CN112560135A

CN112560135A - 一种基于冲击能量指标的岩体崩塌早期预警方法

Info

Publication number: CN112560135A
Application number: CN202011371802.5A
Authority: CN
Inventors: 陈晨; 尹留阳; 祁凯宁; 刘伟良; 杨晶浩
Original assignee: Beijing Zhongguancun Zhilian Safety Science Research Institute Co ltd
Current assignee: Beijing Zhongguancun Zhilian Safety Science Research Institute Co ltd
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2040-11-30
Also published as: CN112560135B

Abstract

本发明提供了一种基于冲击能量指标的岩体崩塌早期预警方法，包括以下步骤：对岩体进行振动监测，并将监测得到的信号绘制成振动波形图；从振动波形图中计算提取振动幅值、振动绝对均值、方差和峭度指标四种时域动力学指标；计算岩体中的冲击能量指标；通过所述时域动力学指标和冲击能量指标对崩塌灾害进行预警分析。

Description

一种基于冲击能量指标的岩体崩塌早期预警方法

技术领域

本发明涉及崩塌灾害的早期监测预警领域，具体而言，涉及一种基于冲击能量指标的岩体崩塌早期预警方法。

背景技术

越来越多的大型水电站、公路、铁路、桥梁、隧道和能源管线将在我国西南山区进行建设。复杂的高山峡谷地形地貌，恶劣的气候条件以及大量高陡边坡的工程开挖扰动，使得岩体崩塌灾害事故的发生概率大大增加。这些潜在危岩体是目前我国工程建设最主要的安全隐患，一旦发生，轻则造成较大的经济损失和工期延误，重则还会造成严重的人员伤亡。因此，如何实现崩塌灾害的早期监测预警是岩土工程领域亟待解决的主要工程问题之一。崩塌灾害除受到岩体强度及结构面力学状况等内部因素作用外，还与降雨、地震、爆破等多种外界触发因素有关。因此，目前相对单一的监测指标体系，必然导致监测预警技术的预警时效性、准确性与可实施性方面存在较大制约，传统方法中基于位移、应力应变等监测指标的监测预警，虽然有较好的准确性，但时效性差；而单一固有振动频率的预警方法，虽然在时效性方面有较好效果，但其监测往往会受到环境白噪音的影响，预警的准确性方面存在诸多限制。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于冲击能量指标的岩体崩塌早期预警方法，为岩体崩塌的早期预警提供一种新的参考指标-冲击能量指标，从而提高预警时效性、准确性与可实施性。

一种基于冲击能量指标的岩体崩塌早期预警方法，包括以下步骤：对岩体进行振动监测，并将监测得到的信号绘制成振动波形图；从振动波形图中计算提取最大振动幅值、振动绝对均值、方差、和峭度指标四种时域动力学指标；计算岩体中的冲击能量指标；通过所述时域动力学指标和冲击能量指标对崩塌灾害进行预警分析。

进一步地，所述最大振动幅值x_p通过以下方法计算：

x_p＝max|x_i|；其中，x_i为不同时刻的振动幅值。

进一步地，所述振动绝对均值x_av通过以下方法计算：

其中，x_i为不同时刻的振动幅值，N为监测样本数。

进一步地，所述方差D_x通过以下方法计算：

其中，x_i为不同时刻的振动幅值，x_av为振动绝对均值，N为监测样本数。

进一步地，所述峭度指标β通过以下方法计算：

其中，x_i为不同时刻的振动幅值，x_av为振动绝对均值，D_x为方差，N 为监测样本数。

进一步地，所述冲击能量指标E_i通过以下方法计算：

其中，其中，x_p为最大振动幅值，β为峭度指标，c为转换系数，m 为激活质量，E_t为激活质量m产生的动能。

进一步地，所述转换系数c为最大峭度指标β的倒数。

进一步地，所述冲击能量指标E_i可识别岩体的分离破坏前兆和加速破坏前兆。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：

1、本发明利用的时域动力学指标是从监测得到的时间振动信号中直接提取，不需要进行傅里叶等变换，是率先引入到崩塌灾害监测预警体系的基础指标之一。

2、本发明为崩塌灾害的预警预测分析得到一种新的参考指标——冲击能量指标，在针对不同阶段时可以采用不同的指标，从而科学实现崩塌灾害预警的精度和准确性。

3、本发明通过引入多个时域动力学指标，实现岩体由稳定→分离→加速破坏全过程远程监测，进一步丰富目前动力学监测指标体系的同时，也为岩体剧动破坏机制等崩塌灾害机理研究提供新的启示。

4、在岩体崩塌分离破坏前兆识别方面，冲击能量指标可提前识别岩体的分离破坏前兆，可提前实现岩块体崩塌破坏的早期预警；在岩体崩塌加速破坏前兆识别方面，冲击能量指标也可提前识别其加速破坏前兆。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程图；

图2为某岩体的振动波形图；

图3为累积损伤作用下发生崩塌破坏的全过程位移与冲击能量监测数据对比。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于冲击能量指标的岩体崩塌早期预警方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：对岩体进行振动监测，并将监测得到的信号绘制成振动波形图。

采用激光多普勒测振仪(Laser Doppler Vibrometer,LDV)来实现岩体崩塌全过程的振动监测，并将监测得到的时间振动信号绘制成振动波形图。

岩体的很多脆性破坏多是系统不稳定导致的动力破坏，因此引入振动特征参数，可有助于实现岩体的安全稳定分析与岩体崩塌的早期预警。岩体崩塌的全过程一般分为三个阶段，稳定阶段-分离阶段-加速破坏阶段，而激光多普勒测振仪可分别测量不同阶段的岩体时域动力学指标。

步骤S2：从振动波形图中计算提取最大振动幅值、振动绝对均值、方差和峭度指标四种时域动力学指标。

分析监测的振动波形图,所述振动波形图为振动历史曲线，其从稳定到破坏的全过程的曲线，分析时某时刻的数据为此时刻之前的一段数据分析结果作此时刻的数据值。例如，监测了400秒的数据，采样频率是50HZ，取1s为一时间段，0s的数据值，是0s-1s时间段内50个样本的数据分析得到的结果，400s时就是400s-401s的样本数据分析的结果，从中计算提取最大振动幅值、振动绝对均值、方差和峭度指标四种时域动力学指标，四种时域动力学指标不需要进行傅里叶等变换。

根据如下公式可计算最大振动幅值x_p：

x_p＝max|x_i| (1)

其中，x_i为不同时刻的振动幅值。

根据如下公式可计算振动绝对均值x_av：

其中，x_i为不同时刻的振动幅值，N为监测样本数，监测样本数取决于采样频率与分析时的所选取的时间段大小。

根据如下公式可计算方差D_x：

根据如下公式可计算峭度指标β：

步骤S3：计算岩体中的冲击能量指标E_i。

由于峭度指标β对周期性的冲击信号十分敏感，因此用峭度指标β计算某时刻岩体振动中的冲击能量指标E_i。

根据如下公式可计算冲击能量指标E_i：

其中，c为转换系数，本发明中取最大峭度指标的倒数,m为激活质量， m可反应该阶振型在各个自由度上所激活的质量大小，E_t为激活质量m产生的动能。

步骤S4：通过时域动力学指标和冲击能量指标E_i对崩塌灾害进行预警分析。

下面以一具体岩体坍塌的数据为例来说明上述的分析方法。

假设岩体崩塌过程中，0s-390s为稳定阶段，390s-440s为分离阶段， 440s-445s为加速破坏阶段，基于时域指标的监测数据可得冲击能量指标 E_i，如表1所示，岩体振动中的冲击能量在前435s内平均值为3.28×10^-5J，而破坏前5s(440s-445s)的冲击能量平均值为10.17×10^-5J，为前期平均能量的3.1倍。因此，岩体在加速破坏阶段赋存的振动冲击能量也远大于前期稳定阶段与分离阶段。

表1

测量时间/s	β	E<sub>i</sub>/(10<sup>-5</sup>J)
			0	11154.73	1.14
50	10228.06	1.25
			124	10774.11	0.40
200	10668.42	1.54
			270	9055.82	2.13
310	7467.82	3.79
			370	13305.22	3.19
390	6781.43	9.53
			410	9969.95	2.65
430	7232.47	3.83
			435	8151.37	6.63
440	10539.76	18.73
			441	9484.27	8.57
442	4013.98	9.28
			443	4520.90	7.04
444	13295.24	7.67
			445	4279.27	9.74

在岩体崩塌过程中结构面不断损伤，从稳定岩体→母岩分离→加速破坏，会出现分离破坏前兆与加速破坏前兆，图3为累积损伤作用下发生崩塌破坏的全过程位移与冲击能量监测数据对比。

由图3可知，冲击能量指标在390s较前一时刻增大2.9倍，可较好的识别岩体的分离破坏前兆；在加速破坏前兆识别方面，冲击能量指标在390s 较前一时刻增大2.9倍，可较好的识别岩体的分离破坏前兆。

在分离破坏前兆识别的敏感性方面，冲击能量2.9，敏感性很强；而在加速破坏前兆识别方面，冲击能量在2.0以上，敏感性良好。因此，在分离阶段和加速破坏阶段采用冲击能量指标具有明显的优势。

岩体从稳定岩体→母岩分离→加速破坏这一过程中，力学参数必然会发生变化，进而会分别出现分离破坏前兆与加速破坏前兆，例如出现若干的破裂信号。由于这些信号多是由微小的裂缝扩张引起的，通常很难用肉眼或位移测量设备进行监测识别。最新的实验研究显示，岩体在损伤破坏过程中，损伤较小则能量释放较少；损伤变量迅速增加则会导致能量大量的释放。因此，岩体冲击能量来源于岩体发生损伤时产生的能量释放。表2为实验中岩体崩塌三阶段冲击能量指标对比。由表2可知，岩体在稳定阶段、分离阶段与加速破坏阶段的平均冲击能量指标的量级有明显不同：在稳定阶段由于只有微裂隙的扩展，损伤较小，能量释放较少，只有1.92× 10-⁵J；分离阶段，裂隙的大量扩展，损伤较大，使得能量释放比稳定时期高出194.79％，分离破坏前兆识别明显；当到达加速破坏阶段，由于岩体发生断裂破坏，能量释放进一步升高，平均冲击能量最大，比分离阶段又增长了79.68％，是稳定阶段的5.30倍。因此，引入能量指标来进行损伤识别和预警分析则更为有效。这也是冲击能量指标在分离破坏前兆与加速破坏前兆识别方面均表现良好的原因所在。

表2

实际上自然界的岩石在风化、降雨等累计损伤下，不可避免会发生复杂的应力应变状态，因此岩体从稳定到破坏全过程中需要识别损伤的发生时刻进而分析其抵御变形和破坏的能力。由表2可知，最大冲击能量指标可显示其发生时刻，表明岩体发生了较大的损伤，这为岩体累计损伤的过程评价识别提供了新的数据支持。例如在稳定阶段，310s时冲击能量指标最大，表明岩体在这一时刻发生了较大损伤，实验中也发现在310s岩体有轻微振动的出现。因此，岩体即使在稳定阶段其抵御变形和破坏的能力并非呈规律性的下降，会因为某时刻某随机破裂的发生出现大幅下降，而只有监测出每个随机损伤破裂的发生，才能准确分析岩体由稳定到破坏发生的应力应变与损伤程度，进而实现岩体的动态稳定性评价。

本发明通过引入冲击能量这一监测指标，开展了岩体崩塌破坏全过程的实时监测，对岩体分离破坏前兆与加速破坏前兆进行分析，得出如下结论：

(1)在岩体崩塌分离破坏前兆识别方面，冲击能量指标可在390s识别岩体的分离破坏前兆，由于分离破坏前兆识别预警方法在岩体崩塌等脆性破坏灾害监测预警方面具有更好的时效性，可提前55s实现岩块体崩塌破坏的早期预警。

(2)在岩体崩塌加速破坏前兆识别方面，冲击能量指标可在440s识别其加速破坏前兆。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。