基于多点位移监测数据融合的高陡岩质边坡失稳预警研究

张锁柱

(1.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050000;2.自然资源部金属矿山地下水灾害防治工程技术创新中心,河北 石家庄 050000)

0 引言

露天采矿场的高陡岩质边坡地区因受到地震、开采扰动、气候变化等因素的影响易产生滑坡、坍塌、采空区塌陷等灾害,将严重威胁着人民群众的生命及财产安全。因此,对高陡岩质边坡失稳预警进行研究是有必要的。对高陡岩土边坡失稳情况的研究主要分为2个方向即边坡形变预测和边坡稳定性预测。边坡形变预测主要指通过构建空间位移模型,对岩体流变等影响因素进行分析,进而对边坡的变形量进行合理预估[1]。边坡稳定性预测主要指的是通过对边坡蠕变演化过程进行分析,结合边坡的位移变化特征,对边坡的结构稳定性进行分析[2]。目前,已有学者针对不同的利用各种算法建立数学模型来对边坡失稳的进行预测,并取得一定的认识[3-5]。本文选取露天采矿的高陡岩土边坡为研究对象,建立基于多点位移监测数据融合的数学模型来预测边坡失稳状态,以期对露天采场的高陡岩土边坡动态及时预警起到一定的借鉴作用。

1 边坡失稳预警方法

高陡岩质边坡的位移监测数据可以为岩体稳定性分析提供有效的数据支持,调取高陡岩质边坡在多个监测坡面的位移信息,并结合位移预警阈值,可实现对边坡失稳情况的及时预警。一般对于高陡岩质边坡位移信息的监测主要包括单点位移监测和多点位移监测。由于单点位移监测数值无法全面反映出边坡岩体的力学稳定性,因此选取多点位移监测数据进行融合处理,获取边坡失稳状态下的位移阈值[5]。受到高陡岩质边坡演化阶段的影响,边坡的位移监测信息呈现一定的时间变化规律。不同演化阶段下所采集到的位移监测信息可表征出边坡不同的稳定性结构状态。为保证获取到的位移监测信息具有一定的代表性,先要对高陡岩质边坡变形的演化阶段进行分析。一般情况下,高陡岩质边坡主要会经历4个阶段的位移变化,分别为初始变形阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段以及边坡失稳阶段[4],具体演变过程如图1所示。

图1 高陡岩质边坡失稳演化阶段

根据上述边坡失稳的演化阶段可以看出,边坡在经历完加速变形阶段后,会进入到一段急速变形阶段,即所谓的临滑期。此刻边坡的位移监测数据与失稳状态下的临界值最为接近,因此采用边坡处于临滑期的位移监测数据进行融合处理。假设在高陡岩质边坡多点监测剖面中,某监测点的位移空间状态表达式[5]:

X(k+1)=ΦX(k)+ΓW(k)

(1)

式中:X(k)为k时刻的位移状态值;W(k)代表位移信息的高斯白噪声序列;Φ代表状态转移矩阵;Γ代表输入矩阵。监测点的位移空间状态可以通过采用边坡位移量以及位移速度对其进行表征,因此将位移量与位移速度作为状态向量,结合文献[5]可以得到表达式(2)。

(2)

其中,x(k)代表监测点在k时刻的位移量,mm;v(k)代表监测点在k时刻的相对位移速度,mm/s;T代表位移监测采样时间间隔,s;a(k)代表测点由k到k+1时的加速度,mm/s2。对此,本文结合局部滤波器对上述的边坡位移信息数据进行多源融合处理。结合文献[5]对所有边坡位移监测信息数据进行分配处理见式(3)。

(3)

(4)

2 实验论证

2.1 实验条件

以为某市露天采矿场的高陡岩质边坡临滑灾害数据为研究对象,调取该市灾害数据库中的历史数据,从中抽取20组因结构性失稳导致的边坡崩塌数据作为测试样本。该采矿场的边坡长度为1 570 m,整体高程为+45～-172 m,最大边坡角度为45°,边坡呈ES—WN走向。每组测试样本的具体参数见表1。

研究区域已有的地质资料可知,该地区主要岩性为灰岩,岩体呈层状分布。在边坡布置3处不同的监测点位,每个点位所对应的岩体抗拉强度均有所不同,具体监测点位剖面结构如图2所示。

其中,监测剖面1的的岩体抗拉强度为0.127 Mpa,监测剖面2的岩体抗拉强度为0.228 Mpa,监测剖面3的岩体抗拉强度为0.278 Mpa。针对预警区间进行划分,并记录不同预警方法下的稳定结构系数误差,以此判定3种预警方法对于同一组边坡数据的预测情况。分别针对3个不同的监测剖面进行失稳预警处理,根据剪切强度提前划分出失稳预警区间,对比不同岩体抗拉强度下,预警精度的变化情况。

表1 测试样本参数

图2 边坡监测剖面结构

2.2 预警精度结果

主要的对比指标为3种方法下边坡结构稳定系数误差,该值越趋近于0,代表该方法的预警精度越高,具体实验结果如图3所示。其中,虚线部分代表失稳预警区间,预警的精准程度将通过处于该区间内时的边坡结构稳定系数误差来体现。

从图3实验结果可知,3个监测剖面的失稳预警区间是不一样的,这应该是与岩体受到的剪切强度影响有关。通过观察边坡稳定结构稳定系数误差变化曲线,利用基于多点位移监测数据融合边坡失稳预警方法所得到的系数误差值均处于预警区间内,而其余2种常规方法的系数误差均在不同程度上超出失稳预警区间,且系数误差值较大。说明该方法具备的预警精度较准确。

3 结论

(1)结合研究区的实际情况,利用基于多点位移监测数据融合的边坡失稳预警方法,对多点位移监测数据进行融合处理,获取边坡失稳状态下的位移阈值。

(2)采用某市露天采矿场的边坡临滑灾害数据来进行实验验证,其结果证明建立该方法的可行性。

(3)采用3种边坡边坡失稳预警方法的误差系数作对比,其结果表明基于多点位移监测数据融合的边坡失稳预警方法的有较高的精确性。

图3 不同检测剖面边坡结构稳定系数误差对比