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基于因素空间的露天采坑边坡稳定性评价

易富 孟兴涛 赵文华 杜常博

易富, 孟兴涛, 赵文华, 杜常博. 基于因素空间的露天采坑边坡稳定性评价[J]. 地质科技通报, 2023, 42(5): 1-9. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210773
引用本文: 易富, 孟兴涛, 赵文华, 杜常博. 基于因素空间的露天采坑边坡稳定性评价[J]. 地质科技通报, 2023, 42(5): 1-9. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210773
Yi Fu, Meng Xingtao, Zhao Wenhua, Du Changbo. Evaluation of slope stability of open pit based on factor space[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(5): 1-9. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210773
Citation: Yi Fu, Meng Xingtao, Zhao Wenhua, Du Changbo. Evaluation of slope stability of open pit based on factor space[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(5): 1-9. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210773

基于因素空间的露天采坑边坡稳定性评价

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20210773
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51774163

鞍钢科研基金项目 2019-科A02

辽宁工程技术大学首批“双一流”学科建设创新团队项目 LNTU20TD-26

详细信息
    作者简介:

    易富(1978-), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事环境岩土与道路工程方面的研究。E-mail: yifu9716@163.com

    通讯作者:

    孟兴涛(1998-), 男, 现正攻读岩土工程专业硕士学位, 主要从事露天矿边坡稳定性研究。E-mail: a397252273@163.com

  • 中图分类号: TD854+.6

Evaluation of slope stability of open pit based on factor space

  • 摘要:

    影响露天采坑边坡稳定性因素具有复杂性和模糊性, 采用数学及力学的分析方法较难有效评价其稳定性。根据露天采坑的实际工程特点, 在现场勘查和研究的基础上, 确定了包括地形地貌、地质构造、岩体性质、赋存环境4个一级评价指标, 17个二级评价指标, 建立了基于因素空间的露天采坑边坡稳定性评价模型。首先利用层次分析法和熵权法计算主客观权重, 赋予露天采坑边坡稳定性影响因素的组合权重。进而利用未确知测度理论构造测度函数, 计算评价边坡稳定性的单因素测度矩阵, 通过因素合成完成因素空间的降维, 生成合因素测度向量。最后采用置信度识别准则实现对露天采坑边坡的稳定性评价, 并以辽宁齐大山露天铁矿东帮典型边坡剖面为例, 将因素空间评价结果与极限平衡法和有限差分法计算结果进行对比分析, 对所建边坡评价模型的可靠性进行验证。结果表明: 因素空间模型评价结果与现场情况基本吻合, 且与极限平衡法、有限差分法计算结果相一致, 验证了所建因素空间评价模型的准确性与科学性; 综合分析了因素空间评价结果和其他方法计算结果, 给出了4个边坡剖面的防护及治理建议。因素评价模型简化了边坡稳定性评价过程, 提高了模型评价结果的精度, 可为同类型地质条件露天采坑边坡稳定性评价工作提供一定借鉴。

     

  • 图 1  特征值为具体数值对应的测度函数

    Figure 1.  Measurement function corresponding to the specific value of the eigenvalue

    图 2  属性识别规则图

    Figure 2.  Attribute identification rule diagram

    图 3  特征值为区间数对应的测度函数

    Figure 3.  Measure function corresponding to the interval number of eigenvalues

    图 4  模型求解流程

    Figure 4.  Model solution process

    图 5  剖面位置图

    Figure 5.  Sectional position diagram

    图 6  典型边坡地质剖面图

    Figure 6.  Geological profile of a typical slope

    图 7  剪切应变增量云图及安全系数

    Figure 7.  Contour diagram of shear strain increment and safety factor

    图 8  极限平衡法计算结果

    Figure 8.  Calculated result obtained from limit equilibrium method

    表  1  露天采坑边坡稳定性分级评价体系

    Table  1.   Graded evaluation system for slope stability of open pit

    条件因素(▲为定性因素) 评价指标分级标准
    一级指标 二级指标 稳定M1 较稳定M2 基本稳定M3 欠稳定M4 不稳定M5
    C1
    地形地貌
    d1边坡高度/m < 100 [100, 200) [200, 300) [300, 400] >400
    d2坡角/(°) < 20 [20, 30) [30, 45) [45, 60] >60
    C2
    地质构造
    d3地质构造 95 85 70 60 40
    d4结构面结合程度 95 85 70 60 40
    d5结构类型 95 85 70 60 40
    d6结构面走向和边坡坡面走向夹角/(°) [90, 75) [75, 60) [60, 45) [45, 30) [30, 0]
    d7软弱夹层性质 95 85 70 60 40
    C3
    岩体性质
    d8岩体强度/MPa [200, 150) [150, 120) [120, 90) [90, 40) [40, 10]
    d9岩体质量指标RQD/% [100, 90) [90, 75) [75, 50) [50, 25) [25, 0]
    d10内摩擦角/(°) >45 [45, 40) [40, 35) [35, 30] < 30
    d11黏聚力/kPa >300 [300, 200) [200, 150) [150, 100] < 100
    d12风化程度 95 85 70 60 40
    C4
    赋存环境
    d13年降雨量/mm < 400 [400, 600) [600, 800) [800, 1 000] >1 000
    d14工程扰动 95 85 70 60 40
    d15开挖方式 95 85 70 60 40
    d16地下水 95 85 70 60 40
    d17地震烈度 < 3 [3, 5) [5, 7) [7, 8] >8
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    表  2  定性因素属性量化规则

    Table  2.   Qualitative factor attribute quantification rules

    边坡稳定性属性 稳定M1 较稳定M2 基本稳定M3 欠稳定M4 不稳定M5
    量化评价特征值 95 85 70 60 40
    d3地质构造 运动微弱、几乎无断裂 运动较弱、只有少量小型断裂 运动不强烈、只有小型断裂 运动强烈、大型断裂带,断裂较密集 运动强烈、巨大断裂带,断裂密集
    d4结构面结合程度 无充填物 表面粗糙,钙质或铁质胶结 岩屑充填 表面平直光滑、无胶结 强分化的小型断层破碎带
    d5结构类型 整体结构 整体块状 层状 破碎状 散体状
    d7软弱夹层性质 无夹层 软岩、岩块 岩屑 岩屑夹泥 泥夹岩屑或泥质
    d12风化程度 未风化 微风化 中风化 强风化 全风化
    d14工程扰动 无扰动 微扰动 弱扰动 较强扰动 强扰动
    d15开挖方式 自然边坡 预裂爆破 光面爆破 一般或机械开挖 欠缺爆破
    d16地下水 完全干燥 湿 淋水 涌水
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    表  3  典型边坡剖面在因素空间的映射向量

    Table  3.   Mapping vectors of typical slope profiles in factor space

    边坡剖面 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 d11 d12 d13 d14 d15 d16 d17
    P1 150 36 68.8 64.2 67.4 35 67.7 78.5 58.6 32.5 748 88.6 715 72.5 90.2 73.7 5
    P2 185 34 88.7 84.3 64.6 68 90.2 85.6 83.3 42.1 422 82.3 715 75.3 89.1 84.3 5
    P3 265 49 76.5 84.2 81.3 58 65.6 72.2 71.8 31.4 162 78.5 715 66.7 82.6 82.4 5
    P4 290 41 82.3 80.6 84.0 51 85.6 85.9 75.0 38.0 556 76.3 715 73.2 79.2 75.0 5
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    表  4  剖面Ⅰ条件因素集的组合权重

    Table  4.   Combined weights of conditional factor sets of Section Ⅰ

    d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 d11 d12 d13 d14 d15 d16 d17
    W 0.042 0.080 0.073 0.031 0.061 0.053 0.173 0.075 0.172 0.033 0.080 0.062 0.023 0.078 0.094 0.081 0.046
    W 0.057 0.080 0.049 0.046 0.092 0.069 0.099 0.157 0.034 0.094 0.104 0.080 0.043 0.085 0.080 0.046 0.041
    W 0.050 0.080 0.060 0.039 0.077 0.061 0.134 0.118 0.099 0.065 0.093 0.072 0.034 0.082 0.087 0.062 0.043
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    表  5  岩体物理力学参数表

    Table  5.   Physical and mechanical parameters of the rock mass

    岩性 容重/(kN·m-3) 内聚力/kPa 内摩擦角/(°) 弹性模量/MPa 剪切模量/MPa
    含铁石英岩 26.57 1 053.76 40.00 6 375 2 510
    混合岩 25.29 748.64 32.40 5 462 2 134
    绿泥片岩 27.32 304.31 30.93 2 465 1 809
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    表  6  边坡稳定性评价结果

    Table  6.   Slope stability evaluation results

    边坡剖面 边坡稳定性 本文模型概念提取 结果 稳定性系数
    m1 m2 m3 m4 m5 极限平衡法 有限差分法
    P1 0.164 16 0.188 78 0.542 61 0.346 29 0.014 16 m11+m12+m13=0.895 55>0.7 基本稳定 1.223 1.214
    P2 0.454 99 0.280 93 0.184 12 0.102 36 0.033 15 m21+m22=0.744 29>0.7 稳定 1.535 1.531
    P3 0.052 83 0.151 96 0.279 82 0.266 34 0.253 58 m31+m32+m33+m34=0.750 95>0.7 不稳定 0.993 0.966
    P4 0.096 66 0.440 55 0.439 11 0.231 24 0.031 86 m41+m42+m43=0.976 32>0.7 基本稳定 1.187 1.174
    注:mik为在条件因素作用下,研究对象被评价为mk时的测度
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-09
  • 录用日期:  2022-03-16
  • 修回日期:  2022-03-02

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