Научная статья на тему 'Оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов при решении объемной задачи'

Оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов при решении объемной задачи Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
442
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Туринцев Ю. И., Киселев В. А.

Рассмотрена методика решения пространственной задачи по определению прочностных параметров горных пород и устойчивости оползневого склона при сложной форме поверхности скольжения. На основании анализа результатов геометризации тела оползня установлены местоположения «устойчивых» и «неустойчивых» областей, где возможно образование оползней высших порядков. Установлена зависимость изменения прочностных параметров горных пород от величин скоростей смещения грунтовых реперов в теле оползня. Получены расчетные формулы для вычисления величины критического ускорения, выявленных частей оползневого массива в момент непосредственного срыва оползня с целью прогнозирования процесса ополз-необразования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Туринцев Ю. И., Киселев В. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Estimation and Stability Forecast of Landslide Slopes in Solution of a Space Problem

A procedure of a space problem solution is presented on the determination of strength parameters of rocks and a landslide slope stability when a sliding surface is complicated. On the basis of results analyses of a landslide body geometrization the locations are established of «stable» and «unstable» areas where landslides of the highest degree may be formed. The dependence of the change of rocks strength parameters on the displacement velocity of ground repers in a landslide is identified. Calculated formulae have been received for the estimation of the value of critical acceleration of located parts of landslide massif at the moment of the direct slide to forecast a process of a landslide formation.

Текст научной работы на тему «Оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов при решении объемной задачи»

1993

ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОРНОГО ИНСТИТУТА

СЕРИЯ: горное дело

вып. 3

МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД, МАРКШЕЙДЕРИЯ, ГЕОДЕЗИЯ

УДК 622.271.33 : 526.9 : 624.131

Ю. И. Туринцев, В. А. Киселев

оценка и прогноз устойчивости оползневых склонов при решении объемной задачи

В условиях значительного объема горных работ и необходимости обеспечения безопасного и эффективного горного производства остро стоит вопрос контроля за состоянием и управлением массива горных пород. В этой связи одной из важнейших проблем является надежная оценка, прогнозирование и обеспечение устойчивости карьерных откосов и естественных склонов.

Открытые горные работы обусловливают развитие в бортовых массивах геомеханических процессов, характеризующихся широким кругом вопросов, связанных с оценкой во времени состояния массива горных пород. При этом одним из основных факторов, влияющих на устойчивость, является снижение прочности пород во времени.

Для получения объективных данных о характере снижения прочности пород в уступах бортов карьеров большинством исследователей отдается ¡предпочтение методу обратных расчетов оползней откосов с длительными сроками службы [5].

Определение прочностных показателей пород методом обратных расчетов для любого горно-технического объекта основывается на геометризации оползневого тела и результатах наблюдений за деформированием откоса. В этом случае для достоверного и оперативного анализа и обобщения прочности пород в массиве необходимо решать пространственную задачу методами геометрии недр с использованием модификации способа алгебраического суммирования сил по поверхности скольжения [2]. Исходным материалом служат план ¡поверхности оползня, план изогипс поверхности скольжения и результаты наблюдений за деформациями.

Изображение поверхности скольжения, являющейся составной частью геометризации оползневой зоны, представляет определенную трудность. В настоящее время в ряду таких способов, как: аналитические, графоаналитические расчеты; моделирование; натурные наблюдения, наиболее перспективными являются методы, применяющиеся при геофизических исследованиях (электрозондирование, звуколокация и т. п.).

При рассмотрении вопросов устойчивости значительных по размерам объектов деформирования с нестандартными поверхностями скольжения необходимо решать пространственную задачу. Отличитель-

ной особенностью объемной задачи является то, что при нахождении показателей прочности пород в массиве учитываются касательные н нормальные составляющие массы оползневой призмы не по какому-то вертикальному профилю, но по всей оползневой зоне, что позволяет учесть сдвигающие и удерживающие усилия в пределах всей ¡поверхности скольжения.

Указанная зона разбивается на элементарные блоки (призмы) с равными площадями в основании, и для каждого из них определяются касательные — Тц, Тц, нормальные—Ыц, Ыц и равнодействующие— Г'/, усилия (рис. 1), являющиеся результатом действия силы веса пород, заключенных

в элементарной призме. ^

Рассмотрим решение / / ^ 71^/

пространственной задачи на примере результатов нследований оползневого склона рудника «Тарор» в Таджикистане.

Изучаемый склон представляет собой сложную оползневую систему, расположенную на горном склоне с углом падения 18—23°, длиной 600 м, шириной 120—200 м. Породы оползня представлены з основном выветрелыми скальными и полускальными породами мощностью от 5 до 20 м.

В результате воздействия природных и техногенных факторов (при-грузка отвалами пустых пород верхней части оползня, многократная подрезка тела оползня технологическими дорогами) произошло нарушение устойчивого состояния склона с образованием значительной по размерам оползневой системы, включающей в себя множество оползней различного порядка. Ориентировочный объем оползневых масс составляет 2 млн. м3.

По результатам графомеханической обработки стереопар и аналитической обработки данных ВЭЗ (вертикального электрозондирования) получены топографический план поверхности (рис. 2, а) оползневой системы и план изогипс поверхности скольжения (рис. 2,6).

Вычитая план поверхности скольжения из плана земной поверхности и интерполируя получающиеся разности, вычерчивают план изо-мощностей оползневой зоны (рис. 2,в).

Исходя из известного выражения предельного состояния т = =^<ро„+С (ф — угол внутреннего трения, С — сцепление пород), общее сцепление пород всего склона, как интегральный показатель прочности на сдвиг, можно рассматривать как величину разности касательных:

Рис. 1. Оползневое тело:

I — поверхность оползня; 2 — поверхность скольжения: О —вес пород элементарной прнзмы; Т — сдвигающие усилия; N — удерживающие усилия; 5 — площадь основания элементарной призмы

т' = 2 2 7?А/ !=\ /=1

(1)

н нормальных, умноженных на коэффициент трения:

«г;=2 ^

(2)

гГ б

Рис. 2. Геометрические параметры участка оползневой системы:

планы поверхности участка оползневого тела (а). поверхности скольжения (б). изогнпс мощности оползневого тела (в). Условные обозначения:

/ — границы оползневой системы; 2 — изолинии, м

-апряжений, вычисленных по всей поверхности скольжения:

Ср = т' - о;. (3)

Рассчитав тц и в каждом выделенном блоке и проинтерполи-ровав полученные значения, вычерчиваются планы т' и ап в пределах всей оползневой зоны (рис. 3, а, б).

Вычитанием поверхностей топографического порядка получаем план изогипс результирующих напряжений СР (рис. 3,в).

Планы' изолиний касательных %' и нормальных ал напряжений позволяют оценить степень напряженности оползневого массива в каждой точке поверхности скольжения. Наглядную картину дает план изогипс результирующих напряжений, по которому выявляются «устойчивые» зоны с отрицательными значениями СР и «неустойчивые» — с положительными. Кроме того, по концентрации изогипс Ср выделяются изолированные участки с повышенной концентрацией сдвигающих напряжений, где возможно ожидать повышенные значения деформаций.

Общая устойчивость всего оползневого склона определяется по известной формуле

" = 2/^/2 ^д, (4)

где 2Лд = т\ 2^дополученные величины Ср и п являются интегральными оценками прочности пород и устойчивости откоса в определенный момент времени, которые в полной мере учитывают форму поверхности скольжения, что тем более важно ввиду отсутствия единого критерия возможности решения плоской задачи (по Г. Л. Фисенко ¿/Яу^2...3; по А. И. Ильину Ь/Н1,5; по А. Е. Шейдеггеру ¿>/¿ = 0,1, где Ь — ширина оползневого участка; Яу — высота оползня; £ — длина оползневого участка по падению) [1, 5, 6].

Выявленные на плане результирующих напряжений (рис. 3, в) области их концентраций характеризуются повышенными значениями скоростей смещения реперов (см. рис. 3, в), что обусловлено снижением прочностных параметров пород и коэффициента запаса устойчивости.

В этой связи, кроме интегральной оценки по изложенному методу в совокупности с инструментальными наблюдениями и достоверно установленными положениями, отражающими механизм деформирования [4], целесообразно осуществить выборочную оценку прочностных показателей и устойчивости отдельных зон оползневой системы, представляющих собой оползни высших порядков.

Возникновение оползней в этом случае вызывается нарушением статической устойчивости склона и управляется в дальнейшем законами гравитации и трения.

Для глинистых откосов механические свойства описываются сопротивлением сдвигу горных пород.

Энергетический баланс смещающегося по поверхности скольжения оползня можно выразить равенством [6]:

0,5т^2 = тдАН — С8АН1$1п^, (5)

где т — масса оползня; Дг> — приращение скорости смещения оползня за промежуток времени £ —ускорение свободного падения; Д/г — вертикальная составляющая вектора смещения; С — прочность породы на сдвиг по поверхности скольжения; 5 — площадь- поверхности скольжения; (5— угол наклона поверхности скольжения.

Рис. 3. Графики напряжений в теле оползня: планы удерживающих напряжений (а), сдвигающих напряжений (б), результирующих напряжений (о). Условные обозначения:

/ — границы оползневой системы: 2—изогнпсы напряжений, тс/м'; 3 — грунтовые реперы и векторы смешений

Принимая

т — pSó, Д/г = Дgsin{5, (6,

1 где р — плотность пород тела оползня; 6 — мощность оползня; Д£ — величина вектора смещения оползня, получим-

0,5p6SAc2 = gópSA£ sin p — CS Al

отсюда

= 2 (gsin p — C/pó) Д£

или

C = (gsinp-Дс/а/2Д£) pfi.

Принимая во внимание, что

Дс/2/Д£ = 2а.

получаем:

C = (gsinp-a)p&, (Ю)

где а — ускорение смещения оползня за промежуток времени.

При потере устойчивости, т. е. когда С = С30 (С«, — остаточная прочность породы на сдвиг), ускорение смещений с достигнет критического значения;

a„p = gsinp — См/рб. (11)

Величина остаточной прочности для пластичных пород и грунтов в данном случае может быть принята равной величине длительной прочности. По данным А. И. Ильина [1], значение С», определенное для разных пород, составляет 8,5-Ю-3... 3,7-Ю-2 МПа. Для условий оползневого склона на руднике «Тарор» по аналогии примем 3,7-10~2 МПа. В этом случае величина акр, рассчитанная по выражению (11), составила 2,8... 3,6 м/с2.

На основании выражений (9, 11) появляется возможность прогноза скорости деформирования по результатам инструментальных наблюдений. В результате теоретических и экспериментальных исследований и наблюдений за деформированием карьерных откосов получено выражение [3]:

v = v0-\-aKPC"/mT^-¡, (12)

где v0 — начальная (постоянная) скорость деформирования; акр — критическое ускорение; t — текущее время; Ткр — продолжительность критической стадии деформирования.

Определение параметров Ткр и гп в (12) возможно осуществить путем проведения ряда серий наблюдений при t¡...íi, лолучая значения У].,. v¡. В результате решения системы из двух уравнений получаем искомые величины Ткр и т.

Предложенный подход в решении пространственной задачи оценки прочностных свойств горных пород позволяет в полной мере учесть геометрические и геомеханические особенности поверхности скольжения, дать интегральную оценку устойчивости откоса, выявить опасные участки оползневого массива и оценить их устойчивость, дать прогноз развития скоростей деформирования, определить время достижения критической стадии ололзнеобразования и разработать эффективные мероприятия по стабилизации оползней.

(7) (8) (9)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИП СПИСОК

1. Ильин А. И., Гальперин А. М., Стрельцов В. И. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах.— М.: Недра. 1985.— 248 с.

2. Панюков П. Н. Инженерная геология —М.: Госгортехиздат, 1962.— 343 с.

3. Разработать и внедрить систему наблюдений за деформациями площадки очистных сооружений п. г. т. Симеиз: Отчет НИР (заключительный) / Свердл. горный нн-т; Науч. руководитель Ю. И. Турннцев: № ГР 01900045716; Инв. № 02920000250 — Свердловск. 1984,— 148 с.

4. Туринцев Ю. И. Геомеханические основы прогноза устойчивости карьерных откосов //Изв. вузов. Горный журнал,— 1992 — № 9,— С. 84—87.

5. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов,— М.: Недра, 19Б5.— 378 с.

6. Шейдеггер А. Е. Физические аспекты природных катастроф.— М.: Недра, 1981.— 232 с.

УДК 622.271.3.622.833.3

Б. Д. Половое, В. Л. Лядский

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМАМИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Интенсификация добычи ископаемых открытым способом сопровождается вовлечением в эксплуатацию объектов со сложными инже-нерно-геологическими условиями, поэтому для обеспечения режимной, безаварийной работы предприятий, полного использования недр, решения экологических проблем необходимы системы автоматической диагностики состояния горно-технических объектов.

В настоящее время в горном деле, гидротехническом, гражданском, транспортном строительстве предложено около ста систем классификации массивов горных пород, опасных по фактору проявления оползневых явлений. Для конкретных горно-технических объектов — карьеров (разрезов) и отвалов — ВНИМИ разработана упрощенная классификация, которая подразделяет объекты следующим образом: нерабочие борта, сложенные глинами или трещиноватыми породами; нерабочие борта с преобладанием песчаных и гравелистых пород; рабочие борта; откосы рабочих уступов и отвалов; откосы уступов нерабочих бортов, сложенные глинистыми и трещиноватыми породами; откосы уступов нерабочих бортов, сложенные песчаными и гравели-стыми породами.

Другим классификационным признаком является срок службы объекта: до 5 лет, более 5 лет.

Дополнительными классификационными признаками, обеспечивающими объективность типизации объектов диагностики, могут служить размеры деформирующихся массивов и принадлежность пород, слагающих массивы, к группам пород коры выветривания или скальным и полускальным породам.

Для классификации горно-технических объектов по размерам целесообразно ввести относительный показатель: отношение длины оползневого массива к его высоте. Целесообразность такого классификационного признака подтверждается статистическими данными, приведенными в табл. I. По этим данным среднее значение длины деформирующихся участков бортов к высоте составляет 2,93, среднее ква-дратическое отклонение этого отношения — 2,46, корреляционная связь между объемами деформации и соотношением ¿д/#д, где ¿д и Ня — соответственно длина и высота деформирующегося участка, отсутствует.

Вероятность Я(—< 1) для бортовых оползней составляет 0,2. нл

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.