邊坡雷達系統(tǒng)在露天礦邊坡監(jiān)測中的應用

吳星輝 璩世杰 馬海濤 吳曉丹 藍 宇

(1.北京科技大學土木與環(huán)境學院，北京 100083；2.中國安全生產科學研究院，北京 100012；3.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司,廣東 韶關 512127)

廣東省大寶山礦業(yè)有限公司位于韶關市南約40 km的曲江縣沙溪鎮(zhèn)境內。礦區(qū)地形屬嶺南中高山地，礦床處于2條近南北走向的山脊之間的小型向斜盆地中，山嶺呈南北走向，北高南低，海拔高度為300～1 068.9 m，設計生產能力達330萬t/a。目前大寶山礦已開展330萬t/a銅硫礦采選工程剝離工作，最低作業(yè)平臺為661 m，2014年底開溝至649平臺。在生產過程中，露天采場作業(yè)面巖體易破碎且邊坡長期受到風化剝蝕和采空區(qū)塌陷的影響,導致整個坡面的完整性受到一定的破壞[1]。隨著開采程度的加深，臺階面會因生產爆破產生的振動崩塌、開裂變形，形成寬窄不一的裂縫，使得邊坡穩(wěn)定性對安全生產的重要性越發(fā)明顯[2]。根據大寶山礦露天邊坡現狀，為保證礦山安全經濟開采，防止發(fā)生滑坡事故造成人身傷害和財產損失，在露天采場設置監(jiān)測室，應用中國安全生產科學研究院自主研發(fā)的邊坡雷達S-SAR(Slope Synthetic Aperture Radar)監(jiān)測系統(tǒng)，對采場邊坡進行24 h全天候實時監(jiān)測[3]。

1 S-SAR合成孔徑邊坡雷達

邊坡位移監(jiān)測合成孔徑雷達系統(tǒng)(S-SAR)是中國安全生產科學研究院基于地基合成孔徑雷達差分干涉技術(DInSAR技術)自主研制的高級遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)，可對大范圍邊坡進行定點連續(xù)監(jiān)測，同時該設備能夠及時對各種危險區(qū)域做出災害預報，極大地減少或避免災害對國家和人民生命財產造成的損失[4]。

1.1 主要用途

邊坡合成孔徑雷達監(jiān)測預警系統(tǒng)能夠對露天礦邊坡、排土場邊坡、尾礦庫壩坡、水電庫岸和壩體邊坡、山體滑坡、大型建構筑物的變形、沉降等實施大范圍連續(xù)監(jiān)測[5]，對各種坍塌災害進行預警預報，廣泛用于重要工程的安全保障、健康評估和應急搶險。

1.2 基本原理

S-SAR的基本原理是通過陸基軌道攜帶雷達天線運動，形成直線合成孔徑，通過步進頻率連續(xù)波技術獲取觀測區(qū)域的高分辨率二維圖像。把同一目標區(qū)域，不同時間獲取的SAR復圖像結合起來，比較目標在不同時刻的相位差，可獲得目標的毫米級精度位移信息。再利用網絡遠程控制系統(tǒng)實現全天候自動監(jiān)測，當邊坡變形量和變形速率達到預警級別時，提前發(fā)出災害信息。

雷達所獲取的二維圖像坐標軸為距離向和方位向[6]。沿軌道的方向為方位向，沿雷達波發(fā)射的方向為距離向。方位向分辨率由直線軌道長度決定，距離向分辨率由電磁波信號的帶寬決定，電磁波干涉如圖1所示。

圖1 雷達干涉原理Fig.1 Schematic diagram of radar interference

應用于工程穩(wěn)定性監(jiān)測時，雷達采用二維euler坐標，顯示對象外形的變化量，被觀測對象在坍塌突變前為連續(xù)體微小變形，此時表面位移近似于距離向視變形分量[7]，原理如圖2所示。因此，雷達觀測值能夠較為直觀地反應其穩(wěn)定性變化趨勢，從而進行滑坡報警。

2 S-SAR在廣東大寶山礦的應用

根據大寶山礦實際需求,主要監(jiān)測大寶山礦主邊坡，監(jiān)測區(qū)域見圖3。在主邊坡對面的露天采場樓房三樓建立邊坡雷達監(jiān)測室，S-SAR系統(tǒng)的監(jiān)測數據由網絡傳輸，實現了高智能的無人值守遠程監(jiān)控。

圖2 監(jiān)測原理示意Fig.2 Schematic diagram of monitoring

圖3 監(jiān)測區(qū)域圖Fig.3 Illustration of monitoring area

2.1 監(jiān)測目標與內容

2.2.1 監(jiān)測目標

S-SAR雷達系統(tǒng)能夠實現全年實時采場邊坡監(jiān)測，根據監(jiān)測數據評判采場邊坡安全狀態(tài)；建立分級預警閾值，實現設備初級預警、專家綜合預警的應急管理模式。

2.2.2 監(jiān)測內容

(1)整體表面位移。邊坡雷達對主邊坡進行掃描能夠得到主邊坡區(qū)域整體位移情況。大寶山礦采場相關安全負責人可以直觀地從視頻圖中了解到整個露天采場存在危險或者潛在危險的區(qū)域，具有針對性地對上述區(qū)域制定相應的邊坡治理措施，及時將潛在危險遏制住[8-9]。

(2)關鍵點位移。在開采生產過程中，不僅能實時監(jiān)測整體的位移情況，而且能夠對特殊的關鍵點進行單點監(jiān)控。

(3)滑坡面積。邊坡一旦形成大面積的地表移動，就構成了一個滑坡體，如果不及時進行治理，邊坡上的巖土體會在重力作用下沿著軟弱結構面整體向下滑動，尤其在降雨條件下會加速滑坡體下滑，影響正常開采生產，甚至造成人員傷亡。

(4)時間段位移、變形速度及加速度。可以通過歷史數據查詢，對過去的任一時間段進行數據的查詢，綜合分析位移在時間上的變化。

(5)滑坡的預警預報。通過合成孔徑邊坡雷達S-SAR的專業(yè)監(jiān)測，結合地質分析和定性判斷，能夠在不同的巖性、構造等地質條件下設置不同的預警閾值[10]。根據大寶山礦的地質水文條件，結合專家評議和經驗值設置了適合大寶山的預警閾值，并將被監(jiān)測區(qū)域劃分為不同的危險級別。當邊坡變形參數超過預警閾值時，預警系統(tǒng)會通過聲光、短信、郵件等多種方式發(fā)出警示信息，相關負責人在收到預警信息后，會根據具體情況迅速做出人工決策，啟動相應的應急預案，最大程度降低滑坡發(fā)生的概率和滑坡災害造成的損失。

3 數據分析

S-SAR對邊坡進行變形監(jiān)測過程中，為了獲得較高的圖像質量和進行相位解纏的需要，往往要對干涉相位進行濾波優(yōu)化，以提高干涉相位圖的信噪比、變形監(jiān)測的精度與可行性[11]。廣東省韶關市全市氣候屬中亞熱帶濕潤型季風氣候區(qū)，一年四季均受季風影響，冬季盛行東北季風，夏季盛行西南和東南季風。春季陰雨連綿，雨量充沛，年均降雨1 400～2 400 mm，3―8月為雨季。

當降雨入滲坡體后，會使滑坡體物質，尤其是滑帶土軟化，黏性土在水的浸泡下導致吸附水膜厚度顯著增大，使其抗剪強度參數值降低，從而降低坡體的穩(wěn)定性。2017年3月是韶關市的雨季，在持續(xù)一周的降雨后，3月24日8時30分，在雷達數據位移折線圖中發(fā)現865平臺位移量較大，如圖4所示。865平臺根據顏色區(qū)分位移變形程度，選取圖中6個變形量較大關鍵點進行分析，得到位移變形量與時間的折線圖，如圖5所示。

圖4 關鍵點選取Fig.4 Illustration of key point selection

圖5 邊坡位移曲線圖Fig.5 Illustration of slope displacement curve◆—關鍵點1；■—關鍵點2；▲—關鍵點3； ▼—關鍵點4；△—關鍵點5；●—關鍵點6

由圖5可知，6個點的位移變形趨勢大致一致，該變形坡體為整體緩慢滑移，還未發(fā)生崩解滑坡，其中最大的累計變形值為47 mm，已知大寶山巖性、構造等地質條件下設置的預警閾值為50 mm/d，故雷達未發(fā)生預警信息。但是從發(fā)展速度上分析，從0時到10時，6個關鍵點的變形量一直處于增長狀態(tài)，而且在6時到10時間的增長速度明顯增大，若不及時分析治理，有可能會發(fā)生滑坡地質災害。

考慮到降雨是誘發(fā)滑坡的主要因素，因此防止雨水聚集滲透進入坡體是解決問題的關鍵。經過865平臺的人工巡查，發(fā)現臺階表面存在坑洼地且聚集了一定量的雨水，滑坡體的后緣存在張開的豎向裂縫。經過決策采取了以下措施：①對可能受到滑坡體影響的區(qū)域進行人員疏散；②人工清理積水并開挖了排水溝；③填補后緣存在的豎向裂縫。

人工治理工作在10時完成，從圖6可以得出，10時以后坡體的變形量并沒有繼續(xù)增大，甚至逐漸減少。分析可知，一周的降雨使得雨水入滲坡體，導致坡體的抗剪強度降低，因此產生滑坡傾向。隨著雨水的增多，滲入量增大，坡體原來處于干燥或非飽和狀態(tài)的土體達到飽水狀態(tài)，坡體的容重由原來的天然容重變?yōu)轱柡腿葜兀喈斢谑够麦w的總體重量增加，下滑力增大，從而降低了坡體的穩(wěn)定性。而且坡體的坑洼地帶聚集了一定量的雨水，積水通過后緣的豎向裂縫灌入坡體，形成一定的水位，并由此產生靜水壓力，相當于在坡體的后緣施加了一個推力，最終導致3月24日0時到10時的位移量大幅度增加。根據雷達監(jiān)測數據，及時發(fā)現險情并采取相應措施，阻止了雨水的繼續(xù)滲透，堵住了地表水灌入坡體的通道。隨著3月24日降雨停止，雨水量不再增加甚至因蒸發(fā)而減少，使得坡體容重不再增加，后緣的水平推力減少。最終，10時之后坡體的變形量不再增加且有減少。事實證明，S-SAR監(jiān)測系統(tǒng)的數據是準確、有效的。

4 結 論

(1)S-SAR邊坡雷達在大寶山礦邊坡監(jiān)測中獲取了865平臺危險區(qū)域的變形數據，局部區(qū)域變形量短時間內增大。經人工巡查原因并采取治理措施，證明數據可靠，邊坡雷達在預警預報中起到了至關重要的作用。

(2)S-SAR邊坡雷達具有區(qū)域性、全天候、全天時、連續(xù)、高精度定點連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點。

(3)S-SAR邊坡雷達采集所得信息為區(qū)域性大面積的變形信息，這比單點的變形信息更有助于災害的理解和預測。

以上結論表明S-SAR邊坡雷達在變形監(jiān)測領域有廣闊的應用前景，是今后邊坡地表變形監(jiān)測方法的發(fā)展趨勢。

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