露天礦邊坡地基雷達(dá)形變監(jiān)測應(yīng)用研究

王曉波，李 江，武麗梅，蔡 偉，姚國紀(jì)

(1.自然資源部第二大地測量隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150025；2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

露天礦開采過程中由于改變和破壞了地表和巖石圈的自然平衡，對邊坡穩(wěn)定性造成重大影響，從而會誘發(fā)滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害[1]，進(jìn)而影響人員、設(shè)備的安全，因此，對邊坡穩(wěn)定情況的監(jiān)測成為露天礦開采過程中至關(guān)重要的工作環(huán)節(jié)。邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測是以位移形變監(jiān)測為主，目前主要分為接觸式監(jiān)測與非接觸式監(jiān)測[2]，常用的接觸式監(jiān)測技術(shù)手段包括GNSS、裂縫監(jiān)測技術(shù)[3]、深部位移監(jiān)測技術(shù)[4]等；非接觸式監(jiān)測包括航空攝影測量技術(shù)[5]、三維激光掃描技術(shù)[6]、InSAR技術(shù)[7]、地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量(GB-InSAR，以下簡稱地基雷達(dá))技術(shù)[8]等。

地基雷達(dá)技術(shù)不僅可以對災(zāi)害進(jìn)行高時間空間分辨率形變信息采集，而且能夠做到實(shí)時處理和預(yù)警預(yù)報(bào)，目前，地基雷達(dá)逐步得到廣泛應(yīng)用。李翔宇等[9]利用地基雷達(dá)干涉測量技術(shù)對云南牛欄江紅石巖大壩邊坡進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對邊坡左岸上方崖壁進(jìn)行了防護(hù)網(wǎng)加固措施；徐偉等[10]通過對“11.03”白格滑坡開展邊坡雷達(dá)應(yīng)急監(jiān)測，實(shí)時掌握災(zāi)害形變特征，對形變區(qū)的局部臨滑破壞進(jìn)行識別與預(yù)報(bào)；陳天東[11]利用GPRI-II便攜式雷達(dá)干涉儀對唐山馬蘭莊露天礦邊坡進(jìn)行監(jiān)測，驗(yàn)證了使用的大氣模型估計(jì)的大氣相位的有效性和證實(shí)了形變監(jiān)測精度達(dá)到了亞毫米級。

本文首先介紹了地基雷達(dá)形變監(jiān)測的原理及雷達(dá)系統(tǒng)的組成、滑坡變形三階段演化模型，使用地基雷達(dá)系統(tǒng)對某露天銅礦邊坡進(jìn)行了形變監(jiān)測，重點(diǎn)開展了邊坡單月形變量分析、降雨對邊坡形變的影響分析、突變點(diǎn)分析、預(yù)警分析及邊坡治理對形變影響分析，在此過程中分析了形變加劇和預(yù)警發(fā)生的原因，驗(yàn)證了使用地基雷達(dá)進(jìn)行露天礦邊坡形變監(jiān)測的可行性。

1 地基雷達(dá)形變監(jiān)測原理

地基雷達(dá)主要采用了線性調(diào)頻連續(xù)波、合成孔徑雷達(dá)、干涉測量等技術(shù)[12]，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)體的形變監(jiān)測。該系統(tǒng)一般安置在一個固定的位置，采用連續(xù)模式對目標(biāo)體進(jìn)行不間斷觀測，因此空間基線為零，干涉相位可以表示為：

φ=φd+φa+φn

(1)

式中，φd為形變相位，φa為大氣相位延遲，φn為噪聲相位。

地基雷達(dá)在軌道上以固定的視角不斷地發(fā)射和接收回波信號，經(jīng)過聚焦處理后形成極坐標(biāo)形式的二維SAR影像，如圖1所示。在影像像元內(nèi)，距離向分辨率保持固定不變，而方位向分辨率與像元夾角及目標(biāo)距離有關(guān)，將距離向與方位向進(jìn)行融合，監(jiān)測區(qū)域被分為若干個二維像元，監(jiān)測距離越遠(yuǎn)，方位向分辨率越低[9-13]。

圖1 地基雷達(dá)像素分辨單元

本研究采用S-SAR邊坡雷達(dá)，該系統(tǒng)利用調(diào)頻連續(xù)波Ku波段信號工作[14]。系統(tǒng)由機(jī)柜、射頻前端、軌道、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)等組成。

2 滑坡變形三階段演化模型

滑坡發(fā)生前的演化一般分為三個階段[2，15-16]，如圖2所示，第一階段為初始變形階段，以減速變形或間歇性短期的小變形為主；第二階段為等速變形階段，形變量與時間表現(xiàn)出較強(qiáng)的線性關(guān)系，形變速度不是一個定值，而是在一個定值附近波動；第三階段為加速變形階段，此階段形變速度和加速度在持續(xù)的增加。

圖2 滑坡變形三階段演化規(guī)律

地基雷達(dá)的優(yōu)勢在于對邊坡進(jìn)行直觀的穩(wěn)定性判斷，可快速定位活躍區(qū)域。不過經(jīng)典的變形三階段演化模型并不適用于所有滑坡，例如邊坡高位巖體，特點(diǎn)是風(fēng)化破碎、裂縫密布，可能不經(jīng)過加速變形階段，就突然發(fā)生高位崩塌。

3 測區(qū)概況

測區(qū)為某露天銅礦，地基雷達(dá)安置于礦坑?xùn)|北角，對礦坑西北邊坡進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測范圍覆蓋邊坡長度約1 km，邊坡平均坡度約65°。地基雷達(dá)監(jiān)測區(qū)域右側(cè)為歷史滑坡形成的斜面，坡度達(dá)到70°，邊坡高度達(dá)到260 m，表面較為松散；監(jiān)測區(qū)域左側(cè)分布有盤山公路以及輔道。地基雷達(dá)系統(tǒng)配置參數(shù)如表1所示。

表1 地基雷達(dá)系統(tǒng)配置參數(shù)

4 地基雷達(dá)試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 邊坡單月形變量分析

通過對比邊坡2020年5月～2020年8月監(jiān)測數(shù)據(jù)的月度形變量，來評價邊坡穩(wěn)定性的變化趨勢。本文選取3個典型區(qū)域，并用紅線圈出，對其形變量和面積進(jìn)行對比分析，如圖3所示。

5月，區(qū)域1形變量不超過200 mm，區(qū)域2最大形變量242 mm，區(qū)域3最大形變量為405.2 mm。

6月，受持續(xù)降雨以及地表水沖刷影響，邊坡形變明顯加劇。與5月相比，區(qū)域1形變面積增加，最大形變量319 mm；區(qū)域2最大形變量382 mm；區(qū)域3最大形變量為190.4 mm，該處邊坡整體出現(xiàn)開裂，當(dāng)時設(shè)備無法入場治理，在降雨停止后進(jìn)行了局部的開挖卸載，所以活躍區(qū)域大大減少。

7月，區(qū)域1最大形變量從319 mm增加到1 005 mm；區(qū)域2形變范圍與上月基本一致，但最大形變量從308.2 mm增加到675 mm；區(qū)域3最大形變量為587.9 mm。經(jīng)分析和現(xiàn)場踏勘，本月形變量迅速增加的原因是強(qiáng)降雨導(dǎo)致坡頂河道水流溢出并沿坡面流淌，水管爆裂，加劇了邊坡形變。

8月，區(qū)域1形變面積有所收斂，形變量最大值迅速減小到283 mm；區(qū)域2形變量急劇減??；區(qū)域3形變面積與7月保持一致，最大形變量為398 mm。

4.2 降雨對邊坡形變的影響

降雨對邊坡形變的影響主要表現(xiàn)為以下3個方面：

(1)暴雨形成的地表徑流對邊坡的沖刷，搬運(yùn)表面浮土碎石；

(2)雨水滲入邊坡裂縫，增大裂隙水張力；

(3)邊坡含水的凍融循環(huán)，破壞巖體結(jié)構(gòu)。

該銅礦西北邊坡風(fēng)化嚴(yán)重，現(xiàn)階段為碎石與土的混合物，容易發(fā)生雨水堆積以及滲透現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定性受降雨影響較大，如圖4所示。

以2020年2月15日～2020年2月29日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例分析降雨對邊坡的影響，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)選取2個特征點(diǎn)進(jìn)行時序分析。當(dāng)?shù)?020年2月中下旬降雨情況如圖5所示。根據(jù)國家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，24 h降水總量為0.1～9.9 mm、10.0～24.9 mm，其降水強(qiáng)度分別為小雨和中雨。

圖4 邊坡地質(zhì)情況

可以看到，2月20日和21日降雨強(qiáng)度為中雨，2月27～29日為小雨。2月15～29日，1號點(diǎn)總形變量為309.6 mm，2號點(diǎn)總形變量為209.7 mm，如圖6(a)所示。2月15～17日20時處于初始變形階段，17日20時～19日22時處于等速變形階段，19日22時之后處于加速變形階段；由圖6(b)中速度曲線可知，初始變形階段形變速度均值從1.0 mm/h逐漸變化到0.5 mm/h，等速變形階段形變速度均值為0.5 mm/h，加速變形階段形變速度均值劇烈上升，達(dá)到4.4 mm/h；21～24日兩個點(diǎn)位的形變速度逐漸降低，之后2號點(diǎn)開始以較低的速度勻速形變，形變速度上限為2.8 mm/h。1號點(diǎn)開始以較高的速度勻速形變，并在26日11時發(fā)生突變，瞬時形變速度達(dá)到6.7 mm/h，在28日6時再次突變，瞬時速度達(dá)到4.6 mm/h。

圖5 當(dāng)?shù)亟涤昵闆r

降雨期間邊坡變得活躍，并在降雨結(jié)束后降速形變或勻速形變。從而說明降雨是邊坡形變的一個非常重要的不穩(wěn)定因素，因此，還需結(jié)合其他手段進(jìn)行監(jiān)測和治理。

圖6 特征點(diǎn)形變量和速度曲線圖

4.3 突變點(diǎn)分析

以2019年12月1日～2019年12月16日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行突變點(diǎn)分析。選取2個特征點(diǎn)進(jìn)行時序分析，如圖7所示。

特征點(diǎn)1和2總形變量分別為47.8 mm、38.4 mm，在12月10日12時邊坡出現(xiàn)一個位移突變點(diǎn)，由圖7(b)可知，其位移速度達(dá)到3.9 mm/h，隨后邊坡進(jìn)入一個勻速變形階段，速度為0.15 mm/h，持續(xù)時間約為5 d；在12月15日12時邊坡形變進(jìn)入一個短暫的加速階段，速度為 2.6 mm/h，形變曲線呈臺階式增加，邊坡形變雖然沒有進(jìn)入演化規(guī)律的持續(xù)加速變形階段，但在勻速變形階段已經(jīng)出現(xiàn)了比較活躍的形變。經(jīng)過現(xiàn)場排查，位移形變突變點(diǎn)發(fā)生的原因是區(qū)域內(nèi)有巖橋出現(xiàn)斷裂，從而造成突變。

圖7 特征點(diǎn)形變量和速度曲線圖

再以2021年2月1日～2021年2月28日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行突變點(diǎn)分析。選取1個典型區(qū)域進(jìn)行時序分析，如圖8所示。

圖8 監(jiān)測區(qū)域形變量和速度曲線圖

該區(qū)域位于北坑遺留邊坡，2月最大累計(jì)形變量為71.7 mm，最大形變速度為16.9 mm/d。地基雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該區(qū)域2月9日最為活躍，當(dāng)日有持續(xù)升溫和連續(xù)降雨，之后隨著溫度降低該區(qū)域迅速恢復(fù)穩(wěn)定?？紤]到北坑遺留邊坡存在明顯裂縫和巖石掛幫，可以初步判斷該區(qū)域形變的主要因素是陽光和雨水的風(fēng)化作用。

4.4 預(yù)警分析

地基雷達(dá)系統(tǒng)通過設(shè)置黃色預(yù)警值和紅色預(yù)警值進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，但預(yù)警值不是一成不變的，應(yīng)該根據(jù)往期發(fā)生的最大形變速率，以及結(jié)合監(jiān)測目標(biāo)邊坡的變形規(guī)律，綜合考慮巖土體性質(zhì)、人工擾動程度、可能波及的影響范圍等[16]，及時調(diào)整預(yù)警參數(shù)，以便在不同的情況下做出更科學(xué)的評價。秦宏楠等[16]提出雙指標(biāo)預(yù)警方法，即當(dāng)形變速度值和面積同時超過閾值，才發(fā)生滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)。

以2020年10月1日～2020年10月31日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行預(yù)警分析。選取1個典型區(qū)域進(jìn)行時序分析，如圖9所示。

圖9 監(jiān)測區(qū)域形變量和速度曲線圖

本月預(yù)警值的設(shè)定是參考2020年9月監(jiān)測區(qū)域單日最大形變速率、月平均形變速率，同時該地區(qū)9月、10月歷史降雨量情況也接近，因此，依據(jù)9月預(yù)警值設(shè)定10月地基雷達(dá)系統(tǒng)黃色預(yù)警值為(30 mm/d，25 m2)，紅色預(yù)警值為(45 mm/d，30 m2)。該區(qū)域本月累計(jì)形變量最大達(dá)到311 mm，約2 600 m2區(qū)域累計(jì)形變量超過200.0 mm。該區(qū)域在強(qiáng)降雨的作用下，出現(xiàn)大量裂縫，部分區(qū)域明顯滑動，地表鋪設(shè)的管道受到影響，在此條件下，當(dāng)月13～18日持續(xù)觸發(fā)黃色預(yù)警和紅色預(yù)警，最大預(yù)警面積達(dá)到1 258 m2，最大形變速度為10月14日的80.1 mm/d。

4.5 邊坡治理對形變影響分析

以2020年4月1日～2020年4月30日監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，分析邊坡治理前后形變量的變化情況。選取2個特征點(diǎn)進(jìn)行時序分析，如圖10所示。

圖10 特征點(diǎn)形變量和速度曲線圖

當(dāng)月月初和月末有雨，通過形變和曲線速度圖可以看出，該區(qū)域共經(jīng)歷2個減速變形階段。第一個階段是由降雨導(dǎo)致的，月初該區(qū)域最大形變速度達(dá)到56.4 mm/d，并在4月1日和2日達(dá)到最大值；第二個階段是由管道破裂導(dǎo)致的，在4月11日和12日形變速度達(dá)到峰值，為59.7 mm/d，之后隨著礦方的治理逐漸趨于穩(wěn)定?？梢钥吹街卫硗瓿芍螅碌壮掷m(xù)中雨對該區(qū)域穩(wěn)定性的影響明顯減弱，月底平均形變速度為6.8 mm/d，威脅性顯著降低。

5 結(jié) 論

(1)通過對比月度形變量，可以有效觀察和評價邊坡穩(wěn)定性的變化趨勢。

(2)降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的一個非常重要的因素。

(3)通過邊坡突變點(diǎn)的形變分析，可以輔助礦區(qū)人員快速識別出異常區(qū)域并做出科學(xué)的形變成因分析。

(4)地基雷達(dá)通過速率和面積兩個指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。并通過采取針對性的措施對邊坡進(jìn)行治理，可有效降低風(fēng)險，使邊坡趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

本文通過將地基雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于露天礦邊坡形變監(jiān)測，并對不同時期和不同變形階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行形變量和速度分析，為今后地基雷達(dá)技術(shù)在露天礦邊坡的監(jiān)測和應(yīng)用提供了技術(shù)支持和依據(jù)。