CN113902351A - 一种基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，包括以下步骤：尾矿库坝坡现场的地质勘察，即根据现场地质勘查确定尾矿坝范围，并通过岩土试验确定尾矿库初期坝坝体、尾矿堆积体及坝基岩土层土体物理力学参数；尾矿库坝坡浸润线实时监测；尾矿库坝坡抗滑稳定系数计算；尾矿库坝破的实时预警，本发明通过通过尾矿坝地质勘查，采用尾矿库初期坝坝体、尾矿堆积体及坝基岩土层土体物理力学参数结合实时坝体浸润线监测数据，基于瑞典条分法理论和滑坡稳定性分析方法理论，进一步计算出的尾矿库坝坡抗滑稳定系数直接指标来实现对尾矿库的预报预警。
Description
技术领域
本发明涉及尾矿库的技术领域，尤其涉及一种基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法。
背景技术
尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事则容易造成重特大事故。
无论是从保护生态环境还是保障公众生命财产安全的角度来讲，对尾矿库稳定化进程进行研究和分析都具有十分重要的意义。然而，目前尾矿库坝坡抗滑稳定性分析仅考虑尾矿坝的力学稳定性，仅以坝体力学稳定性指标作为尾矿库安全评价指标，已不能满足尾矿库生态环境保护和可持续发展的需要。
传统的尾矿库安全监测多由人工定期用传统仪器到现场进行测量，监测工作量大，过度消耗了人力物力，且受天气、人工、现场条件等许多因素影响，存在一定的***误差和人工误差，同时人工监测还存在着不能实时监测尾矿库运行的各项技术参数，普遍存在监测方法监测精度不高的问题。针对上述问题和尾矿库的环境现状，本研究基于瑞典条分法提出了一种尾矿库坝坡抗滑稳定性分析及预测方法，对尾矿库的治理有着积极的意义和影响。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其目的为了解决尾矿库安全监测工作量大，存在一定的***误差和人工误差、监测方法监测精度不高的问题。
为了解决上述问题，本发明提出了如下技术方案：一种基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：根据现场地质勘查确定尾矿坝范围，并通过岩土试验确定尾矿库初期坝坝体、尾矿堆积体及坝基岩土层土体物理力学参数,并制定相应尾矿坝监测方案；
步骤二：开展实时监测站点建设及传感器埋设安装，并实现实时监测，数据传输和存储到控制中心；
步骤三：建立基于瑞典条分法计算模型，对尾矿库坝坡抗滑稳定性系数进行计算，展示和存储；
步骤四：控制中心根据计算结果，对比土坡预警分级指标，对尾矿库坝坡开展监测预警。
作为本发明所述基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法的一种优选方案，其中：所述步骤二具体如下：
a、根据尾矿库坝坡现场勘查确定尾矿坝监测范围，开展坝体浸润线监测点布置，传感器的埋设安装；
b、进一步开展尾矿坝坝体浸润线实时监测，通过4G/5G无线传输，将监测数据实时传输并存储到控制中心。
作为本发明所述基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法的一种优选方案，其中：所述步骤三涉及的瑞典条分法，含有如下假设：假设滑动面为圆弧面，将滑动体分为若干个竖向土条，并忽略各土条之间的相互作用力；按照这一假设，任意土条只受自重力FWi、滑动面上的剪切力FTi和法向力FNi，对尾矿库坝坡抗滑最小安全系数进行实时求解。
作为本发明所述基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法的一种优选方案，其中：所述实时求解方法如下：
根据土力学理论中计算滑动面合力：
Ni＝Wicosai；
根据圆弧面上的极限平衡条件可得：
滑动面上产生的抗滑力矩为：
由力矩平衡，可最终得到：
式中，αi为第i个条块底部坡角；Wi为条块i本身自重与上部荷载之和；Ni为条i块底部的总法向反力；Ti为条块i在底部总的切向阻力；Fs为滑动圆弧的安全系数；ci为条块i的黏聚力；li为条块i底部长度；φi为条块i的内摩擦角；R为滑动面的圆弧半径。
作为本发明所述基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法的一种优选方案，其中：所述步骤三中涉及的瑞典条分法，暂时不考虑外力作用。
作为本发明所述基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法的一种优选方案，其中：所述步骤四中滑坡预警预报指标是根据规范规定的滑坡稳定性状态划分，具体为：根据规范规定将滑坡稳定性分为稳定状态(1:15＜Fs)，基本稳定状态(1:05＜Fs＜1:15)，欠稳定状态(1＜Fs＜1:05)，不稳定状态(Fs＜1)四个级别，预警指标相应采用不预警、黄色预警、橙色预警和红色预警四级划分。
作为本发明所述基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法的一种优选方案，其中：所述步骤四中，控制中心在计算完成最小安全系数后，将同时与滑坡预警预报指标进行对比，从而判断该滑坡此刻的状态，并将该滑坡状态输出至结果中。
作为本发明所述基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法的一种优选方案，其中：所述步骤一过程中的主要物理力学参数包括：土体有效内摩擦角φ,土体有效粘聚力c,土体天然重度γ。
本发明的有益效果：
1、本发明通过尾矿坝地质勘查，采用尾矿库初期坝坝体、尾矿堆积体及坝基岩土层土体物理力学参数结合实时坝体浸润线监测数据，基于瑞典条分法理论和滑坡稳定性分析方法理论，进一步计算出的尾矿库坝坡抗滑稳定系数直接指标来实现对尾矿库的预报预警；
2、本发明与现行采用土体力学参数的预警模式相比，本发明直接结合实时坝体浸润线监测数据，实时计算尾矿库坝坡抗滑稳定性，并规范提出的滑坡稳定性评价指标确定预警级别；
3、本发明提出的方法具有理论性和科学性，计算结果客观，程序简单实用，指标简单，适用性，且易于更改。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。。
实施例1
参照图1，本发明提出了一种基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，包括以下步骤：
步骤一：根据现场地质勘查确定尾矿坝范围，并通过岩土试验确定尾矿库初期坝坝体、尾矿堆积体及坝基岩土层物理力学参数：其中需要说明的是，主要物理力学参数包括：土体有效内摩擦角φ,土体有效粘聚力c,土体天然重度γ；同时，选定尾矿库坝坡孔隙水压力计位置，并根据实地勘查成果编制监测方案。
步骤二：根据尾矿库坝坡现场勘查确定尾矿库监测范围，开展坝体浸润线实时监测，将监测数据实时传输并存储到控制中心；基于《尾矿库在线安全监测***工程技术规范GB51108-2015》，浸润线监测横剖面宜与表面位移监测横剖面相结合，横剖面不宜少于3个，每个横剖面的监测孔不宜少于3个，且同一监测孔内的测点不宜少于2个。
基于《尾矿设施设计规范》(GB 50863)，本发明涉及尾矿库坝坡浸润线实时监测的传感器埋置深度见表1。
表1尾矿坝浸润线最小埋深(m)
步骤三：本发明建立基于不同时刻尾矿坝浸润线数据的稳定系数计算模型。控制中心通过实时传回的尾矿坝浸润线实时监测数据，以步骤二中的方法为基础，结合公式1～5计算确定不同时刻(t)的尾矿库坝坡抗滑稳定系数，并进行展示和存储。
下面对本发明提出的尾矿库安全系数求解过程进行介绍：
基于规范，在坝体横剖面图中，压强为0的线即为尾矿坝的浸润线；根据孔隙水压力计获得的压强信息，通过公式1反算得到h，而孔隙水压力计埋设高程与h之和即为压强平衡点，横剖面中多个孔隙水压力计得到的压强平衡点依次相连就组成了该剖面的浸润线；基于规范，浸润线下方的土体有效重度应为饱和重度-水重度(水重度＝10kN/m3)。
p＝ρgh； 公式1
式中：P为压强、ρ为密度、g为重力加速度、h为液面到该点深度。
根据土力学理论，通过瑞典条分法，将滑动体分为若干个竖向土条，并忽略土条之间的相互作用力；按照这一假设，任意土条只受自重力FWi、滑动面上的剪切力FTi和法向力FNi，因此，对于滑动体中任意土条，来计算滑动面合力：
Ni＝Wicosai； 公式2
式中：αi为第i个条块底部坡角；Wi为条块i本身自重与上部荷载之和；Ni为条i块底部的总法向反力。
根据公式2得到的滑动面合力，通过滑动圆弧面上的极限平衡条件计算滑动面底部总切向阻力：
式中：Ni为条i块底部的总法向反力；Ti为条块i在底部总的切向阻力；Fs为滑动圆弧的安全系数；ci为条块i的黏聚力；li为条块i底部长度；φi为条块i的内摩擦角。
通过公式2得到的滑动面合力以及公式3得到的底部总切向阻力，计算滑动面上产生的抗滑力矩：
式中：Ni为条i块底部的总法向反力；Ti为条块i在底部总的切向阻力；Fs为滑动圆弧的安全系数；ci为条块i的黏聚力；li为条块i底部长度；φi为条块i的内摩擦角；R为滑动面的圆弧半径。
由力矩平衡，可最终得到滑动面的稳定性安全系数：
式中：αi为第i个条块底部坡角；Wi为条块i本身自重与上部荷载之和；Ni为条i块底部的总法向反力；Ti为条块i在底部总的切向阻力；Fs为滑动圆弧的安全系数；ci为条块i的黏聚力；li为条块i底部长度；φi为条块i的内摩擦角；R为滑动面的圆弧半径。
步骤四：控制中心根据计算的尾矿库坝坡抗滑稳定系数，对比滑坡预警分级指标(表2)，决定是否发出相应等级的预警，并发布预警结果。
根据《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T0218-2006)规定的滑坡稳定性状态划分标准，将滑坡预警预报指标分为4级,见表2。
表2滑坡预警分级指标
本发明的技术思想在于：以尾矿库坝坡的形成过程和力学机理作为理论基础，将不同时刻尾矿库坝坡的浸润线监测数据与尾矿库的稳定性Fs建立联系，并用运用瑞典条分法来确定尾矿库坝坡抗滑最小安全系数，从而判定尾矿库的稳定状态。
依照该技术思想，本尾矿库预警方法的基本技术原理在于：在步骤一中根据地质勘查确定尾矿库的监测区和尾矿库初期坝坝体、尾矿堆积体及坝基岩土层的物理力学参数等基础数据。在此基础上，在步骤三中利用步骤一和步骤二获得的基础数据和本发明涉及的瑞典条分法，根据尾矿库坝坡浸润线实时监测数据对尾矿库的稳定性进行计算。步骤四根据规范规定的预警分级指标，通过对比计算值是否达到预警值，实现对预警区内尾矿库的稳定性做出判断与评估，由此实现尾矿库坝坡稳定性预报预警。采用此方法对尾矿库坝坡进行预报预警，通过尾矿库坝坡浸润线实时监测数据计算尾矿库坝坡稳定性来判定尾矿库坝坡是否接近或达到失稳破坏，因此具备更高的可靠性。
本发明提出的上述预警方法主要适用于单层土尾矿库的预报预警，利用Python编程，程序伪代码如下：
以上公开的本发明伪代码只是用于帮助阐述本发明。伪代码并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并描述该伪代码，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：根据现场地质勘查确定尾矿坝范围，并通过岩土试验确定尾矿库初期坝坝体、尾矿堆积体及坝基岩土层土体物理力学参数,并制定相应尾矿坝监测方案；
步骤二：开展实时监测站点建设及传感器埋设安装，并实现实时监测，数据传输和存储到控制中心；
步骤三：建立基于瑞典条分法计算模型，对尾矿库坝坡抗滑稳定性系数进行计算，展示和存储；
步骤四：控制中心根据计算结果，对比土坡预警分级指标，对尾矿库坝坡开展监测预警。
2.根据权利要求1所述的基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤二具体如下：
a、根据尾矿库坝坡现场勘查确定尾矿坝监测范围，开展坝体浸润线监测点布置，传感器的埋设安装；
b、进一步开展尾矿坝坝体浸润线实时监测，通过4G/5G无线传输，将监测数据实时传输并存储到控制中心。
3.根据权利要求1或2所述的基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤三涉及的瑞典条分法，含有如下假设：假设滑动面为圆弧面，将滑动体分为若干个竖向土条，并忽略各土条之间的相互作用力；按照这一假设，任意土条只受自重力FWi、滑动面上的剪切力FTi和法向力FNi，对尾矿库坝坡抗滑最小安全系数进行实时求解。
4.根据权利要求3所述的基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：所述实时求解方法如下：
根据土力学理论中计算滑动面合力：
Ni＝Wicosai；
根据圆弧面上的极限平衡条件可得：
滑动面上产生的抗滑力矩为：
由力矩平衡，可最终得到：
式中，αi为第i个条块底部坡角；Wi为条块i本身自重与上部荷载之和；Ni为条i块底部的总法向反力；Ti为条块i在底部总的切向阻力；Fs为滑动圆弧的安全系数；ci为条块i的黏聚力；li为条块i底部长度；φi为条块i的内摩擦角；R为滑动面的圆弧半径。
5.根据权利要求1、2、4任一所述的基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤三中涉及的瑞典条分法，暂时不考虑外力作用。
6.根据权利要求5所述的基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤四中滑坡预警预报指标是根据规范规定的滑坡稳定性状态划分，具体为：根据规范规定将滑坡稳定性分为稳定状态(1:15＜Fs)，基本稳定状态(1:05＜Fs＜1:15)，欠稳定状态(1＜Fs＜1:05)，不稳定状态(Fs＜1)四个级别，预警指标相应采用不预警、黄色预警、橙色预警和红色预警四级划分。
7.根据权利要求6所述的基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤四中，控制中心在计算完成最小安全系数后，将同时与滑坡预警预报指标进行对比，从而判断该滑坡此刻的状态，并将该滑坡状态输出至结果中。
8.根据权利要求1、2、4、6、7任一项所述的基于瑞典条分法的尾矿库坝坡抗滑稳定性分析方法，其特征在于：所述步骤一过程中的主要物理力学参数包括：土体有效内摩擦角φ,土体有效粘聚力c,土体天然重度γ。
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2021
- 2021-11-23 CN CN202111396473.4A patent/CN113902351A/zh active Pending
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