一种基于振动特征参数的崩塌预测方法、系统及装置与流程

本发明涉及岩体脆弱性判断领域，尤其涉及一种岩体崩塌研究中的岩体稳定性判断方法及系统。

背景技术

我国存在大量的自然或人工边坡，边坡上的危岩块体在开挖卸荷、爆破、地震、降雨、冰冻等人为因素或自然因素作用下，边坡危岩块体与基座粘结面受损，稳定性变差，导致边坡危岩块体崩塌多发，其发生具有无明显突变位移特征，其稳定性难以通过位移、应力及应变等准确快速监测预警。

目前国内外对崩塌预测的研究，主要是建立在边坡危岩块体稳定性分析上，而分析方法多集中于摩尔-库伦强度的极限平衡法、数值模拟法、模糊理论、数学模型等方法。其中极限平衡法应用的最为广泛，采用安全系数即抗滑力(抗倾覆力矩)与下滑力(倾覆力矩)比值评价危岩体稳定性。而边坡危岩块体是相对独立的单个岩石块体，其稳定性取决于结构面的粘结面积大小和粘结强度的大小，极限平衡法难以准确获得危岩体与基岩的粘结面积大小，同时边坡危岩块体在开挖卸荷、爆破、地震、降雨、冰冻等人为或自然因素作用下，其粘结面损伤导致粘结面积或粘结强度下降，容易导致监测指标失效；模糊理论虽然对边坡危岩块体稳定性评价相对较为快捷，但是难以达到真正定量评价的目的；数学模型法虽然能达到定量评价目的，但是需要详尽的边坡危岩块体勘察资料，其应用范围受到限制，同时也存在边坡危岩块体粘结面结构损伤后监测指标失效等问题，难以广泛应用于实际的工程中。

边坡危岩块体的稳定性关键取决于其主控结构面强度，主控结构面强度和边坡危岩块体和基座的粘结面积及粘结强度密切相关，边坡危岩块体在破坏前其结构面强度必然发生损伤，而边坡危岩块体的振动特征参数会随着边坡危岩块体结构面损伤而变化，边坡危岩块体的快速识别、稳定性评价、损伤识别及监测预警可通过边坡危岩块体的振动特征参数变化进行判断。因此通过监测动力特征的变化推导出边坡危岩块体主控结构面强度变化达到边坡危岩块体快速识别、损伤监测、稳定性评价及安全预警的目的，具有更强的实际意义和科学的预判性。

传统的利用组合球位置变化预测危岩体崩塌的装置，包括无线位移传感器，接收主机，接收终端，无线位移传感器与接收主机通过无线数据传输连接，其传统结构如图1所示，接收主机与接收终端通过无线或有线数据连接，无线位移传感器设于不同直径的若干球形塑料壳体内。接收主机采集的数据，通过在电脑上读取、进行处理和准确分析，图像化地给出各个球形塑料壳体的位置变化情况，建立组合球的位置变化与裂缝发育宽度扩展的时空关系，进一步预测裂缝的发育状况和危岩体的崩塌。该方式只能定性的判断危岩块体裂缝的发育情况，无法准确预测崩塌发生的可能性，对于高陡边坡上的危岩块体难以实现设备安装和投放，预测结果不可靠，对于安装人员的安全也极为不利。另外，对于监测结果不能自动分析，难以实现快速准确预警。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明即是在振动特征参数研究的基础上，对危岩块体稳定性进行分析，进而为崩塌预测提供依据。本发明具体提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于震动特征监测的危岩块体崩塌预测方法，该方法包括：

步骤1、对目标岩块进行分类，并依据岩块种类对应的类型，求出所述岩块的粘结面积；

步骤2、获取所述岩块的振动特征参数，所述振动特征参数至少包括固有振动频率，当然，还可以包括其他振动特征参数，例如阻尼比、振动粒子轨迹、最大振动速度、最大振幅等；

步骤3、基于所述振动特征参数及粘结面积，计算所述岩块的安全系数。

优选地，所述步骤3之后，还包括：

步骤4、基于所述安全系数及固有振动频率，对所述岩块的稳定性进行分析，并对所述岩块进行崩塌预测。

优选地，所述步骤1中的粘结面积基于所述岩块对应的固有振动频率求得。

优选地，所述步骤1中的所述类型为摆型危岩块体时，所述固有振动频率与所述粘结面积的关系为：

式中：fd为系统弱阻尼振动频率；m为块体质量；l为块体重心到支点o的距离；e为材料的弹性模量；a为粘结宽度；s为粘结面积；ξ为系统的阻尼比。

优选地，所述步骤1中的所述类型为弹簧质子型危岩块体时，所述固有振动频率与所述粘结面积的关系为：

式中：fd为系统弱阻尼振动频率；ξ为系统的阻尼比；m为块体质量；e为材料的弹性模量；x0为粘结厚度；s为粘结面积。

优选地，所述步骤2中的所述振动特征参数通过安装振动传感器进行获取，或者通过激光多普勒测振仪进行测量获取。

优选地，所述步骤1中的所述类型为摆型危岩块体时，若边坡危岩块体重心在倾覆点内，则安全系数为：

式中：k—安全系数；v—裂隙水压力；p—振动荷载；w—边坡危岩块体自重；flk—危岩块体抗拉强度；β—后缘裂隙倾角；hw—裂隙水深度；a—危岩块体结构面宽度；h—后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离；h0—危岩体重心到倾覆点的垂直距离；β—后缘裂隙倾角；a—危岩体重心到倾覆点的水平距离；f—无阻尼系统的固有振动频率；l—边坡危岩块体质心到粘结面质心距离；h—粘结面厚度；m—边坡危岩块体的质量；hw—裂隙水深度；e—边坡危岩块体粘结面弹性模量。

优选地，所述步骤1中的所述类型为摆型危岩块体时，若边坡危岩块体重心在倾覆点外，则安全系数为：

式中：k—安全系数；v—裂隙水压力；p—振动荷载；w—边坡危岩块体自重；flk—危岩块体抗拉强度；β—后缘裂隙倾角；hw—裂隙水深度；a—危岩块体结构面宽度；h—后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离；h0—危岩体重心到倾覆点的垂直距离；β—后缘裂隙倾角；a—危岩体重心到倾覆点的水平距离；f—无阻尼系统的固有振动频率；l—边坡危岩块体质心到粘结面质心距离；h—粘结面厚度；m—边坡危岩块体的质量；hw—裂隙水深度；e—边坡危岩块体粘结面弹性模量。

优选地，所述步骤1中的所述类型为弹簧质子型危岩块体时，则安全系数为：

式中：k—安全系数；v—裂隙水压力；p—振动荷载；w—边坡危岩块体自重；s—粘结面积；h—粘结面厚度；m—边坡危岩块体的质量；f—无阻尼系统的固有振动频率；α—滑面倾角；c—粘结面粘聚力；—粘结面的摩擦角；e—弹性模量。

优选地，所述步骤4进一步包括：基于所述安全系数及固有振动频率，获得所述岩块的稳定性定量模型；

再结合稳定性定性模型，预测所述岩块崩塌产生的可能性；

所述稳定性定性模型包括粒子轨迹、阻尼比、固有振动频率对应速度极值本别与粘结面积之间的关系模型。

另一方面，本发明还提供了一种基于震动特征监测的危岩块体崩塌预测系统，其特征在于，该系统包括：

分类模块，用于对目标岩块进行分类，并依据岩块种类对应的类型，求出所述岩块的粘结面积；

振动特征参数获取模块，用于获取所述岩块的振动特征参数，所述振动特征参数至少包括固有振动频率，还可以包括其他振动特征参数，例如阻尼比、振动粒子轨迹、最大振动速度、最大振幅等；

安全系数计算模块，用于基于所述振动特征参数及粘结面积，计算所述岩块的安全系数。

优选地，所述系统还包括：

崩塌预测模块，用于基于所述安全系数及固有振动频率，对所述岩块的稳定性进行分析，并对所述岩块进行崩塌预测。

优选地，所述粘结面积基于所述岩块对应的固有振动频率求得。

优选地，所述类型为摆型危岩块体时，所述固有振动频率与所述粘结面积的关系为：

式中：fd为系统弱阻尼振动频率；m为块体质量；l为块体重心到支点o的距离；e为材料的弹性模量；a为粘结宽度；s为粘结面积；ξ为系统的阻尼比。

优选地，所述类型为弹簧质子型危岩块体时，所述固有振动频率与所述粘结面积的关系为：

式中：fd为系统弱阻尼振动频率；ξ为系统的阻尼比；m为块体质量；e为材料的弹性模量；x0为粘结厚度；s为粘结面积。

优选地，所述振动特征参数通过安装振动传感器进行获取，或者通过激光多普勒测振仪进行测量获取。

优选地，所述类型为摆型危岩块体时，若边坡危岩块体重心在倾覆点内，则安全系数为：

式中：k—安全系数；v—裂隙水压力；p—振动荷载；w—边坡危岩块体自重；flk—危岩块体抗拉强度；β—后缘裂隙倾角；hw—裂隙水深度；a—危岩块体结构面宽度；h—后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离；h0—危岩体重心到倾覆点的垂直距离；β—后缘裂隙倾角；a—危岩体重心到倾覆点的水平距离；f—无阻尼系统的固有振动频率；l—边坡危岩块体质心到粘结面质心距离；h—粘结面厚度；m—边坡危岩块体的质量；hw—裂隙水深度；e—边坡危岩块体粘结面弹性模量。

优选地，所述类型为摆型危岩块体时，若边坡危岩块体重心在倾覆点外，则安全系数为：

式中：k—安全系数；v—裂隙水压力；p—振动荷载；w—边坡危岩块体自重；flk—危岩块体抗拉强度；β—后缘裂隙倾角；hw—裂隙水深度；a—危岩块体结构面宽度；h—后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离；h0—危岩体重心到倾覆点的垂直距离；β—后缘裂隙倾角；a—危岩体重心到倾覆点的水平距离；f—无阻尼系统的固有振动频率；l—边坡危岩块体质心到粘结面质心距离；h—粘结面厚度；m—边坡危岩块体的质量；hw—裂隙水深度；e—边坡危岩块体粘结面弹性模量。

优选地，所述类型为弹簧质子型危岩块体时，则安全系数为：

式中：k—安全系数；v—裂隙水压力；p—振动荷载；w—边坡危岩块体自重；s—粘结面积；h—粘结面厚度；m—边坡危岩块体的质量；f—无阻尼系统的固有振动频率；α—滑面倾角；c—粘结面粘聚力；—粘结面的摩擦角；e—弹性模量。

优选地，所述崩塌预测模块基于所述安全系数及固有振动频率，获得所述岩块的稳定性定量模型；

再结合稳定性定性模型，预测所述岩块崩塌产生的可能性；

所述稳定性定性模型包括粒子轨迹、阻尼比、固有振动频率对应速度极值本别与粘结面积之间的关系模型。

再一方面，本发明还提供了一种基于震动特征监测的危岩块体崩塌预测装置，所述装置包括存储器，以及与所述存储器相连的一个或多个处理器；

所述存储器中存储有可供所述处理器执行的应用指令；

所述处理器能够从所述存储器中调取所述应用指令，以执行如权利要求1至10任一所述的方法。

与现有技术相比，本发明技术方案具有如下的优点：本发明从多种振动特征角度，对危岩块体的稳定性作出定性和定量分析，提高了崩塌预测的快捷性、准确性和可靠度。同时，如果选用远程激光测振技术获取振动参数，可以避免直接接触危岩块体，保障了工作人员的人身安全。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术中组合球位置变化预测危岩体崩塌的装置；

图2为本发明实施例的摆型危岩块体结构示意图；

图3为本发明实施例的弹簧质子型危岩块体结构示意图；

图4为本发明实施例的摆型危岩块体简易求解结构图；

图5为本发明实施例的弹簧质子型危岩块体简易求解结构图；

图6为本发明实施例的弹簧质子型边坡危岩块体安全系数与固有振动频率变化关系示意图；

图7为本发明实施例的摆型边坡危岩块体安全系数与固有振动频率变化关系示意图；

图8为本发明实施例中表1中的危岩块体情况1；

图9为本发明实施例中表1中的危岩块体情况2；

图10为本发明实施例中表1中的危岩块体情况3；

图11为本发明实施例中表1中的危岩块体情况4；

图12为本发明实施例中表1中的阻尼比情况1；

图13为本发明实施例中表1中的粒子轨迹情况1；

图14为本发明实施例中表1中的危岩块体情况5；

图15为本发明实施例中表1中的危岩块体情况6；

图16为本发明实施例中表1中的粒子轨迹情况2；

图17为本发明实施例中表1中的阻尼比情况2；

图18为本发明实施例中表1中的速度极值情况1；

图19为本发明实施例中表1中的速度极值情况2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了对应的解决方法。

实施例1：

在一个具体的实施例中，本发明提供了一种基于震动特征监测的危岩块体崩塌预测系统，其特征在于，该系统包括：

分类模块，用于对目标岩块进行分类，并依据岩块种类对应的类型，求出所述岩块的粘结面积；

振动特征参数获取模块，用于获取所述岩块的振动特征参数，所述振动特征参数包括固有振动频率、阻尼比、振动粒子轨迹、最大振动速度、最大振幅等；

安全系数计算模块，用于基于所述振动特征参数及粘结面积，计算所述岩块的安全系数。

优选地，所述系统还包括：

崩塌预测模块，用于基于所述安全系数及固有振动频率，对所述岩块的稳定性进行分析，并对所述岩块进行崩塌预测。

优选地，所述粘结面积基于所述岩块对应的固有振动频率求得。

优选地，所述类型为摆型危岩块体时，所述固有振动频率与所述粘结面积的关系为：

式中：fd为系统弱阻尼振动频率；m为块体质量；l为块体重心到支点o的距离；e为材料的弹性模量；a为粘结宽度；s为粘结面积；ξ为系统的阻尼比。

优选地，所述类型为弹簧质子型危岩块体时，所述固有振动频率与所述粘结面积的关系为：

式中：fd为系统弱阻尼振动频率；ξ为系统的阻尼比；m为块体质量；e为材料的弹性模量；x0为粘结厚度；s为粘结面积。

优选地，所述振动特征参数通过安装振动传感器进行获取，或者通过激光多普勒测振仪进行测量获取。

优选地，所述类型为摆型危岩块体时，若边坡危岩块体重心在倾覆点内，则安全系数为：

式中：k-安全系数；v-裂隙水压力；p-振动荷载；w-边坡危岩块体自重；flk-危岩块体抗拉强度；β-后缘裂隙倾角；hw-裂隙水深度；a-危岩块体结构面宽度；h-后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离；h0-危岩体重心到倾覆点的垂直距离；β-后缘裂隙倾角；a-危岩体重心到倾覆点的水平距离；f-无阻尼系统的固有振动频率；l-边坡危岩块体质心到粘结面质心距离；h-粘结面厚度；m-边坡危岩块体的质量；hw-裂隙水深度；e-边坡危岩块体粘结面弹性模量。

优选地，所述类型为摆型危岩块体时，若边坡危岩块体重心在倾覆点外，则安全系数为：

式中：k—安全系数；v-裂隙水压力；p-振动荷载；w-边坡危岩块体自重；flk-危岩块体抗拉强度；β-后缘裂隙倾角；hw-裂隙水深度；a-危岩块体结构面宽度；h-后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离；h0-危岩体重心到倾覆点的垂直距离；β-后缘裂隙倾角；a-危岩体重心到倾覆点的水平距离；f-无阻尼系统的固有振动频率；l-边坡危岩块体质心到粘结面质心距离；h-粘结面厚度；m-边坡危岩块体的质量；hw-裂隙水深度；e-边坡危岩块体粘结面弹性模量。

优选地，所述类型为弹簧质子型危岩块体时，则安全系数为：

式中：k-安全系数；v-裂隙水压力；p-振动荷载；w-边坡危岩块体自重；s-粘结面积；h-粘结面厚度；m-边坡危岩块体的质量；f-无阻尼系统的固有振动频率；α—滑面倾角；c—粘结面粘聚力；—粘结面的摩擦角；e—弹性模量。

优选地，所述崩塌预测模块基于所述安全系数及固有振动频率，获得所述岩块的稳定性定量模型；

再结合稳定性定性模型，预测所述岩块崩塌产生的可能性；

所述稳定性定性模型包括粒子轨迹、阻尼比、固有振动频率对应速度极值本别与粘结面积之间的关系模型。

实施例2：

本发明首先将边坡危岩块体分为摆型和弹簧质子型两类，建立振动特征参数与块体粘结面积的定性和定量关系模型，再基于极限平衡法求得块体安全系数，从定性和定量角度判断块体的稳定性状况，继而为崩塌发生的可能性做出预测。

具体技术方案如下：

(1)对目标危岩块体进行分类，并根据对应的固有振动频率与粘结面积函数关系求出该岩块的粘结面积。

a针对摆型危岩块体

岩块绕支点发生来回转动，最终产生力矩破坏的称为摆型危岩块体，如图2所示。

摆型块体固有振动频率与粘结面积的关系为：

式中：fd为系统弱阻尼振动频率(hz)；m为块体质量(kg)；l为块体重心到支点o的距离(m)；e为材料的弹性模量(n/m²)；a为粘结宽度(m)；s为粘结面积(m²)；ξ为系统的阻尼比(无量纲)。

b针对弹簧质子型危岩块体

岩块沿着粘结层方向发生来回振动，最终产生力破坏的称为弹簧质子型危岩块体，如图3所示。

弹簧质子型块体固有振动频率与粘结面积的关系为：

式中：fd为系统弱阻尼振动频率(hz)；ξ为系统的阻尼比(无量纲)；m为块体质量(kg)；e为材料的弹性模量(n/m²)；x0为粘结厚度(m)；s为粘结面积(m²)。

(2)利用远程激光测振仪或安装无线传感器采集岩块振动特征参数

振动特征参数的获取有多种方法，常见的有利用远程激光多普勒测振仪进行测量获取，或者通过安装振动传感器进行获取。前者方便快捷，不需人工接触岩块，安全性高，但不利于实时测量；后者需要人工将传感器与岩块固定，但能够实时监测块体状况，方便及时预警。

(3)基于极限平衡法计算岩块安全系数

a针对摆型危岩块体

1)当边坡危岩块体重心在倾覆点内时

2)当边坡危岩块体重心在倾覆点外时

式(5-31)和式(5-32)中：k—安全系数(无单位)；v—裂隙水压力(kn)；p—振动荷载(kn)；w—边坡危岩块体自重(kn)；flk—危岩块体抗拉强度(kpa)，根据岩石抗拉强度乘以0.4的折减系数；β—后缘裂隙倾角(°)；hw—裂隙水深度(m)；a—危岩块体结构面宽度(m)；h—后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离(m)；h0—危岩体重心到倾覆点的垂直距离(m)；s—粘结面积(m²)；β—后缘裂隙倾角(°)；a—危岩体重心到倾覆点的水平距离(m)；f—无阻尼系统的固有振动频率(hz)；l—边坡危岩块体质心到粘结面质心距离(m)；h—粘结面厚度(m)；m—边坡危岩块体的质量(kg)；hw-裂隙水深度(m)；e-边坡危岩块体粘结面弹性模量(kpa)。m抗倾为边坡危岩块体抗倾力矩，m倾覆为边坡危岩块体倾覆力矩。

b针对弹簧质子型危岩块体

式5-33中：k-安全系数(无单位)；v-裂隙水压力(kn)；p-振动荷载(kn)；w-边坡危岩块体自重(kn)；s-粘结面积(m²)；h-粘结面厚度(m)。m-边坡危岩块体的质量(kg)；f-无阻尼系统的固有振动频率(hz)；α-滑面倾角(°)；c-粘结面粘聚力(kpa)；—粘结面的摩擦角(°)；e—弹性模量(kpa)。

(4)稳定性分析与崩塌预测

当边坡危岩块体质量、弹性模型、倾角、内摩擦角、粘聚力、裂隙水压力保持不变时，结合边坡危岩块体破坏过程得到弹簧质子型边坡危岩块体安全系数与固有振动频率变化关系示意图，如图6所示；摆型边坡危岩块体安全系数与固有振动频率变化关系示意图，如图7所示。

在得到危岩块体稳定性定量和定性评价模型后，可以继而判断危岩块体所处状况，来进一步预测崩塌产生的可能性，在进行可能性预测时，在一个具体的实施方式中，可以利用下表1中的对应情况进行预测。需要说明的是，表1仅给出了一种优选的参考方式，本领域技术人员可以在此基础上，结合本领域中的基础知识，对表1进行适当的增减或者调整，该些修改均应当视为落入本发明的保护范围之内。根据计算出来的危岩块体安全系数，定量确定危岩块体的稳定性状况，粒子轨迹、阻尼比和最大振动速度(速度极值)只是辅助上进一步进行定性的描述和判断。根据后续多次的监测结果，从定性和定量角度判断危岩块体的稳定性变化趋势，进而预测危岩块体发生破坏的可能性。

表1

此处需要说明的是，上表1中的情况1至情况6，虽然给出了典型的说明书附图对应的情形，但是，本领域技术人员应当理解的是，上述情形仅是为说明危岩的实际类型而给出的典型代表，不应当以上述列举的危岩的具体形状，作为理解本发明的技术方案保护范围的依据，也即，其具体形状上是可以有变动或不同的，相似的情形应当均视为属于同一种情况类别。其他例如阻尼比情况、例子轨迹情况等，均应做与上述相似的理解。上述的微调或者适当改变，均应当视为落入本发明的保护范围之内。

实施例3

再一方面，本发明还提供了一种基于震动特征监测的危岩块体崩塌预测装置，所述装置包括存储器，以及与所述存储器相连的一个或多个处理器；

所述存储器中存储有可供所述处理器执行的应用指令；

所述处理器能够从所述存储器中调取所述应用指令，以执行如实施例2述的方法，或者包含如实施例1所述的系统。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。