薛 浩
滑坡現(xiàn)象是廣泛指位于斜坡上的濕滑土體或主要巖體,受山川河流洪水沖刷、地下水風(fēng)化活動等導(dǎo)致土體在自然重力運動作用下,向較柔弱地帶整體分散的一種地址地貌現(xiàn)象。我國目前是全球地質(zhì)災(zāi)害較為多發(fā)的國家之一,尤以礦山滑坡地質(zhì)災(zāi)害的影響相較有些國家較為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計,在我國近年來所遭受的地質(zhì)滑坡災(zāi)害威脅的礦山工程現(xiàn)場約有70 多處,在治理災(zāi)害上每年經(jīng)濟(jì)投入較多。早期的災(zāi)害預(yù)警能最大程度減少災(zāi)害產(chǎn)生所造成的損失。因此,監(jiān)測技術(shù)既是我國礦山滑坡災(zāi)害調(diào)查、研究和災(zāi)害防治基礎(chǔ)工程的重要技術(shù)組成環(huán)節(jié),又是滑坡崩塌區(qū)和滑坡自然災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測以及預(yù)報分析信息收集獲取的一種有效技術(shù)手段。
礦山滑坡監(jiān)測的內(nèi)容主要是坡體形態(tài)動態(tài)變化的監(jiān)測、物形態(tài)變化的監(jiān)測、地下暗河流量監(jiān)測和坡體整體形態(tài)變化的監(jiān)測。目前,國內(nèi)外用于礦山滑坡坡道動態(tài)現(xiàn)象監(jiān)測的監(jiān)控技術(shù)處理方法,已經(jīng)初步發(fā)展并達(dá)到一個較高端的水平,已由過去的人工手動監(jiān)測逐漸逐步過渡發(fā)展到采用儀器自動檢測,并且一步一步在向高精度的全自動監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展。
當(dāng)斜坡上的巖石和埃土受到水源沖刷和地震后遺癥的介入,常常會導(dǎo)致嚴(yán)重的山體滑坡自然現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在對生態(tài)環(huán)境和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響的同時,人為監(jiān)測的過程也十分艱難。為了加快監(jiān)測效率,減輕滑坡對于環(huán)境和人的直接影響,數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)被應(yīng)用到滑坡監(jiān)測中,并在近年來蓬勃發(fā)展,為滑坡研究做出巨大貢獻(xiàn)。
數(shù)字滑坡監(jiān)測技術(shù),就是以RS(遙感)和GPS(定位系統(tǒng))兩種方法為主,同時通過GIS 對數(shù)字信息進(jìn)行儲存和管控,并且結(jié)合其他滑坡勘探手段并進(jìn)行模擬試驗,從而可以獲取大量數(shù)字形式數(shù)據(jù)。同時利用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字分析并存貯和管理這些滑坡信息;數(shù)字化的滑坡災(zāi)害技術(shù)將能夠使我們現(xiàn)有的信息獲取、處理、預(yù)測及開展滑坡災(zāi)害理論基礎(chǔ)研究相關(guān)工作。數(shù)字化滑坡技術(shù)對我國防治礦山滑坡自然災(zāi)害起到了至關(guān)重要的作用。從上世紀(jì)80 年代開始,數(shù)字滑坡技術(shù)開始試驗,尤其在煤田地質(zhì)上獲得一定的成就,而在20 世紀(jì)末開始廣泛應(yīng)用并取得一定成效。
作為一種常見且破壞性極強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害,人們對滑坡的重視和預(yù)防工作從未停息。但滑坡本身可控性極低,多為偶然觸發(fā),人工監(jiān)測難以清晰地判斷滑坡的具體信息,進(jìn)而由于低效而不準(zhǔn)確的人工信息造成難以預(yù)料的直接間接危害。所以,在信息時代,將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到滑坡檢測工作中成了大勢所趨。
數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)在滑坡的主要作用在于,通過高效準(zhǔn)確的數(shù)字化技術(shù),諸如GPS、傳感器等,將相關(guān)設(shè)備深埋地下或直接追蹤巖土體的穩(wěn)定性,根據(jù)巖土體發(fā)生的細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化,進(jìn)而對可能造成的不良后果進(jìn)行預(yù)判。而數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)與人工監(jiān)測的主要任務(wù)和效果,往往不盡相同。數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)往往通過高端的數(shù)字化方法,除了對巖土體進(jìn)行實時監(jiān)測外,還會對各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化的分析處理,進(jìn)而為更為高效和及時的預(yù)防工作提供可靠的信息資源,減輕滑坡的實在危害。
在設(shè)計滑坡檢測技術(shù)對滑坡進(jìn)行預(yù)判時,應(yīng)注意一定要在滑坡的整個時空領(lǐng)域進(jìn)行,同時盡可能減少對數(shù)字化設(shè)備的浪費和重復(fù)。在具體操作過程中,應(yīng)注意遠(yuǎn)離工程實施的位點,以免造成相互的干擾,引來不必要的麻煩。同時加上不可或缺的人為輔助監(jiān)測,在使用數(shù)字化監(jiān)測的同時,進(jìn)行必要的宏觀管理調(diào)控,預(yù)防數(shù)字化技術(shù)可能出現(xiàn)的漏洞,并對監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行詳盡刻畫分析。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,人類進(jìn)入了數(shù)字化時代,數(shù)字化技術(shù)在科學(xué)研究中的地位和便捷作用日益突出。滑坡作為地質(zhì)研究中相對復(fù)雜的部分,人工監(jiān)測效率低下工作量巨大,而數(shù)字化技術(shù)的運用大大促進(jìn)了滑坡研究的高效進(jìn)行?;伦鳛橐粋€破壞性極大的一項地質(zhì)災(zāi)害,對環(huán)境和人民生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的影響。但過去的監(jiān)測方式,效率低下不夠準(zhǔn)確,難以有效降低滑坡的危害。而數(shù)字化時代的到來,給了滑坡監(jiān)測新的機(jī)遇。在運用數(shù)字化技術(shù)時,應(yīng)關(guān)注一些注意事項來提高精度和效率。隨后,本文詳盡介紹了GPS 技術(shù)、RTK 技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)以及它們應(yīng)用的原理和細(xì)節(jié)。正是這些數(shù)字化技術(shù)的投入使用,使得滑坡監(jiān)測工作更上一層樓。
GPS 技術(shù),主要通過相關(guān)的定位功能,將追蹤的物體進(jìn)行時空位置的把握和定型。該技術(shù)在特殊的變形監(jiān)測中應(yīng)用十分廣泛和便捷。GPS 技術(shù)取代從前的大地測量法,不再需要通過復(fù)雜繁瑣的水準(zhǔn)測量,無需視野通視便可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離觀測,只需通過其釋放信號的反饋直接高效完成。在構(gòu)建GPS 監(jiān)測網(wǎng)時,可自行設(shè)計穩(wěn)妥的坐標(biāo)定位,同時需在相關(guān)基巖上假設(shè)預(yù)定多個基準(zhǔn)點,并安排具體人員進(jìn)行精準(zhǔn)測量和估算。在監(jiān)測網(wǎng)的布局過程中,應(yīng)尋找便于大范圍觀測的監(jiān)測點,而在設(shè)備上也應(yīng)講究高效和精準(zhǔn)。在采取野外作業(yè)時,應(yīng)格外防范圖形強(qiáng)度因子,相關(guān)人員應(yīng)通過對天線高的精準(zhǔn)測量和定位,對該因子進(jìn)行衡量,從而讓觀測結(jié)果更為準(zhǔn)確及時。在對GPS 監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)典自由網(wǎng)平差時,應(yīng)盡可能減少粗差對于觀測結(jié)果的實在影響。而為了取得更為精準(zhǔn)的測量結(jié)果,往往也需要對觀測時間進(jìn)行更為細(xì)化的要求和管控。GPS 監(jiān)控系統(tǒng)目前作為幫助我國進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)測的一種重要技術(shù)手段,可以直接自動實現(xiàn)三維度的坡體測量,操作方法簡單,具有直接確定測量點與基站間距離并且實時傳送數(shù)據(jù)、能同時自動測定多個點的三維位移、不會受到外界各種氣候變化的影響,沒有時間限制、易于直接實現(xiàn)全部系統(tǒng)測量過程的自動化、可高效率地消除或很大程度上削弱系統(tǒng)的誤差產(chǎn)生的不良影響等許多優(yōu)點。因此,GPS 滑坡監(jiān)測技術(shù)在礦山滑坡變形過程中,其時效性被迅速得到應(yīng)用,并得到了推廣。
對于這種新型GPS 全自動化滑坡監(jiān)測系統(tǒng),在實際監(jiān)控礦山施工區(qū)域中的應(yīng)用,由于接收GPS 信號的接收機(jī)造價非常昂貴,導(dǎo)致系統(tǒng)的前期礦山基礎(chǔ)建設(shè)以及使用管理成本很大。因此,高昂的技術(shù)成本在很大程度上也制約了其在我國礦山區(qū)域與滑坡區(qū)的路況分析監(jiān)測中得廣泛應(yīng)用。而新型GPS 天線陣列監(jiān)測技術(shù),就是在每個串口監(jiān)測點上分別自動安置一個新的新型GPS 通用串口監(jiān)測天線,通過一個串口監(jiān)測天線陣列上的電纜,與各個監(jiān)測接收機(jī)設(shè)備進(jìn)行自動連接,系統(tǒng)操作人員也就能夠按照一個監(jiān)測天線陣列設(shè)置,自動將其進(jìn)行連接并監(jiān)測,同時,獲取各個使用監(jiān)測串口天線的發(fā)射衛(wèi)星的信號,以及各個接收機(jī)的發(fā)射信號。因此在具體考慮是否增加一個天線硬件監(jiān)測器的天線點數(shù)時,只根據(jù)實際需要同時考慮增加一個用于接收機(jī)的兩個天線之互相獨立連接的硬件通信設(shè)備電纜,從而可以使得設(shè)備使用成本大幅度的得到降低。另外一個由于監(jiān)測重點區(qū)域只有一臺小型化的GPS 天線移動監(jiān)測接收機(jī),減少該監(jiān)測系統(tǒng)的天線數(shù)據(jù)在處理上的成本和時間,從而降低了在數(shù)據(jù)處理上的工作復(fù)雜度,而基于小型GPS 陣列天線應(yīng)用監(jiān)測技術(shù)在礦山滑坡災(zāi)害中得到廣泛應(yīng)用,這種大型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)用監(jiān)測方式與連續(xù)同時監(jiān)測運行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)用監(jiān)測方式一樣,使得整個系統(tǒng)同時獲取監(jiān)測點位的數(shù)據(jù)精度也比較高。
RTK 技術(shù),作為GDP 技術(shù)動態(tài)測量方法的特殊應(yīng)用,首先,RTK 系統(tǒng)具有自身的一套系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)內(nèi)部,以兩個單頻GPS 接收機(jī)為中心部件,兩個接收機(jī)位置稍有區(qū)隔,一個安放在周圍穩(wěn)定的坐標(biāo)以備后續(xù)參照,另一個直接安放于準(zhǔn)備監(jiān)測的巖土體上。而在具體操作過程中,處在巖土體上的接收機(jī)將開始時的相關(guān)情況通過數(shù)據(jù)的傳送至附近穩(wěn)定坐標(biāo)的接收機(jī),隨后將兩個接收機(jī)的相關(guān)情況分別導(dǎo)入計算機(jī)中進(jìn)行詳細(xì)的分析處理。在接收觀測數(shù)據(jù)時,通常利用差分定位的基本原理,精確測算出監(jiān)測點的位置,并對精度進(jìn)行確切壓縮。在GPS 進(jìn)行定位時,由于精度的結(jié)果受到幾何圖形空間結(jié)構(gòu)的直接影響,所以在選取衛(wèi)星時也具有十分的講究。在選星過程中,應(yīng)格外關(guān)注GDOP 的數(shù)值,盡可能篩出數(shù)值較小的星作為最終的定位星,通常選5 個。
時域反射方法監(jiān)測是一種遠(yuǎn)程高速遙感地形測試應(yīng)用技術(shù),產(chǎn)生于20 世紀(jì)30 年代,現(xiàn)在,在礦山滑坡災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究方面也已經(jīng)取得了很大成效。TDR 技術(shù)相比于常規(guī)的滑坡監(jiān)測技術(shù),在方法運用上更為新鮮,同時簡潔、減少經(jīng)費的開支,基本原理也并不復(fù)雜,能夠有效減小工作量和勞動力成本。TDR技術(shù)對坡面的位置變化和形變的動態(tài)衡量具有極高的效率,在短時間內(nèi)能夠完成人力難以企及的工作量。
同軸傳輸電纜中的TDR 與采用雷達(dá)傳播技術(shù)的電纜工作運動原理幾乎相同,其間的區(qū)別主要在于雷達(dá)傳播用的介質(zhì)不同。在采用同軸傳輸電纜TDR 的測試工作過程中,采用這種同軸傳輸電纜具有一定傳輸能量的瞬時電脈沖的一種傳播介質(zhì),電脈沖信號在采用同軸傳輸電纜中增加傳播的速度同時,能夠準(zhǔn)確反映出來同軸傳輸電纜的脈沖阻抗特性。當(dāng)有線電纜結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變形時,它的阻抗特性將發(fā)生變化。
光纖傳感檢測技術(shù)主要是通過最具國際代表性的兩種新型分布式無線光纖反射傳感控制技術(shù)。在礦山滑坡路況監(jiān)測中,光纖的選擇更為重要。因為各種滑坡體的溫度應(yīng)變往往都比較大,恰當(dāng)?shù)幕鹿饫w電纜選擇方案能夠促使滑坡監(jiān)測器的壽命,從而提高后期施工效率。選用緊湊的套型救災(zāi)專業(yè)專用光纖網(wǎng)絡(luò)布置可大大提高災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)的使用壽命,因此對于礦山滑坡發(fā)生災(zāi)害抗測應(yīng)用套型專業(yè)光纖,套型光纖網(wǎng)絡(luò)布置形式一般認(rèn)為主要有兩種光纖網(wǎng)絡(luò)布置形式:一維套型光纖網(wǎng)絡(luò)形式布置形式,這種光纖網(wǎng)絡(luò)布置方式特別適合于同時進(jìn)行監(jiān)測一個不同運動方向的災(zāi)害物體的響應(yīng)表現(xiàn)情況;二維套型光纖網(wǎng)絡(luò)形式布置形式,這種方式適合于同時進(jìn)行監(jiān)測兩個不同運動方向的災(zāi)害物體及其位移運動速度響應(yīng)變化及其響應(yīng)表現(xiàn)情況。在設(shè)計鋪設(shè)典型光纖時,應(yīng)根據(jù)不同礦山施工區(qū)域的地質(zhì)特點和滑坡體的狀態(tài)的特點決定,在確定具體的光纖鋪設(shè)方式。
在大數(shù)據(jù)范圍檢測監(jiān)控、預(yù)警的技術(shù)基礎(chǔ)上,以局域網(wǎng)為基礎(chǔ)研究技術(shù)平臺,主要研究致力于提高數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)送技術(shù)的有效性及數(shù)據(jù)處理上的技術(shù)精確性,監(jiān)測監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)層面結(jié)構(gòu)大致分為兩個方面:上層的檢測監(jiān)控預(yù)警中心和下層的檢測監(jiān)控預(yù)警服務(wù)基站。監(jiān)控器將基站和整個監(jiān)控數(shù)據(jù)中心通過以太網(wǎng)連接起來,此外網(wǎng)絡(luò)管理人員也同樣可以通過自定義監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控每個基站。監(jiān)控節(jié)點基站和眾多的無線監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一起連接組成無線監(jiān)控傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。無線監(jiān)控傳感器中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很好的可擴(kuò)展性,隨意地添加增減監(jiān)測節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)無影響。因而用戶可以方便地根據(jù)實際應(yīng)用情況隨意增加或盡量減少無線監(jiān)控監(jiān)測節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量。
三維激光掃描技術(shù)作為一項實景復(fù)制的高端數(shù)字化技術(shù),也在滑坡的監(jiān)測工作中廣泛應(yīng)用。該技術(shù)可對坡面周圍進(jìn)行大范圍全方位的掃描,精度和效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測量方法。掃描完成后,將數(shù)據(jù)儲存記錄后進(jìn)行進(jìn)一步的去噪去干擾的深度處理,以防不必要的環(huán)境因素對最終結(jié)果的精確度產(chǎn)生不良影響。該技術(shù)對于滑坡的監(jiān)測方面,最為便捷的地方便在于可以通過激光掃描儀對坡面的移動過程進(jìn)行實時詳細(xì)無死角的掃描和監(jiān)測,同時可以形成圖像信息,可通過對具體圖像的微妙變對坡面的適時情況和動態(tài)變化過程進(jìn)行及時和準(zhǔn)確的反饋,進(jìn)而對滑坡的發(fā)生進(jìn)行合理預(yù)測和及時預(yù)防。
數(shù)字化質(zhì)量監(jiān)測主要含義對企業(yè)數(shù)據(jù)庫,與企業(yè)數(shù)字化數(shù)據(jù)測量管理系統(tǒng)中,對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析和自動檢測,同時,改系統(tǒng)能夠?qū)ζ滟|(zhì)量進(jìn)行自動操控的一種智能化測量綜合監(jiān)測系統(tǒng)。該安全系統(tǒng)不僅能夠有效實現(xiàn)企業(yè)計算機(jī)安全技術(shù)與企業(yè)數(shù)字化安全設(shè)備的有機(jī)緊密結(jié)合,在企業(yè)數(shù)字安全監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用及其效果也將變得更加顯著。通常這種情況下,數(shù)字化生產(chǎn)監(jiān)測主要原理是按照相應(yīng)的技術(shù)要求實時進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集,然后將數(shù)據(jù)采集后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲存放到應(yīng)的相應(yīng)數(shù)據(jù)空間當(dāng)中,為生產(chǎn)管理人員的生產(chǎn)測量管理工作活動提供數(shù)據(jù)分析參考。數(shù)字化采集監(jiān)測分析系統(tǒng)在具有采集監(jiān)測數(shù)據(jù)分析功能的基礎(chǔ)上,還需要能夠通過以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)備份對目前國內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)測數(shù)據(jù)功能進(jìn)行綜合分析,其中最為重要的一點便是具有人機(jī)交互分析功能和監(jiān)測數(shù)據(jù)信息傳輸處理功能,二者在監(jiān)測信息處理的全過程實踐中都分別發(fā)揮了突出了十分重要的積極推動作用。
在礦山滑坡運動監(jiān)測中需要融入一種數(shù)字化滑坡監(jiān)測信息系統(tǒng),該技術(shù)保障監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣的同時,存儲讀取中不會受到其他特定因素的影響,便于對兩個模塊之間進(jìn)行日常維護(hù)和監(jiān)督管理,有效率地減少高山滑坡系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)在采樣讀取中錯誤產(chǎn)生或者傳輸鏈路錯誤損壞現(xiàn)象的可能性?,F(xiàn)階段,我國的全套數(shù)字化滑坡監(jiān)測管理系統(tǒng),在西部礦山滑坡地區(qū)數(shù)字化管理監(jiān)測技術(shù)中的廣泛應(yīng)用,使西部滑坡地區(qū)監(jiān)測管理系統(tǒng)的重要作用已經(jīng)得到能夠充分發(fā)揮,使西部滑坡管理監(jiān)測的測量精度水平得到顯著的提升,極大地程度促進(jìn)到了我國西部礦山滑坡地區(qū)數(shù)字化管理監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展。
2002 年4 月9 日西藏自貢地區(qū)發(fā)生的這次滑坡事故是一次搜救規(guī)模較大的大型滑坡災(zāi)害。由于滑坡區(qū)地處青藏高原東南部的一座高山的大峽谷中,交通十分不便,所以當(dāng)時采用中國衛(wèi)星高空遙感技術(shù)實時監(jiān)測該滑坡地區(qū)所有滑坡群體活動及調(diào)查周圍環(huán)境。先后成功使用了兩次滑坡前后及5 個不同軌道類型的11 個不同時相的太空衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),如下表。以一種數(shù)據(jù)交互的技術(shù)方式對此次滑坡后的當(dāng)?shù)鼗w運動狀態(tài)的持續(xù)變化,及此次滑坡可能造成的自然災(zāi)害發(fā)生情況等等進(jìn)行了實時監(jiān)測,避免后續(xù)危險的產(chǎn)生。
表1 礦山滑坡監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)
隨著科學(xué)監(jiān)測技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展,我們的圖像監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)越來越多,技術(shù)的不斷發(fā)展也越發(fā)完善。隨著我國遙感監(jiān)控衛(wèi)星探測科技的不斷進(jìn)步,我們發(fā)展利用高科技探測手段作為遙感監(jiān)測衛(wèi)星的發(fā)展趨勢已經(jīng)日趨明顯。我們?nèi)匀恍枰獜娜招略庐惖男畔⒖萍籍a(chǎn)業(yè)發(fā)展中去尋找到一個適合我們的專業(yè)的解決方法。目前的礦山滑坡早教監(jiān)測不能只是單個滑坡監(jiān)測技術(shù)方法就可以能做到完成的,需要我們通過綜合分析運用各種滑坡監(jiān)測技術(shù)手段,將他們有效的應(yīng)用結(jié)合在一起。每個滑坡監(jiān)測處理方法都應(yīng)該有自己的一個優(yōu)點和一些缺點,幾個監(jiān)測方法如果綜合研究使用就一定能優(yōu)勢互補(bǔ),更好地為礦山滑坡災(zāi)害監(jiān)測提供服務(wù)。從而有效減少滑坡災(zāi)害帶來的環(huán)境危害與經(jīng)濟(jì)損失。