边坡监测技术综述

边坡监测技术综述

摘要：边坡监测是露天矿不可少的测量工作，通过阅读十四篇中文文献和两篇外文文献，本文总结了一些国内外边坡监测方法和露天矿边坡监测的特点、目的和原理。

关键词：边坡监测；露天矿；监测方法；目的；原理

1 边坡监测的概述

地质灾害是影响和危险露天矿安全和生产其中之一，综合影响的原因，包括地质构造，岩性，水，地下环境和露天采矿，内部塌陷，爆破振动，设备动态负载和其他因素。因此，高效、准确的监测露天矿的边坡的变形是一个重要的研究课题[1]。

1.1 露天矿边坡特点

(1)边坡为岩石物质的较多，边坡幅度比较高，边坡相对较陡，安全系数比较低。

(2)因为矿体常年开采，所以露天矿边坡逐渐增高，因此，就有一定的开采危险[2]。

(3)自然风化直接影响矿体裸露地方，并经常受如爆破等因素影响。

(4)如果是金属类型的矿体，因为受到浅部构造的影响，具有比较复杂的工程地质条件[3]。

1.2 露天矿边坡监测的目的

露天矿的边坡一般是临时或半永久性的，边坡变形在露天矿开采中是普遍存在的现象，为了避免灾害，如果发现位移速度急剧增大时，应立即撤出人员，采掘、运输设备。以确保人员和财产的安全。通过监测变形的规律，可以进一步的研究边坡变形的原因，预报灾害，为以后的边坡设计积累经验。提供边坡稳定性分析的基础资料，预报滑坡。还可以依据观测资料了解和掌握滑坡的形态、规模和发展趋势，以便采取相应的处理措施，保证露天矿山生产安全、高效、经济的开采[4]。

1.3 监测的原理

边坡崩塌或滑坡，岩石群和土壤的向边坡下运动，是由于边界处的物体运动，发生剪切破坏的结果[5]，边坡岩体的位移，直接反映边坡岩体的移动范围、移动量的大小、移动的速度和应力场演变规律，同时也反映边坡的稳定程度。边坡受到力的作用从变形到最终破坏，通常要经历一个相当长的演化过程。边坡失稳的发展过程，往往伴随着一系列边坡地表、地下的宏观与微观变形现象。包括边坡地表的位移、地面裂缝的出现和发展、地下滑动面的形成等。根据边坡岩体的移动范围、移动量的大小、移动的速度快慢能够直观的反映边坡的发展和变形规律。由于获得的是滑体位移形变的直观信息，特别是位移形变信息往往成为预测预报的主要依据之一。

在滑坡发生前，边坡岩体内应力会连续发生变化，在滑动力大于抗滑力后，边坡岩体会发生变形和滑动。从本质上讲滑坡是边坡应力平衡—失衡—新的平衡的过程，通常要经历相当长的时间。边坡岩体的位移监测虽然能够直观的反映滑坡的整体趋势，但单一的只从“现象监测”很难把握精确的滑坡时间。边坡应力远程监测方法的基本原理是:首先给边坡施加一个预应力参加到边坡的应力平衡中，由于施于边坡的预应力属抗滑力，当边坡内应力产生有利于滑坡的变化时，通过观察预应力的变化，对边坡的稳定做出判断和预报。

2 监测方法

国内外采用的传统的监测仪器和方法有：(1)坡表大地测量（经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等）；(2)GPS监测；(3)位移计；(4)红外遥感监测法；(5)激光微小位移监测；(6) 合成孔径雷达干涉测量（SARinterferometry，INSAR）；(7)时间域反射测试（TDR）技术；(8)坡体内部的钻孔倾斜仪、锚索测力计和水压监测仪等；(9)声发射监测技术等[6]。下面就依次列举几种方法的具体实施方法。

2.1 坡表大地测量监测露天矿边坡

导线法是我们最常用的露天矿边坡检测法。在此基础上再配合水准测量法对工作点的高度进行测量。进行观测工作时要将全部观测点埋设10～15天后才可以，观测时要将露天矿的基本控制网点和观测站的控制点并联进行观测，平面联测工作5秒经纬

仪导线或5秒小三角进行，四等级的水准进行高层联测。并联后的观测点，即可按露天矿I级高程和露天矿I级导线测量方法和精度要求对工作点的高程和片面位子进行测定，两次测定要相互独立，如果两次测量结果的平面坐标均符合露天矿I级经纬导航仪的精度要求，则原始数据位测量值的平均值。如果想要在以后观测时能更方便一些，那么在计算各点的平面坐标时，应采用以观测线方向(以观测线两控制点方向为x轴，以据观测点较近的控制点为坐标原点的假定坐标系统)。

导线法方法简单，但是它受观测条件因素的影响大，如观测者的认为误差，气象条件和观测时间不同的影响，观测仪器的本身精度，还可能与其他的工作发生冲突，不能实时监测精度低，内业繁琐[7]。

2.2 GPS监测露天矿边坡

GPS监测有下列三种方案。

(1)GPS静态测量

(2)GPS快速静态测量

(3)GPS-RTK测量

GPS静态测量精度最高，但需要时间较长，即使是快速静态测量也需要一定时间。完成任务需要的时间过长，所以一般不采用前两种方案。

方案中选择用静态布网，采用RTK技术进行动态观测[8]。

(1)根据布设的需要，依据GPS网技术要求布置边坡监测控制网。计算GPS网的相邻点弦长精度：

静态布网时GPS接收机测得是大地高，为了让高程与现状更好的吻合，在进行基线解算时，应加入多的水准点。

(2)GPS-RTK原理

RTK测量时需要1台基准站和多台流动站，以及传输设备。基准站架在已知点，把已知数据和载波相位观测值传输到流动站，这样流动站将所采集的GPS数据和来自基准站的数据利用RTK数据处理软件进行实时相对定位，进而得到三维坐标。

GPS-RTK能很快的得到符合要求的多个点的三维坐标，而且可以全天候，操作方便，点与点之间不需要通视[9]，但是GPS-PTK也有缺点，比如当流动站里基准站距离较远时，误差的相关性降低，所以不能很好的进行定位。再者流动站的数据依据的是基准站，要是基准站出现问题，那么流动站的测量数据可靠性差。

2.3 位移计监测露天矿边坡

当被测结构物发生位移变形时将会通过多点位移计的锚头带动测杆，测杆再拉动位移计的拉杆产生位移变形。位移计拉杆的位移变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的变形量。

2.4 近景数字摄影测量技术在矿边坡位移增量测量中的应用

采用近景数字摄影测量矿边坡位移增量主要分为两个部分，一是外业测量，二是将测量结果进行软件对比分析。采用近景数字摄影测量技术进行矿边坡位移增量的外业测量时主要是进行数据的采集，而将测量结果进行软件对比分析主要是进行数据与图像的处理。近景数字摄影测量技术利用计算机视觉和数字近景摄影测量的原理，实现了全自动数字近景摄影测量，提高了矿山开采的效率。

近景数字摄影测量技术在工程测量中主要是通过地面摄影和少量的外业控制点，然后经过影像匹配和空中三角测量获取所摄目标的密集点云。在获得了所摄目标的点云后即可用其生成DEM、正射影像和三维景观图，并且还能够自动生成等高线。利用近景数字摄影测量技术测量矿边坡的位移增量时，获得了边坡的点云和DEM后可以采用两种方法实现对边坡变形的测量。一种是基于点的检测，另一种是采用专用的DEM 比较模块。对于基于点的检测而言，在摄影之前，首先要在重点监护区设置好标志点，然后就可以在立体模块中通过增加同名点的方式来获取标志点的坐标。另外，不同时段摄影之前所选择的标志点时，也将会得到不同时期的变形情况。采用专用的DEM比较模块来实现边坡位移增量测量主要是将前后两次摄影所生成的DEM文件相减，从而获得前后两次边坡变形后的体积变化情况以及边坡上最大点的变形值，而且，利用DEM相减后的影像可以很直观的看到边坡的变化情况[10]。

2.5 GB-InSAR监测露天矿边坡

InSAR是SAR的一个重要应用，在近十几年中得到了迅速的发展，利用InSAR数据的相位信息提取地面的高程信息，主要应用于提取地面DEM和监测地表形变，GB-InSAR是InSAR 的一种形式[11]。

GB-InSA技术应用于露天矿边坡监测，具有高的空间分辨率，毫米级的监测精度，