吳星輝 璩世杰 馬海濤 吳曉丹 藍(lán) 宇

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

廣東省大寶山礦業(yè)有限公司位于韶關(guān)市南約40 km的曲江縣沙溪鎮(zhèn)境內(nèi)。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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)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(tái)為661 m，2014年底開溝至649平臺(tái)。在生產(chǎn)過程中，露天采場作業(yè)面巖體易破碎且邊坡長期受到風(fēng)化剝蝕和采空區(qū)塌陷的影響,導(dǎo)致整個(gè)坡面的完整性受到一定的破壞[1]。隨著開采程度的加深，臺(tái)階面會(huì)因生產(chǎn)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)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(chǎn)的重要性越發(fā)明顯[2]。根據(jù)大寶山礦露天邊坡現(xiàn)狀，為保證礦山安全經(jīng)濟(jì)開采，防止發(fā)生滑坡事故造成人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失，在露天采場設(shè)置監(jiān)測室，應(yīng)用中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院自主研發(fā)的邊坡雷達(dá)S-SAR(Slope Synthetic Aperture Radar)監(jiān)測系統(tǒng)，對采場邊坡進(jìn)行24 h全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測[3]。

1 S-SAR合成孔徑邊坡雷達(dá)

邊坡位移監(jiān)測合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)(S-SAR)是中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院基于地基合成孔徑雷達(dá)差分干涉技術(shù)(DInSAR技術(shù))自主研制的高級遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，可對大范圍邊坡進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測，同時(shí)該設(shè)備能夠及時(shí)對各種危險(xiǎn)區(qū)域做出災(zāi)害預(yù)報(bào)，極大地減少或避免災(zāi)害對國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失[4]。

1.1 主要用途

邊坡合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)β短斓V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(gòu)筑物的變形、沉降等實(shí)施大范圍連續(xù)監(jiān)測[5]，對各種坍塌災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，廣泛用于重要工程的安全保障、健康評估和應(yīng)急搶險(xiǎn)。

1.2 基本原理

S-SAR的基本原理是通過陸基軌道攜帶雷達(dá)天線運(yùn)動(dòng)，形成直線合成孔徑，通過步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)獲取觀測區(qū)域的高分辨率二維圖像。把同一目標(biāo)區(qū)域，不同時(shí)間獲取的SAR復(fù)圖像結(jié)合起來，比較目標(biāo)在不同時(shí)刻的相位差，可獲得目標(biāo)的毫米級精度位移信息。再利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)監(jiān)測，當(dāng)邊坡變形量和變形速率達(dá)到預(yù)警級別時(shí)，提前發(fā)出災(zāi)害信息。

雷達(dá)所獲取的二維圖像坐標(biāo)軸為距離向和方位向[6]。沿軌道的方向?yàn)榉轿幌?，沿雷達(dá)波發(fā)射的方向?yàn)榫嚯x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(dá)干涉原理Fig.1 Schematic diagram of radar interference

應(yīng)用于工程穩(wěn)定性監(jiān)測時(shí)，雷達(dá)采用二維euler坐標(biāo)，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(shí)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(dá)觀測值能夠較為直觀地反應(yīng)其穩(wěn)定性變化趨勢，從而進(jìn)行滑坡報(bào)警。

2 S-SAR在廣東大寶山礦的應(yīng)用

根據(jù)大寶山礦實(shí)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(dá)監(jiān)測室，S-SAR系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)了高智能的無人值守遠(yuǎn)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(biāo)與內(nèi)容

2.2.1 監(jiān)測目標(biāo)

S-SAR雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全年實(shí)時(shí)采場邊坡監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)評判采場邊坡安全狀態(tài)；建立分級預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)設(shè)備初級預(yù)警、專家綜合預(yù)警的應(yīng)急管理模式。

2.2.2 監(jiān)測內(nèi)容

(1)整體表面位移。邊坡雷達(dá)對主邊坡進(jìn)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(guān)安全負(fù)責(zé)人可以直觀地從視頻圖中了解到整個(gè)露天采場存在危險(xiǎn)或者潛在危險(xiǎn)的區(qū)域，具有針對性地對上述區(qū)域制定相應(yīng)的邊坡治理措施，及時(shí)將潛在危險(xiǎn)遏制住[8-9]。

(2)關(guān)鍵點(diǎn)位移。在開采生產(chǎn)過程中，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測整體的位移情況，而且能夠?qū)μ厥獾年P(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)監(jiān)控。

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

(4)時(shí)間段位移、變形速度及加速度。可以通過歷史數(shù)據(jù)查詢，對過去的任一時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢，綜合分析位移在時(shí)間上的變化。

(5)滑坡的預(yù)警預(yù)報(bào)。通過合成孔徑邊坡雷達(dá)S-SAR的專業(yè)監(jiān)測，結(jié)合地質(zhì)分析和定性判斷，能夠在不同的巖性、構(gòu)造等地質(zhì)條件下設(shè)置不同的預(yù)警閾值[10]。根據(jù)大寶山礦的地質(zhì)水文條件，結(jié)合專家評議和經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置了適合大寶山的預(yù)警閾值，并將被監(jiān)測區(qū)域劃分為不同的危險(xiǎn)級別。當(dāng)邊坡變形參數(shù)超過預(yù)警閾值時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)會(huì)通過聲光、短信、郵件等多種方式發(fā)出警示信息，相關(guān)負(fù)責(zé)人在收到預(yù)警信息后，會(huì)根據(jù)具體情況迅速做出人工決策，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，最大程度降低滑坡發(fā)生的概率和滑坡災(zāi)害造成的損失。

3 數(shù)據(jù)分析

S-SAR對邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測過程中，為了獲得較高的圖像質(zhì)量和進(jìn)行相位解纏的需要，往往要對干涉相位進(jìn)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(guān)市全市氣候?qū)僦衼啛釒駶櫺图撅L(fēng)氣候區(qū)，一年四季均受季風(fēng)影響，冬季盛行東北季風(fēng)，夏季盛行西南和東南季風(fēng)。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(dāng)降雨入滲坡體后，會(huì)使滑坡體物質(zhì)，尤其是滑帶土軟化，黏性土在水的浸泡下導(dǎo)致吸附水膜厚度顯著增大，使其抗剪強(qiáng)度參數(shù)值降低，從而降低坡體的穩(wěn)定性。2017年3月是韶關(guān)市的雨季，在持續(xù)一周的降雨后，3月24日8時(shí)30分，在雷達(dá)數(shù)據(jù)位移折線圖中發(fā)現(xiàn)865平臺(tái)位移量較大，如圖4所示。865平臺(tái)根據(jù)顏色區(qū)分位移變形程度，選取圖中6個(gè)變形量較大關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，得到位移變形量與時(shí)間的折線圖，如圖5所示。

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)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(guān)鍵點(diǎn)1；■—關(guān)鍵點(diǎn)2；▲—關(guān)鍵點(diǎn)3； ▼—關(guān)鍵點(diǎn)4；△—關(guān)鍵點(diǎn)5；●—關(guān)鍵點(diǎn)6

由圖5可知，6個(gè)點(diǎn)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(jì)變形值為47 mm，已知大寶山巖性、構(gòu)造等地質(zhì)條件下設(shè)置的預(yù)警閾值為50 mm/d，故雷達(dá)未發(fā)生預(yù)警信息。但是從發(fā)展速度上分析，從0時(shí)到10時(shí)，6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的變形量一直處于增長狀態(tài)，而且在6時(shí)到10時(shí)間的增長速度明顯增大，若不及時(shí)分析治理，有可能會(huì)發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)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(jìn)入坡體是解決問題的關(guān)鍵。經(jīng)過865平臺(tái)的人工巡查，發(fā)現(xiàn)臺(tái)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(jīng)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(jìn)行人員疏散；②人工清理積水并開挖了排水溝；③填補(bǔ)后緣存在的豎向裂縫。

人工治理工作在10時(shí)完成，從圖6可以得出，10時(shí)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(dǎo)致坡體的抗剪強(qiáng)度降低，因此產(chǎn)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(dá)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?，相?dāng)于使滑坡體的總體重量增加，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(chǎn)生靜水壓力，相當(dāng)于在坡體的后緣施加了一個(gè)推力，最終導(dǎo)致3月24日0時(shí)到10時(shí)的位移量大幅度增加。根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并采取相應(yīng)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(shí)之后坡體的變形量不再增加且有減少。事實(shí)證明，S-SAR監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確、有效的。

4 結(jié) 論

(1)S-SAR邊坡雷達(dá)在大寶山礦邊坡監(jiān)測中獲取了865平臺(tái)危險(xiǎn)區(qū)域的變形數(shù)據(jù)，局部區(qū)域變形量短時(shí)間內(nèi)增大。經(jīng)人工巡查原因并采取治理措施，證明數(shù)據(jù)可靠，邊坡雷達(dá)在預(yù)警預(yù)報(bào)中起到了至關(guān)重要的作用。

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

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

以上結(jié)論表明S-SAR邊坡雷達(dá)在變形監(jiān)測領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)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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