露天矿边坡监是测数据采集分析及预报模型.doc

露天矿边坡监测数据采集分析与预报模型综述目录一、概论.2二、监测技术及数据采集传输.4三、露天矿边坡数据分析方法.8四、滑坡预测的模型与参数.15参考文献.26 一、概论一、露天边坡及稳定性分析 边坡工程中，安全问题随着矿山开发、水利建设、城市发展等项目的进行，往往是其中重要的环节，经常会形成有超百米的临时边坡或永久边坡。例如，五强溪水电站坝址左岸形成的边坡高度在130150m；清江隔河水岩电站厂房人工开挖形成的台阶式边坡高达185m，长350m；我国露天矿山规模宏大，最终设计边坡高度一般为300500m，有的已经达700m，冶金部重点矿山大冶铁矿整个东露天采场上口尺寸为2250m*1000m，南北帮采深将分别达390m和420m，是典型的高陡深凹露天大型矿山。 大小边坡失稳事件数目众多，小事故可以造成工期延误，财产、设备损失，大事故则可能造成人员伤亡，甚至改变设计初衷。天生桥二级水电站位于中国广西壮族自治区隆林县及贵州省安龙县的界河南盘江上。水电站首部枢纽布置在天生桥峡谷出口的坝索坝址至厂房长约14.5km的河段内181m集中天然落差，裁弯取直，开凿引水隧洞引水发电。1985年，在该工程水电站进水口明渠开挖时，发生边坡坍塌，造成48人死亡；此外，该工程电站厂房殷边坡稳定问题几度改址。1989年，位于越西县的漫滩水电站在左岸坝肩开挖时，发生10.6万m3滑坡，工程被迫中断，并导致更改枢纽的原布置方案。又如，大冶铁矿狮子山北帮A区在1990年4月30日发生6000 m3体积的滑坡，而后，在1996年7月1日再次发生较大规模的滑坡，滑坡体垂直高差240m，总体积约90000m3。可见边坡事故影响很大，所以其安全问题历来备受重视。我国的露天矿边坡工程研究起始于20世纪60年代，在20世纪7080年代得到了飞速发展，与此同时，我国在边坡工程总体技术水平上，已居于国际先进行列。进入20世纪8O年代后期，我国已有越来越多的露天矿山转入深凹露天开采，边坡高度从原先的l00300m增加到300500m，有的甚至超过700m。90年代以来，我国露天矿的边坡稳定性研究的数据分析方法亦取得不少新的进展。边坡稳定性分析一直是岩土工程中重要的研究内容，其研究最早可追溯到19世纪初，早期的边坡研究是仅以土体为研究对象的，其方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法，并把此方法用于岩质边坡的稳定性研究，但由于其力学机理的粗浅或假设的不合理，其计算结果与实际情况差别较大。20世纪50年代，我国的许多学者在研究中开始采用苏联的“地质历史分析法”，但也是偏重于定性描述和分析。60年代初意大利依昂水库边坡及我国一些水电工程中所遇到的边坡失事，研究者意识到边坡破坏是一种时效过程或累积过程，从而使边坡稳定性研究进入模式机制研究或内部作用的阶段。80年代后，边坡稳定性研究进入蓬勃发展的新时期，计算理论及计算机技术的迅猛发展，数值模拟技术开始广泛应用于边坡稳定性研究之中，同时，随着工程规模的不断加大，边坡岩体工程条件也越来越复杂，随机方法和模糊方法等不确定性分析方法被应用。 二、露天矿边坡数据分析方法和预报模型露天矿边坡中，主要研究的对象是天然岩体，它不仅具有显著的不连续性、非均匀性和各向异性，而且受到地应力和地下水等作用，这使得其天然状态十分复杂。而大型边坡开挖扰动了自然条件下的地应力（初始应力）场。合理的计算模型要求能真实的反映岩体物理力学性质，以及地应力释放和重分布时的岩体性状。露天矿边坡数据分析方法可分为定性分析和定量分析两部分。定性分析通常包括：对实测数据中有代表性的主要测值信息进行基本特征值统计，例如，计算某时段（某区域）的最大值、最小值及相关时间，平均值、极差、样本方差等；进行对比分析，如将新监测值与历史同条件测值进行对比，与历史最大、最小值和平均值比较，与近期数值比较，与邻近测点数值比较，与相关项目数值比较，等等；绘制实测值变化曲线及相关测项对应曲线，并以这些为基础对被监测体的状态进行初步定性识别，同时可考察测值的真实性，识别由仪器失效、观测失误等因素造成的明显不合理数据。定量分析则需要从力学、数学等方面入手，从定量角度较为深入、详细地揭示数据所含的信息，描述内在规律，进行预测、评价和反演等。总体来说，露天矿边坡数据分析应用研究工作都是一个由定性分析向定量分析发展的过程，并处在进一步研究、发展阶段。作为数据分析的主要方法和定量分析的主要工具，数学监测模型在露天矿边坡中得到广泛的应用。工程人员借助监测模型可以对被监测状态的变化规律进行定量描述，在一定情况下，可以揭示状态量与影响因素间的定量关系，还可以借助模型进行反演分析，而在监测模型上的预测已经成为目前应用最广的预测方法。正是由于监测模型能有效服务于几乎全部的安全监测目的，它已成为深入分析监测资料不可缺少的组成部分，也是深入研究的重点内容。露天矿边坡监测项目众多，主要包括工作条件监测（如降雨、气温、施工进展），变形监测（如外部水平、垂直位移，内部水平、垂直位移，倾斜，裂缝及接缝，土体固结，等等），应力应变监测（衬砌、支护应力，锚杆荷载，混凝土应力应变，等等），渗压渗流及地下水监测（如渗压、渗流量，地下水位，等等）。其中，变形监测以其测量精度高、观测方便、资料齐全、能直接反映被监测体状态等特性而成为监测及分析的重点，其应用范围与分析水平都处于各观测项前列，是分析被监测体规律、掌握动态、评价安全的主要凭据。二、监测技术及数据采集传输由于早期装备条件的限制，我国边坡安全性监测主要是根据人工观测地表变化特征、地下水以及周围动植物的异常来推断确定其发生的可能性。之后，随着时代的发展和科技进步，表面位移监测法的一些常规仪器，包括全站仪、经纬仪、水准仪、GPS监测以及新近发展的GPS手机监测和InSAR技术等，也逐渐得到应用。这类方法由于表面位移和滑面位移的不一致性，预测预报准确度十分有限。而通过深部位移监测法，即钻孔倾斜仪进行监测，虽然能够确定滑面位置，但产生较大错动后，倾斜位移监测失效，后期滑坡位移数据无法获得，故其数据带有“一孔之见”而有失准确。一、监测技术1 边坡监测的作用 为边坡设计提供必要的岩土工程和水文地质等技术资料；获得更充分的地质资料和边坡发展的动态，从而圈定可疑边坡的不稳定区段；确定不稳定边坡的滑落模式，确定不稳定边坡滑移方向和速度，掌握边坡发展变化规律，为采取必要的防护措施提供重要的依据；通过对边坡加固工程的监测，评价治理措施的质量和效果；为边坡的稳定性分析提供重要依据。2 边坡监测的内容与原则 重点突出、全面兼顾 及时有效、安全可靠方便易行、经济合理3 边坡监测的方法 简易观测法 设站观测法 仪表观测法远程监测法（参考文献边坡监测技术浅谈）二、GPS 技术与数据采集传统的监测的传统方法是利用精密水准测量的方法测量垂直位移，利用全站仪测量水平位移。该技术常规做法是在变形区域内分别布设水平变形监测控制网和地表沉降监测控制网。由于传统监测方法网形结构要求较高，而受通视条件限制。在观测作业时，监测时间长、工作量大，并且不能实时得到真正意义上的三维高精度变形信息。同时，如果边坡处于变形加速期，难于保证监测人员的安全。在边坡监测过程中，其滑坡变形预报的准确度不但与监测设备能否实时、准实时或在相应的观测周期内灵敏可靠地取得相关精度要求的变形数据有关，还与数据的处理方法有关。随着GPS接收机设备价格的下降，以及GPS定位及数据处理技术的不断发展和完善，如何更好地运用GPS定位技术对边坡等地质灾害进行监测和预测是当前研究和应用的热点。应用GPS监测边坡变形时，基于监测网的精度指标、可靠性指标和灵敏度指标优化监测网。经验可知GPS一机多天线边坡自动监测系统与常规监测结果几乎是一致的。可用于高边坡，特别是传统方法由于观测条件困难而难于实施的场所，并且具有全天候监测、自动化程度高的特点。有时候由于产生电磁干扰和多路径效应的影响，会给测量结果带来影响，形成突变，降低了定位数据的可靠性，影响定位精度。因此为了提高GPS定位的可靠性和精度，应对测量数据进行粗差剔除。GPS用于边坡监测，不仅是对观测设备有要求，数据处理方法也是核心内容。针对不同的监测环境和条件，应选择科学合理的数据处理方法，以得到精度高和可靠性强的监测结果。（参考文献GPS在露天边坡地表位移监测中的应用）（参考文献GPS边坡变形监测数据处理与精度分析）（参考文献GPS实时监测技术在抚顺西露天矿边坡变形监测中的应用）三、监测过程数据采集的全自动化徕卡的TCA系列全站仪，具有自动识别目标的ATR(AutomaticTargetRecognition)功能，能自动搜索、照准目标，实现角度、距离的全自动化测量。基于徕卡TCA系列的边坡工程变形自动监测系统，在某矿山边坡工程变形监测中得到了应用。（参考文献边坡工程变形监测系统的研究）四、监测预报的全自动化清华大学3s中心承担的“三峡库区高切坡监测预警信息系统软件开发及数据库建设”，设计了基于GPRSSMS和NET技术的边坡稳定监测数据管理预警系统。提供了一套完整且运行效率较高的边坡稳定数据的监测、实时传输、处理、统计以及分析的解决方案。边坡稳定监测系统由自动监控没备、现场机、传输网络、监控中心服务器四部分组成。监控中心服务器通过传输网络与现场机交换数据、发起指令、应答指令。如图l所示。（参考文献边坡稳定监测数据管理预警系统的设计与实现）五、变形监测数据的管理系统的设计与开发数据管理软件设计开发的基本思想是以最少的人工干预、比较先进的数据算法、方便的操作方式和友好界面实现监测数据的管理，从而保证监测数据内外业处理的自动化和规范化，为高边坡的稳定和三峡大坝的安全运行提供可靠的变形监测数据资料。另外，系统的开发需要具有以下的几个要求 (1)模块化；针对升船机及临时船闸的数据处理系统可以分成若干子模块，但其本身又要能接受三峡监控中心主控模块的调用。(2)可扩充性和先进性_5；系统应采用规范化、标准化、组件化的设计思想，即使个别组件出现故障或需更新，也不会影响到整个数据管理系统的正常运行，同时整个系统的维护和升级应更加容易。作为我国的重点水电项目，必须采用当前先进的软硬件技术，保证系统的先进性。(3)易学实用性；系统功能的划分应清晰合理，人机界面良好，人工干预少，菜单简单直观，易学、易操作，自动化程度高。 (4)可靠性；一是保证监测工作的连续性，确保系统的软硬件长期稳定地工作，即使在特殊情况下，也能正常工作，准确地进行分析。二是采集的数据必须经过错误和粗差检验，确保数据的可靠性；应用的监测分析预报模型必须正确，保证预报的准确性和可靠性。 (5)开放性；系统应对硬件依赖性小，软硬件平台选用开放式系统，便于不同系统、软件平台之间的互通。 (6)安全性；系统要提供用户名、密码和不同的访问权限。另外，对重要数据进行加密、备份等安全措施。1数据采集模块采集模块是实现监测数据采集的功能。变形监测仪器的现代化和自动化程度越来越高，外业数据采集的仪器种类也越来越多。外业监测仪器大致分为全站仪系列、水准仪系列、GPS、各种应力计等；监测数据采集方式大致为全自动电子记录、手工按键式电子记录两种。对应这两种方式，PCES00袖珍计算机、基于WinCE的掌上电脑、存储卡、传感器等应用于不同类型外业监测数据的记录工具，数据采集后预留其它数据采集方式的接口。监测数据采集是通过记录程序对规范规定的各项监测限差进行自动控制，对不合格监测数据都会舍弃或要求重测，然后生成相应格式的数据流。2数据传输模块传输模块是把外业采集到的数据流导入到数据管理系统中。系统设计采用通用的数据流数据格式的接口，通过连接电缆将数据传输到计算机系统中。操作时需要选定具体的数据流格式。3数据预处理模块外业监测数据通过数据传输模块进入数据管理系统后，需要进行数据预处理。分析外业监测数据观测质量如何、是否满足精度要求。数据预处理模块大致有两方面功能：一方面、外业资料质量评定，就是对监测数据进行检查、剔除粗差，保证监测数据的可靠性。另一方面、通过对原始监测数据整理，生成平差计算可用的平差准备文件和原始记录表格。预处理内容包括测距边的加乘常数改正、气象元素改正、观测斜距精确归算到标心斜距、平距计算；水准观测高差进行尺长改正、计算往返差、平均高差等；各项闭合差计算(三角形闭合差、极条件、导线角度闭合差和坐标闭合差和GPS同步环、异步环闭合差等)；对不合格的监测数据进行剔除处理等。这些功能需要无人工干预的自动化过程。4平差模块平差模块是整个系统的关键处理功能。平差结果直接输出观测值的协因数阵、改正数、监测点的坐标和相应的精度指标等。此功能要通过选定网的维数(一、二、三维)和网型(边角网、测边网、测角网、导线网)和选择平差方法(附合网平差、经典自由网平差、秩亏自由网平差、拟稳网平差)来实现。5变形分析与预报模块变形分析是数据管理系统辅助分析和决策的重要功能，主要实现监测点位的稳定性分析。监测点可分稳定点和动点，通过设定合理的基准参数和平差计算模型得出测量点是否固定点或拟稳点。变形分析方法包括限差检验法、稳定点总体检验、单点检验和变形模型法。预报模块主要是根据前几期观测成果拟合监测点的变形曲线，可以直观地判断出某一测点出现测值异常的时间，获得预报点位的变化趋势。预报模块采用回归模型、多项式拟合、灰色模型、时间序列模型等来判断监测点的工作状态并进行预报。在系统菜单上只要选取模型就可以进行变形分析和变形预报。6输出模块输出模块的功能是将各种监测成果、分析计算成果和查询结果显示、打印、传输或保存。包括各个监测项目的观测成果值的报表系统，如一般报表、年报表、月报表等等；图表的打印输出，主要有过程线图、分布线图；各种图形、图象资料的打印输出；一些监测项目的监测值的屏幕输出等等。上述模块功能必须通过系统总控来协调，总控提供各级控制菜单和工具条，控制各个功能模块的正常运行。设计的总控界面。（参考文献高边坡变形监测数据管理系统的设计与开发）六、远程实时监控系统远程监控系统数据采取无线传输方式，采用完全的点对点传输，即每套监测设备之间都是相互独立的，互不干涉，没有任何连接线缆，各监测点可分散布置。现场设备采用电池组供电，使用时只需定期更换电池即可；测量数据能够远距离传输，并可同时发给多个监控主机。摄动力监控系统组成如图3所示。监控系统主要由两大部分构成：一部分是智能传感、采集、发射系统，该部分用于安装到监测现场，可将现场锚索等应力数据自动采集、自动发射到接收分析系统；另一部分是智能接收分析系统，该部分可将现场发来的数据自动接收并处理形成动态监测曲线和监测预警曲线，根据监测预警曲线判断监控对象的稳定状态。（参考文献滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用）三、露天矿边坡数据分析方法边坡稳定性分析是边坡研究的核心其目的是通过采用先进的研究手段和系统优化的科学方法，在保障边坡安全的前提下，寻求剥岩量小，可采矿量大，以及滑坡处理和补救工程费用低，矿山相关收益最大的边坡设计方案。矿山边坡稳定性分析方法分定性、定量分析方法。露天矿的边坡安全在其安全生产中具有重要的意义，通过研发露天矿边坡安全管理信息系统，改变了传统的边坡安全信息管理以人工为主的局面，利用数据库技术，实现了露天矿边坡图形数据(Auto-CAD)和监测信息的关联，能够对露天矿生产过程中产生的海量信息进行信息化高效管理。在此基础上根据GIS思想，基于用户熟悉的AutoCAD平台进行二次开发，建立露天矿边坡安全管理信息系统，能够对边坡监测信息进行图文查询和信息添加，实现了与矿山现有信息系统的无缝链接，极大地方便了矿山边坡安全管理工作，保障了露天矿的安全生产。一、定性分析方法定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等进行分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势定性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，主要方法有范例推理、专家系统及图解法等等。一、边坡失稳的机制边坡失稳可分成两种不同的形式：(I)拉伸性破坏的岩崩；(2)剪切性破坏的滑坡。不管边坡属何种形式失稳，均受其力学机制所制约，并呈现一定的规律性。通常以边坡位移随时间变化的形式表现出来。1、天然边坡失稳天然边坡一般是在经历了长期的重力作用下的流变之后发生失稳的，当软弱面承受的应力达到其长期强度时，在外界某因素，诸如振动、降雨等的诱发下，即发生失稳。边坡的位移与时间的关系如图I所示。图中第一流变时期，为边坡形成初期，此时边坡位移随时问的发展基本上呈线性增加趋势；第二流变时期，此时边坡处于相对稳定时期，其位移随着时间的发展趋于基本稳定；第三流变时期，此时边坡处于不稳定状态，边坡位移随时问的推移而增加，并有加速的趋势，当加速到一定的数值时，边坡进入失稳阶段，发生破坏，即岩崩或滑坡。2、人为边坡的失稳人为边坡使岩体出现人为的临空面，此时岩体的应力和应变进行调整，因而边坡发生运动，其位移随着时间的推移而变化，位移又可分成释放位移和流变位移两部份。释放位移是开挖时的应力释放所致，就时间而言，是短暂的，然而却是边坡是否失稳的关键。释放位移的时间效应如图2所示，它可分为三个阶段： (I)急剧阶段：刚形成的边坡，应力和应变进行剧烈调整，边坡位移随时问的推移呈线性急剧发展，当超过一定限度时，边坡就失稳；否则将进入第二阶段。(2)减缓阶段：边坡经过短期的应力和应变调整后，趋向于稳定，因而边坡的位移随着时间的发展而移与时间曲线的斜率小于第(1)阶段，但仍呈线性关系。(3)稳定阶段：经上述两个阶段之后，边坡的位移随时间的推移，呈一个近乎稳定的微量值，边坡就进入稳定阶段，此时的人为边坡可视为天然边坡。对于一个山体，经人为开挖形成边坡，改变了岩体的自稳状态，形成三个不同的区域，即拉力区、剪力区和应力集中区，如图3所示。这三个区域的应力状态互相影响，它受岩体构造面所控制，所以边坡的开挖是一个三维的动力问题。开挖卸荷引起动力的扰动，设想开挖前方和后方的岩体形成多层结构，随着开挖的推移，这种多层结构也向前推移，由于变形的不可逆性，新的应力扰动将迭加于被扰动的应力场上。如果边坡的位移不明显地表现出时间效应，则在远离开挖的某一位置范围处，边坡岩体的释放位移已基本结束，边坡将形成一个稳定的应力场；如果岩体的某薄弱部位的强度不足以抵抗应力集中，则边坡不是即刻破坏，就是释放位移无法进入第 (3)阶段，此时随着时间的推移，边坡的流变特性将迭加到释放位移中去，导致位移持续发展，并呈现加速趋势，最终造成边坡的破坏。不同形式的边坡失稳在边坡的位移与时间关系中表现出不同特征，主要是急剧发展阶段不同。拉伸性的岩崩，以突发式为特征，剪切性滑坡，需经历一个大位移的发展过程，急剧发展的时间较长。对于人为边坡的位移与时间关系的分析，目的在于提供工程措施的依据。即选取合理的柔性支护与刚性永久支护，使边坡进入人为的稳定状态；对于天然边坡的位移与时间关系分析，目的在于提供治理的理论依据，或现场边坡失稳的报警时间。案例：1、盐池河边坡位移与时间关系及其失稳分析1980年6月3日凌晨5时35分，宜昌地区盐池河磷矿发生边坡岩崩和滑坡，总方量约100万方，致使盐池河顿时截流。滑坡前，虽进行边坡位移监测，但对观测结果未进行及时分析和报警，造成巨大损失2。盐池河的边坡崩滑及位移监测点见图4。山体下部为震旦系上统的陡山沱组，含磷岩系，是中厚层硅质白云岩及薄层状白云岩或砂质页岩互层，而山体的上部是震且系上统的灯影组厚层白云岩。相对来说，山体下部的岩性比上部的软弱，经风化，遇水后其力学强度更低。下部岩层在上部岩层的长期作用下，产生变形和流变。在上下部的接触面处，出现应力集中，山体中部日益增强的剪切应变，加剧了边坡上部岩体开裂的拉张变形，使裂缝加宽和向纵深发展。同时裂缝外侧的山体向外倾移。中部的剪切变形和上部拉张变形，在采矿作用下发展，以至垂直裂缝与层面节理追踪连接，形成一个危岩体。它在爆破的长期作用下，又遇上雨季，两者迭加而发生了该边坡的岩崩和滑坡。从4月21日一6月2日的位移观测资料(图5)可见：I号裂缝处于滑坡体的后缘。该缝以水平张裂为主，从4月21日至5月17日，该裂缝宽度由22cm增加到77cm，其张开的速度为211mmday，此段时间内，垂直位移很微弱。5月12日以后，水平位移几乎停止，而垂直位移却急剧增大，尤其是5月30、31日两天的大雨后，裂缝外侧的岩体下沉量从21cm增加到105cm。裂缝位于危岩体中间，6月1日以前处于相对稳定状态，其后位移急剧发展。号裂缝处于滑坡体内部，该裂缝从4月20日起，由开张转为闭合，几乎没有垂直位移，到5月26日以后，闭合速度加快，垂直位移也略有增加。裂缝处于滑坡体前部，该裂缝的水平位移和垂直位移是同时进行的，且从5月18日起，两者均有显著的增加。以上的资料表明：裂缝的位移速度日趋增加，遇到连续大雨(降雨量为77mm)，裂缝的位移急剧发展，可以认为边坡的失稳特征已显示出来了。6月1日和2日，垂直相对位移每天已达lm余，此时已拉开边坡失稳的序幕。2、新滩滑坡的位移与时间关系新滩斜坡体为历史岩崩形成的土石堆积体斜坡。其基岩为志留系砂岩。斜坡体在岩崩的不断加荷条件下，经历了长期的流变变形，加上雨水和不合理的垦植等因素，于1985年6月12日凌晨3时45分发生了大滑坡，总滑量为3000万方，长江江面被堵三分之一，激起涌浪高达54m。由于位移监测获得完善数据，及时分析，准确报警。这次大滑坡虽摧毁了整个新滩镇，但滑坡体上的1371人全部安全撤离。1977年，根据斜坡体的形状及两侧基岩出露的条件，确定进行平面位移监测，并布置A、B、c、D四条平行长江的视准线，于1977年11月开始，进行位移监测，每月一次，采用平面位移视准线法。至1982年，观测表明新滩斜坡体的位移量大且在加速，视准线法已难以满足要求，因此于1983年，对监测系统进行调整，并增设F测线。C、D测线则沿用原来的方法进行位移监测。各测线的位移与时间关系的结果如图7、8所示。新滩斜坡体的位移与时间效应的曲线可以看出，斜坡体于1979年8月已进入第三流变时期，即1979年8月之前为第二流变时期，1979年8月新滩斜坡体已有失稳前兆出现。进入第三流变时期后，根据位移与时间的关系可划分为四个阶段：(1)缓慢流变阶段(197981982年雨季前)；(2)发展阶段 (1982年雨季前1983年4月)；(3)加速流变阶段 (1983年5月1985年5月中旬)；(4)急剧流变阶段(1985年5月中旬至6月12日)。1985年6月1O日，斜坡体水平和垂直位移随时间的推移已到飞速增长的地步，大滑坡即将来临；1985年6月12日，发生新滩流变性大滑坡。二、定性分析方法的图解法图解法是考虑边坡的各种因素如岩性、地下水、边坡角等的变化，根据相应的公式制成图表，使得边坡设计计算变得简单、方便，只需查相应的图表即可。自1937年Taylor首次提出稳定分析图表以来，Bishop和Morgensterm(1960、1963)、Spencer(1967)陆续设计出了各种图表。李靖5等改进毕肖普法得到一个简化公式，由该公式考虑黄土的主要因素设计了黄土边坡稳定性分析图表。因图解法简单、直接，工程界常常使用，但其是简化基础上进行归并而得，使用时一定要注意其适用条件和适用范围。二、定量分析定量方法主要有极限平衡法和数值法两大类，下面是各种数据分析方法的简单介绍与案例。1、极限平衡法极限平衡方法优点是简易明确地给出边坡的抗滑力与下滑力及其稳定性数|缺点是不考虑岩体的受力变形与位移。极限平衡法，即假定边坡沿某一形状滑动面破坏，按力学平衡原理进行二维计算。对于三维边坡问题，其稳定性取决于复杂空间分布的地形、地层、岩土力学参数及地下水等因素，但这些空间分布的信息很难在一般的边坡三维稳定分析程序中处理，而GIS(GeographicInformationSystems，地理信息系统)恰好提供了一个公用的平台来处理这些复杂的空问信息。由于所有边坡相关的数据在GIS中均能转换成GIS栅格数据，因此，基于柱体单元的边坡三维稳定分析模型均可采用GIS栅格数据集进行分析。案例：清江隔河岩茅坪滑坡是我国典型的滑坡灾害之一。它位于湖北清江隔河岩水库库区近尾部左岸，距隔河岩水库大坝66km，上距正在施工的水布垭坝址25km。它是目前库区内规模最大、变形最严重的一处堆积层滑坡。茅坪滑坡滑动面大致可追踪至泥盆系上统写经诗组页岩夹泥灰岩岩层层面，因此，也可以称此滑坡为“准基岩顺层滑坡”。由差异风化形成的倾向坡外的基岩项面成为此松散堆积层滑坡发育的控制性界面是该滑坡的突出特征。该滑体平面形态是扫帚状，前后缘高程分别为160、570m，主滑方向约为SE160。滑坡纵向长约1600m，前缘宽为600m，滑坡舌直抵江中(清江隔河岩水库水位变化于160200m间)，总体坡度1520。滑坡东侧为由差异风化形成的白云岩基岩陡壁，陡壁长约2000m，高约200m，走向为SE150。；西侧为南北向发育的婆娑溪自然冲沟。滑体由具不同风化程度的崩塌堆积形成的灰岩块石、碎石夹土组成，堆积物多呈架空状，因而渗透性较好。滑体厚度变化于587m，平均厚度约40m，体积约2350×10m。滑床基岩为泥盆系上统砂页岩层，不具透水性。滑坡前缘尚发育2处规模较大的寄生次级滑坡：茅坪街滑坡、四大天王滑坡，体积分别为450z10m、200×10 m，其中茅坪街滑坡前缘地形陡峻，坡度达2565。，并向江中突出。茅坪滑坡有发生堵江的极大可能性而倍受有关方面关注。为了防忠于未然，减小茅坪滑坡的危害，有必要对它的稳定性进行全面的分析与研究。整个数据整理和分析流程如图2所示，其中CAD等高线和地质勘查报告为原始数据，地质勘查报告包括工程地质条件、滑体力学参数、控制点的钻孔勘查数据等。2、相空间重构：相空间重构其实就是只考察一个分量。将它在某些固定的时间延迟点上的测量作为新维处理。即延迟值被看成是新的坐标。它们确定了某个多维状态空间的一点。重复这一过程并测量相对于不同时间的各延迟量，就可以产生出许多这样的点。这些点构成高维空间下的一种轨迹，称之为伪相图(伪相轨迹)。若重构的正确，这时重构的相空间具有与实际的动力系统相同的几何性质与信息性质。3、突变理论突变理论通过变形曲线系统控制变量的变化研究其系统状态变量的性质，确定其系统结构稳定性滑坡是一种典型的非连续突变现象，用突变理论对滑坡前兆形变资料进行分析，建立滑坡尖点突变预测模型。将边坡变形曲线看作一单变量的连续函数，作Taylor展开表示为： (1)式中的t为时间，为对应t的位移，.为待定系数。实际分析发现，对具有一定趋势规律的时间序列，截取到4次项时，函数是确定的。则(1)式可近似表示为： （2） 对上式作变量代换，令：（参考文献矿山岩体边坡变形动态分析与临滑预报）4、有限元分析法：传统的极限平衡法都是把滑动岩土体切成有限宽度的条块，把岩土体当成刚体，根据静力平衡条件和极限平衡条件求得滑动面上力的分布，从而计算出稳定安全系数。但由于岩土体是变形体并不是刚体，用分析刚体的办法不满足变形协调条件，因而计算出滑动面上的应力状态不可能是真实的，有限元应力法就是把岩土体当成变形体，按照岩土的变形特性，计算出岩土体内的应力分布，然后再引入圆弧滑动面的概念，验算滑动岩土体的整体抗滑稳定性。实现步骤(1)将边坡划分成有限个单元体，用有限元法计算出每个单元的应力、应变和每个结点的结点力和位移。(2)引入圆弧滑动面的概念。把滑动面分成若干小弧段，小弧段上的应力用弧段中点的应力代表，其值可以按有限元法应力分析的结果，根据弧段中点所在的单元应力确定，表示为，。如果小弧段与水平线的倾角为，则作用在弧段上的法向应力和剪应力分别为： 根据莫尔一库伦强度理论，该点岩土的抗剪强度为： (3)求边坡稳定安全系数。将滑动面上所有小弧段的剪应力和抗剪强度分别求出后累加，求沿滑动面总剪切力和抗剪力，边坡稳定安全系数为：有限元计算采用的软件为加拿大GeoStudio公司开发的有限元软件SIGMAW。SIGMAW软件用于对岩土结构中的应力和变形进行有限元分析，具有全面的本构模型公式，不但可以对简单的岩土问题进行分析，也可以对高度复杂的岩土工程问题，如线性弹塑性、非线性弹塑性、非线性等进行分析。利用有限元应力法求解边坡整体安全系数时，先由有限元程序SIGMAW求出单元结点的全部应力，然后将单元结点应力导入SLOPEW中，由SLOPEW程序求出滑动面位置和安全系数。（参考文献岩体边坡稳定性分析综述）（参考文献露天矿边坡稳定性分析方法）（参考文献岩体边坡稳定性分析综述）（参考文献岩体边坡稳定性分析综述）四、滑坡预测的模型与参数一、概论边坡滑动，即滑坡。是指在一定自然条件下，边坡部分岩土在重力作甩下，由于自然和人为等因素的影响沿一定的软弱面或软弱带美生的以水平位移为主的滑动现象。滑坡是岩体变形中规模太、数量多、危害严重、性质复杂而且具有一定规律的自然灾害，轻则损坏建筑和生活设施。重则掩埋村镇、摧毁厂矿，中断交通，堵塞江洲导致溃坝等。常给国家建设和人民生活财产造成严重损失。故研究滑坡机理，对于提前预报滑坡，及时采取防范措施将滑坡损失减至最小程度是十分必要的。滑坡发生的客观条件：a发生在雨季(大雨当中或大雨过后)b发生在断层处或软岩层处(如页岩)；c三次滑披均发生在顺层边坡d滑垃前均出现与边坡走向近予平行的裂缝e边坡点变形大，且速度快。影响露天矿边坡滑(移)动的因素很多。首先是岩层的物理力学性质，特别是岩石的强度对岩体滑 (移)动有很大影响。岩体的裂隙面(层理、片理、解理、节理)、断层、褶皱以及水文地质等条件对整个岩体强度起着不同程度的降低作用一瞳而是发生滑坡的内在条件。露天矿边坡的稳定程度与边垃角度有关边坡角越小，边坡越稳定。但剥岩工程量越大；反之，边坡角越大越经济，但过大边坡角会使边坡不稳定而易发生滑坡。此外，滑坡还与时间因素有密切关系，边坡暴露时间越长，由于各种因素影响的积累，使边坡越来越不稳定。超过一定限度，就会发生滑坡。滑坡预报包括三部分内容(三要索)：滑坡位置 (范围)、滑坡形态(类型)和滑坡发生时间。从边坡管理角度：边坡预报又分为：长期预报(几个月至几年)侧重宏观掌握边坡稳定状态：短期预报(几天至一、二个月)认真做好监测及其他工作并采取相应的安全措施。临时预报(几十小时到2犬)一采取安全措施。以上三种预报，以短期预报和临时预报最为重要。滑坡预测预报主要包括空间和时间2个方面，缺一不可。滑坡的空间预测反映潜在滑移体的规模，同时为时间预报提供对象；滑坡时间预报的选点必须首先以滑坡空间预测结果为依据，避免盲目设点造成错漏。二、滑动力实时监控预警模式通过大量现场试验和理论分析，确定出4种基本预警模式，为滑坡预警预报提供参考。1监控设计及预警准则监控力学系统中锚索设计采取的初始预紧力，按下式确定： (6)监控预警过程采用预警准则： （7）式(6)，(7)中：为监控设计初始滑动力(kN)，为监控锚索最大设计荷载(kN)，为滑动力预警值 (KN)。监控预警模式根据摄动监控力学原理分析，监控曲线存在4种类型，即预警模式共分为4种：(1)稳定模式。该模式监测曲线与警戒线没有交点，监测曲线总体没有与警戒线相交的趋势(见图6)。(2)滑坡模式。该模式监测曲线总体存在与警戒线相交的趋势，监测曲线与警戒线最终产生交点，交点位置对应横坐标即是监测预警时间，当监测益线超过警戒线达到某一值后，边坡发生滑坡破坏(见图7)。(3)软化压入模式。该模式监测曲线在某一时间段内会发生加固力降低的情况，主要因为雨水等地表水入渗，使锚索端部锚墩下方土体发生软化，锚墩在锚索拉力作用下压入土体，锚索伸长量减小而降低预应力(见图8)。(4)振动扰动模式。该模式监测曲线在某时段加固力有明显的脉冲波动，但波动后加固力瞬时恢复原值，不影响监测曲线的整体变化特征(见图9)。三、滑坡预测模型边坡位移预测的研究有灰色模拟预测、神经网络测及模糊系统预测，相空间重构。统计分析的方法能定时预报模型的滑动时间，统计分析预报是根据监测边坡变形得到的时间位移曲线建立数学模型来预报边坡滑动时间的方法。目前，国内外常用的统计分析预报法有：斋藤法、曲线拟台法、灰色系统理论、Markov链状预测、时间序列法，突变理论等。1滑坡空间预测预报空间预测是指对滑坡发生的地点、规模等的预测，目前使用较多的方法有以下几种。11稳定系数预测法稳定系数预测法是最早的滑坡空间预测方法。该法通过计算滑坡体的安全系数来预测某一具体边坡的稳定性。安全系数的计算方法，主要分为2大类：基于极限平衡分析法和数值计算方法。极限平衡法是最经典、采用最多的一种方法。它基于摩尔一库伦强度准则，基于一定假定的基础上，利用滑块力或力矩的平衡来评价边坡的安全系数。其安全系数可表示为：Fs=F抗滑力FT滑力 (1)目前极限平衡分析法主要有：瑞典圆弧法、Fellenius Bishop法、Taylor法、Jmbu法、MoxgenstemPrice法、Spencer法、Sarma法等。由于边坡稳定性分析是一个高次超静定问题，为使问题得解，需要引人许多近似假设，如假设一个滑动面、不考虑土体内部的应力一应变关系、不考虑支挡结构的作用等等。因此，极限平衡分析法不能得到滑体内的应力、变形分布状况，也不能求得岩体本身的变形和支挡结构对边坡变形及稳定性的影响。而数值计算克服了极限平衡分析法的不足，不仅满足力的平衡条件，而且还考虑了土体应力、变形关系和支挡结构的作用，能够得到边坡在荷载作用下的应力、变形分布，模拟出边坡的实际滑移面。正因为数值计算的这些优点，近年来它已广泛应用于边坡稳定性分析。目前常用的数