礦山尾礦壩變形監(jiān)測技術(shù)綜述

李亞龍，劉玉峰

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 華縣 714102）

0 前言

尾礦庫作為礦山企業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)施，既是事故易發(fā)部位，也是重大危險源之一。我國現(xiàn)有尾礦庫12 600多座，其中一百萬方以上尾礦庫有800多座，儲存選礦廠排出尾礦達50億t以上，而且每年以3億t的數(shù)量在增長，造成尾礦庫壩高逐年增加，存在巨大安全隱患。

在我國礦山諸多尾礦庫中，目前處于正常運行的不足70％，有的行業(yè)44％的尾礦庫處于險、病、超期服務(wù)狀態(tài)，導(dǎo)致尾礦庫的重大事故時有發(fā)生，例如：云南錫業(yè)公司火谷都尾礦庫1962年發(fā)生潰壩，造成171人死亡；湖南柿竹園有色礦牛角壟尾礦庫1985年發(fā)生潰壩，造成49人死亡；湖北省大冶有色金屬公司龍角山銅礦1994年尾礦庫潰壩，死亡28人、失蹤3人；2000年廣西南丹縣大廠鎮(zhèn)林潤選礦廠尾礦庫突然塌壩，造成28人死亡；2006年陜西鎮(zhèn)安某黃金尾礦壩潰壩，造成17人死亡；2007年遼寧海城發(fā)生尾礦壩垮塌事故致15人死2人失蹤；2008年山西襄汾縣“9·8”特重大尾礦庫潰壩事故，277人遇難等等。這些尾礦壩重大安全事故造成了重大人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失、環(huán)境破壞，給社會帶來了嚴重的負面影響。

美國克拉克大學公害評定小組的研究表明，尾礦庫事故的危害，在世界93種事故、公害隱患中，名列第18位，它僅次于核爆炸、神經(jīng)毒氣、核輻射等災(zāi)害，而比航空失事、火災(zāi)等其他災(zāi)害嚴重。根據(jù)國際大型壩體協(xié)會（ICOLD）和美國大型壩體學會（UCSOLD）尾礦分會對尾礦壩事故的評價結(jié)果，造成尾礦壩事故的原因是多方面的，包括：漫頂、靜態(tài)條件下或地震引起的不穩(wěn)定性、滲漏及內(nèi)部侵蝕作用等，在尾礦壩體事故的主要原因中，邊坡的不穩(wěn)定是遠高于地震和漫頂?shù)牡谝灰蛩兀渎?lián)合調(diào)查的主要結(jié)論為：在尾礦庫的運行期間，尾礦壩體及周圍邊坡的監(jiān)測和控制十分重要。因此，開展尾礦壩的安全監(jiān)測工作，對提高尾礦庫的本質(zhì)安全狀態(tài)和安全管理水平，減少和控制尾礦庫運行中的危險、有害因素，減少各類隱患、降低安全風險、預(yù)防事故發(fā)生，保護企業(yè)及下游居民的生命財產(chǎn)安全，保持庫區(qū)周邊的自然環(huán)境和社會穩(wěn)定等方面都具有重要意義。

1 國內(nèi)外尾礦壩變形監(jiān)測研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷程

1.1 尾礦壩變形監(jiān)測現(xiàn)狀

尾礦壩的安全監(jiān)測項目主要有：壩體水平位移、壩體沉降、壩體固結(jié)、壩體孔隙水壓力、壩體浸潤線、壩基揚壓力、繞壩滲流量、滲流水水質(zhì)、庫區(qū)干灘距離等等，一般認為其中的壩體浸潤線、庫區(qū)干灘距離和壩體位移是關(guān)鍵的3項。對于尾礦壩的位移變形監(jiān)測主要是進行壩體水平位移和壩體沉降觀測兩項，根據(jù)冶金工業(yè)部1988年頒布的《選礦安全規(guī)程》的規(guī)定：“尾礦壩上的變形觀測點，應(yīng)定期進行觀測，地震、洪訊期間應(yīng)增加觀測次數(shù)，發(fā)現(xiàn)沉降量或水平位移量有異常變化時，應(yīng)及時向有關(guān)部門報告”。位移是壩體穩(wěn)定性狀態(tài)最直觀的反映，壩體任何變形均能在其水平位移和沉降上得到及時反映，因此，采用一定的技術(shù)方法對壩體位移進行及時、高效的監(jiān)測，建立其數(shù)據(jù)分析和預(yù)警系統(tǒng)是非常必要的。

國際大型壩體委員會（ICOLD）歷來十分重視大壩安全監(jiān)控問題的研究，自1992年成立“大壩及其基礎(chǔ)監(jiān)測委員會”以來，在一些國家中進行了廣泛的調(diào)查研究，先后制定頒發(fā)了一系列有關(guān)安全監(jiān)測的文件，這些文件集中了各國先進成熟的經(jīng)驗。從目前看來，大壩監(jiān)測已成為一個綜合性的需要多個專業(yè)支持的專門學科和技術(shù)，它包括從儀表量測、數(shù)據(jù)采集、傳送處理、儲存管理到資料解釋、分析、評估、預(yù)測等許多環(huán)節(jié)，己形成一個完整的系統(tǒng)。隨著傳感器、計算技術(shù)和軟件技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)、通信和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的飛速發(fā)展，人工施測的時代將成為歷史，大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)得到了空前發(fā)展。

1.2 國內(nèi)外尾礦壩變形監(jiān)測發(fā)展歷程

在尾礦壩安全監(jiān)測方面，國外開展較早，發(fā)展遙測儀器成為近幾年科研工作的重點。20世紀60年代末，美國、法國、意大利、日本、萄葡牙、加拿大等國在大壩自動化監(jiān)測及遙測技術(shù)方面開始了深入的研究和開發(fā)，意大利安全監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成包括自動在線實時監(jiān)視系統(tǒng)和離線復(fù)核及大壩管理系統(tǒng)，其大壩安全監(jiān)控預(yù)報模型處于世界領(lǐng)先水平；美國的大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，比較重視大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中處理，例如墾務(wù)局所屬的255座大壩的觀測數(shù)據(jù)，通過電話、衛(wèi)星通訊、計算機通訊等方式傳遞到丹佛市的工程研究中心進行分析處理。

國內(nèi)尾礦壩安全監(jiān)測普遍起步較晚，現(xiàn)在仍存在一些尾礦壩的運行狀況，依靠直觀經(jīng)驗判斷的情況，大部分礦山企業(yè)的尾礦管理系統(tǒng)，只是將相關(guān)尾礦管理資料信息化，人工利用全站儀采集尾礦壩體的形變、位移、庫區(qū)水位等相關(guān)數(shù)據(jù)，整理后存儲以供管理、分析、決策等應(yīng)用，其數(shù)據(jù)采集周期長、數(shù)據(jù)精度完全依賴觀測人員的工作經(jīng)驗、數(shù)據(jù)讀取受天氣等因素影響較大，觀測資料的可信度較低，不能做到實時、真實反映實際情況，缺乏相關(guān)的尾礦壩變形監(jiān)測處理系統(tǒng)。

從20世紀50年代開始，我國大壩變形監(jiān)測開始研究和使用人工變形監(jiān)測系統(tǒng)，利用經(jīng)偉儀、水準儀等監(jiān)測壩體變形。20世紀70年代末，我國大壩監(jiān)測自動化工作開始起步，經(jīng)歷了從單臺（支）儀器遙測、專測量裝置、集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展過程，以傳感器為基礎(chǔ)的大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)開始逐步應(yīng)用于葛洲壩水利樞紐、新豐江水利工程等壩體位移監(jiān)測。20世紀90年代開始大壩GPS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的研究，已經(jīng)成功應(yīng)用于三峽工程、黃河小浪底水利樞紐、高壩洲大壩等變形監(jiān)測。目前，多傳感器融合的大壩變形自動監(jiān)測系統(tǒng)的自動化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化技術(shù)是大壩變形監(jiān)測領(lǐng)域的研究和發(fā)展趨勢。

表1 尾礦壩變形監(jiān)測發(fā)展歷程

盡管國內(nèi)外壩體變形監(jiān)測的新技術(shù)得到快速發(fā)展，如地面攝影測量方法、GPS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)、時態(tài)GIS（Temporal GI S，簡稱TGI S）技術(shù)、變形監(jiān)測機器人高精度地面監(jiān)測技術(shù)等，變形監(jiān)測的技術(shù)和方法正由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測模式向點、線、面立體交叉的空間模式發(fā)展，但綜合考慮尾礦壩體的特殊環(huán)境和布設(shè)特點、監(jiān)測方法的有效性和實用性、變形數(shù)據(jù)的精度要求和周期影響、野外環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性等方面的因素，這些基于新技術(shù)的自動化實時監(jiān)測手段并不能完全取代傳統(tǒng)大地測量方法對壩體變形監(jiān)測的直觀反映，傳統(tǒng)常規(guī)大地測量方法仍然是一些尾礦壩體變形監(jiān)測的首選。

2 尾礦壩體變形監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與展望

2.1 傳統(tǒng)的監(jiān)測方法

尾礦壩體變形監(jiān)測的傳統(tǒng)方法，指采用經(jīng)緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等常規(guī)測量儀器測定尾礦壩體監(jiān)測點的水平位移和高程沉降。水平位移測量就是測定壩體每個監(jiān)測點的水平位移，其特點是精度要求高、視線距離短，通常采用三角網(wǎng)、邊角網(wǎng)、三邊網(wǎng)以及角度距離交會、導(dǎo)線測量等形式，具體方法主要有視準線法、激光準直法等。沉降觀測，就是利用尾礦壩上的監(jiān)測點組成附合水準路線，定期測量監(jiān)測點的高程變化情況，根據(jù)各監(jiān)測點的高差變化，計算尾礦壩的沉降量、傾斜率、曲率、構(gòu)件傾斜率以及沉降速度，確定沉降變形對尾礦壩破壞影響程度。

傳統(tǒng)監(jiān)測方法的優(yōu)點是：①能夠提供整體變形狀態(tài)；②適用于不同的監(jiān)測精度要求和不同的監(jiān)測環(huán)境；③可以提供壩體絕對變形信息；④設(shè)備穩(wěn)定、可操作性強。但由于其布點受多方面條件的制約，施測受天氣、環(huán)境等多種影響，數(shù)據(jù)采集的人為偶然誤差較大，外業(yè)工作量大、監(jiān)測成本高、自動化程度差，使得效率很低，耗時、費力且經(jīng)常出現(xiàn)粗差，已難以滿足當今尾礦壩安全監(jiān)測的要求。

2.2 現(xiàn)代監(jiān)測方法

目前，尾礦壩變形監(jiān)測的技術(shù)和方法正由傳統(tǒng)的單一監(jiān)測模式向點、線、面立體交叉的空間模式發(fā)展，主要的新技術(shù)和方法有以下幾種：

⑴變形監(jiān)測機器人。測量機器人（Measurement Robot，或稱測地機器人Geo-robot）是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀，可用于尾礦壩的自動化變形監(jiān)測。

⑵地面攝影測量方法。在壩體周圍選擇穩(wěn)定的點安置攝影機，對尾礦壩進行攝影，然后通過內(nèi)業(yè)量測和數(shù)據(jù)處理得到尾礦壩上目標點的二維或三維坐標，比較不同時刻目標點的坐標變化得到它們的位移。

⑶計算機層析成像（CT技術(shù)）。在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)在物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、X線光強）的一維投影數(shù)據(jù)，運用一定的數(shù)學方法、通過計算機處理，重建物體特定層面上的二維圖像以及依據(jù)一系列上述二維圖像而構(gòu)成三維圖像的一門技術(shù)。

⑷光纖傳感技術(shù)。光纖傳感是利用光導(dǎo)纖維來感受各種物理量并傳送所感受信息的一種新技術(shù)，凡是電子儀器能夠測量的物理量，如位移、壓力、流量、液面、溫度等，光纖傳感器幾乎都能測量。光纖靈敏度相當高，其位移傳感器能測出0.01 mm的位移量，溫度傳感器能測出0.01℃的溫度變化。

上述技術(shù)方法都具有自動化程度高、全天候、連續(xù)、實時、操作簡便、數(shù)據(jù)傳輸處理方便等優(yōu)點，但大多數(shù)礦山尾礦壩都處在偏遠、惡劣的環(huán)境，制約因素較多，因此在實際應(yīng)用中仍存在一些問題：①設(shè)備管理、維護、保護困難；②儀器穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性不能保證；③變形監(jiān)測實際精度大多不能達到設(shè)計要求；④投資費用較大。

2.3 GPS用于變形監(jiān)測的現(xiàn)狀

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）是美國國防部研制組建的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有精度高、速度快、全天候、連續(xù)、同步、自動化程度高，且能同時獲得3維坐標等優(yōu)點，它的出現(xiàn)使得測量定位技術(shù)產(chǎn)生了一場深刻的變革，近年來在大地測量、精密工程測量、地殼形變監(jiān)測、城市測量、石油勘探、資源調(diào)查等領(lǐng)域已成功地得以應(yīng)用和普及推廣，極大地推動了相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步。自20世紀90年代以來，GPS技術(shù)在滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和地裂縫等各種地質(zhì)災(zāi)害和重大工程建筑的變形監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，取得了較好的效果。

1984年美國在斯坦福粒子加速器的工程測量中采用GPS定位技術(shù)，平差后平面位置精度為1～2 mm，高程精度為2～3 mm；我國大港油田地面垂直位移監(jiān)測網(wǎng)中采用GPS定位技術(shù)，大地高測定精度達到3～4 mm；我國第一個全自動GPS監(jiān)測系統(tǒng)——湖北清江隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)于1997年8月建成運行至今，這都顯示了GPS技術(shù)用于變形監(jiān)測的巨大優(yōu)勢。目前對于GPS精密測量，采用性能優(yōu)良的接收機和較好的數(shù)據(jù)處理軟件，平差后點位的平面位置精度為1～2 mm，高程精度為2～3 mm，完全能滿足尾礦壩變形監(jiān)測的精度要求。

當前國內(nèi)對GPS用于壩體變形監(jiān)測方面的研究，主要體現(xiàn)在基于GPS一機多天線技術(shù)的GPS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于馬鞍山南山礦尾礦壩、小灣電站高邊坡監(jiān)測、小浪底大壩、黑代溝尾礦庫、潤江大橋等多處壩體、邊坡、橋梁、公路沉陷的變形監(jiān)測。圖1是某壩體GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.4 尾礦壩體變形監(jiān)測技術(shù)展望

尾礦壩壩體變形監(jiān)測的發(fā)展趨勢，是多學科的融合，是自動化、數(shù)字化、實時化、智能化、集成化、內(nèi)外一體化，是在壩體破壞剛開始或?qū)⒁_始時實現(xiàn)大壩的安全預(yù)警功能，是基于科學技術(shù)手段不斷發(fā)展而體現(xiàn)的壩體安全監(jiān)控專家系統(tǒng)。

尾礦壩變形監(jiān)測的硬件技術(shù)將與精密儀器學、電子傳感技術(shù)、3S技術(shù)、通訊技術(shù)、影像技術(shù)等緊密聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動化、實時、連續(xù)性和高精度，并向“科傻型”方向發(fā)展。而基于集成軟件的變形分析和決策支持，將實現(xiàn)多媒體系統(tǒng)和模擬仿真技術(shù)等應(yīng)用于監(jiān)測系統(tǒng)，從物理力學角度運用多學科相關(guān)知識分析、擴充大壩安全評估專家系統(tǒng)的知識庫和方法庫，形成大壩安全監(jiān)控專家系統(tǒng)，實現(xiàn)壩體變形研究和安全預(yù)警。當然，在尾礦壩變形監(jiān)測安全監(jiān)控領(lǐng)域，這些技術(shù)應(yīng)用于壩體變形監(jiān)測還不完全成熟，有些還處于研究探索階段，但它們已顯現(xiàn)出了一定的實用性。

3 結(jié)束語

目前，尾礦壩變形監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)外迅速發(fā)展，其技術(shù)應(yīng)用與革新一日千里。我們有理由相信，隨著各學科最新技術(shù)應(yīng)用于尾礦壩變形監(jiān)測的程度更深入、壩體安全監(jiān)控專家系統(tǒng)的集成化更有效、壩體變形研究決策支持和安全預(yù)警系統(tǒng)更成熟，杜絕尾礦壩事故的發(fā)生指日可待。

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