[发明专利]一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法

说明书

本发明公开了一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法，本发明以矿山边坡为研究对象，建立矿山边坡稳定安全性和开挖经济性的多目标优化非线性数学规划模型，该模型同时以安全系数的最大值和开挖效益的最大值为目标函数；并以开挖坡率、结构面的剪力和法向力为决策变量，以边坡滑体的平衡方程约束条件、结构面的屈服条件为约束条件，同时约束条件中构建的重力函数能随着开挖坡率的变化而变化，从而使得边坡滑体极限平衡的约束条件可以很好的联系矿山边坡的安全性和经济性，从而更加符合实际矿山边坡开挖要求；通过本发明的方法可以直接获得矿山边坡的最优开挖坡率，使开挖效益最高的同时稳定安全系数最大，进而达到开挖经济性与稳定安全性的统一。

技术领域

本发明涉及一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法，属于矿山边坡稳定性分析技术领域。

背景技术

近年来，矿山边坡开挖所导致的边坡稳定性问题受到了广大岩土工程者的广泛关注。在进行矿山边坡开挖时通常涉及两方面的问题：一是开挖后矿山边坡的稳定安全性、二是开挖体积所产生的开挖经济性。其中开挖后矿山边坡的稳定安全性主要取决于结构面的性质及其空间组合，矿山边坡中的层面、软弱夹层、断层、节理面均是开挖过程中导致边坡失稳破坏的主要原因；开挖体积越大所产生的开挖经济性效益越高，反之亦然。在实际工程中，通常采用开挖坡率法进行开挖设计，其主要是根据地质专业的建议和类似工程经验，来确定开挖边坡开挖坡率，如：《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)给出了矿山边坡建议开挖坡率。规范所给建议开挖坡率是一个经验取值，并不能保证矿山边坡的安全系数和开挖效益同时达到最优，即达到既安全又经济的目的。

当前矿山边坡开挖设计存在以下问题：

(1)实际工程中，通常根据地质专业的建议和类似工程经验，来确定边坡的开挖开挖坡率，相关原理及理论均尚待考究；

(2)采用规范给出的矿山边坡建议开挖坡率，稳定安全性和开挖经济性均未能保证最优；

(3)矿山边坡开挖设计本质上是一个同时寻求矿山边坡开挖效益尽可能大与寻求矿山边坡安全系数尽可能高的多目标问题，在当前还未有很好的方法进行全面考虑；

基于这种现状，有必要提出一种同时满足稳定安全性和开挖经济性的矿山边坡最优开挖坡率计算方法。

发明内容

本发明提供了一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法，通过该方法可以获得同时满足稳定安全性和开挖经济性最优的稳定安全系数和开挖效益以及最优开挖坡率。

本发明的技术方案是：一种矿山边坡最优开挖坡率计算方法，所述方法包括：

步骤1、拟定拟定矿山边坡的几何参数；

步骤2、拟定矿山边坡的物理力学参数；

步骤3、矿山边坡滑体的受力分析；

步骤4、建立矿山边坡的稳定安全性目标函数和开挖经济性目标函数；

步骤5、建立矿山边坡滑体极限平衡的约束条件；

步骤6、建立矿山边坡稳定安全性和开挖经济性的多目标优化非线性数学规划模型；

步骤7、求解矿山边坡稳定安全性和开挖经济性的多目标优化非线性数学规划模型，获得稳定安全性和开挖经济性均最优时的稳定安全系数、开挖效益以及最优开挖坡率。

所述拟定拟定矿山边坡的几何参数包括：矿山边坡高度H、结构面底端到x轴的距离H₁；矿山边坡的天然坡率β；矿山边坡的开挖坡率θ。

所述拟定矿山边坡的物理力学参数包括：矿山边坡滑体的容重γ，结构面的倾角α，结构面的凝聚力c和结构面的摩擦角