基于多點位移監測數據融合的高陡巖質邊坡失穩預警研究

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害防治工程技術創新中心,河北 石家莊 050000)

0 引言

露天采礦場的高陡巖質邊坡地區因受到地震、開采擾動、氣候變化等因素的影響易產生滑坡、坍塌、采空區塌陷等災害,將嚴重威脅著人民群眾的生命及財產安全。因此,對高陡巖質邊坡失穩預警進行研究是有必要的。對高陡巖土邊坡失穩情況的研究主要分為2個方向即邊坡形變預測和邊坡穩定性預測。邊坡形變預測主要指通過構建空間位移模型,對巖體流變等影響因素進行分析,進而對邊坡的變形量進行合理預估[1]。邊坡穩定性預測主要指的是通過對邊坡蠕變演化過程進行分析,結合邊坡的位移變化特征,對邊坡的結構穩定性進行分析[2]。目前,已有學者針對不同的利用各種算法建立數學模型來對邊坡失穩的進行預測,并取得一定的認識[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測數據融合的數學模型來預測邊坡失穩狀態,以期對露天采場的高陡巖土邊坡動態及時預警起到一定的借鑒作用。

1 邊坡失穩預警方法

高陡巖質邊坡的位移監測數據可以為巖體穩定性分析提供有效的數據支持,調取高陡巖質邊坡在多個監測坡面的位移信息,并結合位移預警閾值,可實現對邊坡失穩情況的及時預警。一般對于高陡巖質邊坡位移信息的監測主要包括單點位移監測和多點位移監測。由于單點位移監測數值無法全面反映出邊坡巖體的力學穩定性,因此選取多點位移監測數據進行融合處理,獲取邊坡失穩狀態下的位移閾值[5]。受到高陡巖質邊坡演化階段的影響,邊坡的位移監測信息呈現一定的時間變化規律。不同演化階段下所采集到的位移監測信息可表征出邊坡不同的穩定性結構狀態。為保證獲取到的位移監測信息具有一定的代表性,先要對高陡巖質邊坡變形的演化階段進行分析。一般情況下,高陡巖質邊坡主要會經歷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階段[4],具體演變過程如圖1所示。

圖1 高陡巖質邊坡失穩演化階段

根據上述邊坡失穩的演化階段可以看出,邊坡在經歷完加速變形階段后,會進入到一段急速變形階段,即所謂的臨滑期。此刻邊坡的位移監測數據與失穩狀態下的臨界值最為接近,因此采用邊坡處于臨滑期的位移監測數據進行融合處理。假設在高陡巖質邊坡多點監測剖面中,某監測點的位移空間狀態表達式[5]:

X(k+1)=ΦX(k)+ΓW(k)

(1)

式中:X(k)為k時刻的位移狀態值;W(k)代表位移信息的高斯白噪聲序列;Φ代表狀態轉移矩陣;Γ代表輸入矩陣。監測點的位移空間狀態可以通過采用邊坡位移量以及位移速度對其進行表征,因此將位移量與位移速度作為狀態向量,結合文獻[5]可以得到表達式(2)。

(2)

其中,x(k)代表監測點在k時刻的位移量,mm;v(k)代表監測點在k時刻的相對位移速度,mm/s;T代表位移監測采樣時間間隔,s;a(k)代表測點由k到k+1時的加速度,mm/s2。對此,本文結合局部濾波器對上述的邊坡位移信息數據進行多源融合處理。結合文獻[5]對所有邊坡位移監測信息數據進行分配處理見式(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邊坡臨滑災害數據為研究對象,調取該市災害數據庫中的歷史數據,從中抽取20組因結構性失穩導致的邊坡崩塌數據作為測試樣本。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見表1。

研究區域已有的地質資料可知,該地區主要巖性為灰巖,巖體呈層狀分布。在邊坡布置3處不同的監測點位,每個點位所對應的巖體抗拉強度均有所不同,具體監測點位剖面結構如圖2所示。

其中,監測剖面1的的巖體抗拉強度為0.127 Mpa,監測剖面2的巖體抗拉強度為0.228 Mpa,監測剖面3的巖體抗拉強度為0.278 Mpa。針對預警區間進行劃分,并記錄不同預警方法下的穩定結構系數誤差,以此判定3種預警方法對于同一組邊坡數據的預測情況。分別針對3個不同的監測剖面進行失穩預警處理,根據剪切強度提前劃分出失穩預警區間,對比不同巖體抗拉強度下,預警精度的變化情況。

表1 測試樣本參數

圖2 邊坡監測剖面結構

2.2 預警精度結果

主要的對比指標為3種方法下邊坡結構穩定系數誤差,該值越趨近于0,代表該方法的預警精度越高,具體實驗結果如圖3所示。其中,虛線部分代表失穩預警區間,預警的精準程度將通過處于該區間內時的邊坡結構穩定系數誤差來體現。

從圖3實驗結果可知,3個監測剖面的失穩預警區間是不一樣的,這應該是與巖體受到的剪切強度影響有關。通過觀察邊坡穩定結構穩定系數誤差變化曲線,利用基于多點位移監測數據融合邊坡失穩預警方法所得到的系數誤差值均處于預警區間內,而其余2種常規方法的系數誤差均在不同程度上超出失穩預警區間,且系數誤差值較大。說明該方法具備的預警精度較準確。

3 結論

(1)結合研究區的實際情況,利用基于多點位移監測數據融合的邊坡失穩預警方法,對多點位移監測數據進行融合處理,獲取邊坡失穩狀態下的位移閾值。

(2)采用某市露天采礦場的邊坡臨滑災害數據來進行實驗驗證,其結果證明建立該方法的可行性。

(3)采用3種邊坡邊坡失穩預警方法的誤差系數作對比,其結果表明基于多點位移監測數據融合的邊坡失穩預警方法的有較高的精確性。

圖3 不同檢測剖面邊坡結構穩定系數誤差對比