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论文翻译
应用地质统计模拟算法定量确定结构和岩土参数的不确定性并应用于有限勘探资料下的稳定性分析研究
Uncertainty quantification of structural and geotechnical parameter by geostatistical simulations applied to a stability analysis case study with limited exploration data
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单位： |
Michigan Technological University |
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院系： |
Geological and Mining Engineering and Sciences |
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作者： |
Katelyn Kring , Snehamoy Chatterjee |
摘 要
影响岩石结构稳定性分析的不确定因素很多。这些因素的量化会严重影响工程决策过程。其中一些因素在地质区域内呈空间分布，空间不确定性的量化有利于结构的稳定性分析。本文提出了一种综合考虑空间变化因素的岩体结构稳定性分析方法。本研究模拟了两个关键因素：一个分类结构参数（断层带）和一个连续岩土参数（岩石质量指标（RQD））。通过生成多个断层带和RQD值的等概率模拟图，应用了两种地质统计模拟算法，即序贯指示器模拟和序贯高斯模拟来量化空间不确定性。通过对空间变化的断层带和RQD进行建模，可以进行边坡稳定性分析。使用模拟数据集验证了所提出的方法。模拟数据的结果表明，模拟数据的稳定性值与从模拟数据计算出的稳定性值非常匹配。最后，将所提出的方法应用于有限的勘探数据的露天矿山设计的边坡稳定性分析中。分析了被研究矿山的地质统计模拟的RQD图，以确定露天采矿作业的安全边坡角为44°。该方法可用于其它岩土工程风险的量化，并可应用到任何稳定性分析体系中。
关键词:边坡稳定性；不确定性；地质力学；地质统计学模拟
Abstract
There are many uncertain factors impacting stability analyses of rock structures. Quantification of these factors significantly impact the engineering decision making process. Some of these factors are spatially distributed within the geological domain, and the quantification of the spatial uncertainty is beneficial for stability analysis of the structure. This paper proposes an integrated methodology for a stability analysis of rock structure by incorporating spatially varying factors. This research models two key factors: one categorical structural parameter (fault zones) and one continuous geotechnical parameter (rock quality designation (RQD). Two geostatistical simulation algorithms i.e., sequential indicator simulation and sequential Gaussian simulation are applied to quantify the spatial uncertainty by generating multiple equiprobable simulation maps of fault zones and RQD values. A slope stability analysis is performed by modeling the spatially varying fault zones and RQD. The proposed method is validated using a synthetic data set. The results from the synthetic data show the sta- bility value of the synthetic data closely match with stability value calculated from simulated data. Finally, the proposed method is applied to a slope stability analysis for an open pit mine design where limited exploration data is available. Geostatistically simulated RQD maps from the case study mine are analyzed to determine a safe slope angle of 44°for the open pit mining operation. The proposed method can be applied for quantifying other geotechnical risk and integrated within any stability analysis framework.
Keywords: Slope stability；Uncertainty; Geomechanics；Geostatistical simulation
目 录
1.前言
岩体的地质力学性质是优化露天矿设计结构稳定性的关键因素。通过加深岩土力学性质的了解可以显著提高对岩体性状在最小化露天采矿边坡破坏风险中作用的认识。经济学限制了矿区详尽的地质力学性质的可用性，这使得结构稳定性分析更具挑战性。采矿和岩土工程师通常基于实验室和现场观察中有限的岩土力学性质，使用建模技术来创建矿区的岩土模型。
传统上，会根据研究矿区的可用岩土力学，岩土和结构数据创建确定性边界模型，将矿场划分为几个岩土区域。1,2在每个岩土工程中分配恒定的岩土力学属性值并通过平均属于该域的所有数据来确定域。然后对该模型进行分析，以确定露天采矿作业的边坡稳定性。由于该模型假定岩土工程区域内具有同质性，因此忽略了岩体属性的空间异质性，进而生成了不准确的岩土力学参数。3最近，研究人员开始使用地质统计建模方法来捕获地质力学性质的异质性。4–10地质统计方法是最有利的，因为它们在数学上对变量的随机特征和结构化特征进行建模。但是，用地质统计学对地质力学属性的空间异质性进行建模需要特别注意与属性相关的不确定性。在岩土工程分析和设计中经常遇到不确定性因素。这种不确定性有很多来源，包括：自然形成的固有随机性，模型不确定性，模型参数不确定性或数据不确定性。虽然在实验室中量化土壤和岩石性质很简单，但不确定性在于如何用小规模样品代表大体积岩体。
一般来说会使用安全系数法来评估边坡。地质力学性质、地质、环境条件、破坏机制、孔隙水压力和荷载条件的不确定性限制了安全系数法的使用。11仅考虑地质力学性质的不确定性，对风险进行分析时必不可少地进行露天矿的边坡稳定性分析。传统的边坡稳定性分析没有定量考虑岩土力学性质的不确定性。考虑这种不确定性，采用概率方法安全系数的计算优于常规边坡稳定性分析。12近几十年来，已经提出了结合不确定性因素的边坡稳定性分析方法。13–15概率边坡稳定方法在给定一组具有特定统计特性的随机输入变量的情况下，计算安全系数值的完全分布。根据安全系数值的分布，确定断层概率。但是，使用这种方法分析性地计算安全系数值的分布在计算上效率低下。基于仿真的算法（如蒙特卡洛仿真）可获取边坡安全系数值分布的估计值。尽管蒙特卡罗模拟已成功地应用于边坡稳定性分析，但过去的研究在计算安全不确定性因素时常常忽略了地质力学性质的空间异质性。据作者所知，目前还没有一项研究将地质力学性质的空间异质性和褶皱、断层、堤坝等地质扰动的空间不确定性结合起来。地质构造对边坡的稳定性有着至关重要的影响，在进行边坡施工时，必须考虑到这些构造稳定性分析。本研究在露天矿采场边坡稳定性分析中，既考虑地质力学性质，又考虑地质构造因素。
勘探钻探数据是来自采矿现场的岩土和结构参数的主要来源。对这些钻孔岩心进行分析，以了解场地的岩石性质（如矿物学、岩性、结构地质学、岩土工程性质等）。经济、环境和技术限制适用于探井调查。在一个地区的每一个感兴趣的地点进行钻探也是完全不可能的。用基于实测值的地质统计学方法模拟岩体的地质力学参数克服了这些局限性。
用两种通用的模拟方法来插值地质力学性质：确定性和随机性。确定性方法估算一个位置的单个模拟值，并假定该值是具有完全确定性的该位置的精确值。16邻域的数目可以是全局的（即，数据集中的所有值）或局部的（即，组成邻域的指定数目的值）。最近邻法和反距离加权法都是局部确定性方法。16随机方法估计一个位置的多个值并分配一个每个建模值的存在概率，为每个位置创建一个分布值。16克里格法是一种线性回归模型，旨在减少每个位置的估计方差。16数据的建模方式确定了所应用的克里格方法的类型（例如，简单克里格法，常规克里格法，趋近克里格法，通用克里格法，对数正态克里格法和指标克里格法）。这些估计方法受到过平滑效果的限制，它会不规则地忽略极高和极低的值。16从特定类型的概率模型生成结果，以克服基于克里格法的估计方法的局限性。模拟会创建反映空间变异性和杂合性的地图岩石质量参数是以前的估算方法无法做到的。17与估计方法相比，模拟在说明极高和极低结果的临界模式时更为敏感。17当现场数据有限时，边坡稳定性分析是地质统计模拟图的一种可能应用。
本文提出了一种在不确定的地质构造和岩土参数下露天开采边坡稳定性分析的方法。通过应用分类（地质结构）和连续（岩土参数）地质统计模拟算法来量化不确定性。使用模拟数据集验证了所提出的方法，并将该方法应用于露天金矿。该矿只有有限的岩土数据。因此，我们的展示重点在于如何使用有限的数据来进行稳定性分析。但是，所提出的方法可以应用于任何给定的岩土参数集。在本文中，我们对结构参数，断层和岩土参数岩石质量指定（RQD）进行建模，这是被研究矿坑中唯一可用的参数。RQD是相对于整个岩芯程长度而言超过10cm的岩芯碎块的百分比。18有五种岩石质量名称：非常差（0％ RQD lt;25％），差（25％ RQD lt;50％），合理（50％ RQD lt;75％），良好（75％ RQD lt;90％）和优秀（90％ RQD 100％）。18以往的研究表明，RQD与隧道设计的莫尔-库仑破坏准则相关。 19此外，岩体强度与RQD和修正后的联合观测值相关联。20通过事先声明来预测五个RQD值（对应于五个RQD名称）的摩擦和内聚力分量。19注意事项包括（1）适用于近地表岩石和（2）在各向同性模型中谨慎使用摩擦分量预测值。尽管该方法是间接的方法来计算摩擦和内聚力分量，但是当无法直接测量值时，它是高效而简单的。预测的RQD值用作获取边坡安全系数的输入。19多个RQD和断层模拟会生成多个安全系数。安全系数用于边坡角设计的不确定性评估和可靠性计算。并采用极限平衡法计算安全系数。
本文在对有限数据的露天矿场进行建模时，独特地考虑了地质结构和地质力学性质。所提出的将地质结构和岩土工程参数的空间不确定性结合在一起的方法论，也可以应用于隧道，公路路堑或任何对有限数据的偏远地区进行岩石稳定性或
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