关键词：边坡；监测；方法
边坡变形监测的主要目的是了解边坡在采矿、剥离、爆破和降雨影响下的变形活动特征，判断边坡的稳定状态，保证生产建设活动的安全进行，同时通过监测了解不稳定边坡体的演变过程，为不稳定边坡的预测预报及工程治理提供可靠的数据资料和科学依据。某露天矿采用边坡雷达进行变形监测，旨在获取精度高、连续性强的滑坡变形数据。在使用列表、作图和统计等手段的基础上，通过边坡雷达位移和速度等监测数据的解读，综合分析在爆破、降雨影响下边坡监测数据的变化，达到判断当前边坡稳定状况的目的，并为该露天矿下一步工作方案、采矿进程和爆破预裂方式的制定提供决策依据，对实际采矿生产有着重要的指导意义，显著提高了矿山的生产效率，同时保障了矿山的安全生产。
一、边坡监测方法的分类
监测项目的选取决定了其所使用的监测方法。一般常用的监测方法可分为4类：①简易观测法，是针对边坡中地表沉降、地面鼓胀、裂缝、岩石坍塌、地下水位变化及地温变化等现象，采取人工直接观测的一种定性判断观测法；②设站观测法，是指依据边坡工程地质资料，将测量仪器（水准仪、经纬仪、摄影仪或全站型电子速测仪或GPS 接收机等）固定在变形区影响范围外的稳定地点作为基站，对边坡上设立的线状或网络状变形观测点定期进行三维（X、Y、Z）位移测量的一种宏观监测方法；③仪表观测法，对比设站观测法少了设站环节，即通过精密仪表仪器直接对边坡的水平垂直位移、倾斜变形、地表裂缝、深部位移、地应力、微震与声发射及地下水等方面进行实时监测，是一种局部监测手段；④ 远程观测法，是基于快速的发展空间技术和网络技术，逐渐将各种先进的自动遥测系统应用于边坡工程，对边坡的变形、崩塌等进行连续自动化遥测的高效监测方法。
二、边坡监测技术及原理
1、合成孔径雷达监测法。成像雷达技术是通过安装在卫星或飞机上的雷达以无线电波为媒介对地实施主动微波遥感技术。其原理为：雷达向指定探测目标物体发出微波脉冲，然后接受目标物体反射回来的回波信号，根据信号的强弱经反演得到目标物图像。目标的距离与方位则通过计算辐射能量传播到目标并返回的时间和测量回波信号的到达角确定。合成孔径雷达（D- In SAR）是利用双天线系统或重复轨道法实现相位和振幅观测值的干涉，达到监测的目的。即将同一地区的两幅干涉图像（一幅是由形变前的两幅SAR图像获取的干涉图像，另一幅是由形变后两幅SAR图像获取的干涉图像）进行分处理（除去地球曲面、地形起伏影响），获取地表微量形变。优点：遥感式测量；测量精度高；监测范围广，不需要通视；全天候、全气候条件观测；实时处理、实时传输、高自动化智能控制；空间分辨率极高。缺点：易受其他信号的干扰；维护和更换的成本高。
2、三维激光扫描技术。激光以其单色性好、亮度高、方向性好等优点已被广泛应用于现代边坡监测领域。地面三维激光扫描技术是一种以点云的形式快速获取地形或监测物体表面阵列式几何图形数据的非接触式高速激光测量技术。其基本工作原理是：扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接收的时间差计算出相应被测点与扫描仪的距离，再根据水平方向和垂直方向的步进角距值，即可实时计算出被测点的三维坐标，并将其送入存储设备予以记录储存，经过相应软件的简单处理，即可提供被测对象的三维几何模型。优点：测量速度快，密度高，地毯式监测；操作简单，无接触式测量，反映坡体的总体变形趋势；彩色图像化呈现和分析测量结果。缺点：精度稍低，更适合大变形露天矿山边坡的监测使用；数据存储量大，需海量存储空间；数据采集时受到地形及施工的影响。
3、时域反射法（TDR）。时域反射法是一种雷达探测技术，从70年代开始逐渐应用于岩土工程领域，主要用于对边坡岩体的倾斜变形监测。其原理为：电脉冲信号发生器发射的电磁波受到周围介质的介电常数的影响，使得其在电缆中传播的速度明显变化，导致电缆的电导率变化，从而引起信号的衰减，通过分析接收的反射信号就能得到电缆的阻抗特征，再经过反演就可以得到电缆周围不同部位的地质信息。另外一种光时域反射法（OTDR），它是利用光纤进行测量的时域反射法。其原理为：通过光纤将某个光源发射的脉冲经由被测岩体反射到探测头，并通过传感器输出变化的信号即可得到被测参数（如地下水、裂缝等）在空间上的分布变化情况，通过计算光波的传输速度，确定光源与测点的实际距离。优点：① 相比传统的测斜仪质量轻，体积小，耐腐蚀，抗电磁干扰，灵敏高；② 操作方便，监测时间短，数字化程度高，可实现远程控制；③ 能快速确定边坡的变形及深部应力的大小；④ 实现多线、多面分布式测量；⑤ 比较经济，实用性强。缺点：① 电缆或光纤的铺设技术还不先进；②监测距离及点数受其他光源的限制。
4、测量机器人（自动全站仪）。测量机器人RTS是在全站仪的基础上，结合步进马达、CCD阵列传感器、自动目标识别传感装置等组成的新型监测仪，具有自动跟踪目标、自动照准、自动测距、自动测角、自动记录等特点。其工作原理为：在监测区域以外相对稳定的地方建立基站（包括设站点与参考基准站）组成工作基点网，然后架设自动全站仪以激光照准，在每一个测量周期内均按极坐标原理分别采集参考基准站和变形点的斜距、天顶距、水平角，并将参考基准站的测量值与其真实值相比较，排除因天气、温度及仪器等各种因素影响产生的差异，便可得到变形点的实际坐标，最后通过无线信号或电缆将数据传输至监控室。
5、声发射与微震监测。岩石或岩体在力的作用下其内部能量不断集聚并产生破坏，主要表现为裂纹的产生与扩展，以及岩体的断裂等。伴随着裂纹的形成与扩展，岩体会产生应力松弛，贮存在其内部的应力将以弹性波或应力波的形式释放出来，按照能量的不同形成地震、微震及声发射。声发射与微震监测就是利用安装在有效范围内的传感器将岩体发出的信号及时有效地回收，然后通过反演方法得到岩体断裂或微破裂发生的时刻、位置和性质。最后根据断裂或微破裂的大小、集中程度和破裂密度，推断出岩石宏观破裂的发展趋势，这便是声发射和微震监测技术的核心思想。
6、锚索应力监测法。岩体内部应力状态决定了岩体表面的变形特征。因此，监测岩体应力的变化往往更能及时有效地获取边坡变形的规律。目前应用比较广泛的边坡内部应力监测方法就是锚索应力监测。其原理为：依据现场工程地质资料，将有可能出现滑坡的区段用锚索进行锚固，并在锚头上安装应力传感器，以便及时获取该部分岩体内部的应力变化情况。然后将这些动态数据以无线方式传输到监测中心，实现对边坡内部应力动态信息的实时监测。绘制并对比不同滑坡情况下的应力变化曲线模式，得到该边坡整体的应力监测分析图形。
三、边坡雷达系统在露天矿边坡监测中的应用
1、S－SAR合成孔径边坡雷达
边坡位移监测合成孔径雷达系统( S－SAR) 是基于地基合成孔径雷达差分干涉技术的高级远程自动监控系统，可对大范围边坡进行定点连续监测，同时该设备能够及时对各种危险区域做出灾害预报，极大地减少或避免灾害对国家和人民生命财产造成的损失。S－SAR在露天矿的应用，根据实际需求，宜在主边坡对面的稳定地点建立边坡雷达监测室，S－SAR系统的监测数据由网络传输，实现了高智能的无人值守远程监控。S－SAR的基本原理是通过陆基轨道携带雷达天线运动，形成直线合成孔径，通过步进频率连续波技术获取观测区域的高分辨率二维图像。把同一目标区域，不同时间获取的SAR复图像结合起来，比较目标在不同时刻的相位差，可获得目标的毫米级精度位移信息。再利用网络远程控制系统实现全天候自动监测，当边坡变形量和变形速率达到预警级别时，提前发出灾害信息。
1、监测目标与内容
（1）监测目标。S－SAR雷达系统能够实现全年实时采场边坡监测，根据监测数据评判采场边坡安全状态; 建立分级预警阈值，实现设备初级预警、专家综合预警的应急管理模式。
（2）监测内容
整体表面位移。边坡雷达对主边坡进行扫描能够得到主边坡区域整体位移情况。边坡管理人员可以直观地从视频图中了解到整个露天采场存在危险或者潜在危险的区域，具有针对性地对上述区域制定相应的边坡治理措施，及时遏制潜在危险。
关键点位移。在开采生产过程中，不仅能实时监测整体的位移情况，而且能够对特殊的关键点进行单点监控。滑坡面边坡一旦形成大面积的地表移动，就构成了一个滑坡体，如果不及时进行治理，边坡上的岩土体会在重力作用下沿着软弱结构面整体向下滑动，尤其在降雨条件下会加速滑坡体下滑，影响正常开采生产，甚至造成人员伤亡。时间段位移、变形速度及加速度可以对过去的任一时间段进行数据的查询，综合分析位移在时间上的变化。
滑坡的预警预报。通过合成孔径边坡雷达S－SAR的专业监测，结合地质分析和定性判断，能够在不同的岩性、构造等地质条件下设置不同的预警阈值。根据矿山的地质水文条件，结合专家评议和经验值设置合适的预警阈值，并将被监测区域划分为不同的危险级别。当边坡变形参数超过预警阈值时，预警系统会通过声光、短信、邮件等多种方式发出警示信息，相关管理人员在收到预警信息后，会根据具体情况迅速做出人工决策，启动相应的应急预案，最大程度降低滑坡发生的概率和滑坡灾害造成的损失。
2、数据分析。S－SAR对边坡进行变形监测过程中，为了获得较高的图像质量和进行相位解缠的需要，往往要对干涉相位进行滤波优化，以提高干涉相位图的信噪比、变形监测的精度与可行性。例如在中亚热带湿润型季风气候区，一年四季均受季风影响，冬季盛行东北季风，夏季盛行西南和东南季风。春季阴雨连绵，雨量充沛，当降雨入渗坡体后，会使滑坡体物质，尤其是滑带土软化，黏性土在水的浸泡下导致吸附水膜厚度显著增大，使其抗剪强度参数值降低，从而降低坡体的稳定性。在雷达数据位移折线图中发现某平台位移量较大，根据颜色区分位移变形程度，选取变形量较大关键点进行分析，得到位移变形量与时间的折线图，如图所示。
由图可知，6 个点的位移变形趋势大致一致，该变形坡体为整体缓慢滑移，还未发生崩解滑坡，其中最大的累计变形值为47 mm，已知岩性、构造等地质条件下设置的预警阈值为50 mm/d，故雷达未发生预警信息。但是从发展速度上分析，从0 时到10 时，6个关键点的变形量一直处于增长状态，而且在6 时到10 时间的增长速度明显增大，若不及时分析治理，有可能会发生滑坡地质灾害。考虑到降雨是诱发滑坡的主要因素，因此防止雨水聚集渗透进入坡体是解决问题的关键。经过该平台的人工巡查，发现台阶表面存在坑洼地且聚集了一定量的雨水，滑坡体的后缘存在张开的竖向裂缝。经过决策宜采取以下措施: ①对可能受到滑坡体影响的区域进行人员疏散; ②人工清理积水并开挖排水沟; ③填补后缘存在的竖向裂缝。人工治理工作完成，以后坡体的变形量并没有继续增大，甚至逐渐减少。分析可知，一周的降雨使得雨水入渗坡体，导致坡体的抗剪强度降低，因此产生滑坡倾向。随着雨水的增多，渗入量增大，坡体原来处于干燥或非饱和状态的土体达到饱水状态，坡体的容重由原来的天然容重变为饱和容重，相当于使滑坡体的总体重量增加，下滑力增大，从而降低了坡体的稳定性。而且坡体的坑洼地带聚集了一定量的雨水，积水通过后缘的竖向裂缝灌入坡体，形成一定的水位，并由此产生静水压力，相当于在坡体的后缘施加了一个推力，最终导致位移量大幅度增加。根据雷达监测数据，及时发现险情并采取相应措施，阻止了雨水的继续渗透，堵住了地表水灌入坡体的通道。随着降雨停止，雨水量不再增加甚至因蒸发而减少，使得坡体容重不再增加，后缘的水平推力减少。最终， 坡体的变形量不再增加且有减少。事实证明，S－SAR监测系统的数据是准确、有效的。
雷达、无线电等远程发射与接收装置结合其他新型监测仪器组成智能监测系统，将是未来一段时间内边坡监测发展的趋势。另外，将先进的测量技术特别是光纤传感、遥感监测、无线传输等技术应用到露天矿上，也是一个重要突破口。此外，配合高速迅捷的监测设备，必须有自己的数据处理软件和监测结果对比数据库，不断地开发新软件、完善数据库，实现从安装到监测再到结果分析以及预警方案的高智能化。借助计算机网络，将工程地质条件、管理人员以及其他相关信息，全部储存在数据库中，并随着信息的变化及时增加、修改和调整，达到使决策者通过借助计算机，了解工程实施过程中的地质条件及人员情况，以便及时作出决策，防止安全事故发生的目的。
虽然我国在自动化监测的设计与布置、数据采集与传输、结果分析与预警等方面做了很多的尝试与改进，但是要想达到世界顶级水平，真正做到全自动智能式监测，还需要更多的探索与研究。
参考文献：
［1］孙新虎．雷达监测系统在煤矿边坡监测中的应用［J］．煤矿安全，2017，44（8）：10．
［2］程斌，刘文胜，陈能革．凹山采场边坡稳定性监测监控系统［J］．现代矿业，2016（10）：13．
［3］杨俊，乞耀龙，谭维贤． 地基SAR 图像与地形数据的几何映射三维匹配方法［J］．中国科学院大学学报，2016，32( 3) ．
［4］杨晓琳，谭维贤，林赟．基于单特显点调频连续波阵列SAR系统幅相误差校正方法研究［J］． 电子与信息学报，2017，36( 11)7．
［5］赵东寅，申其鸿，马海涛．国产地基合成孔径雷达监测预警系统在紫金山金铜矿露天采场边坡位移监测的应用［J］．中国安全生产科学技术，2016(4) : 54-58．
论文作者:杨国华 史博
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年19期
论文发表时间:2019/11/14
标签：位移论文; 应力论文; 滑坡论文; 露天矿论文; 测量论文; 孔径论文; 目标论文; 《工程管理前沿》2019年19期论文;