基于模糊可靠度理论的露天坑边坡稳定性评价.pdf

中图分类号卫丝5 2 U DC 硕士学位论文 学校代码 Q 三兰 密级公珏 基于模糊可靠度理论的露天坑边坡稳定性评价 S t a b i l i t yE v a l u a t i o no fO p e n p i tM i n eS l o p eB a s e do n F u z z y - r a n d o mR e l i a b i l i t y 作者姓名柳皎 学科专业安全技术及工程 研究方向岩石力学可靠度 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师李夕兵 教授 副指导教师 论文答辩F I 期渔』至兰箩答辩委员会主 中南大学 2 0 1 3 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名华日期丝碰月必 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名j 均生宜导师 年』月旦日 基于模糊可靠度理论的露天坑边坡稳定性评价 摘要我国地形地貌复杂、自然因素多变，使得边坡管理成为露天矿 山安全管理工作的重要内容。诱发滑坡事故的原因多种多样，防范不 当则会造成重大灾害，对工作人员的人身安全及企业的财产造成巨大 威胁。 论文以洛钼东戈壁露天采场为研究对象，对该边坡展开风险辨 识、可靠度分析以及整体稳定性评价等相关研究工作，探讨边坡稳定 性的影响因素并对边坡进行稳定性评级，论文主要工作有以下几点 l 、对采场进行实地勘测和岩石取样，并就影响边坡稳定的各因素进 行危险源辨识。 首先，实地勘测洛钼东戈壁露天采场水文、地质、环境情况。基 于A N S Y S 和F L A C 3 D 软件建模，得到最终坡角分别为4 6 。、4 7 。 和4 8 。的露天坑边坡工程模型。然后，针对该边坡工程的实际情况 展开危险源辨识，得到影响边坡稳定的潜在危险有害因素。最后，就 危险辨识结果绘制该边坡失稳事故鱼刺图。 2 、基于模糊．随机可靠度分析理论，对边坡工程进行稳定性分析。 鉴于经典可靠度理论的局限性，选取考虑工程不确定性的模糊． 随机可靠度分析理论对边坡工程进行分析。首先以最终坡角为4 7 。 边坡模型为例进行隶属函数选取分析，确定正弦曲线函数为隶属函 数。然后分别对三个模型进行模糊．随机可靠度分析，不考虑地震荷 载时边坡模糊．随机失效概率分别为0 ．0 7 8 7 、0 ．0 8 6 1 、0 ．0 9 6 2 ；考虑 地震荷载时边坡模糊．随机失效概率为0 ．0 8 8 4 、0 ．0 9 0 2 、0 ．1 0 0 1 。最 后以4 8 。边坡模型为例，探讨粘聚力c 和内摩擦系数厂与边坡失效概 率的敏感度。 3 、选取网络层次．集对分析和网络层次．物元可拓分析模型对边坡工 程进行整体稳定性评价。 根据该露天坑边坡实际情况建立评价指标体系，得到影响边坡稳 定的1 6 个评价指标。基于网络层次分析法确定各评价指标的权重值， 结合集对分析法得到边坡稳定性评价等级为较稳定级别。为避免集对 分析法产生的误差，选取物元可拓分析法再次对边坡工程进行稳定性 评价，评价等级为较稳定级别。 关键词边坡工程；模糊随机可靠度；风险评价；集对分析；物元可 拓分析 分类号T U 4 5 7 I I S t a b i l i t yE v a l u a t i o no fO p e n - p i tM i n eS l o p eB a s e do n F u z z y r a n d o mR e l i a b i l i t y A b s t r a c t D u et ot h ev a r i e dt o p o g r a p h ya n dn a t u r a lf a c t o r si nC h i n a ， s l o p em a n a g e m e n th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tc o n t e n to ft h eo p e n - p i tm i n e s a f e t ym a n a g e m e n t ．A n yd e t a i l sn e g l i g e n c em a yr e s u l ti nl a n d s l i d eh a z a r d ， i ti sn o to n l yas e c u r i t yr i s kf o ro p e n - p i tm i n i n g ，b u ta l s oa h u g et h r e a tt o t h ep e r s o n a ls a f e t yo fs t a f fa n dc o r p o r a t ep r o p e r t y ． B yt a k i n gL u o - M uE a s tG o b io p e n - p i tm i n ea st h er e s e a r c ho b je c t ， r i s ki d e n t i f i c a t i o n , r e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n di n t e g r a ls t a b i l i t ye v a l u a t i o no f t h es l o p ew e r es t u d i e d ．M e a n w h i l e ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dr a t i n go f s l o p es t a b i l i t yw e r ei n v e s t i g a t e d ．W o r k st h a th a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r i n c l u d e st h ef o l l o w i n g 1 ．T h ed a n g e r o u ss o u r c eo ft h ef a c t o r sa f f e c t i n gs l o p es t a b i l i t yW a s i d e n t i f i e da f t e rs t o p ef i e l ds u r v e ya n dr o c ks a m p l i n g ． F i r s t l y , b a s e do nA N S Y Sa n dF L A C 3 Ds o f t w a r em o d e l i n g ，t h e o p e n p i ts l o p ee n g i n e e r i n gm o d e lw h o s e f i n a l s l o p ea n g l e s w e r e d e t e r m i n e da s4 6O ，4 7 。a n d4 8 o r e s p e c t i v e l ya f t e r s i t e i n v e s t i g a t i o n a b o u ts t o p eh y d r o l o g y , g e o l o g ya n de n v i r o n m e n t a lc i r c u m s t a n c e sh a d f i n i s h e d ．S e c o n d l y , t h ep o t e n t i a lh a z a r d o u s f a c t o r s a f f e c t t i n gs l o p e s t a b i l i t yw e r eo b t a i n e d a f t e rt h eh a z a r di d e n t i f i c a t i o no ft h ea c t u a l s i t u a t i o no ft h es l o p e ．F i n a l l y , f i s h b o n ec h a r ta b o u ts l o p ea c c i d e n tw a s d r a w e db yt h er e s u l to fh a z a r di d e n t i f i c a t i o n 2 ．B a s e do nf u z z y - r a n d o mr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，t h es t a b i l i t ya n a l y s i s o fs l o p ee n g i n e e r i n gW a sc a r r i e do u t ． B a s e do nt h el i m i t a t i o n so ft h ec l a s s i c a l r e l i a b i l i t yt h e o r y , f u z z y - r a n d o mr e l i a b i l i t yt h e o r yw h i c hc o n s i d e r i n g t h e e n g i n e e r i n g u n c e r t a i n t yW a ss e l e c t e dt oa n a l y s et h es l o p ee n g i n e e r i n g ．F i r s t l y , s l o p e m o d e lw i t ht h ef m a ls l o p ea n g l eo f4 7 。w a st a k e na se x a m p l et om a k ea s e l e c t i o na n a l y s i sa b o u tm e m b e r s h i pf u n c t i o n ，d e t e r m i n i n gt h es i n u s o i d a l f u n c t i o na sm e m b e r s h i pf u n c t i o n ．T h e na f t e rf u z z y - r a n d o mr e l i a b i l i t y a n a l y s i so ft h e s et h r e em o d e l ，f u z z y - r a n d o mp r o b a b i l i t yo ff a i l u r ew e r e 0 ．0 7 8 7 、0 ．0 8 61a n d0 ．0 9 6 2w i t h o u tc o n s i d e r a t i o no fs e i s m i c l o a d i n g ， w h i l e0 ．0 8 8 4 、0 ．0 9 0 2 a n d0 ．1 0 0 1w i t hc o n s i d e r a t i o no fs e i s m i cl o a d i n g r e s p e c t i v e l y ．A tl a s ts e n s i t i v i t ya n a l y s i so nt h es l o p ef a i l u r ep r o b a b i l i t y ⅡI w i t hc o h e s i o nCa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n tfw e r es t u d i e dt a k i n g4 6os l o p e m o d e la sa ne x a m p l e ． 3 ．T h en e t w o r kl e v e l ．s e to v e r a l l a n a l y s i s a n dn e t w o r k l e v e l ．m a t t e r - e l e m e n te x t e n s i o na n a l y s i sm o d e lw e r es e l e c t e dt oi n t e g r a l a n a l y s es t a b i l i t yo f sl o p ee n g i n e e r i n g ． E v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ．w h i c hh a d16e v a l u a t i o ni n d e xo fs l o p e s t a b i l i t y , W a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h eo p e n - p i t s l o p e ．T h ew e i g h tv a l u eo fe a c he v a l u a t i o nW a sd e t e r m i n e db yt h e a n a l y t i cn e t w o r kp r o c e s s ．C o m b i n e dw i t hs e tp a i ra n a l y s i s ，s l o p es t a b i l i t y e v a l u a t i o nl e v e lW a sd e t e r m i n e da sar e l a t i v e l ys t a b l el e v e l ．T oa v o i d f a i l u r eo f s e tp a i ra n a l y s i s ，m a t t e r - e l e m e n te x t e n s i o nm e t h o dW a ss e l e c t e d t oa n a l y s es t a b i l i t yo fs l o p ee n g i n e e r i n ga g a i n ，t h ee v a l u a t i o ng r a d ei s r e l a t i v e l ys t a b l el e v e l ． K e y w o r d s s l o p ee n g i n e e r i n g ；f u z z y - r a n d o mr e l i a b i l i t y ；r i s ka s s e s s m e n t ； s e tp a i ra n a l y si s ；m a t t e r - e l e m e n te x t e n s i o n C l a s s i f i c a t i o n T U 4 5 7 I V 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A b s 仃a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 目蜀乏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V l 绪{ 念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 边坡稳定性分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1 边坡稳定性分析方法综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 边坡风险评价综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 模糊可靠度理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 可靠度分析理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．2 模糊可靠度理论及其在边坡工程中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．4 论文研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 露天坑边坡工程概况及风险辨识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．1 矿区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．1 ．1 矿区地理位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．2 矿区地形地貌及气象水文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．3 工程地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 2 ．1 ．4 环境地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 矿区岩体岩石力学参数及建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 4 2 ．2 ．1 矿区岩体岩石力学参数。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．2 洛钼东戈壁露天坑边坡建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l5 2 ．3 露天坑边坡稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．3 ．1 岩性及岩体构造对边坡稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l9 2 ．3 ．2 降水、风沙对边坡的稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．3 地震对边坡稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l9 2 ．3 ．4 爆破对边坡稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．5 车辆荷载对边坡稳定性的影响⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．3 ．6 边坡形态对边坡稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 基于鱼刺图的边坡风险分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 2 ．4 ．1 鱼刺图法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 ．2 洛钼东戈壁露天坑边坡失稳鱼刺图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 露天坑边坡模糊可靠度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 基于模糊随机可靠度的边坡稳定性计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 ．1 边坡工程荷载效应S 和结构抗力R 的推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 ．3 安全储备及概率密度函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．4 基于隶属函数的边坡模糊随机可靠度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．5 考虑地震荷载的边坡可靠度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 V 3 ，2 隶属函数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．2 ．1 常用隶属函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．2 ．2 以模型二为例的隶属函数比较分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．3 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 露天坑边坡模糊可靠度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 5 3 ．3 ．1 模型一 最终边坡角为4 6 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．3 ．2 模型二 最终边坡角为4 7 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．3 ．3 模型三 最终边坡角为4 8 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 3 ．4 敏感度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 3 ．4 ．1 凝聚力c 、内摩擦系数f 与失效概率P f i 的敏感度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．4 ．2 敏感度的显著性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 4 露天坑边坡整体稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．1 评价指标建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 4 ．1 ．1 评价指标构建原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1 ．2 岩石边坡评价指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1 ．3 洛钼东戈壁露天坑边坡风险评价指标体系构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．2 评价指标权重确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 4 ．2 ．1 权重分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．2 ．2 网络层次分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．2 ．3 洛钼东戈壁露天坑边坡评价指标权重分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．3 露天坑边坡集对稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 4 ．3 ．1 集对分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．3 ．2 露天坑边坡单指标联系度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 4 3 ．3 露天坑边坡综合联系度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 4 ．3 ．4 露天坑边坡安全等级值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 4 ．4 露天坑边坡物元可拓稳定性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 4 ．4 ．1 物元可拓分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 4 ．4 ．2 露天坑边坡经典域、节域和待评物元确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 4 ．4 ．3 露天坑边坡各等级关联度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 4 ．4 ．4 露天坑边坡评价等级确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 5 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 5 ．1 全文总结与创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．1 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．1 ．2 论文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 5 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 攻读硕士期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 1 绪论 1 ．1 引言 边坡失稳是一种全球性的地质灾害，与地震、火山共同列为全球三大地质灾 掣1 。2 】。我国国土幅员辽阔，地形地质复杂，丘陵、盆地、山川交错，西高东低 以阶梯形状分布。建国以来，国民经济的蓬勃发展，造就了诸如公路、水库、露 天矿等众多人工边坡，加之独特的地貌特点和广大的山区面积，使得我国成为滑 坡灾害最为严重的国家之一，滑坡带来的经济损伤和人员伤亡不可估量。 随着经济的飞速发展，出现了越来越多的人造边坡。在现场施工过程中，一 方面为了扩大工程规模，另一方面因场地的限制，常常需要在复杂地质条件下开 挖不同种类的边坡。边坡工程的稳定与否，与工程建设存在直接联系，对工程的 安全性、可行性和经济性都存在重要的制约作用，并在很大程度上影响工程建设 的投资及效益。然而日益突出的滑坡灾害使得边坡工程的稳定性研究及风险评价 变得极为重要，因此对边坡失稳灾害的研究也具有重大的现实意义 滑坡 1 0 ％ 2 4 ％ 图1 - 1 我国地质灾害统计图 2 0 1 3 年1 月11 日8 时2 0 分许，云南省昭通市镇雄县果珠乡高坡村赵家沟发生一 起山体滑坡灾害，1 4 户民宅被毁，2 户受损，4 6 人被埋。2 0 1 2 年1 0 月4 日上午8 时 许，云南省昭通市彝良县龙海乡镇河村油房村民小组发生山体滑坡，造成1 8 名学 生被埋。2 0 1 2 年7 月1 3 日贵州省六盘水市遭遇大面积暴雨袭击，先后发生3 起山体 滑坡事故，造成8 人死亡。2 0 1 2 年3 月6 日，广东清远市清新县龙颈镇桉树里，山 上突然滑落了近2 0 0 立方米的泥土，致使8 人被埋。 2 0 1 1 年1 2 月l O 日，贵州长顺县发生一起因矿山放炮引发的山体滑坡事故，因 当地延昌水泥厂矿山放炮致山体发生滑坡，致使该水泥厂部份厂房被滑坡下来的 泥石流掩埋，事故造成9 人被困。2 0 1 1 年9 , 91 7 日下午西安灞桥发生山体滑坡灾害， 造成1 0 人死亡、5 人受伤，初步确认2 2 人失踪。2 0 1 1 年6 月2 8 日，位于攀枝花市米 易县白马镇威龙村的米易县中禾矿业公司1 号排土场突发一起局部滑坡事故。3 0 多万方废土突然坍塌，导致排土场下方的居民房屋瞬间被掩埋，1 7 人成功逃生， 6 人下落不明。 2 0 0 9 年6 月5 日下午三时，重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山山体发生大面积垮塌， 一千余万方的土石将红宝村多户人家和一个铁矿及路人数十人掩埋。2 0 0 7 年5 月 1 8 日凌晨4 时，山西省繁峙县岩头乡境内宝山公司一大型尾矿库发生溃坝，造成 直接经济损失4 5 0 0 多万元。2 0 0 7 年4 月2 7 日，青海省西宁市银鹰金融保安护卫有 限公司基地边坡支护工程施工现场发生一起坍塌事故，造成3 人死亡、1 人轻伤， 直接经济损失6 0 万元。2 0 0 5 年6 月2 0 日至2 8 日，广东省河源市、惠州市、清远市 及韶关市部分地区滑坡、崩塌，造成2 5 人死亡，1 9 人受伤，经济损失2 4 0 7 0 ．8 1 万 元。 图1 - 2 某矿山滑坡事故现场 滑坡、崩塌是常见的边坡破坏形式之一。滑坡灾害是由于边坡上大量岩土体 在重力或环境荷载作用下，造成的边坡整体沿一定的滑动面作下滑的现象。目前 我国的经济建设正处于高速发展时期，各类高层建筑、水利水电设施、矿山、港 口、高速公路、铁路和能源工程等工程项目的开工建设，形成了大量的边坡工程， 在一定程度上致使滑坡灾害发生概率增加。 我国作为世界上矿产资源较为丰富的国家之一，面临以下两个问题一方面 露天采场众多，形成大量人工边坡；另一方面地处世界两大地震带交汇处，地震 灾害频发【3 一。这些都是增加滑坡概率的因素，为我国的露天矿开采带来安全隐 患的同时，也对工作人员的人身安全及企业的财产损失造成巨大威胁。 边坡管理是露天矿山安全管理工作的一项重要内容，边坡管理工作的好坏与 否直接关系到露天采场的安全问题。边坡管理的疏忽不但会影响矿山的正常生 产，更会对工作人员的人生安全造成极大威胁。然而近些年来，伴随着经济的飞 速发展各地中小型露天矿山也越来越多，但普遍较为落后的开采工艺、安全投入 的欠缺以及边坡管理的缺失，导致边坡事故时有发生。因此，如何防止露天矿滑 坡事故的频繁发生，如何有效加强边坡管理，已经成为露天矿安全防范工作的重 中之重。 1 ．2 边坡稳定性分析研究现状 1 ．2 ．1 边坡稳定性分析方法综述 边坡工程的稳定性分析包含两个基本任务一是要对人类工程活动相关的天 然斜坡或人工边坡的稳定状况、演化趋势或者成灾性做出评价及预测二是要对 边坡的设计提供合理有效的设计依据和边坡治理措施。基于边坡工程的多样性， 不同的边坡应采用不同力学模型与分析方法，以便提高边坡稳定性分析的精度。 边坡稳定性分析的方法可分为两种定性分析法和定量分析法。其中，定性 分析法包括工程地质类比法、地质分析法和图解法等；定量分析法主要为力学 计算法。近年来较常用的边坡稳定性分析法有工程类比法、极限平衡法以及数 值分析法等【5 ’9 1 。随着科技的飞速发展，计算机技术得到全面的普及，高度依赖 计算机平台的非线性理论、可靠度理论、块体理论等也较为广泛的应用于边坡稳 定性分析中‘1 0 。17 1 。 1 工程地质类比法 工程地质类比法【l3 】是根据所研究边坡的工程概况，从岩性、结构、自然环 境、变形主导因素和发育阶段等方面与具有类似条件的已分析、研究及治理的边 坡进行相似性的对比，从而判断边坡工程的稳定性和发展趋势。 2 平衡分析法 平衡分析法是经过长期工程实践证明的有效实用的工程方法，也是目前最简 单、最广泛的边坡稳定性分析方法之一[ t 9 , 2 0 】。但是平衡分析法只研究了滑面的受 力状况和滑面强度，并不能反应坡体内的应力状态和变形，因此也无法从数值上 得到滑坡的变形破坏机制。 3 数值分析法 数值分析法主要采用弹塑性力学理论建立本构模型，运用数值计算方法得到 岩体的应力场和位移场的变化情况。数值的分析方法从分析原理、基本思路和适 用条件等方面上看，可分为以下几种 1 有限元法 有限元法是以弹塑性力学本构方程为基础，计算岩土体在一定的荷载作用下 的应力场和变形场，以岩土体的强度破坏准则为依据，对整个边坡的稳定性作出 定量地评价。有限元法因其部分的考虑了工程实际的非均质性和不连续性，相对 的提高了计算精度，被广泛的应用于边坡工程中口1 ’2 4 】。 2 离散元法 离散元法先假设岩体是由大量裂隙分割开的块体“堆砌”而成的组合体，块 体之间靠角点之间的作用力来维持平衡，计算各“岩块”随时间而变化的加速度、 速度和位移。该方法较能较形象地模拟边坡发展演化的晚期阶段的变化破坏过程 [ 2 5 - 2 8 1 o 3 拉格朗日差分分析法 拉格朗日差分分析法是目前世界上公认的较为合理的计算方法之一。它一般 在计算中采用“显示”差分求解方法，用来模拟由岩土体在达到屈服极限后的变 形破坏行为。相较于有限元法，拉格朗日查分分析法更好的地考虑工程的不连续 性和大变形特征，具有求解速度快的特点【2 9 ，3 0 】。 4 边界元法 边界元法是一种继有限元法之后发展起来的一种新型的数值方法，它是在定 义域的边界上划分单元，以满足控制方程的函数去逼近f 3 1 1 。它具有单元个数少， 数据准备简单的优点。但在求解非线性问题时，在对应的积分区域上在奇异点附 近会出现强烈的奇异性，使求解的过程遇到困难。 5 界面元法 界面元法是一种将单元变形累积于界面之上，并针对界面建立应力应变模型 的方法，它适用于分析不连续介质、非均质、各向异性和非线问题，为复杂岩体 的计算提供了一种新型有效的方式【3 2 1 。 6 数值流形法 数值流形法是石根华【3 3 1 提出的，它是以拓扑流形和最小位能原理为基础， 应用有限覆盖技术，在分析域内物理覆盖上构造总体位移函数，将连续和非连续 力学问题统一到流形方法中。它可以解决复杂地质问题、动静问题、连续和不连 续介质耦合问题等。 。 4 非线性科学理论 非线性科学理论包括突变理论、可靠度理论、耗散结构理论、神经网络理 论、分形理论、混沌理论等非线性方法，在解决非线性性质、非平衡体系的问题 方面有一定的成效，为边坡稳定性研究提供了新理论、新思维。因此非线性科学 理论常应用于复杂的边坡工程研究上，具备广阔的应用前景。 1 ．2 ．2 边坡风险评价综述 随着全球气候异常、地质灾害频发等问题的凸显，工程地质灾害引发的环境、 安全问题引起了人们的重视。其中，边坡工程因其不确定因素引发的潜在风险正 4 日益受到关注，相关的工程风险分析和风险管理也逐渐应用于工程实际当中1 9 世纪末西方经济学领域提出风险 r i s k 这一概念，现在被广泛的应用于环境科 学、自然灾害、经济学、社会学等领域。 边坡工程的风险评价是边坡管理工作中的一项重要内容，其结果直接影响边 坡工程的成败。边坡风险评价的方法多种多样[ 3 4 - 3 8 】，1 9 9 9 年丁恩保教授就已经 就边坡风险评价方法进行过分类，根据各种方法对边坡风险的量化程度，边坡风 险评价方法可分为定性分析法、定量分析法、非确定性分析法、物理模型法和现 场监测分析法等五种；同时程东掣”“0 】认为国内的边坡稳定性评价方法可分为 安全系数评价法、阈值法、相关性评价法和试验模拟法等四种。因此，目前边坡 安全风险评价方法主要在以下五个方面。 1 人工神经网络评价法 基于人工神经网络的多指标综合评价方法是通过神经网络的自学习、自适应 能力和强容错性建立的更加接近人类思维模式的定性和定量结合的综合评价模 型。夏元友等【4 l 】用R B F 神经网络模型对边坡进行稳定性分析，并就相关影响因 素展开敏感度分析。薛新华等【4 2 】基于自组织特征映射神经网络基本学习算法， 建立了边坡稳定状态评价的S O F M 神经网络模型。毕卫华等【4 3 】选用基于R B F 神 经网络的蒙特卡罗模拟法对边坡进行稳定性评价，提高了计算的效率。 神经网络模型在岩质边坡工程的稳定性评价中具有独特的优势【4 酬，通过神 经网络模型，能够对各种定性、定量影响因素和边坡安全系数建立高度的非线性 映射模型，从而展开边坡安全性的预测和评价。 2 范例推理评价法 范例推理评价法以范例为基础，因范例的获取较为容易，故大大简化了知识 获取。刘沭宇等【4 7 】建立基于神经网络的边坡范例检索模型，通过边坡范例的神 经网络学习，实现边坡的稳定性评价。赵文等【4 3 】基于范例推理机理提出结构型 岩石边坡稳定性评价模型，对源范例边坡进行回判，回判率达8 5 ％以上，对常张 高速公路1 2 处结构型岩石边坡稳定性进行评判，结果与实际情