三维激光扫描技术及其在岩土工程中的应用

地面三维激光扫描技术是一项较新的数据收集与分析技术,它可以快速扫描目标,获得高密度,高精度的目标空间坐标,配合后处理软件,进行各种测绘、分析、仿真工作。介绍了三维激光扫描技术的原理,对目前的主要激光扫描硬件进行了比较,最后介绍了三维激光扫描技术在岩土工程应用的主要两个方面：边坡变形监测与岩石裂隙面勘察。相比常规监测和地质调查技术,三维激光扫描技术具有高精度、速度快、节省人工的优势,具有较大的应用潜力。     

海州露天矿滑坡灾害统计分析及信息库建立

露天矿边坡稳定性受工程地质、水文地质条件和人工活动等因素的影响,这些因素决定了发生滑坡的可能性。然而,上述因素与发生滑坡之间很难找到某种确切的关系。海州矿非工作帮边坡从建矿到目前,已发生过80多次滑坡,规模较大且有详细资料记录的滑坡60多次。将这些滑坡资料进行整理,通过统计分析来建立灾害信息库,以便对边坡的稳定性做出定性评价,并为提出闭坑环境地质灾害预警系统提供依据。     

辽宁海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统

随着海州露天矿的闭坑,岩体结构越来越弱化,围岩的支承能力越来越小,露天矿边坡处于不稳定状态,具有发生大规模滑坡的潜在危险。根据海州露天矿工程地质条件,边坡形态,稳定状态及监测目的,研发海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统。系统应用GPRS远距离无线传输技术远程主动监测边坡岩体内部应力变化来获取岩体变形特征和滑移信息,实现边坡锚索应力全天候连续自动监测,其采用太阳能进行供电,适用于边坡中、长期监测。通过对海州露天矿边坡监测与边坡稳定性分析的现场应用实践证明,该系统可以对边坡稳态进行实时监测,对边坡滑坡灾害防治具有重要意义。     

露天矿边坡动态整治方法及其应用--以福建潘洛铁矿滑坡整治为例

露天矿边坡属于人工边坡,它的形成不仅时间长,而且一直处于动态过程中。露天矿滑坡在一定范围内是允许的,滑坡治理的目的是保证矿山在开采期限内安全采出设计境界内的矿石。基于这些特征,在文中提出了适合露天矿滑坡治理的新方法-动态治理法及其可行性,并以潘洛铁矿露天矿滑坡灾害治理为例,对该方法的应用进行了论述。可为露天矿滑坡治理所借鉴。     

基于边坡单元的公路沿线滑坡危险度概率分析

公路沿线发生的滑坡、泥石流等自然灾害是造成交通停滞的主要原因。对公路沿线边坡进行稳定性评价及滑坡灾害分析对于公路管理和灾害防治具有重要意义。为了能对大范围边坡应用三维力学模型进行稳定性评价,研究中将较大研究区域划分为多个边坡单元（slope unit）,并介绍了边坡单元划分方法。对每个边坡单元,采用随机生成许多假想滑动面并通过一个基于GIS的边坡稳定性三维分析模型计算其安全系数的方法,找出具有最小安全系数的危险滑动面,同时求出在试算过程中安全系数小于某临界值（通常设为1.0）的结果出现的比率,作为该边坡单元的滑坡发生概率,以此作为指标对研究区域进行危险度评价。通过对日本49号国道沿线边坡中的应用对该方法的实用性进行了验证。     

基于三维激光扫描仪的滑坡表面变形监测方法——以金坪子滑坡为例

近年来,三维激光扫描仪越来越多地被应用于滑坡变形监测领域以降低或减少滑坡灾害带来的风险。本文以云南省乌东德地区金坪子滑坡为例,运用三维激光扫描仪监测技术对处在库区的金坪子滑坡表面变形进行了监测与研究。传统的监测数据显示,该滑坡正以每年约30cm的高速度向前推动,运动的结果可能危及周边居民的人身财产安全以及乌东德水电站的运营。研究中激光扫描数据集由高精度和高密度的三维点云组成,分别从6个站点、3次采集得到,时间跨度25个月(从2009年5月~2011年7月)。滑坡表面变形通过按时间序列排列扫描数据集的比较得出。通过采用三种方法,DEM(数字高程模型)比较,断面比较与固定点比较,分析已经过前处理的点云数据集,从而分析得到监测结果。此外,滑坡的变形量也计算得到。研究介绍了激光三维点云处理的流程,探讨了将三维激光扫描监测技术应用于大型、有部分植被覆盖的滑坡监测的可能性,并将监测结果分析与GIS平台结合起来,结果帮助我们大概地、基本地对滑坡稳定性做出评价。三维激光扫描监测滑坡变形的应用为我们在存在高风险的大型滑坡变形监测提供了另一种直观和高效的方式。     

三维激光扫描技术在滑坡物理模型试验中的应用

大型滑坡物理模型试验中常采用高精度的特征点监测,缺少整体变形资料;而三维激光扫描技术可以高精度、快速、完整地扫描实物,获得海量的点云数据,构建实物的数字化模型,从而详细描述表面细部状况。将三维激光扫描技术引入到滑坡物理模型试验坡体表面整体变形监测中,通过数字仿真试验对点云数据4种变形测量方式进行了对比和评价,推导了点云数据单个扫描点的空间位置精度的评价模型,对点云密度进行了理论分析。通过滑坡物理模型试验实例,采用点云比较、重心法、点云叠加方法测量模型的整体变形和单个监测点的位移,对滑坡不同演化阶段变形特征进行了综合分析。研究表明:空间位置精度的评价模型、点云密度模型为三维激光扫描变形监测的测量成果评定,测量方案的优化设计提供了必要的理论基础。点云叠加、点云比较为面测量,可以获得整个模型坡面的变形和位移情况,测量模型的变形趋势和变形量级,重心法、拟合法则属于点测量,可以获得单个监测点准确的位移量。基于三维激光扫描技术坡面监测是结合点测量和面测量的优势,在保证高精度特征点监测同时,获得模型坡面的整体变形和位移。     

基于高密度电法的露天矿边坡地下水渗流通道探测技术应用

边坡稳定性是露天矿区的重要安全问题,地下水严重影响着露天矿边坡的稳定。从研究区边坡地下水渗漏这一现实问题出发,提出对可能的渗漏源头区开展高密度电法工作。通过对实际数据处理和反演,并利用三维可视化与切片提取技术对电阻率异常体进行提取,最终确定了两处地下水渗漏通道。经与现场边坡渗漏情况对比分析,高密度电法应用于边坡地下水渗漏探测准确可靠,可为露天矿边坡防治提供可靠依据。     

露天煤矿边坡稳定性实例分析及优化设计

结合内蒙古某露天煤矿的边坡实例,综合运用现有的工程地质资料、理论分析以及计算等手段,对该露天矿边坡工程地质条件、稳定性进行了分析和评价,提出了优化设计方案和滑坡治理建议。最后,从技术和工程方面提出了露天矿边坡稳定性的防治措施。     

基于能量原理的露天矿边坡开挖稳定性突变研究

基于边坡系统能量的原理,借助FLAC3D有限差分法内嵌FISH语言进行了三维露天矿边坡模型在开挖过程中能量计算的二次开发。将能量与突变理论相结合,以边坡系统的总耗散能作为状态变量,构建了边坡系统的能量耗散突变判别准则。以大孤山露天矿西北帮边坡为例,通过能量耗散突变分析、塑性区演化分析、安全系数变化分析及关键点位移分析可知,以上分析得到的边坡稳定性演化规律具有一致性,验证了提出的突变判别准则的适用性,研究结果表明：能量突变特征值 是露天矿边坡在第ki步开挖后发生失稳的充要力学条件;当进行至第6～8步开挖时,边坡局部岩体系统发生了失稳,且第7、8、9三个台阶受开挖扰动的影响较为严重,与现场的实际开挖情况相符,为预防露天矿边坡在开挖扰动过程中的局部围岩系统失稳提供了一定的理论支持。     

Case history of controlling a landslide at Panluo open-pit mine in China

Controlling of landsides safely and economically is a great challenge to mine operators because landslides are major geological problems especially in open-pit mines. In this paper, a case history at Panluo open-pit mine is presented in detail to share the experiences and lessons with mine operators. Panluo open-pit mine is located in the southwestern Fujian province of China. It is the largest open-pit iron mine in the Fujian province and was planned in 1965 and is in full operation from 1978. In July 1990, an earthquake of magnitude 5.3 in Taiwan Strait and big rainstorms impacted the mine slope, causing tension cracks and rather large-scale failures, and forming a U-shaped landslide. Total potential volume was estimated to be up to 1.0 × 10⁶ m³. This directly threatened the mine production. In order to protect the mine production and the dwellers’ safety around, a dynamic comprehensive method was implemented including geotechnical investigations, in-situ testing and monitoring, stability analysis, and many mitigation and preventive measures. These measures slowed down the development and further occurrence of the landslide. The results showed that the landslides were still active, it was slowed with the control measures and moved rapidly with rainfall and mining down. However, no catastrophic accidents occurred and the pit mining was continued till it was closed at the elevation of 887 m in 2000. As a successful case of landslide control at an open-pit mine for 10 years, this paper reports the controlling measures in details. These experiences of landslide control may be beneficial to other similar mines for landslide control.     

辽宁抚顺西露天矿地质灾害时空分布特征及影响因素分析

已有百年开采历史的抚顺西露天矿进入闭坑期,由于资源的开采,导致西露天矿长期受地质灾害的威胁。为了总结西露天矿地质灾害发生规律、保障矿区及近矿城区的生产生活安全,同时为其他同类露天矿的灾害分析、安全防护提供可参考案例,从时间和空间尺度对抚顺西露天矿滑坡、地裂缝的分布规律和影响因素进行研究分析,基于DPSR模型,从驱动力响应、压力响应、状态响应三个方面提出对应的断链减灾和安全防护措施。地质灾害的时空分布特征为:滑坡灾害最早出现于1927年南帮西部,滑坡主要位置由南帮西部区域向西端帮、北帮西部、北帮中部、北帮东部方向发展,近年南帮出现大规模岩质边坡滑移变形,1970—2000年期间,滑坡灾害最为频发,2000年以后滑坡灾害频次减少,且滑坡灾害多发生在5—9月份;北帮附近地裂缝出现于1960年后,上世纪70、80年代加速发育,走向与F₁、F_1A断层走向基本一致,南帮地裂缝分布在南帮巨大滑移变形体后缘,呈弧扇型分布,于2009年出现,2012年后迅速发展。通过对灾害影响因素分析发现,滑坡与地裂缝存在同源性和互为因果性的链式关系,影响矿区地质灾害发生的主要因素为地质构造和不良工程地质环境控制、采矿活动驱动、降雨及地下水因素的诱发。     

基于无人机摄影测量的露天矿边坡数值模拟

数值模拟是露天矿山边坡稳定性分析的常用方法,边坡模型构建是数值模拟的基础,地形测量的准确性对于边坡稳定性分析精度具有十分重要的影响。近年来,低空低速小型无人机(UAV)被广泛应用于地质调查中,为复杂条件下地形快速测量提供了一种可行的方法。针对露天矿山边坡坡形更新快、地形复杂、人工测量困难的情况,采用搭载单镜头小型无人机,对露天矿山边坡进行低空摄影测量,并通过飞行试验,对比研究了无人机搭载镜头旋转角度对边坡测量精度的影响,最终得到高精度边坡数字高程模型(DEM),并通过Surfer、Rhino等软件转化为三维FLAC模型,实现从无人机测量到三维数值模型的快速建立。得到以下可供参考的研究结论:在目标边坡坡度小于45°时,无人机搭载镜头旋转角度不同对边坡测量精度有较大影响,当镜头旋转角度介于70°~90°时,获得的测量精度较高;与人工测量相比,无人机摄影测量获得的边坡坡形更符合真实边坡实际坡型;无人机航拍照片经过PhotoScan、Surfer、Rhino等软件的转化,能够快速建立三维数值模型,并获得更好的数值模拟计算结果,满足边坡稳定性分析需要。     

基于ABC-GRNN组合模型的露天矿边坡变形预测

准确预测露天矿边坡变形是有效实现边坡临灾预警的重要保证,针对传统边坡变形预测方法无法表征和综合分析边坡变形受多种因素的影响,提出一种露天矿边坡变形的人工蜂群(ABC)算法优化广义回归网络(GRNN)组合预测模型(ABC-GRNN)。在此预测模型中,综合考虑了影响露天矿边坡变形的5个因素：开采扰动、降雨量、降雨持续时间、温度以及湿度。以山西中煤平朔安家岭露天矿为例,通过遗传算法改进BP神经网络(GA-BPNN)、支持向量机(SVM)等人工智能算法与实测变形数据进行预测效果对比分析。结果表明：ABC算法能够快速帮助GRNN寻优获取合适的传递参数,并对变形进行有效的预测。ABC-GRNN组合预测模型,将预测结果的平均绝对误差292.9 mm、平均绝对百分比误差0.691 3%及均方根误差338.9 mm分别降低到25 mm、0.043 3%和29.5 mm,说明该模型具有更高的预测精度;ABC-GRNN模型比其他模型收敛速度快,只经过7步的迭代,即可得到最小的均方误差。与其他预测模型相比较,本文模型的预测精度更高、泛化能力更强、收敛速度更快,有较高的实用价值。     

高陡边坡岩体结构信息无人机识别与离散元数值模拟

岩体结构特征的准确表征对边坡稳定性评价具有重要影响。由于高陡边坡岩体结构的人工编录工作开展困难,结构几何信息往往获取不全面,导致边坡数值模型构建往往不理想。以江西德兴银山铜矿露天边坡为工程背景,采用无人机与运动恢复结构法(SfM)获取边坡岩体点云模型。基于点云数据建立结构面识别和解译算法,自动获取结构面产状、迹长、间距等几何信息。对比人工测量结果,无人机测量与结构面识别能够获取更符合实际的坡面与岩体结构模型。采用非均匀有理B样条(NURBS)曲面重构和“Rhino-Griddle-3DEC”联合建模方法,结合岩体结构统计模型构建离散裂隙网络DFN能够快速建立三维离散元数值模型,从而获得更好的数值模拟计算结果,满足岩质高边坡稳定性评价的需要。     

甘肃永靖黑方台灌区潜水渗流场与斜坡稳定性耦合分析

渗流场与斜坡稳定性的耦合分析是揭示灌溉诱发型黄土滑坡机理的重要途径,也是后续开展基于水位的滑坡灾害风险控制的基础.在综合分析研究区地质结构和水文地质条件的基础上,以调查、钻探、测量、三维激光扫描和监测资料为依据,联合应用Visual Modflow和FLAC3D数值模拟软件,开展潜水渗流场与斜坡稳定性的耦合分析,模型计算结果与监测及野外调查结果吻合较好,潜水渗流场的演化对斜坡稳定性具有控制作用,随着潜水位的升高,台塬周边不稳定区域逐年增加,1990、2000和2010年焦家崖头附近最大位移值分别为0.85、1.19和1.80m.     

Kinematics and 3-D internal deformation of granular slopes: Analogue models and natural landslides

This study uses results from a series of analogue models, and field observations, scanned data and sections of natural landslides to investigate the kinematics and internal deformation during the failure of an unstable slope. The models simulate collapse of granular slopes and focus on the spatial and temporal distribution of their internal structures. Using a series of systematically designed models, we have studied the effect of friction and deformability of the runout base on internal deformation within a granular slope. The results of these different models show that the collapse of granular slopes resulted in different-generation extensional faults at the back of the slope, and contractional structures (overturned folds, sheath folds and thrusts) at the toe of the slope. The failure surfaces and the volume of the failure mass changed both spatially and temporally. Younger failure surfaces formed in the back of the older ones by incorporating additional new material from the head of the slope. Our model results also show that the nature of the runout base has a significant influence on the runout distance, topography and internal deformation of a granular slope. Model results are compared with natural landslides where local profiles were dug in order to decipher the internal structures of the failure mass. The natural cases show similar structural distribution at the head and toe of the failure mass. As in model results, our field observations indicate the presence of at least two generations of failure surfaces where the older ones are steeper.     

Lessons Learned from the Landslides in Shengli East Open-Pit Mine and North Open-Pit Mine in Xilinhot City,Inner Mongolia Province,China

The locations of the 2013 eastern ShengLi open pit mine landslide and the 2010 northern ShengLi open pit mine landslide were both in the XilinHot city of Inner Mongolia province, in areas with similar geographical, regional geological, geomorphic conditions and excavation depth. There are so many similar characteristics, such as landslides triggered by the rain storms, landslides occurred many times, landslides with long time deformation, but there are also some differences between the two landslides, such as the scale and failure mode. Field investigations showed that the two landslides were both occurred several days after the rain storms, the eastern ShengLi open pit mine landslide body with the volume of 85 million m³ has been in persistent deformation with an observed maximum horizontal displacement of 58 m in August 2013, Furthermore the implemented check dams at east open pit mine had not formed an efficacious blocking system to resist the flow because of incorrect judgment regarding the landslide style. The northern ShengLi open pit mine landslide body with 0.5–1 million m³ occurred several times after each rain storm. In the whole, the time of persistent deformation about the eastern ShengLi open pit mine was much longer than that of the northern ShengLi open pit mine because of the difference of the filling material of fault and space combination between the faults and the slope. Field investigation, physical model experiments, real-time displacement monitoring and numerical simulation were implemented to investigate the characteristics, mechanism, and retaining measures of the two landslides. The insights gleaned herein may be valuable for the understanding of the mechanisms of landslides and improving preventative measures against these types of events in north China in the future.