CN108416174B - 大型露天矿山边坡设计安全系数取值方法 - Google Patents
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Abstract
一种大型露天矿山边坡设计安全系数取值方法，选定所需分析的露天矿山边坡作为研究对象，根据计算模型、潜在滑移面抗剪强度参数，计算工况条件下边坡的稳定系数k0；根据传统计算方法获得的边坡稳定系数ki与基于边坡稳定性分级分析和岩体结构面精细取值确定的边坡稳定系数k0计算随机误差δr；比较边坡稳定状态和基于边坡稳定性分级分析和岩体结构面精细取值确定的边坡稳定系数的差异性，进而确定边坡稳定系数系统误差δs；计算边坡稳定系数系统误差δs和随机误差δr绝对值之和，确定边坡稳定系数计算误差δ。本发明有效定量确定大型露天矿山边坡设计安全系数。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型露天矿山边坡安全系数取值方法，特别的是本发明在分析稳定系数精度与稳定系数误差的基础上，建立了稳定系数误差与边坡设计安全系数相关关系，为边坡设计安全系数的不确定性问题提供了一种确定性解决方案，显著提高了大型露天矿山边坡设计安全系数取值的可靠性，本发明属于工程技术领域。
背景技术
边坡稳定性分析是确定边坡是否处于稳定状态，是否需要对其进行加固与治理，防止其发生破坏的重要决策依据。边坡稳定系数分析法是评价边坡稳定性的基本方法。边坡稳定性评价一般有两个方面：一是搞清最不利工况下边(滑)坡稳定系数值，按此来判断边坡的稳定性如何；二是将边坡稳定系数与工程设计要求的稳定安全系数进行比较，以此来判断边坡的稳定性是否满足设计要求。
从工程设计安全系数的角度来看，各行各业虽然都十分重视设计安全系数及其选取，但由于人们对设计安全系数缺乏明确的认识，导致设计安全系数的选用十分混乱。由于工程重要性不同、规范制定者的经验与看法不同、采用的计算方法不同，当前国内各行业以及不同地区所采用的设计安全系数存在较大差异。建筑工程中边坡安全系数取值：一级边坡1.30～1.35，二级边坡1.25～1.30，三级边坡1.20～1.25；公路路堑边坡中安全系数取值：一级边坡1.30，二级边坡1.20，三级边坡1.10，铁路边坡中安全系数取值：一级边坡1.25，二级边坡1.15，三级边坡1.05；水利工程中边坡的安全系数取值为1.50；大型水利和土木工程，采用1.50的设计安全系数，对露采边坡采取1.20～1.30；非煤矿山总体边坡安全系数取值，如表1所示。虽然，这种安全系数取值已写入规范，它们是在总结经验的基础上提出的，对解决实际工程问题发挥了一定的作用，但是，具体工程在进行取值时，人为因素影响很大，而且针对不同工程地质条件、对工程地质条件认识程度的不同，没有很好的区分度，很难让决策者感到“胸有成竹”。在边坡稳定性评价结果的精确性难以准确估计的情况下，常常通过人为地提高设计安全系数、增加工程投入来保证安全度和可靠度，在这种理念指导的边坡工程设计所造成的浪费是惊人的。从露天矿山开采的经济性出发，不恰当的提高设计安全系数，显然会增加矿产开发的经费，减少矿产企业的利润，给国家带来较大的资源损失，这与我国优化资源配置、提高资源综合利用水平的目的背道而驰，而一味追求经济性而降低设计安全系数，可能导致边坡失稳破坏，造成更大的经济损失和人员伤亡，结果适得其反。
发明内容
为了克服大型露天矿山边坡设计安全系数取值的不足，本发明提供了一种大型露天矿山边坡设计安全系数取值方法，在分析稳定系数精度与稳定系数误差的基础上，建立了稳定系数误差与边坡设计安全系数相关关系，为边坡设计安全系数的不确定性问题提供了一种确定性解决方案，显著提高了大型露天矿山边坡设计安全系数取值的可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种大型露天矿山边坡设计安全系数取值方法，包括以下步骤：
(1)选定所需分析的露天矿山边坡作为研究对象，开展现场工程地质调查与资料的收集工作；
(2)选定用于边坡稳定性评价的方法，结合实际工况条件，按照传统方法计算该工况条件下边坡的稳定系数ki，此时存在随机几何误差和随机计算误差，即随机几何误差δ1g≠0、随机计算误差δ1c≠0；
(3)基于边坡稳定性分级分析原理，建立边坡稳定性计算模型，消除几何随机误差δ1g，即随机几何误差δ1g＝0；找准边坡潜在滑移面所对应的结构面及其潜在滑移方向；
(4)开展岩体结构面抗剪强度参数的精细取值，消除由于计算参数取值不准带来的计算误差δ1c，即随机计算误差δ1c＝0；
(5)结合实际工况条件，根据步骤(3)确定的计算模型、步骤(4)确定的潜在滑移面抗剪强度参数，计算该工况条件下边坡的稳定系数k0；
(6)根据传统计算方法获得的边坡稳定系数ki与基于边坡稳定性分级分析和岩体结构面精细取值确定的边坡稳定系数k0计算随机误差δr：
(7)根据边坡工程地质调查结果，比较边坡稳定状态和基于边坡稳定性分级分析和岩体结构面精细取值确定的边坡稳定系数的差异性，进而确定边坡稳定系数系统误差δs；
(8)计算边坡稳定系数系统误差δs和随机误差δr绝对值之和，确定边坡稳定系数计算误差δ：
δ＝|δs|+|δr| (2)
(9)边坡设计安全系数取高值，因此，边坡设计安全系数Fs量化表达为
Fs＝1+|δ| (3)。
进一步，所述取值方法还包括以下步骤：
(10)工程实践中，边坡稳定性评价为“灰箱”问题，如果采取66％作为置信度的设定值，边坡设计安全系数按下式选取
Fs＝1+|δ|＝1+|δs|+|δr| (4)
如果采取95％作为置信度的设定值，边坡设计安全系数按下式选取
Fs＝1+2|δ|＝1+2|δs|+2|δr| (5)。
再进一步，所述步骤(2)中，选用极限平衡方法，采用Morgenstern-Price法对研究对象的稳定性进行分析。
本发明中，大型露天矿山边坡稳定性评价通过边坡稳定性计算来实现。典型计算问题通常包括物理模型构建、边界条件和初始条件指定、数值方法选择、方程组求解、比较与验证、分析与理解等六个步骤，其中前四个步骤会产生计算误差。相对应的，大型露天矿山边坡稳定性计算问题也存在误差。
本发明的有益效果主要表现在：有效定量确定大型露天矿山边坡设计安全系数。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。
一种大型露天矿山边坡设计安全系数取值方法，包括以下步骤：
(1)选定所需分析的露天矿山边坡作为研究对象，开展现场工程地质调查与资料的收集工作；
(2)选定用于边坡稳定性评价的方法，以极限平衡方法为例，采用Morgenstern-Price法对研究对象的稳定性进行分析；结合实际工况条件，按照传统方法计算该工况条件下边坡的稳定系数ki＝0.987；
(3)基于边坡稳定性分级分析原理，建立边坡稳定性计算模型，提消除几何随机误差δ1g，即随机几何误差δ1g＝0；找准边坡潜在滑移面所对应的结构面及其潜在滑移方向；
(4)开展岩体结构面抗剪强度参数的精细取值，消除由于计算参数取值不准带来的计算误差δ1c，即随机计算误差δ1c＝0；
(5)结合实际工况条件，根据步骤(3)确定的计算模型、步骤(4)确定的潜在滑移面抗剪强度参数，计算该工况条件下边坡的稳定系数k0＝1.15；
(6)根据传统计算方法获得的边坡稳定系数ki与基于边坡稳定性分级分析和岩体结构面精细取值确定的边坡稳定系数k0计算随机误差δr：
(7)根据边坡工程地质调查结果，比较边坡稳定状态和基于边坡稳定性分级分析和岩体结构面精细取值确定的边坡稳定系数的差异性，判断此时边坡稳定系数系统误差δs＝3.60％：
(8)计算边坡稳定系数系统误差δs和随机误差δr绝对值之和，确定边坡稳定系数计算误差δ：
δ＝|δs|+|δr|＝17.77％
(9)采取66％作为置信度(置信水平)的设定值，边坡设计安全系数计算得
Fs＝1+|δ|＝1.178。
表1为不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数。
表1
荷载组合Ⅰ为自重+地下水；荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破振动力；荷载组合III为自重+地下水+地震力；对台阶边坡和临时工作帮，允许有一定程度的破坏，设计安全系数可适当降低。
Claims (3)
1.一种大型露天矿山边坡设计安全系数取值方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)选定所需分析的露天矿山边坡作为研究对象，开展现场工程地质调查与资料的收集工作；
(2)选定用于边坡稳定性评价的方法，结合实际工况条件，按照选定的评价边坡稳定性的方法计算该工况条件下边坡的稳定系数ki，此时存在随机几何误差和随机计算误差，即随机几何误差δ1g≠0、随机计算误差δ1c≠0；
(3)基于边坡稳定性分级分析原理，建立边坡稳定性计算模型，消除几何随机误差δ1g，即随机几何误差δ1g＝0；找准边坡潜在滑移面所对应的结构面及其潜在滑移方向；
(4)开展岩体结构面抗剪强度参数进行精细取值，消除由于计算参数取值不准带来的计算误差δ1c，即随机计算误差δ1c＝0；
(5)结合实际工况条件，根据步骤(3)确定的计算模型、步骤(4)确定的潜在滑移面抗剪强度参数，计算该工况条件下边坡的稳定系数k0；
(6)根据选定的评价边坡稳定性的方法获得的边坡稳定系数ki与基于边坡稳定性分级分析和岩体结构面精细取值确定的边坡稳定系数k0计算随机误差δr：
(7)根据边坡工程地质调查结果，比较边坡稳定状态和基于边坡稳定性分级分析和岩体结构面精细取值确定的边坡稳定系数的差异性，进而确定边坡稳定系数系统误差δs；
(8)计算边坡稳定系数系统误差δs和随机误差δr绝对值之和，确定边坡稳定系数计算误差δ：
δ＝|δs|+|δr| (2)
(9)边坡设计安全系数取高值，因此，边坡设计安全系数Fs量化表达为
Fs＝1+|δ| (3)。
2.如权利要求1所述的大型露天矿山边坡设计安全系数取值方法，其特征在于，所述取值方法还包括以下步骤：
(10)工程实践中，边坡稳定性评价为“灰箱”问题，如果采取66％作为置信度的设定值，边坡设计安全系数按下式选取
Fs＝1+|δ|＝1+|δs|+|δr| (4)
如果采取95％作为置信度的设定值，边坡设计安全系数按下式选取
Fs＝1+2|δ|＝1+2|δs|+2|δr| (5)。
3.如权利要求1或2所述的大型露天矿山边坡设计安全系数取值方法，其特征在于，所述步骤(2)中，选用极限平衡方法，采用Morgenstern-Price法对研究对象的稳定性进行分析。
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