[发明专利]开挖扰动岩质边坡失稳预警系统及方法

权利要求书

1.一种开挖扰动岩质边坡失稳预警系统，其特征在于：该系统包括微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统和预警预报分析系统；

微震监测系统用于现场24小时连续采集微震数据，并且监视微震监测系统是否正常运行，所述微震数据包括对开挖过程中边坡岩体受应力扰动损伤、破坏过程中能量、时空位置信息的定位；

网络传输系统用于微震监测设备将采集到的微震数据通过GPRS网络及时发送到远程数据分析中心的服务器，实现对微震数据的及时管理和分析；

数值计算分析系统用于对地质力学模型进行计算分析，对开挖诱发的高应力区进行模拟分析与预测，实现与微震数据的互馈分析，根据变形加速及应力迁移特征，初步标定滑坡危险区域；

虚拟现实系统用于对边坡整个开挖过程的三维虚拟显示，包括围岩的变形演化、应力迁移、微震事件及能量的三维空间分布；

预警预报分析系统综合分析微震监测系统、网络传输系统、虚拟现实系统、数值计算分析系统的结果，建立基于微震监测和数值模拟的岩质边坡失稳预警方法，形成基于微震监测和数值模拟的实时边坡失稳危险性评价系统。

2.根据权利要求1所述的开挖扰动岩质边坡失稳预警系统，其特征在于：微震监测系统包括微震监测硬件和微震监测软件；微震监测硬件包括微震传感器、电缆、光纤、GPS天线、授时服务器、时间信号接收器和机架式WatchDog；微震监测软件包括HNAS软件、HNAS Ring Buffer软件、Achiever软件、Seismic Database软件、WaveVis软件、SeisVis软件、SeisProcTree软件和PalDiagonstics软件。

3.根据权利要求1所述的开挖扰动岩质边坡失稳预警系统，其特征在于：网络传输系统包括网络传输硬件和网络传输软件；网络传输硬件由服务器、RS232接口、数据传输单元DTU、区域监控站DSS、服务GPRS支持节点SGSN、防火墙、路由器、APN接入路由器、网关GPRS支持节点GGSN和调制解调器ADSL MODEM组成；网络传输软件包括相关驱动软件、加密软件及其序列号。

4.根据权利要求1所述的开挖扰动岩质边坡失稳预警系统，其特征在于：数值计算分析系统包括数值计算分析硬件和数值计算分析软件；数值计算分析硬件为高性能计算机，数值分析软件包括用于微震数据显示的MMS-View显示系统和用于边坡整体三维地质力学模型的应力场分析、考虑微震损伤效应的边坡稳定性分析的数值计算程序。

5.根据权利要求1所述的开挖扰动岩质边坡失稳预警系统，其特征在于：虚拟现实系统包括虚拟现实硬件和虚拟现实软件；虚拟现实硬件包括主动立体投影机、立体眼镜、红外线信号发射器、画面融合矫正机、两面墙投影幕及机械结构、交换机、零中断电源控制机、线材、G-Motion光学追踪摄像头、图形管理工作站、四台图形渲染工作站；虚拟现实软件包括G-Motion光学追踪软件、数值计算结果-虚拟现实接口程序、DVS3D虚拟现实显示及交互软件。

6.根据权利要求1所述的开挖扰动岩质边坡失稳预警系统的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据地质条件确定边坡的潜在滑动面及边坡的潜在滑动范围，确定微震传感器布置方案；确定微震传感器布置方案的布置原则：①沿深度方向，将传感器布置在潜在滑动面两侧；②在平面上，传感器交差布置包围边坡的潜在滑动范围；③传感器之间的间距控制在80-120m，局部加密；根据现场实践情况确定微震监测系统网络拓扑图，建立并调试微震监测系统；对微震监测系统采集到的波形型号进行识别，确定是否为微震事件；对微震事件的P波和S波起振位置进行确定，从而对微震事件进行定位，并计算相应的震源参数，并存储于ESG数据采集和处理服务器；

(2)通过网络传输系统，将微震监测结果发送至数值计算分析系统中的数据存储服务器；

(3)基于微震破坏释放能量与岩体力学参数之间的关系，建立考虑微震破坏释放能量的岩体劣化准则修正岩体力学参数；选取合适的时间窗口，将现场监测到的监测数据用于修正岩体力学参数，并修正好的岩体力学参数代入到三维有限元模型，进行大规模科学计算反馈分析，实现考虑微震损伤效应的岩质边坡稳定性评价分析；

(4)通过虚拟现实系统，对边坡整个开挖过程进行三维虚拟显示，包括三维有限元模型计算的坡体变形场、应力变化的三维空间分布，以及现场监测到的微震事件及能量的三维空间分布；

(5)将微震监测结果和三维有限元模型计算结果传送至预警预报分析系统，通过分析边坡微震监测结果，揭示开挖扰动作用下边坡岩体微震活动性分布规律，识别和圈定边坡深部岩体诱发的损伤区域；建立基于微震监测的边坡稳定性评价方法：采用B值法、视应力与视体积判断法和纵波和横波能量比值法来评价岩质边坡致灾的可能性；将基于微震监测的边坡稳定性评价方法与考虑微震损伤效应的数值计算结果反馈分析相结合，实现对边坡失稳的实时监测和预警。