CN114492140A - 一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，包括：A.建立边坡的地质概化模型；B.采用连续介质力学分析方法建立边坡数值模型，分析边坡在分步开挖作用下的动态稳定性，如果发生失稳，则停止开挖转向步骤C，否则转向步骤F；C.根据边坡塑性区分布和位移云图沉降情况判断获取边坡潜在滑动面；D.根据步骤C中获取的边坡潜在滑动面，采用不连续介质力学分析方法建立边坡数值模型,分析边坡的潜在失稳过程；E.根据边坡失稳后岩体的堆积范围，对边坡进行危险性分区；F：结束危险性分区；本方法避免了主观因素的干扰，分区结果更为精确，为开挖作用下高陡边坡的危险性分区提供了方法与技术支撑。

Description

一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法
技术领域
本发明属于水利水电、露天矿山等岩土工程技术领域，具体涉及一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，尤其适用于分步开挖作用下高陡边坡的危险性分区。
背景技术
随着资源的开发利用以及能源结构的改善，在水利水电、露天矿山等领域出现了大量的高陡边坡。高陡边坡一般具有地质环境复杂、地应力较大、开挖工程量大、开挖周期长、外部扰动频繁等特点，同时其防治方案相比一般边坡也更加复杂，因此高陡边坡在全生命周期内的稳定性对工程的施工和运营具有重要的影响，而对高陡边坡进行危险性分区有利于工程建设的合理安排。
传统的危险性分区方法主要是工程类比法，即根据类似工程的危险性分区情况对新工程进行分区。该方法具有较大的主观性，十分依赖工程师的工程经验，分区的结果既可能过于保守，导致大量可建设区域未进行施工，拖延工程建设进度；也可能过于乐观，导致在危险的区域进行施工作业，造成安全事故。因此，发展一种合理、客观、准确的高陡边坡危险性分区方法是边坡工程灾害防治的重点和难点。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明要解决的是传统的危险性分区方法有较大的主观性，十分依赖工程师的工程经验，分区的结果既可能过于保守，导致大量可建设区域未进行施工，拖延工程建设进度；也可能过于乐观，导致在危险的区域进行施工作业，造成安全事故的问题。
为了实现上述目的，本发明涉及：一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，包括以下步骤：
A、通过工程地质调查确定岩土体物理力学参数及结构面分布形式，建立边坡的地质概化模型；
B.根据边坡地质概化模型，采用连续介质力学分析方法建立边坡数值模型，分析边坡在分步开挖作用下的动态稳定性，如果发生失稳，则停止开挖转向步骤C，否则转向步骤F；
C、根据边坡塑性区分布和位移云图沉降情况判断获取边坡潜在滑动面；
D、根据步骤C中获取的边坡潜在滑动面，采用不连续介质力学分析方法建立边坡数值模型分析边坡的潜在失稳过程；
E、根据边坡失稳后岩体的堆积范围，对边坡进行危险性分区；
F：结束危险性分区。
进一步的，所述采用连续介质力学分析方法建立边坡数值模型的方法为通过节理有限元方法建立边坡数值模型。
进一步的，所述步骤(B)中分析边坡在分步开挖作用下的动态稳定性；动态稳定性的具体判断标准为：
根据塑性区是否贯通、位移云图沉降情况和安全系数是否小于1，判断开挖过程中的稳定状态，如果形成贯通的塑性区、明显的位移云图分界面或安全系数小于1，则认为边坡发生失稳。
进一步的，所述步骤(C)中根据边坡塑性区分布和位移云图沉降情况判断边坡潜在滑动面；潜在滑动面的具体判断标准为：
潜在滑动面的具体判断标准为：
(1)如果形成贯通的塑性区，则将贯通的塑性区视为潜在滑动面；判断形成贯通的塑性区的方法为：定义塑性区贯通率：
Figure BDA0003510006560000031
其中Vpl表示塑性区的体积，Vtotal表示沿滑动带的体积；
当α<1时表示塑性区未贯通，当α＝1时表示塑性区贯通；
(2)如果出现一个位移沉降分界面，该分界面下方的岩体不发生位移沉降，分界面上方的岩体发生整体位移沉降，则将该位移沉降分界面视为潜在滑动面；
判断位移沉降分界面的具体方法为：从坡面向坡内做一条垂线，记录沿垂线方向各单元的沉降情况
定义位移沉降增量：
Figure BDA0003510006560000032
其中xi+1表示第i+1个单元的位移沉降，xi表示第i个单元的位移沉降；li+1表示第i+1个单元距坡面的距离，li表示第i个单元距坡面的距离；
当β＝0时表示此时位移沉降不再变化(即岩体不发生相对位移沉降)，即β＝0处单元就是位移沉降分界面，且此处单元的位移沉降xi表示工程整体的位移沉降；
上述(1)、(2)满足任一条件即可。
进一步的，所述步骤(D)具体方法为：
根据边坡潜在滑动面建立边坡块体系统模型，通过设置潜在滑动面多组抗剪强度参数，模拟不同力学参数条件下边坡的潜在失稳破坏过程。
进一步的，所述通过设置潜在滑动面多组抗剪强度参数的方法为：设置潜在滑动面高、中、低三组抗剪强度参数，根据边坡潜在滑动面所处区域境岩石的内摩擦角
Figure BDA0003510006560000041
确定潜在滑动面上的高、中、低抗剪强度参数，其中高组抗剪强度参数
Figure BDA0003510006560000042
中组抗剪强度参数
Figure BDA0003510006560000043
低组抗剪强度参数
Figure BDA0003510006560000044
以上参数均为角度制。
进一步的，所述步骤(E)根据边坡失稳后岩体的堆积范围，对边坡进行危险性分区；具体分区依据为：
禁止作业区：表示在高抗剪强度条件下，边坡失稳后失稳岩体可以堆积的区域，该区域存在很高的安全隐患；
高风险区：表示在中抗剪强度条件下，边坡失稳后崩塌岩体可以堆积的区域，该区域同样具有较高的安全隐患；
中风险区：表示在低抗剪强度的条件下，边坡失稳后崩塌岩体可以堆积的区域，该区域仍然具有一定的安全隐患；
低风险区：表示边坡失稳后崩塌岩体不可堆积的区域，但仍需注意崩塌落石等风险；
安全区：距离低抗剪强度条件下岩体堆积区域最远端90m-110m的范围，该区域较为安全，可根据实际情况进行工业生产。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，通过工程地质调查确定岩土体物理力学参数和结构面分布形式后，采用连续-不连续分析方法对高陡边坡进行危险性分区，具有操作简便、客观公正、计算精度高、工程适用性强的优点；
(2)本发明的高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，避免了主观因素的干扰，分区结果更为精确，为开挖作用下高陡边坡的危险性分区提供了方法与技术支撑。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的危险性分区实施流程图；
图2为本发明较佳实施例的边坡有限元模型示意图；
图3为本发明较佳实施例的边坡安全系数随开挖步数变化关系示意图；
图4为本发明较佳实施例的边坡潜在滑动面示意图；
图5为本发明较佳实施例的边坡块体模型示意图；
图6-图8为本发明较佳实施例的不同抗剪强度参数情况下岩体堆积范围示意图(图6-图8滑动面抗剪强度参数分别为15°、20°及25°)；
图9为本发明较佳实施例的边坡危险性分区示意图；
图10为本发明较佳实施例判断形成贯通的塑性区的示意图；
表1：岩土体物理力学参数表；
表2：结构面分布形式及参数表。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
请参考图1，本发明涉及一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，包括以下步骤：
A、通过工程地质调查确定岩土体物理力学参数及结构面分布形式，建立边坡的地质概化模型；
B、根据边坡地质概化模型，采用连续介质力学分析方法建立边坡数值模型(例如，通过节理有限元方法建立边坡数值模型)，分析边坡在分步开挖作用下的动态稳定性，如果发生失稳，则停止开挖转向步骤C，否则转向步骤F；其中动态稳定性的具体判断标准为：
根据塑性区是否贯通、位移云图沉降情况和安全系数是否小于1，判断开挖过程中的稳定状态，如果形成贯通的塑性区、明显的位移云图分界面或安全系数小于1，则认为边坡发生失稳。
C、根据边坡塑性区分布和位移云图沉降情况判断获取边坡潜在滑动面；潜在滑动面的具体判断标准为：
(1)如图10，如果形成贯通的塑性区，则将贯通的塑性区视为潜在滑动面；判断形成贯通的塑性区的方法为：定义塑性区贯通率：
Figure BDA0003510006560000061
其中Vpl表示塑性区的体积，Vtotal表示沿滑动带的体积；
当α<1时表示塑性区未贯通，当α＝1时表示塑性区贯通；
(2)如果出现一个位移沉降分界面，该分界面下方的岩体不发生位移沉降，分界面上方的岩体发生整体位移沉降，则将该位移沉降分界面视为潜在滑动面；
判断位移沉降分界面的具体方法为：从坡面向坡内做一条垂线，记录沿垂线方向各单元的沉降情况
定义位移沉降增量：
Figure BDA0003510006560000071
其中xi+1表示第i+1个单元的位移沉降，xi表示第i个单元的位移沉降；li+1表示第i+1个单元距坡面的距离，li表示第i个单元距坡面的距离；
当β＝0时表示此时位移沉降不再变化(即岩体不发生相对位移沉降)，即β＝0处单元就是位移沉降分界面，且此处单元的位移沉降xi表示工程整体的位移沉降；
上述(1)、(2)满足任一条件即可。
D、根据步骤C中获取的边坡潜在滑动面，采用不连续介质力学分析方法建立边坡数值模型分析边坡的潜在失稳过程，具体方法为：
根据边坡潜在滑动面建立边坡块体系统模型，通过设置潜在滑动面多组抗剪强度参数，模拟不同力学参数条件下边坡的潜在失稳破坏过程。
所述通过设置潜在滑动面多组抗剪强度参数的方法为：设置潜在滑动面高、中、低三组抗剪强度参数，根据边坡潜在滑动面所处区域境岩石的内摩擦角
Figure BDA0003510006560000072
确定潜在滑动面上的高、中、低抗剪强度参数，其中高组抗剪强度参数
Figure BDA0003510006560000073
中组抗剪强度参数
Figure BDA0003510006560000074
低组抗剪强度参数
Figure BDA0003510006560000081
以上参数均为角度制。
在进行不连续介质力学分析时需要设置潜在滑动面，通过连续介质力学分析的结果获取了潜在滑动面，并在不连续介质力学分析的建模过程中使用了该潜在滑动面的样式，即潜在滑动面是从连续介质力学分析向不连续介质力学分析过渡的桥梁，这就是二者结合的过程；
E、根据边坡失稳后岩体的堆积范围，对边坡进行危险性分区；具体分区依据为：
禁止作业区：表示在高抗剪强度条件下，边坡失稳后失稳岩体可以堆积的区域，该区域存在很高的安全隐患；
高风险区：表示在中抗剪强度条件下，边坡失稳后崩塌岩体可以堆积的区域，该区域同样具有较高的安全隐患；
中风险区：表示在低抗剪强度的条件下，边坡失稳后崩塌岩体可以堆积的区域，该区域仍然具有一定的安全隐患；
低风险区：表示边坡失稳后崩塌岩体不可堆积的区域，但仍需注意崩塌落石等风险；
安全区：距离低抗剪强度条件下岩体堆积区域最远端90m-110m的范围，该区域较为安全，可根据实际情况进行工业生产。
F：结束危险性分区。
具体算例：
一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，其实施流程如图1所示，具体实施步骤是：
A、通过工程地质调查确定岩土体物理力学参数如表1所示，结构面分布形式及参数如表2所示，建立边坡的地质概化模型；
表1岩土体物理力学参数
Figure BDA0003510006560000091
表2结构面分布形式及参数
Figure BDA0003510006560000092
B、根据边坡地质概化模型，采用有限元软件phase2建立边坡数值模型，如图2所示，分析边坡在分步开挖作用下的安全系数随开挖步数的变化关系，如图3所示，由图3可知，边坡在开挖至第11步时的安全系数为1.01，处于临界平衡状态，开挖至第12步时的安全系数为0.98，此时发生了失稳，转向步骤(C)；
C、确定边坡失稳时潜在滑动面，以开挖后的位移沉降分界面为判断依据，潜在滑动面如图4所示；
D、根据边坡潜在滑动面，采用不连续介质力学分析方法(DDA)建立边坡块体模型，如图5所示，潜在滑动面所处区域为二云母石英片岩，该岩石的内摩擦角为34.4°，因此潜在滑动面高组抗剪强度参数为34.4°-10°＝24.4°(取整为25°)；中组抗剪强度参数为34.4°-15°＝19.4°(取整为20°)；低组抗剪强度参数为34.4°-20°＝14.4°(取整为15°)；因此分别设置潜在滑动面抗剪强度参数为25°、20°和15°三个等级，分析边坡在不同抗剪强度参数条件下的潜在失稳过程；
E、不同抗剪强度参数条件下边坡失稳块体的堆积范围如图6-图8所示，根据边坡失稳后岩体的堆积范围，对边坡进行危险性分区，如图9所示。其中禁止作业区表示在25°摩擦角的条件下，边坡失稳后失稳岩体依然可以堆积的区域，该区域存在很高的安全隐患；高风险区表示在摩擦角为20°的条件下，边坡失稳后崩塌岩体可以堆积的区域，该区域同样具有较高的安全隐患；中风险区表示在摩擦角为15°的条件下，边坡失稳后崩塌岩体可以堆积的区域，该区域仍然具有一定的安全隐患；低风险区表示边坡失稳后崩塌岩体不可堆积的区域，但仍需注意崩塌落石等风险；安全区距离堆积岩体区域约100m，该区域较为安全，可根据实际情况进行工业生产；
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，其特征在于包括以下步骤：
A、通过工程地质调查确定岩土体物理力学参数及结构面分布形式，建立边坡的地质概化模型；
B.根据边坡地质概化模型，采用连续介质力学分析方法建立边坡数值模型，分析边坡在分步开挖作用下的动态稳定性，如果发生失稳，则停止开挖转向步骤C，否则转向步骤F；
C、根据边坡塑性区分布和位移云图沉降情况判断获取边坡潜在滑动面；
D、根据步骤C中获取的边坡潜在滑动面，采用不连续介质力学分析方法建立边坡数值模型分析边坡的潜在失稳过程；
E、根据边坡失稳后岩体的堆积范围，对边坡进行危险性分区；
F：结束危险性分区。
2.根据权利要求1所述的一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，其特征在于：所述采用连续介质力学分析方法建立边坡数值模型的方法为通过节理有限元方法建立边坡数值模型。
3.根据权利要求1所述的一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，其特征在于：所述步骤(B)中分析边坡在分步开挖作用下的动态稳定性；动态稳定性的具体判断标准为：
根据塑性区是否贯通、位移云图沉降情况和安全系数是否小于1，判断开挖过程中的稳定状态，如果形成贯通的塑性区、产生位移云图分界面或安全系数小于1，则认为边坡发生失稳。
4.根据权利要求1所述的一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，其特征在于：所述步骤(C)中根据边坡塑性区分布和位移云图沉降情况判断边坡潜在滑动面；
潜在滑动面的具体判断标准为：
(1)如果形成贯通的塑性区，则将贯通的塑性区视为潜在滑动面；判断形成贯通的塑性区的方法为：定义塑性区贯通率：
Figure FDA0003510006550000021
其中Vpl表示塑性区的体积，Vtotal表示沿滑动带的体积；
当α<1时表示塑性区未贯通，当α＝1时表示塑性区贯通；
(2)如果出现一个位移沉降分界面，该分界面下方的岩体不发生位移沉降，分界面上方的岩体发生整体位移沉降，则将该位移沉降分界面视为潜在滑动面；
判断位移沉降分界面的具体方法为：从坡面向坡内做一条垂线，记录沿垂线方向各单元的沉降情况
定义位移沉降增量：
Figure FDA0003510006550000022
其中xi+1表示第i+1个单元的位移沉降，xi表示第i个单元的位移沉降；li+1表示第i+1个单元距坡面的距离，li表示第i个单元距坡面的距离；
当β＝0时表示此时位移沉降不再变化(即岩体不发生相对位移沉降)，即β＝0处单元就是位移沉降分界面，且此处单元的位移沉降xi表示工程整体的位移沉降；
上述(1)、(2)满足任一条件即可。
5.根据权利要求1所述的一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，其特征在于：所述步骤(D)具体方法为：
根据边坡潜在滑动面建立边坡块体系统模型，通过设置潜在滑动面多组抗剪强度参数，模拟不同力学参数条件下边坡的潜在失稳破坏过程。
6.根据权利要求5所述的一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，其特征在于：所述通过设置潜在滑动面多组抗剪强度参数的方法为：设置潜在滑动面高、中、低三组抗剪强度参数，根据边坡潜在滑动面所处区域境岩石的内摩擦角
Figure FDA0003510006550000031
确定潜在滑动面上的高、中、低抗剪强度参数，其中高组抗剪强度参数
Figure FDA0003510006550000032
中组抗剪强度参数
Figure FDA0003510006550000033
低组抗剪强度参数
Figure FDA0003510006550000034
以上参数均为角度制。
7.根据权利要求1所述的一种高陡节理边坡开挖危险性分区的划分方法，其特征在于：
所述步骤(E)根据边坡失稳后岩体的堆积范围，对边坡进行危险性分区；具体分区依据为：
禁止作业区：表示在高抗剪强度条件下，边坡失稳后失稳岩体可以堆积的区域，该区域存在很高的安全隐患；
高风险区：表示在中抗剪强度条件下，边坡失稳后崩塌岩体可以堆积的区域，该区域同样具有较高的安全隐患；
中风险区：表示在低抗剪强度的条件下，边坡失稳后崩塌岩体可以堆积的区域，该区域仍然具有一定的安全隐患；
低风险区：表示边坡失稳后崩塌岩体不可堆积的区域，但仍需注意崩塌落石等风险；
安全区：距离低抗剪强度条件下岩体堆积区域最远端90m-110m的范围，该区域较为安全，可根据实际情况进行工业生产。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115238553A (zh) * 2022-07-27 2022-10-25 北京科技大学 一种地埋管线渗漏浸蚀的危险区域划分方法和系统

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CN115238553A (zh) * 2022-07-27 2022-10-25 北京科技大学 一种地埋管线渗漏浸蚀的危险区域划分方法和系统

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