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岩石边坡的风险管理(Risk management of rock slopes)

10月前浏览565
1 引言
基于性能的岩石边坡设计正在由理论融入到工程实践和软件分析中,这种趋势包括在我们正在连载的Dr. Morgenstern 63年的经验总结【Dr. Morgenstern 63年的经验总结---从确定性到不确定性 (Part 2)】,Dr. Martin基于性能设计的方法 论【岩石工程基于性能的设计(Performance-based design in rock engineering)】以及Rocscience即将发布的Rocslope【RocSlope---三维岩石边坡稳定性风险评估(Risk Assessment)】。本文概述了岩石边坡风险管理的概念和过程以及最佳实践,讨论未来研究和发展的主要挑战和机遇。

2 破坏机制 
评估边坡稳定性需要全面了解岩石的破坏机制。岩土工程的主要挑战之一是在不同荷载和环境条件下评估边坡的稳定性。边坡破坏可能对人类生命、基础设施和自然资源造成严重后果。因此,必须全面了解支配边坡行为的破坏机制。破坏机制可以分为两大类:运动学破坏和渐进式破坏。当岩体沿预定义的不连续面(如节理、断层或层理面)移动时,会发生运动学破坏。渐进性破坏涉及裂缝在岩体内部的发展和汇合,导致逐渐失去强度和刚度。这两种类型的破坏都需要对岩体的几何形态、性质、应力状态以及可能触发或加速破坏过程的外部因素进行全面分析。

对于许多岩石边坡,通常只有有限的地质信息可以使用,因此缺乏对边坡的完全了解。评估边坡稳定性之一的挑战是缺乏能够提供全面边坡条件的地质数据。通常,可用信息仅限于表面观察和少数钻孔,这些信息可能无法捕捉岩体及其不连续性的复杂性和变异性。因此,使用适当的方法和工具来分析边坡行为,并基于可用数据识别潜在破坏机制是很重要的。

3 风险管理范围
岩土工程中的一个挑战是评估容易发生滑坡的边坡稳定性。滑坡可能对基础设施、设备和人类生命造成严重破坏和重大威胁,近期一个比较惨痛的事故发生在一个煤矿的边坡【内蒙古露天煤矿大规模山体滑坡可能的诱发原因(massive slides in open-pit mine)】。因此,重要的是评估边坡破坏的可能性和后果,并实施适当的减灾措施。
对于只有有限地质信息和岩石力学参数的边坡,风险评估可以用于增强传统分析,并可使用滑坡风险管理的通用框架。该框架包括识别潜在危险、估计破坏概率、评估面临风险的要素的暴露和脆弱性以及计算预期损失。风险评估也可帮助比较不同的风险减轻选择方法,优化资源的分配。边坡的风险管理包括一个系统的过程,涉及到识别、分析、评估和处理边坡破坏的潜在来源和后果。这个领域的现状实践经过了多年的发展,融合了岩土工程、遥感技术、数值建模和决策分析的进步,包括:
(1) 边坡几何形态和地质特性的表征;
(2) 边坡稳定性和破坏机制的评估;
(3) 边坡破坏概率和不确定性的估计;
(4) 边坡破坏后果和风险水平的评估;
(5) 风险减缓措施的选择和实施;
(6) 对边坡性能和风险的监测和审查。
利益相关者(如业主)、监管机构(如应急管理局)和专家(从项目核准到生产各个阶段的专家评估)在风险管理过程中的角色,以及管理边坡风险的伦理和社会方面的问题不在本文讨论范围之内。
4 风险管理策略
Morgenstern (1995)通过加拿大标准协会CSA采用的风险管理框架总结了风险评估的概念。该框架包括风险识别、风险分析、风险评估和风险处理四个步骤。然而,风险管理不仅是一个理论概念,还是一个可以应用于岩土工程项目各个阶段的实用工具。根据瑞典岩土工程协会(SGI 2013)的说法,风险管理应该在所有项目活动中得到整合,从规划和设计到施工和运营。
加拿大标准协会风险管理框架

一些管理岩土工程风险的策略和方法包括:

(1) 进行定量岩土工程风险分析,以估计潜在破坏模式的概率和后果。

(2) 使用观测法根据实际现场条件监测和调整设计和施工。

(3) 应用贝叶斯定理根据实时监测数据更新预测。

(4) 制定一个与其他项目风险协调的综合风险管理计划。

(5) 有效地向所有利益相关者沟通岩土工程风险。

5 风险管理应用
位于加拿大BC省 Revelstoke 水坝上游1.5公里处的 Checkerboard Creek 边坡,自20世纪70年代末以来一直受到广泛研究和监测。Checkerboard Creek 边坡呈现出复杂的地质特征,可能对 Revelstoke 水坝及其周围地区构成潜在威胁。该边坡由多个变质和火成岩块组成,这些岩块受构造力作用而发生变形和破裂。自20世纪70年代末以来,使用各种方法和技术,如测绘、钻探、地球物理和遥感,对该岩坡进行了广泛的调查和监测。这些研究的主要目标是了解边坡不稳定的机制和触发因素,评估破坏的风险及其后果,并在必要时设计和实施减灾措施。
边坡有60米深的风化带,在季节性温度变化的影响下冻结和融化过程导致岩石以每年13mm的速度移动,为了防止大规模的倒退式滑坡,使用了10cm厚的喷射混凝土和间距8m的锚索进行了支护,参看Cell Space Detection---UDEC的单元映射算法】。
这个案例历史用来展示边坡风险评估方法的过程,包括估计破坏概率、识别潜在后果和计算风险水平。该案例历史展示了如何使用该方法来评估不同的减灾选项,并支持风险管理的决策制定。

6 文献参考

(2003) A Case Study Of Risk Evaluation At Cerrejon Mine【深部采矿边坡破坏机理解释(West Wall)
(2007) Risk Evaluation of Slope Failure at the Chuquicamata Mine【SSGeotech数据集的使用---Chuquicamata mine
(2008) A Risk Evaluation Approach for Pit Slope Design【露天采矿台阶楔形体稳定性(Bench Wedge Stability)
(2010) A Comparison Of The Limit Equilibrium And Numerical Modelling Approaches To Risk Analysis For Open Pit Mine Slopes【IACMAG 2022 | 计算机方法和地质力学进展】
(2012) Risk assessment and management in underground rock engineering - an overview【岩土工程风险---大数据和机器学习(Geotechnical Risk)
(2015) An economic risk evaluation approach for pit slope optimization【露天矿概率台阶设计与损失距离(back-break distance)
(2017) Governing risk elements through open pit slope optimization【"双子矿"露天开采转为地下开采岩石力学方面的考虑(Transitioning from OP to UM)
(2019) Bayesian methods to treat geotechnical uncertainty in risk-based design of open pit slopes【岩土工程风险---大数据和机器学习(Geotechnical Risk)
(2020) Design acceptance criteria for operating open-pit slopes An update
(2021) Development and application of a reliability-based approach to slope design acceptance criteria at Bingham Canyon Mine
(2022) A reliability-based design acceptance criteria approach for inter-ramp and overall open pit slopes
来源:计算岩土力学
通用岩土UM理论
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-06-01
最近编辑:10月前
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