上的倾角换算公式为：

tgβ_f＝tgβ′_f·cos(φ_i-φ_f)

其中φ_f、β′_f为结构面的倾向和真倾角；φ_i为坡面倾向；β_f为结构面在坡面倾向方向上的倾角；

(2)边坡平面破坏初步判断

(3)边坡平面破坏的分析

以安全系数为指标进行边坡平面破坏的定量分析，安全系数的计算采用极限平衡的原理，分两种情况进行计算：坡顶或坡面是否存在张裂缝：

无张裂缝时，安全系数计算公式为：

有张裂缝时，安全系数计算公式为：

式中：F为安全系数；H为边坡高度；ψ_p为边坡角度；ψ_f为破坏面倾角；α为水平地震加速度；γ_r为岩体容重；γ_w为水的容重；W为破坏面以上岩石楔形体的重量；A为楔形体的底面积；U为破坏面上由水压力引起的浮托力；V为水在拉裂缝中引起的水平力；c为沿滑动面的粘结力；为滑动面的内摩擦角；T为锚固系统施加的作用力；θ为锚杆的倾角；

f、基于强度折减的二维有限元模拟分析，包括以下步骤：

二维有限元分析的基础

(1)二维有限元的基本思路

有限元是根据物理的近似，用网格将连续体划分成有限数目的单元体，这些单元体之间在结点处互相铰接，形成离散结构，用这些离散结构来代替原来的连续体结构，在满足相邻单元间变形的相容条件、作用于单元上的力的平衡条件、各单元的位移与单元材料的力学性质相对应这三个条件的情况下，将荷载移置作用于离散结构的结点上，成为结点荷载，其应力应变关系为：

{σ}＝[D]{ε}

其中，{σ}为单元应力；[D]为弹性矩阵；{ε}为单元应变；

由虚位移原理和应力应变关系，可建立结点荷载与结点位移之间的关系，即用位移表示的结点平衡方程组：

[K]{δ}＝{R}

[K]＝∑[K_e]

式中：[K]为刚度矩阵；{δ}为结点位移列阵；{R}为结点荷载列阵；[D]_e为单元弹性矩阵；[B]^e为单元应变矩阵；

解方程组可得到位移场，进而可推出应变{ε}和应力{σ}的分布，这就是有限元的基本思路，它实际上是微分方程的一种数值解法；

(2)弹塑性屈服准则

根据高寒高海拔高陡边坡岩石的特征，采用摩尔—库仑屈服准则；

(3)弹塑性应力应变关系

介质整体的弹塑性应力应变关系为：

d{σ}＝[D]_epd{ε}

式中[D]_ep为弹塑性矩阵；d{ε}为应变增量；

H'为硬化系数，对于理想弹塑性分析，H'＝0；[D]_e为弹性矩阵；[D]_p为塑性矩阵；T为常数；

为屈服函数对应力分量的偏导数向量，可表示为：

式中：κ为材料常数；σ_e为有效应力；

强度折减法基本原理

强度折减系数法的基本原理是将边坡强度参数：粘结力和摩擦角的值同时除以一个折减系数，得到一组新的值，然后作为新的资料参数输入，再进行试算，当计算不收敛时，对应的值被称作坡体的最小稳定安全系数，此时边坡达到极限状态，发生剪切破坏，同时可得到边坡的破坏滑动面，表达式如下：

其中，c′为折减后土体虚拟的粘结力；为折减后土体虚拟的内摩擦角；c为粘结力；为内摩擦角；ξ为折减系数；

二维弹塑性有限元分析

(1)岩体力学参数

(2)计算模型与分析

根据高寒高海拔高陡边坡的工程地质特征、边坡稳定性的极限平衡与可靠性分析结果，选取具有典型意义的能反映边坡稳定性的剖面作为分析剖面，其边坡角根据实际情况定，并分别建立了对应得多个有限元分析模型，进行平面应变分析，主要分析极限平衡与可靠性分析结果中稳定的最陡边坡在自重应力场作用下的稳定性状况；

模型边界条件为：坡面为自由面，边坡两侧端面水平方向固定，底部垂直方向固定，原岩应力场为自重应力场；

g、边坡冻融影响分析，包括以下步骤：

冻融边坡滑动模式分析

冻土划分为以流动、滑动和崩塌为主的土体运动三类，后演变有蠕变型斜坡、以及兼有滑动和坍塌两种变形的滑塌型斜坡失稳现象，其发育按地貌可以划分为冰缘碎屑的流动、滑动及普通冻土区的热融滑塌，而冻土斜坡失稳可以分为正冻土滑坡和正融土滑坡两种类型，正融土滑坡包括融冻泥流、热融滑塌两种类型；正冻土滑坡包括蠕变强滑坡和崩塌型滑坡两种类型；

在正冻滑坡中，冻结滞水型滑坡是寒区边坡滑坡的独特的类型，正融滑坡也分为两种类型：融冻泥流和热融滑塌，而对于冻融滑坡，则主要由岩质边坡的崩塌及石屑的滑动造成；

冻融作用使得上部土体由于水分迁移而含水量增大，渗透性增大，对于岩石边坡在冻融循环下的破坏，主要是因为地形、地质内在因素和降雨、热变形以及冻融作用外在因素相互作用的结果，岩石基本冻融破坏模式为：片落模式和裂纹模式，需要对温度场、渗流场与岩土体应力场进行耦合分析，同时利用有限元强度折减法对边坡稳定性进行分析；

高寒高海拔高陡冻融边坡的滑动模式

(1)矿区地质环境及冻土情况

根据对高寒高海拔高陡赋存环境条件的工程地质勘测，矿区内岩性分布情况分别确定；

(2)第四系或季节性冻土、永冻层边坡的滑坡破坏模式分析

根据高寒高海拔高陡的地质环境条件，在高寒高海拔高陡开采过程中，对于边坡顶部的第四系或季节性冻土、永冻层边坡而言，当温度降至土体的冻结温度以下时，边坡表层土体将首先发生冻结，在冻土与非冻土之间形成一个平缓的、时刻变化的冻结锋面，包括永冻层在内处于冰冻状态；从对取样土体冻胀与融沉特性以及土体在冻结条件下的三轴抗压强度及冻结条件下的c、φ值试验结果进行分析，其中c为粘结力，φ为内摩擦角；

(3)岩质边坡冻融循环作用下破坏模式分析

在冻融作用下岩质边坡破坏模式的分析，其破坏模式主要是冻融滑塌，以崩塌为主，深度在2～3m以内，首先从对边坡体温度场的分析出发，分析在不同季节或温度下，边坡体内形成的冻结厚度，再根据因冻结层力学参数的变化，采用常规极限平衡方法或数值耦合方法来分析评价岩质边坡的稳定性，为指导边坡的设计、施工以及边坡防护提供参考；

融化和冻结过程边坡稳定性研究

(1)温度场的概念

在热传导的过程中，物体内各点的温度随着各点的位置和时间而变化，因而温度T是位置坐标和时间t的函数：

T＝T(x，y，z，t)

在任一瞬时，所有各点的温度值的总体，称为温度场；

一个温度场，如果它的温度随着时间而变，就称之为非稳定温度场或非定常温度场；如果它的温度不随时间而变，就称为稳定温度场或定常温度场，如果温度场随着三个位置坐标而变化，它就称为空间温度场或三维温度场；

(2)热传导微分方程

热传导的基本定律是：热流密度与温度梯度成正比而方向相反，也就是：

q＝-λ▽T

其中的比例常数元λ为导热系数，q为热流密度，▽T为温度梯度，热传导微分方程的建立是以热量平衡原理为依据的，即在任意一段时间内，物体的任一微小部分所积蓄的热量，等于传入该微小部分的热量加上内部热源所提供的热量；

所述防治对策包括：

一、监控技术措施研究，监测的具体内容包括：

(1)边坡岩土表面及地下变形的二维或三维位移、倾斜变化的监测；

(2)应力、应变、地声特征参数的监测；

(3)地震、降水量、气温、地表水和地下水动态和水质变化以及水温、孔隙水压力环境因素和爆破、灌溉渗水人类活动的监测；

监测方法包括：宏观地质观测法、简易观测法、设站观测法、仪器仪表观测法、自动遥测法、声发射/微震监测，所述设站观测法包括：大地测量法、全球定位系统(GPS)测量法、近景摄影测量法，仪器仪表观测法包括：械式传动仪表观测法、电子仪表观测法；

监测点保护措施

①每个监测点埋设完成后，应立即检查埋设质量，发现问题，及时整改；

②确认埋好后，埋设人员应及时填写埋设记录，并准确测量初始数据存档，作为施工时监测的参考；项目负责人应进行实地验收，并在埋设记录上签字确认；

③所有预埋监测点的实地位置应做精确记录，露出地坪的应做出醒目标志，并设保护装置；

④加强与现场施工单位的联系，作好双方的配合工作；

⑤详细了解施工动态，预先作好测斜管预埋件的保护；

监测数据处理及分析

①数据采集：依据监测方案与有关的规范要求，在现场对监测点进行观测与记录，并将采集的数据录入或传输至计算机；

②数据整理：每次观测后应立即对原始数据进行校核和整理，包括原始观测值的检验、物理量的计算、填表制图，异常值的剔除、初步分析和整编，并将检验过的数据保存至数据库管理系统；

每次现场监测工作完成后，必须及时进行外业观测成果检查，经平差计算处理后，计算各监测点的水平位移或竖向位移，计算各监测点当期内的沉降量、位移量，填写相应监测成果表，并将成果上报；

实行信息化管理，设专人分别负责监控量测及数据处理，如果监测过程中发现时间-倾斜量变化曲线出现异常，必须分析可能原因，并复测，将信息及时反馈给参建各单位，以采取必要的措施，确保施工安全；

③数据分析：采用比较法、作图法和数学、物理模型，分析各监测物理量值大小、变化规律、发展趋势，以便对边坡的安全状态和应采取的措施进行评估决策；

坡体三维位移监测

(1)监测点及测线布置

首先圈定主要的监测范围；估计主要滑动方向，按滑动方向及范围确定测线；选取典型断面，布置测线；再按测线布置相应监测点；

(2)监测网形成

考虑平面及空间的展布，各个测线按一定规律形成监测网；监测网的形成可能是一次也可能分阶段形成；监测网的形成不但在平面，更重要的是体现在空间上的展布，可分别在高寒高海拔高陡各水平的台阶上实施；

(3)局部加深加密测点

在可能形成的滑动区、重点监测部位和可疑点，应视情况加深加密测点；

(4)基准点选取

选取距离合适，地势较高、视野开阔、地质条件良好的地方，布设两个监测基准点，基准点附近应没有遮挡、视野开阔，以保证GPS信号的良好接受，应尽量避免将基准点选在附近有高反射面的地点以减少多路径效应的影响，同时避免将基准点选在大功率无线发射台附近；

采用GPRS通讯方式监测站建立以后，还需要把监测站天线采集到的三维数据自动发送到上级监控中心，发送方式选择无线传送的时候，就需要一个GPRS发送器，安装在数据采集器内，通过接口与GPS接收机连接，就构成了完整的“无线监测站”；

防治措施

滚石灾害的防护包括：

(1)每隔一定高度设置碎落台；

(2)采取合理的防护措施；

边坡截流和防排水措施

高寒高海拔高陡边坡的工程地质水文地质条件，应采取如下边坡的防排水措施，尽量减少或避免地表水、地下水对边坡的稳定产生不利影响：

(1)对影响采坑的地表水，进行改道截流；

(2)对境界外坡面迳流和冻结层上水，应采取修筑截水沟的方式进行拦截，在坡顶采用排水管集中排放方式疏干；

(3)对开采境界内大气降水、冻结层下水，随着露天坑的逐渐延深，可采用移动式水泵集中排放；

(4)高寒高海拔高陡建设投产后，须进行地表水、地下水与气象动态长期观测，了解高寒高海拔高陡进程中地下水活动规律，加强矿坑充水因素分析研究；

(5)须加强边坡日常的防排水巡查工作，发现问题应及时处理；

边坡加固及边坡安全管理制度的建立包括

(1)边坡加固

对边坡不稳定的局部部位可采取锚杆或预应力锚索必要的边坡加固措施；

(2)冻融阻隔

①控制边坡体内水的入渗与地下水：切断水入渗的通道，达到消除冻融循环影响的目的；

②对危险区域采用冻融效应阻隔：结合边坡巡查、工程地质调查分析，对潜在危险区域采用冻融效应阻隔，一是在冬歇期前合适时间，喷射混凝土覆盖不稳定体表面，在积雪与不稳定体之间形成保护层，达到减少积雪融水渗入节理裂隙的目的，从而阻隔冻融效应的发生；二是可采用在边坡体的坡面上，覆盖30-50cm的笼装废石，起一定的隔阻温度变化缓解边坡冻融的作用。

2.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔高陡边坡稳定性监控方法，其特征在于：所述边坡可靠性分析结果，根据c和的分布区间，c为粘结力，为内摩擦角，以极限平衡分析中各工程地质分区稳定性最差的六个剖面进行边坡可靠性分析：采用边坡稳定性分析软件，按蒙特卡洛方法，循环次数为1000次，安全系数分为：(1)按安全系数最小原则，搜索出的确定性滑面的安全系数；(2)因岩体力学参数的正态分布所造成的离散性，经1000次循环分析后，求得的边坡安全系数的平均值；

依据破坏概率的大小可以将边坡分为5种类型：破坏概率小于5％的边坡评价为稳定；破坏概率在5％～30％之间的边坡评价为基本稳定；破坏概率在30％～50％之间的边坡评价为稳定性一般；破坏概率在50％～80％之间的边坡评价为稳定性差；破坏概率大于80％的边坡评价为稳定性极差；

(1)按安全系数最小原则，搜索出的确定性滑面安全系数即为边坡极限平衡分析时的简化Bishop法安全系数值；剖面安全系数平均值一般情况下比搜索出的确定性滑面安全系数值略高；

(2)根据可靠性分析结果，边坡稳定性差时一般会产生滑坡；边坡基本稳定时，控制好影响边坡稳定性的因素，边坡一般可保持稳定，因此，在选择合理边坡角时，边坡应处于基本稳定～稳定，根据此原则，分析边坡在三种受力情况下，保证边坡的稳定时的各工程地质分区边坡角。