CN106777556A - 一种评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法 - Google Patents

一种评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，系统布设多点位移计，采集边坡在开挖期的位移增长数据以及开挖过程数据；根据各测点位移增长数据构建交叉影响分析矩阵，通过矩阵运算，由依存度判断边坡可能的滑移区域，由位移测点的影响度确定需要控制爆破作业的边坡敏感区域。本发明针对岩石边坡的监测不是仅通过单一的某个监测点，而是对多监测点数据的综合分析，综合评判，从总体和局部两方面上分析边坡的失稳、破坏情况；通过各个位移监测布设点之间的相关依存度寻找测值敏感的部位和导致位移敏感的影响区域，从而精确地定位出边坡不稳定滑块的具体位置或延伸范围，从而对边坡关键块体的空间位置进行超前定位、预测，实现监测数据的空间分析。

Description

一种评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法
技术领域
本发明属于岩土工程边坡监测的空间分析技术领域，尤其涉及一种评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法。
背景技术
边坡属于较为常见的土木工程领域的构筑物，广泛出现及应用于土木工程相关各领域，如：道路交通工程、水利水电工程、建筑工程及矿业工程等。
为了准确地对边坡稳定性进行预测预报，往往采用安全监测技术结合稳定性预测模型的方法进行评估，因此基于监测数据的稳定性评估及预测预报方法是一项非常重要的理论及技术方法。
目前，国内外学者提出了10多种基于位移监测数据判断边坡稳定性状态的预测预报判据，如：稳定性系数、可靠概率、变形速率及位移加速度等，但这些方法都是建立在时间趋势分析的技术上。还没有一种从空间角度描述边坡稳定性并进行稳定性预测的方法。
基于时间趋势分析的技术存在以下不足：(1)时间趋势预测方法的基础建立在后期变形趋势遵循前期实测增长规律的假设条件之上，并不能适用所有情况。(2)由于缺乏一个普适的监控指标，因此对于边坡失稳判断建立在经验的基础上。(3)时间趋势预测只能对单一测点的位移进行预测，所得信息为边坡局部位移信息，不能形成对边坡整体变形情况进行统一分析和对稳定性进行宏观判断。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于空间分析的评估边坡开挖期稳定状态的方法。
本发明是这样实现的：
一种评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，包括：
系统布设多点位移计，采集边坡在开挖期的位移增长数据以及开挖过程数据；
根据各测点位移增长数据构建交叉影响分析矩阵，通过矩阵运算，由依存度判断边坡可能的滑移区域，由位移测点的影响度确定需要控制爆破作业的边坡敏感区域。
更进一步的方案是：
所述系统布设多点位移计，是依照覆盖整个边坡开挖区域、均匀布置的原则，兼顾断层、大型结构面上下盘，在开挖形成的马道上及时布设多点位移计；埋设完毕及时测读初始值，并按照监测规范的频率按时采集位移数据，位移数据的采集是选择多点位移计孔口测点的实测值进行计算分析。在安装完三台以上多点位移计后，即可以构建交叉分析矩阵。并随着后续多点位移计的安装不断完善分析矩阵。分析矩阵覆盖的多点位移计越多，则分析结果越全面。一般选择多点位移计孔口测点的实测值进行计算分析。
假定工程范围有n个独立的位移监测点，某测点安装后初始一段时间，开挖作业在该新安装测点附近。随着开挖作业的影响，新安装监测点将产生一个可测量的位移增长，同时，其他各测点也将出现相应时段的位移变化，将这些位移值实测并记录，同时做好施工部位、施工时间的记录。
更进一步的方案是：
所述构建交叉影响分析矩阵，是将所有已安装仪器进行排队，矩阵第一列依次为队列中各仪器安装后连续n天的位移增长值，第二列为队列中第二个设备在这n天内的位移增长值，依次类推，第k列为队列中第k台设备在这n天内的位移增长值，若第k台在这n天内尚未安装，则值为零，这样形成空间分析矩阵A；所述n为大于1的任意值，一般取7天或14天。
更进一步的方案是：
所述依存度的确定方法如下：
对空间分析矩阵A取平方，得矩阵A2，A2每行元素的和即为矩阵A对应于第一列该行多点位移计安装部位的开挖对整个边坡的影响度，A2每列元素的和即为矩阵A对应于第一行该列多点位移计位移增长对其他仪器安装部位开挖过程的依存度。
将通过矩阵运算获得的依存度和影响度，在边坡表面按测点位置进行定位，形成依存度、影响度空间分布图，如果高依存度区域形成区域性分布，则预示着该区域为潜在关键块体，为重点加固部位。高影响度区域为对边坡稳定性产生不利影响的敏感区域，需要对施工爆破作业进行控制。如果高依存度空间分布图不形成明显线状分布或区域性集中分布，则边坡不存在局部不稳定块体，边坡整体稳定性可结合时间趋势分析来预测、判断。
更进一步的方案是：
所述的依存度越高，所对应的测点部位位移增长越敏感，影响度越高代表了该区域施工作业对边坡稳定性产生敏感的不利影响越高。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明针对岩石边坡的监测不是仅通过单一的某个监测点，而是对多监测点数据的综合分析，综合评判，从总体和局部两方面上分析边坡的失稳、破坏情况；
(2)本发明在大量研究边坡位移变形数据随时间增长规律的基础上，提出了一种预测边坡稳定性和不稳定块体定位的空间分析方法。
(3)本发明根据交叉影响分析原理，构建分析处理位移检测数据的交叉影响矩阵方法，依据各个位移监测点之间的相互影响、相互依存的关系，搜寻边坡潜在的不稳定块。
(4)本发明通过各个位移监测布设点之间的相关依存度寻找测值敏感的部位和导致位移敏感的影响区域，从而精确地定位出边坡不稳定滑块的具体位置或延伸范围，从而对边坡关键块体的空间位置进行超前定位、预测，实现监测数据的空间分析。
附图说明
图1为2009年3月以前监测数据定位高依存度区域空间位置；
图2为2010年12月以前(左)及2014年11月以前(右)监测数据定位高依存度区域空间位置。
具体实施方式
在根据具体实施例对本发明作进一步的说明之前，首先对本发明涉及的空间影响矩阵和交叉影响矩阵做详细的说明。空间影响矩阵见表1，交叉影响矩阵见表2。
表1空间影响矩阵
假定某一工程范围有n个独立的位移监测点D1、D2、…、Dk、…、Dn，Di为监测点,根据工程现场一般规律，假定某测点(Dk)安装后初始一段时间，开挖作业在该新安装测点(Dk)附近。随着开挖作业的影响，Dk将产生一个显著的位移增长，同时，其他各测点也将出现相应时段的位移增加或减少。如果这些测点实测变形有着内在必然联系，那么其他测点附近施工时，必然会在Dk也产生一个位移相应的增加或减少，也就是正相关或负相关，也就是他们之间存在着交叉影响。将这些增量求和，则存在正相关的量相加的和必然进一步放大，而不相关的量求和将趋近于零。若由于局部复杂地质条件导致个别仪器位移变形失真，则可以通过将Dk对Di的影响与Di对Dk的影响相乘在求和的方法来消除个别失真仪器的影响。
表2交叉影响矩阵
仪器编号 D1 D2 D3 D4 … Dn 影响度↓
D1 ∑(Di/D1×D1/Di) ∑(Di/D1×D2/Di) ∑(Di/D1×D3/Di) ∑(Di/D1×D4/Di) … ∑(Di/D1×Dn/Di) ∑(Di/D1)
D2 ∑(Di/D2×D1/Di) ∑(Di/D2×D2/Di) ∑(Di/D2×D3/Di) ∑(Di/D2×D4/Di) … ∑(Di/D2×Dn/Di) ∑(Di/D2)
D3 ∑(Di/D3×D1/Di) ∑(Di/D3×D2/Di) ∑(Di/D3×D3/Di) ∑(Di/D3×D4/Di) … ∑(Di/3×Dn/Di) ∑(Di/D3)
D4 ∑(Di/D4×D1/Di) ∑(Di/D4×D2/Di) ∑(Di/D4×D3/Di) ∑(Di/D4×D4/Di) … ∑(Di/D4×Dn/Di) ∑(Di/D4)
… … … … … … … …
Dn ∑(Di/Dn×D1/Di) ∑(Di/Dn×D2/Di) ∑(Di/Dn×D3/Di) ∑(Di/Dn×D4/Di) … ∑(Di/Dn×Dn/Di) ∑(Di/Dn)
依存度→ ∑(D1/(Di) ∑(D2/Di) ∑(D3/Di) ∑(D4/Di) ∑(D5/Di)
实线内表格构成矩阵A。那么此矩阵影响度反映的是某施工过程对整个边坡变形的直接影响，依存度反映的是边坡各部位施工对某个测点位移增长的贡献的和。
对于交叉影响，即空间影响矩阵A×A所得矩阵A2，矩阵的元素代表的是某部位施工对其他部位影响与其他部位施工对本部位影响的乘积的和，即交叉影响。交叉影响度反映的是某部位施工对所有其他部位交叉影响的和，反映了本部位施工对其他所有部位位移增长的影响。交叉影响依存度反映了所有部位施工对某仪器部位位移增长的贡献。
由于交叉影响反映的是不同设备间相互影响的乘积，当两测点之间位移存在相互促进作用，那么其交叉影响值将同时被放大，若两测点之间相互影响关系不确定，则不存在放大效应。那么通过计算影响矩阵的影响度和依存度，可以有效地将位移关联区域辨识出来，进而确定显著位移区域(关键块体)。
下面将结合工程实例对本发明的具体实施作进一步描述。
一种评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，包括如下方案：
根据边坡开挖方案，设计多点位移施工埋设方案。在某边坡右岸布设多点位移计，依照覆盖整个边坡开挖区域、均匀布置的原则，兼顾断层、大型结构面上下盘，在开挖形成的马道上及时布设多点位移计；埋设完毕及时测读初始值，并按照监测规范的频率按时采集位移数据，位移数据的采集是选择多点位移计孔口测点的实测值进行计算分析。
多点位移计安装后，及时测读初始值，并按照监测规范的频率按时采取位移数据。在安装完三台以上多点位移计后，即可以构建交叉分析矩阵。并随着后续多点位移计的安装不断完善分析矩阵。分析矩阵覆盖的多点位移计越多，则分析结果越全面。一般选择多点位移计孔口测点的实测值进行计算分析。
如表1所示，假定该工程范围有n个独立的位移监测点D1、D2、…、Dk、…、Dn，将所有已安装仪器进行排队，矩阵第一列依次为队列中各仪器安装后连续n天(n可为大于1的任意值，一般可以取7天或14天)的位移增长值。第二列为队列中第二个设备在这n天内的位移增长值，依次类推，第k列为队列中第k台设备在这n天内的位移增长值，若第k台在这n天内尚未安装，则值为零。这样形成空间影响矩阵A。对构建的矩阵取平方，得交叉影响矩阵A2，如表2所示，A2每行元素的和即为矩阵A对应于第一列该行多点位移计安装部位的开挖对整个边坡的影响度，A2每列元素的和即为即为矩阵A对应于第一行该列多点位移计位移增长对其他仪器安装部位开挖过程的依存度。
将通过矩阵运算获得的依存度和影响度，在边坡表面按测点位置进行定位，形成依存度、影响度空间分布图，如果高依存度区域形成区域性分布，则预示着该区域为潜在关键块体，为重点加固部位。高影响度区域为对边坡稳定性产生不利影响的敏感区域，需要对施工爆破作业进行控制。如果高依存度空间分布图不形成明显线状分布或区域性集中分布，则边坡不存在局部不稳定块体，边坡整体稳定性可结合时间趋势分析来预测、判断。
在某水电站枢纽区右岸1135m以下布设多点位移计，根据多点位移计监测数据，建立起某水电站枢纽区右岸空间影响矩阵，记为矩阵A，如表3所示，此表中为截至2009年3月前实测数据。其中，表格中的时间代表具体监测时间，即为各测点多点位移计安装时间。其中，监测点位移变形数据为0的单元格代表对应时段内，此仪器尚未安装。
通过矩阵计算A*A，得出矩阵B＝A2，如表4所示。依存度为矩阵中每一列的和，影响度为矩阵中每一行的和。将高依存度仪器编号在边坡中的空间位置标识出来，如图1所示(截至2009年3月数据)。
表3空间影响矩阵
表4截至2009年交叉影响矩阵
随着新的开挖过程，新的监测仪器继续补充进表格，可以分别获得2010年12月以前及2014年11月以前监测数据定位高依存度区域空间位置，如图2所示，显然，这些高依存度区域与地质勘察确定的边坡块体空间关系高度吻合。本方法可在2009年仅有较少的监测设备条件下有效进行预报。

Claims (6)

1.一种评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，其特征在于：
系统布设多点位移计，采集边坡在开挖期的位移增长数据以及开挖过程数据；
根据各测点位移增长数据构建交叉影响分析矩阵，通过矩阵运算，由依存度判断边坡可能的滑移区域，由位移测点的影响度确定需要控制爆破作业的边坡敏感区域。
2.根据权利要求1所述的评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，其特征在于：
所述系统布设多点位移计，是依照覆盖整个边坡开挖区域、均匀布置的原则，兼顾断层、大型结构面上下盘，在开挖形成的马道上及时布设多点位移计；埋设完毕及时测读初始值，并按照监测规范的频率按时采集位移数据，位移数据的采集是选择多点位移计孔口测点的实测值进行计算分析。
3.根据权利要求1所述的评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，其特征在于：
所述构建交叉影响分析矩阵，是将所有已安装仪器进行排队，矩阵第一列依次为队列中各仪器安装后连续n天的位移增长值，第二列为队列中第二个设备在这n天内的位移增长值，依次类推，第k列为队列中第k台设备在这n天内的位移增长值，若第k台在这n天内尚未安装，则值为零，这样形成空间分析矩阵A；所述n为大于1的任意值。
4.根据权利要求3所述的评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，其特征在于：所述n为7或14。
5.根据权利要求3或4所述的评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，其特征在于：
所述依存度的确定方法如下：
对空间分析矩阵A取平方，得矩阵A2，A2每行元素的和即为矩阵A对应于第一列该行多点位移计安装部位的开挖对整个边坡的影响度，A2每列元素的和即为矩阵A对应于第一行该列多点位移计位移增长对其他仪器安装部位开挖过程的依存度。
6.根据权利要求5所述的评估边坡开挖期稳定状态的空间分析方法，其特征在于：
所述的依存度越高，所对应的测点部位位移增长越敏感，影响度越高代表了该区域施工作业对边坡稳定性产生敏感的不利影响越高。
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