大型危岩体崩塌灾害早期监测预警技术研究综述

作为中国常见的一种地质灾害,大型危岩崩塌成因复杂、分布范围广、隐蔽性和突发性强、危害性大,其早期预警一直难以实现。通过总结岩体崩塌灾害失稳机理与预警模型可知,开展岩桥结构面损伤识别及静力学-动力学-环境量参量(SDEI)的综合性监测技术研究是实现大型危岩体崩塌灾害早期监测预警的关键所在,而基于分离破坏前兆识别的早期预警机制研究是提高崩塌灾害预警时效性的有效手段之一。随着微机电系统与云边融合技术的发展,在未来有望形成一套稳定性动态评价、失稳工况预测与失稳时间预测模型实时联动的多元预警新范式。与此同时,还需通过不断丰富大型危岩崩塌等脆性破坏灾害预警技术体系,实现危岩体预警等级、稳定性状态、失稳工况、失稳时间的实时分析,进而有效解决大型危岩体崩塌灾害科学精准防控与智慧化应急决策的双重难题。最后,针对目前崩塌灾害早期监测预警研究中存在的技术瓶颈问题,提出具体的发展策略与应对措施,以期为中国地质灾害高风险区更好地应对大型危岩体崩塌灾害提供一些参考。

崩塌危岩体减震消能复合加固结构抗震性能试验研究

地震区工程建设中崩塌危岩体的加固方式目前主要是锚固和支挡两类结构形式。加固结构与危岩体的连结都采用刚性连结,结构与危岩体之间几乎无变形能力,因此抗震性能较差。在地震作用下,特别是强震作用下极易破坏失效,造成崩塌灾害,在我国西南地震区工程中大量存在此类破坏现象。为解决目前加固结构存在的问题,设计了一种允许地震作用下危岩体能够有限度的变位、可以缓冲危岩体的地震冲击力、具有减震消能功能的崩塌危岩体复合加固结构,结构由锚杆(索)、减震锚头(一级消能)、连梁、支撑桩以及设于连梁与支撑桩之间的作为二级减震消能装置所组成。为验证复合加固结构的功效,除理论分析外,利用振动台进行与同等条件普通锚杆加固结构的物理模型对比试验。试验选用具有地区代表性的不同波形、幅值与频率的地震波作为输入波形。理论分析与试验结果表明:复合加固结构相较于无防护措施的同样崩塌体理论分析,其位移增长速度显著降低,累积位移幅度显著减小;相较于传统锚杆加固结构,所承受的拉力和压力显著减小;峰值加速度放大系数明显降低。证明复合加固结构利用自身的弹塑性变形以及阻尼力,有效抵御由于地震作用在危岩体上产生的动应力,有效转移了危岩体的冲击动能,减震消能作用明显,避免加固结构损坏,从而阻止崩塌灾害的发生,证明复合加固结构能够分层次地削弥小震、中震、大震时产生的地震能峰值。减震消能复合结构为地震区崩塌危岩体的加固提供了一种新的加固方案,对于提升地震区工程中崩塌危岩体的加固技术具有较大的现实意义。

高陡边坡危岩体运动学参数与防治措施研究

进行危岩体崩塌灾害防治时,对危岩体进行精准辨识并有效还原危岩体滚落时的真实情况是重难点。以昆明市山邑村危岩体为例,采用现场调查、无人机三维倾斜摄影测量技术及三维激光扫描技术,对高陡边坡危岩体进行数据提取,采用RAMMS ROCKFALL软件模拟危岩体滚落时的运动情况,获取危岩体滚落过程中的运动路径及运动学参数。研究结果表明,通过现场调查、无人机三维倾斜摄影测量技术及三维激光扫描技术等先进手段相结合的方法,可对危岩体进行较准确、全面的辨识与分析;可利用RAMMS ROCKFALL软件进行模拟分析,以较真实地反映危岩体滚落时的运动情况,获取落石运动路径、速度、对下方建筑物的冲击等运动学参数,可为防治工程构件布置和设计计算提供参考。

基于固有频率的错断式坠落危岩体稳定系数计算模型

错断式坠落危岩体的安全稳定程度受后缘裂缝深度控制,基于静力学的稳定系数计算可得到后缘裂隙深度临界值,但静力学计算方法无法得到裂隙深度的实时变化。基于修正Timoshenko梁建立岩梁动力学方程,结合动力基础半空间理论对岩梁的约束刚度及边界条件做深入分析,得到不同裂缝深度条件下危岩体固有频率理论解析。基于数值计算验证固有频率算法的正确性,并得出结论:随裂隙深度增大,固有频率不断降低,固有频率对危岩体后缘裂隙深度变化较为敏感,根据危岩体的固有频率值可反算危岩体后缘裂隙深度。基于固有频率与危岩体后缘裂隙深度之间的关系建立错断式坠落危岩体稳定系数计算模型,并采用室内试验进行验证,得出结论:危岩体固有频率与其后缘裂隙深度近似为负线性相关。基于固有频率的错断式坠落危岩体稳定系数计算模型可为危岩体自动化监测提供有益借鉴。

基于常时微动的单结构面危岩体损伤识别实验

危岩体的动力学参数能够表征危岩体与基岩之间结构面的损伤,实际工程中人工激励危岩体较为困难,因此,如何根据场地常时微动特征识别危岩体动力学参数仍是亟需解决的问题.本文将常时微动激励下的危岩体振动问题归为欠阻尼条件单自由度结构受迫振动问题,将危岩体频谱幅值与基岩频谱幅值之比作为相对幅值谱,通过相对幅值K>1的最大峰值点对应的频率得到危岩体的一阶固有频率.以宏观裂缝控制型危岩体(悬臂式和错断式危岩体)及微观裂隙控制型危岩体(滑移式危岩体)为研究对象,通过模型实验验证了常时微动条件下测量危岩体一阶固有频率的可行性,通过切割裂缝模拟悬臂式危岩体和错断式危岩体结构面损伤弱化,发现随着损伤程度加剧,一阶固有频率呈明显下降趋势;通过水溶胶冻结融化模拟滑移式危岩体结构面损伤弱化,随着损伤程度加剧,其一阶固有频率无明显变化,高频段的重心频率发生明显变化.实验结果表明对于宏观裂缝控制型危岩体结构面损伤可通过危岩体的一阶固有频率进行识别,对于微观裂隙控制型危岩体结构面损伤可通过危岩体高频段的重心频率变化进行识别,将两者综合起来对危岩体结构面损伤进行识别将更加有效.

张家界天门洞危岩体监测方法建议

本文以张家界天门洞危岩体崩塌为例,针对危岩体崩塌监测与预警的国际难题,从天门洞危岩体形成崩塌的特点出发,在分析研究了天门洞高位、特高位危岩体的发育特征的基础上,提出天门洞危岩体崩塌监测可采用声发射技术的监测方法,确保景区游客和工作人员的安全。

倾倒型危岩体空间振动特征及损伤识别

目前,基于动力学指标反映危岩体损伤的研究多集中于分析危岩体单方向振动特征,当无法判断结构面演化方向或演化方向为多方向时,难以准确识别危岩体损伤。为探究危岩体损伤演化过程的空间3维振动特征,得到可反映危岩体空间3维损伤演化过程的高敏感性指标,本文将危岩体视为3维实体,通过数值模拟分析了倾倒型危岩体振型特征,并基于弹簧-质子摆振模型推导了危岩体水平向摆振和竖向摆振的振幅和固有频率的计算公式。结果表明:危岩体不同振型对其损伤的敏感性与结构面演化方向有关。单向动力学指标敏感性由该方向主振型决定,因此指标敏感性受结构面演化方向控制。监测方向与结构面法向或结构面演化方向一致时,指标敏感性最高;监测方向为结构面演化方向垂向时,动力学指标敏感性最差。将粒子轨迹应用于危岩体损伤识别,以3维向量表示危岩体振动过程中的空间位置,定义了粒子轨迹时域动力学指标算法。通过设计崩塌相似模型试验,人工切割加深后缘裂隙模拟危岩体结构面损伤演化过程,分析了危岩体演化过程中单向时频动力学指标和粒子轨迹时域动力学指标的变化规律;试验发现:与结构面损伤演化有强相关性的单向动力学指标(振幅标准差、峭度、主频)对危岩体损伤敏感性具有方向差异,各指标不同方向敏感性最高相差2.50~23.79倍;粒子轨迹动力学指标对危岩体结构面不同方向演化时的损伤均具有较高敏感性。

基于无人机摄影测量技术的高陡边坡危岩体特征构建与分析

在高陡边坡的危岩体调查中,受限于调查人员可到达的范围,难以获取危岩体的特征参数,从而影响危岩体的稳定性判别。无人机摄影测量技术能够安全、快速、全面、精准的获取危岩体的特征信息。本文以鸡冠岭崩塌隐患为例,利用无人机摄影测量技术获取坡面高精度影像,通过提取点云数据构建三维模型,基于最小二乘法完成平面拟合获取危岩体的体积及结构面产状信息,并结合实际测量数据,采用赤平极射投影法和极限平衡法定性和定量评价危岩体的稳定性。经过分析计算,鸡冠岭崩塌四处主要危岩体的体积分别为102.86 m^(3)、355.27 m^(3)、236.60 m^(3)和454.91 m^(3),根据定性分析和定量计算,危岩体均为欠稳定状态。通过本文的实践,体现了无人机摄影测量技术在识别高位隐蔽危岩体方面的优势,对于发展基于无人机摄影测量技术定量判定危岩体的稳定性方面具有借鉴意义。

基于VMD-XGBoost-GRU模型的危岩体变形预测

针对以往对危岩体监测数据前处理效果不佳的问题,提出了一种用于危岩体变形预测的VMD-XGBoost-GRU组合模型。该模型采用变分模态分解(VMD)和样本熵理论将危岩体变形数据分解成多个子序列,利用XGBoost算法提取重要的模型因子实现特征降维,通过门控循环单元(GRU)神经网络对危岩体变形进行预测。以某水电站右坝肩陡壁上的危岩体变形预测为例,将VMD-XGBoost-GRU组合模型与BP、GRU和VMD-XGBoost-BP 3种模型进行对比与分析,结果表明,VMD-XGBoost-GRU组合模型在危岩体变形预测方面具有较高精度,可为危岩体安全稳定状态评价提供技术依据。

应用微芯桩传感器的拉裂型边坡危岩体临崩倾斜变形特征现场实测研究

边坡危岩体崩塌的监测预报一直是地质灾害防灾研究的重点和薄弱环节。基于微电子机械系统(micro-electromechanical system,简称MEMS)技术构建了危岩体微小倾斜角度与强振加速度的“采集-计算-传输”机制,研制了微芯桩传感器,实现了危岩体的低功耗长期监测。通过拉裂型危岩体崩塌现场实测分析,发现了拉裂型危岩体具有倾斜变形加速并伴随强振动频次、幅值增加的崩塌前兆。探明了临崩加速倾斜阶段累计倾斜变形量与倾斜变形速率之间具有显著指数关系,且倾斜速率倒数与距离崩塌时长具有线性相关性,进而建立了“倾斜速率倒数法”崩塌时间预测模型,形成了基于MEMS倾斜角度传感数据特征的预测模型实时应用算法流程。研究成果可对崩塌灾害的监测预警产生积极的促进作用。

融合贴近摄影和LiDAR技术的危岩体三维模型构建及稳定性分析

高陡危岩崩塌是我国山区常见的一种地质灾害,但由于通行困难等客观因素的限制,导致人工地质勘查工作效率低,安全风险高,存在调查死角。以三峡库区老鼠错3号高陡危岩体为例,融合无人机贴近摄影测量和机载LiDAR技术,建立了高陡危岩体调查分析方法体系。在此基础上,系统构建了老鼠错3号危岩体的三维地质模型,获取了该危岩体工程地质特征。研究显示老鼠错3号危岩体发育有5条控制结构面,软弱层最宽27.30 m,凹腔最深2.19 m,崩塌类型为倾倒式崩塌;危岩体稳定性系数在自然工况下为1.375,处于稳定状态,暴雨工况下为1.01,处于欠稳定状态,需进行治理。结果表明融合贴近摄影和LiDAR技术方法对高陡危岩体调查具有较好的互补性,可为高陡危岩体的非接触式测量、地质信息获取及稳定性分析提供一种新的调查思路,为库区的防灾减灾工作提供一定的技术支撑。

基于高精度三维模型的危岩体控制爆破技术研究

开展复杂环境下危岩体控制爆破技术的研究,对提高公路施工效率、消除潜在安全隐患具有重要的理论意义和参考价值。依托古蔺至金沙高速公路建设项目为工程背景,为了消除施工过程中的危岩体隐患,进行危岩体控制爆破技术研究。采用三维激光扫描技术,架设6个扫描站点,构建了危岩体高精度三维DTM表面模型,结合高密度电法,布设4条物探测线,实现危岩体区域地质三维可视化。基于高精度三维模型,进行了裂岩管致裂试验,设计炮孔深度为危岩体高度的70%,裂岩管间采用串接方式,每孔裂岩管总装药量为720 g。结果表明:构建的高精度三维模型准确反映了危岩体形态特征,为爆破方案设计提供了可靠的资料,同时裂岩管的致裂效果良好,易于危岩体的后期治理排除,为同类项目提供了可行的参考方案。

无人机技术在超高陡边坡危岩体半自动识别中的应用

在新疆山区开展危岩体勘察时,由于工程区存在复杂且陡峭的山体,传统人工勘察危岩体的方案往往受限。为了有效地提高危岩体调查的效率与自动化程度,本研究提出了一种基于无人机的高陡边坡危岩体半自动勘察技术。将无人机贴近摄影测量技术与精确的仿地飞行路线规划相结合,获取超高边坡精确三维点云模型;应用CloudCompare软件点云剖分工具结合危岩体突出于边坡表面的形态特征对异型滑移式块体进行语义分割;并通过分析异型滑移式块体的三维特征,实现对危岩体的定性分析。将上述理论方法应用于玉龙喀什水利工程左岸超高边坡坝址,在试验区提取出了4块危岩体。所有危岩体稳定性系数(K)均低于0.9,平均体积均在2000 m3左右,最大高差在7~11 m。危岩体的空间位置分布和三维特征与现场人工勘测的基本一致。试验表明,结合危岩体特征的高精度边坡点云模型能有效识别危岩体,提高调查效率并解决人工数据模糊的问题,对高陡边坡的危岩体评估具有实际应用价值。

基于Rockfall的沟谷区高位危岩体危险性评估

为了降低高位危岩体对沟谷区建设用地威胁,以沟谷区内某商住小区为例,探讨高位危岩体危险性评估结果。通过资料收集和现场调查,采用Rockfall模型软件计算沟谷区高位危岩体对小区现状地质灾害危险性,评估了防治措施情景下的地质灾害危险性。用Rockfall模拟软件计算出沟谷区内危岩体现状和设计情景条件下的运动路径和最远威胁距离,确定建设用地红线范围内的地质灾害危险性结果。结果表明,现状条件下沟谷区建设用地红线范围内危险性中等区域面积112.15 m2,设计情景下建设用地红线范围均为危险性小的区域。

帕隆藏布流域高位危岩体工程影响分析方法

复杂山区高位危岩体工程影响评价依赖于危岩体的准确及全面识别、落石运动特征及影响范围的科学分析。基于“机载倾斜摄影技术+机载激光LiDAR技术”的高位危岩体复合勘察方案,完成了帕隆藏布交通廊道内65处高陡坡面上显性危岩体、隐蔽性危岩体、坡脚落石的高精度、高效率识别与三维数字化建模,解决了传统识别方法在局部植被茂密区识别精准度低的问题;借助Unity3D开发平台,充分利用高位危岩体解译成果,自主编程实现了高精度、超大高差的真实崩塌场景构建,结合现场落石的调查解译进行参数优化和结果验证,确保了模拟结果的客观性。在大量数值模拟的基础上,提出了落石影响范围确定方法与基于危岩体的选线及局部优化原则。

李家岩水库高边坡危岩体的治理

针对高边坡地形复杂、高差大而导致对其危岩体进行治理过程中出现的机械利用率低、人工劳动强度大且危险系数高的问题,必须选择合适的边坡治理措施和施工方案以降低施工风险,提升施工功效,控制工程成本。以李家岩水库工程徐家槽料场危岩体治理过程为例,详细阐述了所采取的治理措施和施工方案,所取得的经验对高边坡危岩体治理具有一定的借鉴意义。

黄河炳灵水电站枢纽区危岩体发育特征及稳定性研究

黄河炳灵水电站枢纽位于峡谷区,地形高陡,危岩体稳定问题较为突出,危岩体的崩滑曾对电站正常运行产生较严重的影响。为消除危岩体危害影响,在详细勘察的基础上,通过定性和定量评价方法 ,对枢纽区危岩体发育特征、形成机制、稳定性等进行系统地分析评价。进一步,设计和实施针对性的防治处理措施,保证电站长期运营安全。研究成果可为西部山区水电工程危岩体防治工作提供借鉴。

老河口市红层边坡崩塌危岩体运动轨迹及冲击能量分析

本文以汉丹铁路沿线切坡形成的陡崖边坡为研究对象,分析危岩段的边坡特征,对危岩体特征进行分类,运用Rockfall软件模拟滚石崩落轨迹,综合预测滚石冲击能量,对老河口地区及同类型红层边坡变形破坏的防治具有指导意义及参考价值。研究表明:区内多数落石的最大水平运动距离在15m左右,最远运动距离接近32m,沿线危岩体直接威胁平台处的汉丹铁路和下方居民建筑安全,不威胁S302省道及省道过往行人和车辆;建议加强沿线专业监测,局部辅以喷浆防护。

厦门海悦山庄危岩体稳定性定量评价及运动规律研究

厦门海悦山庄后山出露有大量粒径不等、形状各异的岩石块体,该处山体地势较陡,危岩极易发生失稳形成崩塌灾害。分析研究了该处危岩体的成因机制与失稳模式,对3种条件下的稳定性进行了定量计算,并利用CRSP-3D和Rockfall软件模拟了危岩体失稳后的运动轨迹,求得了失稳过程中的多种动力学参数,并为海悦山庄危岩体防治提供合理建议。

多频次爆破扰动对倾倒式危岩体稳定性影响分析

危岩体主控结构面岩桥段岩石有效发挥其抗拉或抗剪性能是维系倾倒式危岩体稳定的关键,而岩桥段岩石力学性能常因工程爆破扰动而劣化,导致危岩体稳定性持续降低。首先,基于极限平衡理论考虑衰减后的爆炸应力波对危岩体稳定性影响,构建倾倒式危岩体稳定性评价方法;其次,通过Lemaitre等效原理得到爆破荷载作用下岩桥段岩石细观累积损伤变量,根据岩石有效抗拉面积弱化得到抗拉强度劣化方程并通过试验结果进行验证;最后,根据抗拉强度劣化方程对危岩体稳定性评价方法进行修正,依托工程算例分析相关敏感参数对危岩体稳定性的影响。研究结果表明:频繁的爆破扰动会使主控面的力学性能劣化,危岩体随爆破强度的增大、爆炸应力波传播距离的减小,岩桥段岩石力学性能劣化加剧,其自身的稳定性系数衰减趋势增大且爆炸产生对危岩体的倾倒荷载相较于岩体力学性能劣化更为敏感。