边坡稳定性精细化评价方法
【专利摘要】本发明提出了边坡稳定性精细化评价方法，属于边坡工程领域，其解决了边坡稳定性评价结果的可靠性问题，同时提高了边坡稳定性评价结果的精度。该方法主要应用广义将常规极限平衡评价方法，通过数学变换转化为任何状态下的广义剩余推力方法，在此基础上，基于线性规划理论、有限元学术方法和数值分析方法，建立微小单元体系，进行边坡稳定性的精细化评价，从而提高边坡稳定性评价结果的可靠性，真实反映边坡的安全状态。
【专利说明】边坡稳定性精细化评价方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及边坡工程领域，具体涉及边坡稳定性评价技术与安全控制技术。
【背景技术】
[0002]边坡稳定性的评价结目前主要以刚体极限平衡法的计算结果为主要依据。对大型露天矿深部资源开发所形成的高边坡而言，常规计算方法不能将条块沿横竖两向都划分为微尺寸，由此，条块划分尺度大，导致计算结果精度低且结果非唯一，再加上岩体强度参数的不确定性，直接影响评价结果的可靠性，从而边影响到边坡设计的安全度与正常生产，因此，评价结果的可靠性亟待提高。
【发明内容】
[0003]本发明将稳定系数与下滑力之积视为给定安全状态条件下的下滑力，由此，任何边坡极限平衡评价方法都可以表征为下滑力和抗滑力，两者之差称为给定安全系数条件下的广义剩余推力。依掘有限元法，将边坡剖面划分为有限个微单元体，应用广义剩余推力法依次判别各个单元体滑动破坏的可能性及其安全性，然后应用线性规划理论和数值分析方法，构建边坡稳定性评价体系，从而可以同时求解边坡整体和局部的最小安全系数及其对应的最危险滑面，使计算结果唯一，由此，解决了高边坡稳定性评价结果因人而异的技术难题。当单元体划分的尺寸足够小时，评价结果无限接近现有评价理论的真值，提高了边坡稳定计算结果的可靠性和精准度。
[0004]首先，建立广义剩余推力法，AF = K^F1-F2,式中:Λ F为广义剩余推力；Κ为边坡设定的稳定系数A为抗滑力总和函数式，F2为下滑力总和函数式，且Fp F2对于不同的极限平衡计算方法，其计算函数式是不同的。
[0005]其次，基于有限元方法的学术思想，将边坡体划分为有限个微小单元体，线性规划方法和数值分析方法，解决精细化计算问题。具体某一过程计算过程如下:
[0006]依据临界滑移场原理，在某限定高度极限坡角时对应的Pmax = 0，即P = f ( Θ *)=O时，9*便为方程？ = ￡(0) = O的数值解，Θ*值即为极限坡角。计算时先划分有解的区间(9a，9b)，让其范围尽可能的大，一般0a，0b e (0,90° )，且要满足？8 = €(0) <0，Pb = f(0b) >0，由数值解的存在定理知，极限坡角Θ*必存在于(0a，0b)之间，取中点θ0= ea+9b/2将其分为均分，利用临界滑移场技术求出对应坡角Θ ^时的最大剩余推力为Ptl ;若Ptl古0，就是说Qtl不是f(0)的解，即不是极限坡角。继续搜索，检查Ptl是否与Pa同号，如果为同号，则数值解Θ*(极限坡角)必大于Qtl，这时令0al= θ0, ΘΜ = 0b;否贝lj，θ *必小于θ ^ ;这时令θ al = θ a，θ b = θ。。不论出现何种情况，数值解的值域(Θ al,Θ bl)仅为区间(Θ a，Θ b)前一半，而对缩小的数值解区间(Θ al，Θ bl)可实行相同方法，进而得到系列有数值解区间(ea, eb)〕(Θ3|, ebi) => (0a2, eb2)(θ3η, ebn)]…，其中(Θ an，Θ J 的中点为 θ η = θ3η+θ bn/2，长度为 θ an- θ bn = θ3-θ b/2n+l ;也就是说 η足够大时，最终区间必收缩于某一点9%从而求解出极限坡角。其误差按式(I)计算。[0007]I θ*-θη| ≤(0bn-0j/2 (I)
[0008]对于通常的(0，90° )范围，迭代9次后误差大约为:
[0009](90° -0)/29+1 = 90° /1024 ^ 0.089°
[0010]计算精度比较精确，若初始的角度范围划分较小且包含极限边坡角，则更能快速的收敛；若给定坡底境界线，可同时求出极坡高。从而解决了精细化评价中某一计算步骤的计算结果，采用循环方法可以解决系统计算问题。
【专利附图】
【附图说明】 [0011]图1为精细化评价单元体划分图示，b为条块跨度^1B2为滑动面入口范围区；AA为滑动面出口范围区；(i，i)为状态点编号；
[0012]图2为48°坡角时边坡危险滑动场图示，坡面的数字为剩余推力；
[0013]图3为24°坡角时边坡危险滑动场图示；
[0014]图4为39.375°坡角时边坡临界滑动场图示。
【具体实施方式】
[0015]本方法的具体实施方法，可以结合附图和实例说明如下。
[0016]厦门某金铜矿露天采场边坡较大，东帮最高标高+1036m，露天采场底标高+148m，最大高差达880m。因此，保证矿山的安全生产既是前提也是不影响周边环境的关键部分。在设计给定安全系数Fs = 1.15及坑底境界线不可变动的条件下，找到合理的极限边坡角非常困难，本专利提供的方法攻克了这一难点。
[0017]边坡精细化评价方法的详细步骤如下:
[0018]I)原设计48°边坡稳定性评价。将原设计边坡地质参数导入该方法的计算程序，利用广义剩余推力法理论(图1)求得边坡的危险滑动场如图2。由搜寻结果可知该坡角下最大剩余推力+393975kN，远大于零，边坡稳定状态不满足1.15要求，需要减缓坡角，以满足设计要求。
[0019]2)利用该方法，取坡角为24°时的危险滑移场如图3所示，无危险滑移面，说明最大剩余推力小于零，故坡角设计偏于保守。
[0020]3)根据该方法，依次对坡角进行优化，可以得到36°，42°，39 °，40.5°，39.75°，39.375°时对应的危险滑移场。当坡角为39.375°时(图4)，边坡最大生剩余推力接近零，当然可以取39.375°与39°之间的中点坡角继续迭代，直到最大剩余推力等于零为止，但由于剩余推力非常小，在这里取39°边坡作为安全系数Fs= 1.15时的临界边坡，即极限坡角为39°，由此解决了给定安全系数和工程地质条件下的边坡优化设计问题。
【权利要求】
1.边坡稳定性精细化评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: Si，建立广义剩余推力计算方法； S2，建立微小单元体系，构建精细化评价的计算过程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于: 步骤SI中，建立广义剩余推力法，ΔF = K*F1-F2，式中:Δ F为广义剩余推力；Κ为边坡设定的稳定系数A为抗滑力总和函数式，F2为下滑力总和函数式，且Fp F2对于不同的极限平衡计算方法，其计算函数式是不同的。
3.如权利要求1 所述的方法，其特征在于: 步骤S2中，基于有限元方法，将边坡体划分为有限个微小单元体，采用线性规划方法和数值分析方法，解决精细化计算问题。
【文档编号】G06F19/00GK103745131SQ201410043002
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】孙世国, 冯少杰, 宋志飞, 史家欢, 赵雪芳 申请人:北方工业大学