中小型露天矿边坡稳定性动态评价方法及应用

摘要

随着社会经济建设对矿产资源需求的不断增长，矿山（特别是中小型矿山）的过度开采及管理的缺失，致使露天矿边坡经常发生各种大大小小的地质灾害，并造成了重大的人员伤亡和财产损失。有效分析和评价边坡的变化趋势及其稳定性状态，是保障矿山安全生产管理和防治的重要技术手段，也是边坡工程中一项非常重要的研究内容，可为矿山边坡防灾、减灾、救灾等提供重要的技术依据和决策依据。鉴于此，本文以越堡露天矿HP1边坡为研究对象，综合利用理论分析、现场实测、数学建模、数值模拟、对比分析、实例验证等技术手段和方法，围绕解决中小型露天矿山“边坡稳定性影响因子（评价指标）的挖掘、边坡危险性动态评价模型的建立、影响因素的耦合性分析、变形监测异常数据的修复、边坡防治分析”等五个科学问题进行研究和探讨，主要取得了以下研究成果： （1）采用定性筛选和定量筛选相结合的方法，实现对边坡稳定性评价指标的挖掘。论文以越堡露天矿边坡为研究对象，在定性筛选的基础上，建立了顾及效度系数β和可靠性系数ρ的改进灰色关联度评价指标挖掘模型，提高了评价指标的有效性、稳定性和可靠性，为边坡稳定性动态评价模型的建立奠定了基础，也为提高边坡稳定性评价的准确性提供了重要保障。在此基础上，采用UDEC数值模拟强度折减的方法，以计算是否收敛作为判断边坡是否失稳的依据，揭示其影响机理，为论文后期边坡的治理提供理论参考。 （2）克服了以往边坡稳定性评价模型中影响因素指标权重固定不变的不足。论文以降雨量指标因子为研究对象，构建了一种基于信息熵的指标动态变权重模型，并计算出各指标在不同月最大降雨量状态下的指标权重。计算结果表明，在不同月最大降雨量状态下，边坡稳定性影响因素各指标权重不再是一个定值，而是呈现出非线性、动态的变化规律，而且月最大降雨量、内摩擦角和黏聚力等3因素之间呈现出较强的相关性，为边坡稳定性动态评价模型的建立奠定基础。 （3）在上述建立的动态变权重模型的基础上，构建了基于未确知测度的边坡危险性动态评价模型，分析了不同月最大降雨量下HP1边坡的稳定性状态，并提出利用危险性重要度指标q定量评价边坡的危险性程度。计算结果表明，随着月最大降雨量的不断增大，该边坡的危险性重要度q逐渐提高，危险性等级由III级提高到II级，也即边坡发生灾害的可能性由一般提高到较高状态，评价结果与越堡露天矿HP1边坡实际情况更具一致性。此外，论文以“水文条件”和“地下水体”两种影响因素为实验研究对象，通过引入边坡危险性重要度指标q及其相对变化率指标R(q)，定量分析影响因素间的耦合性程度，研究结果表明，“水文条件”和“地下水体”两类因素之间存在一定的“弱耦合”现象，为减小建模计算工作量，提高工作效率，分析该露天矿其它边坡的稳定性提供技术支持和参考。 （4）以越堡露天矿HP1边坡为研究对象，对其进行变形监测方案的设计与实施，并获取监测点的三维坐标数据，在此基础上，采用3σ准则对监测数据进行异常性检验，舍弃或剔除存在异常的监测值。同时，针对变形监测中存在的异常数据（包括丢失或剔除的异常数据），提出一种顾及点位变化的边坡变形监测异常数据时空插值方法，对其进行修正或插补，以提高边坡监测数据的连续性和完整性。该方法简单、易懂、可行，能够用于矿山测量技术人员解决变形监测异常数据处理等问题，对指导变形监测点的布设以及处理异常监测数据具有重要的理论价值和实践意义。 （5）在依据上述时空插值方法获得连续、完整的变形监测数据的基础上，采用位移量、位移速率与位移矢量方位角相结合的分析方法，多角度、多方位分析边坡的稳定性及其变形趋势，明确了监测点变化方向，计算出其变形位移量及变形速率的大小，为该矿山企业的安全生产及管理起到了指导性作用，也为其它边坡及相关领域的分析及研究提供了理论依据和重要参考。 （6）为防止矿山HP1边坡发生进一步的滑坡，本文提出了两套不同的防治方案和措施，并分别计算出两种方案的投资预估费用，再进行综合对比、分析，确定方案一为边坡防治的优选方案。同时，分别采用边坡危险度动态评价方法以及边坡稳定性安全系数的方法，对不同工况条件下治理后的西侧HP1边坡的危险性等级及安全系数Fs进行分析和计算，其评价等级都为IV级(边坡危险性较低)，安全系数Fs为1.315，达到了边坡安全设计规范的规定要求，两种方法相互补充、验证，更准确地分析了边坡的稳定性状态，为指导矿山边坡的安全生产和防治提供参考。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题研究背景及其意义（Research Background and Significance）

1.2 国内外研究现状及存在的问题（ Research Status and Existing Problems）

1.3 主要研究目标和内容（Main Research Objectives and Contents）

1.4 研究方法及技术路线（Research Methods and Technical Route）

1.5 本章小结（Conclusions of This Chapter）

2 研究区工程地质环境

2.1 研究区地质环境条件（Geological Environment of Research Area）

2.2 研究区工程地质条件（Engineering Geology of Research Area）

2.3 研究区水文地质条件（Hydrogeology of Research Area）

2.4 本章小结（Conclusions of This Chapter）

3 顾及效度系数和可靠性系数的露天矿边坡稳定性评价指标的挖掘及机理分析

3.1 露天矿边坡稳定性评价指标筛选的基本思想（ Basic Ideas for Screening Evaluation Indicators of Slope Stability in Open-pit Mines）

3.2 露天矿边坡稳定性评价指标的初选（ Preliminary Selection of Evaluation Index for Slope Stability of Open-pit Mine）

3.3 HP1 边坡稳定性评价指标的定性筛选（ Qualitative Screening of Evaluation Index on HP1 Slope Stability）

3.4 顾及效度系数和可靠性系数的边坡稳定性评价指标定量筛选（ Quantitative Screening of Slope Stability Evaluation Indicators Considering Efficiency Coefficient and Reliability Coefficient）

3.5 评价指标对边坡稳定性的影响机理（The Influencing Mechanism of Evaluation Index on Slope Stability）

3.6 本章小结（Conclusions of This Chapter）

4 基于未确知测度的露天矿边坡稳定性动态评价及其因素耦合性分析

4.1 动态变权重的确定（Determination of Dynamic Variable Weight）

4.2 危险性动态评价模型的建立及其可行性分析（ The Establishment and Feasibility Analysis of Dynamic Risk Assessment Model）

4.3 HP1边坡稳定性评价（Stability Evaluation of HP1 Slope）

4.4 边坡稳定性影响因素耦合性分析（Coupling Analysis of Influence Factors on Slope Stability）

4.5 本章小结（Conclusions of This Chapter）

5 顾及点位变化的露天矿边坡变形监测异常数据时空插值

5.1 边坡监测方案的设计（Design of Slope Monitoring Scheme）

5.2 边坡监测数据的获取及检验（Acquisition and Inspection of Slope Monitoring Data）

5.3 顾及点位变化的异常数据时空插值（Spatio-temporal Interpolation of Abnormal Data Considering Point Change）

5.4 HP1 边坡变形趋势分析（Deformation Trend Analysis of the HP1 Slope）

5.5 本章小结（Conclusions of This Chapter）

6 HP1边坡防治方案设计及应用

6.1 边坡防治方案设计基本要求（Basic Requirements for the Scheme Design of Prevention and Control on Slope）

6.2 边坡防治措施的分析与设计（ Design and Analysis of Slope Prevention Measures）

6.3 HP1边坡防治方案设计及选择（Design and Selection of Prevention and Control Scheme on HP1 Slope）

6.4 HP1边坡治理稳定性分析（Stability Analysis of Treatment on HP1 Slope）

6.5 本章小结（Conclusions of This Chapter）

7 结论与展望

7.1 结论（Conclusions）

7.2 创新点（Innovations）

7.3 不足与展望（Deficiency and Prospects）

参考文献

作者简历

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