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滑坡地质灾害远程实时监测预报技术与工程应用

再见骆驼铃 2018-01-11 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《滑坡地质灾害远程实时监测预报技术与工程应用pdf》,可适用于自然科学领域,主题内容包含书第卷第期年月黑龙江科技学院学报JournalofHeilongjiangInstituteofScience&TechnologyVol.No.J符等。

书第卷第期年月黑龙江科技学院学报JournalofHeilongjiangInstituteofScience&TechnologyVol.No.July文章编号:-()--滑坡地质灾害远程实时监测预报技术与工程应用何满潮韩雪张斌陶志刚(.中国矿业大学(北京)北京.黑龙江科技学院建筑工程学院哈尔滨)摘要:针对传统滑坡地质灾害监测预报技术存在的问题提出ldquo滑坡发生的充分必要条件是滑动力大于滑动面抗滑力并将滑动力的变化作为滑坡监测预报主要参数rdquo的学术思想。以工程边坡为研究背景开发滑坡超前滑动力物理模拟实验、工程灾害物理模型实验等系统。采用室内和现场测试、物理和数值模拟等综合研究方法建立力学模型推导了相关公式研发恒阻大变形缆索及其滑坡地质灾害防治mdash加固mdash监测mdash预报一体化控制技术。研发基于滑动力变化的滑坡地质灾害远程监测预报新技术及装备系统通过大量实测曲线分析总结四种相应的滑坡预警模式。结果表明自年以来该项技术已在露天煤矿和金属矿开采、西气东输、高速公路等工程边坡及其他自然边坡中成功推广应用取得显著的经济和社会效益。关键词:滑坡地质灾害滑动力远程实时监测预报中图分类号:P文献标志码:ARealtimeremotemonitoringandforecastingtechnologyforlandslidedisastersbasedonslidingforcevariationanditsengineeringapplicationHEManchaoHANXueZHANGBinTAOZhigang(.ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing)BeijingChina.CollegeofCivilEngineeringHeilongjiangInstituteofScience&TechnologyHarbinChina)Abstract:Aimedattheproblemsnegativelyaffectingtraditionalmonitoringandforecastingtechnologyoflandslidegeologicaldisastersthispaperhighlightstheacademicthinkingldquothenecessaryandsufficientconditionoftheoccurrenceoflandslideisthattheslidingforceisgreaterthantheantislidingforceoftheslidingsurfaceandtheslidingforcechangesareregardedasthemainparametersoflandslidemonitoringandforecastingrdquo.Basedontheresearchbackgroundofengineeringslopethepaperintroducesmanysystemsdevelopedsuchasphysicalsimulationexperimentsoflandslideaheadofslidingforceandphysicalmodelexperimentsofengineeringdisastersfollowedbysomecomprehensiveresearchmethodsincludingindoorandfieldtestsphysicalandnumericalsimulationmethodsdescribesthedevelopmentofmechanicalmodelrelatedformulasandthelargedeformationcableofconstantresistanceanditscontroltechnologyincorporatedwithinfunctioni.e.reinforcementcontrollingandpreventionmonitoringandforecastingofthesideslopealongwithlandslideremotemonitoringandforecastingnewtechnologyanditsequipmentsystemwhichisbasedonslidingforcechangesandprovidesthecorrespondinglandslideforecastingmodelsthroughtheanalysisoflargequantitiesofmeasuredcurve.ThesuccessfuluseofthistechnologyinmanyprovincesandregionsinChinahasyieldedsomeremarkableeconomicandsocialbenefits.Keywords:landslidegeologicaldisasterslidingforcerealtimeremotemonitoringforecasting收稿日期:--第一作者简介:何满潮(-)男河南省灵宝市人教授博士生导师研究方向:软岩、边坡及工程地质Email:hanxueyahoo.cn。引言滑坡地质灾害是人类面临的主要自然灾害之一长期严重威胁着人类社会安全[]。研发更有效的滑坡地质灾害监测预报新技术对于防控滑坡灾害发生降低灾害损失具有重大的理论和实际意义。滑坡发生与否决定于滑动力和抗滑力之间的平衡状态变化。近百年来已有的滑坡监测技术主要针对位移、裂缝等物理力学指标[-]这些指标只是产生滑坡的必要条件而非充分条件这是目前滑坡监测预报不准确的主要原因。因此探索滑坡发生的充分必要条件及其可测参数是新技术研发的关键和难点问题。在众多学者长期研究和探索的基础上[-]笔者以滑坡滑动力与抗滑力相互作用规律及滑坡发生的充分必要条件等关键性问题为突破点运用灾害地质、工程地质、水文地质、岩土工程、工程力学等多学科理论建立滑坡超前滑动力物理模拟实验系统、工程灾害物理模型实验系统和软岩水理作用测试系统采用室内和现场测试、物理和数值模拟等综合研究方法结合现代通讯与计算机技术等高新技术手段进行系统研究研发基于滑动力变化的滑坡地质灾害监测预报新技术。监测力学模型及一体化控制技术学术思想的提出在滑坡发生前边坡表面一定会产生位移和裂缝但是发生位移和裂缝并不意味着一定会发生滑坡。也就是说这些现象只是滑坡发生的必要条件并不是充分条件。图为自主研发的滑坡超前滑动力物理模拟实验系统、工程灾害物理模型实验系统和软岩水理作用测试系统。通过实验研究结合现场调查分析在滑坡发生前和发生的过程中潜在滑动面上的滑动力首先发生变化边坡岩体滑动力与抗滑力之间的平衡不断被打破又不断形成新的平衡滑坡发生与否决定于滑动力和抗滑力之间的平衡状态变化。当滑动力为主要因素时即发生滑动当滑动力为次要因素时边坡便稳定。滑动力的变化先于位移、裂缝产生当监测到岩体有明显变形时边坡已经发生了一定程度的滑动破坏。因此滑坡前的滑动力变化可以作为预测滑坡的充分必要条件。基于此建立ldquo滑坡发生的充分必要条件是滑动力大于滑动面抗滑力并将滑动力的变化作为滑坡监测预报主要参数rdquo的学术思想并确立把对位移、裂缝等变化的常规监测转变为ldquo通过监测滑动力变化预测预报滑坡地质灾害rdquo的技术途径。图滑坡过程物理模型和水理测试实验Fig.Physicalexperimentalandwaterphysicalpropertiestestingoflandslideprocess监测力学模型的建立滑坡监测预报的关键就是掌握滑动力相对于抗滑力的变化动态。但是天然力学系统的力学量是不能够直接监测的。为了解决这一难点通过恒阻大变形缆索穿过滑动面对边坡岩体施加一个预应力P参与到滑坡力学系统中。通过可以直接测出的扰动力P可以推导扰动力和滑动力之间的函数关系最终得到滑动力的变化量。边坡滑动力监测力学模型见图。由力的平衡原理推导边坡滑动力为Gt=kmiddotPk()式中:Gtmdashmdashmdash滑动力kNPmdashmdashmdash扰动力kN。式()中k=cos(alphatheta)sin(alphatheta)middottan黑龙江科技学院学报第卷k=Gmiddotcosalphamiddottancmiddotl。式中:Gmdashmdashmdash滑体重力kNalphamdashmdashmdash滑动面与水平面夹角(deg)thetamdashmdashmdash监测缆索加固角(deg)珚mdashmdashmdash边坡滑动体各土层内摩擦角加权平均值(deg)cmdashmdashmdash滑动面各土层黏聚力的加权平均值kPalmdashmdashmdash滑动面长度m。图滑动力监测力学模型原理Fig.Mechanicalmodel一体化控制技术的研发针对传统锚索无法适应滑坡大变形而破断失效的问题研发了具有加固阻力恒定条件下适应滑坡大变形特性的恒阻大变形缆索见图。最大恒阻力可以达到kN保持恒阻的变形量可达mm。图恒阻大变形缆索及其力学特性Fig.Largedeformationcablewithconstantresistanceanditsmechanicalproperty图为恒阻大变形缆索能量本构关系结合恒阻大变形缆索和边坡岩体相互作用的能量平衡方程可以推导出滑动力和位移的解。即EB=EIEII=P(Uc-U)()DeltaF=kPkDeltaS=-PmiddotUc(kPk){()式中:EImdashmdashmdash恒阻大变形缆索抵抗变形能量EIImdashmdashmdash恒阻大变形缆索吸收变形能量Pmdashmdashmdash缆索设计恒阻力kNUcmdashmdashmdash缆索极限变形量mUmdashmdashmdash缆索材料变形量mDeltaSmdashmdashmdash滑体沿潜在滑面滑移距离mDeltaFmdashmdashmdash滑动力大小kN。图恒阻大变形缆索与边坡岩体作用能量变化曲线Fig.InteractionenergycurvebetweenCRLDcableandrockmass图为进行滑动力监测的滑坡地质灾害防治mdash加固mdash监测mdash预报一体化控制方法。图滑坡地质灾害一体化控制方法Fig.Controlmethodforlandslidedisaster第期何满潮等:滑坡地质灾害远程实时监测预报技术与工程应用基于北斗卫星通讯平台的监测预报装备系统整体构成及工作原理基于滑动力变化的滑坡灾害远程实时监测预报装备其硬件和软件系统主要由现场和室内两部分构成。现场部分包括数据的实时采集、存储及远程发射装备室内部分包括数据实时接收、分析及预测预报系统。该装备系统通过边坡滑动力远程实时监测不仅预报边坡的稳定性而且数据分析处理实现了网络化用户可以通过Internet访问监控中心服务器获取预报信息。远程实时监测系统工作原理见图。图工作原理Fig.Workingprinciple装备系统现场部分滑动力变化的现场感知、采集、储存和发射系统构成包括力学传感器、力学信号采集、存储和发射模块、点mdash面状信息集中采集与传输设备、北斗卫星数据发射装置和数据传输平台(图)恒阻大变形缆索、太阳能供电系统等。图现场系统关键元件Fig.Corecomponents装备系统现场设备完成边坡滑动力信息的传感、自动采集、实时无线发射到北斗卫星然后由北斗卫星通讯平台发送到监测预警中心。装备系统室内部分室内数据接收、分析和预测预报系统构成见图。包括信号接收装置、数据处理mdash分析系统、基于S技术的D监测工程图像搜索显示系统以及数据自动分析处理软件系统。室内设备接收北斗卫星数据并输入到计算机第一数据库内存储然后通过分析软件基于力学模型对第一数据库进行自动处理形成第二数据库并动态绘制监测曲线根据预警模式和预警准则给出边坡稳定状态提示信息。数据接收处理系统引入了基于S技术的D工程图像搜索系统可搜索并显示所有监测工程的D影像见图。图室内接收、处理系统Fig.Receivingsystemindoorlocation图室内D图像自动搜索界面Fig.AutomaticsearchinterfaceofDfigure基于滑动力变化的滑坡预警模式基于滑动力监测原理对大量实测曲线进行分析不断对监测曲线特征与边坡稳态关系进行研究和完善总结四种预警模式即稳定模式、潜在不稳定模式、裂缝模式和滑移模式。图a为稳定模式滑动力随着时间t的延续没有明显变化表明边坡处于稳定状态。随着时间t的延续滑动力监测曲线上升表明黑龙江科技学院学报第卷边坡处于潜在不稳定状态见图b。图c可见滑动力监测曲线产生突然上升的跳跃表明边坡表面出现裂缝根据大量实测数据可见大跳跃表示大裂缝小跳跃表示小裂缝。图d为滑移模式滑动力监测曲线出现近垂直的突降这时现场边坡出现滑移现象多次突降现象后边坡失稳发生滑坡。图预警模式Fig.Warningmodel典型应用实例目前该项技术已经在全国个地区个点进行了成功应用和推广涉及古滑坡体、高陡黄土自然边坡、城建边坡、露天煤矿开采、金属矿开采、西气东输及公路等工程边坡监测。经过近年的监测实践实现了短期和临滑预警。开挖诱发型滑坡过程及其监测预报年该技术与装备系统首先在内蒙古平庄西露天煤矿进行实施。期间对采场工作帮、非工作帮和断层滑坡区进行远程实时监控。年工作帮和断层滑坡区分别发生了一次滑坡监测系统分别提前、d成功预警过程预报见图。根据预报避免了人员伤亡和设备损失。该技术使西露天煤矿的开采服务年限延长了a。降雨诱发型滑坡过程及其监测预报年技术与装备系统在西气东输管线陕西省子长段沿线边坡实施。期间对西气东输管线DD-DD桩号间高陡黄土边坡进行远程实时监控。年月降雨诱发黄土边坡发生裂缝灾害次系统提前d成功预警监测预警曲线见图。由于边坡加固处理及时避免了严重的管线爆炸事故保证了管线的安全运营和东南沿海城市天然气正常供应。图平庄滑坡rdquo过程预报Fig.Landslidelandsliderdquoinpingzhuangopenpitmine图西气东输工程ldquo-滑塌rdquo过程预报Fig.Caseof-landslidesatW-Epipelineproject第期何满潮等:滑坡地质灾害远程实时监测预报技术与工程应用开挖和降雨联合诱发型滑坡过程及其监测预报年技术与装备系统在本溪钢铁(集团)南芬露天铁矿实施。期间对采场下盘m高陡边坡进行远程实时监控。和年开挖和降雨联合诱发采场平台、平台和平台共发生滑坡和裂缝灾害次系统均提前~d成功预警预警曲线见图。过程预报避免了滚石和滑体对人员和设备的损害实现了边坡开挖安全的可控管理使十年不能开采的千万吨矿体实现了安全回采。图南芬露天铁矿过程预报Fig.Landslidesinnanfen结束语基于将滑动力的变化作为滑坡监测预报主要参数的学术思想确立了通过监测滑动力变化预测预报滑坡地质灾害的技术途径。在一体化控制技术的研发中采用恒阻大变形缆索最大恒阻力达kN保持恒阻变形量达mm填补了国内外空白。自年项目核心技术和研究成果在现场实施。目前已在露天煤矿开采、金属矿开采、西气东输、高速公路等工程边坡和其他自然边坡中成功应用和推广收到显著经济和社会效益。该技术不仅适用于矿山、铁路、公路、水利水电等工程边坡也适用于山体等其他自然边坡的滑坡地质灾害监测预报。参考文献:[]全国灾害实录(年、月)[J].中国减灾():-.[]郑孝玉.滑坡预报研究方法综述[J].世界地质():-.[]周平根.滑坡监测的指标体系与技术方法[J].地质力学学报():-.[]仝达伟张平之.滑坡监测研究及其最新进展[J].传感器世界():-.[]DINGXLRENDMONTGOMERYB.Automaticmonitoringofslopedeformationsusinggeotechnicalinstruments[J].JournalofSurveyingEngineeringASCE.():-.[]文海家张永兴柳源.滑坡预报国内外研究动态及发展趋势[J].中国地质灾害与防治学报():-.[]张志英何昆.边坡监测方法研究[J].土工基础():-.[]殷建华丁晓利杨育文.全球定位系统和常规仪器远距离边坡监测及预报系统的应用[J].防灾减灾工程学报():-.[]YINJHDINGXLYUWENYANGetal.AnintegratedsystemforslopemonitoringandwarninginHongKong[C]ProcAdvancesinBuildingTechnology.HongKongInc:-.[]CHENYQDINGXLHUANGDF.AmultiantennaGPSsystemforlocalareadeformationmonitoring[J].EarthPlanetsandSpace.():-.[]DINGXLYINJHCHENYQ.AnewgenerationofmultiantennaGPSsystemforlandslideandstructuraldeformationmonitoring[C]ProceedingsAdvancesinBuildingTechnology.HongKongChinaInc:-.[]何满潮.滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用[J].岩石力学与工程学报():-.[]韩雪.平庄露天矿边坡稳定性远程监控系统及预测预报方法[D].北京:中国矿业大学(北京).(编辑徐岩)黑龙江科技学院学报第卷

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