边坡雷达在重大突发滑坡应急监测中的应用研究

边坡雷达在重大突发滑坡应急监测中的应用研究

徐国强  

中国十九冶集团有限公司  四川省成都市611730   

摘要：边坡失稳破坏是露天矿山主要的地质灾害类型之一,按照其滑动破坏机理,一般可划分为牵引式滑坡、推移式滑坡和复合式滑坡。众多专家学者研究了不同类型滑坡渐进破坏过程的运动特点、力学特征和演化过程,通过数值模拟分析得出滑坡破裂面形成机制和破坏程度,明确边坡监测在矿山边坡稳定性评价和滑坡防治过程中的重要性。

关键词：边坡雷达；突发滑坡；应急监测

引言

我国是一个地质灾害较为频繁的国家，每年因灾死亡的人数达数百上千人，直接经济损失数十甚至上百亿元，严重威胁着人民群众的生命财产安全，制约着地质灾害多发地区的经济发展。虽然1990年建立的群测群防体系在地质灾害防治领域取得了较为显著的成果，但近年来仍不断有灾难性重大地质灾害事件发生。面对已经出现临灾前兆或者突发的滑坡灾害，如何快速实时的开展监测和获取灾害的变形信息，为迅速救灾、应急决策和评估灾害损失提供数据支撑是当今面临的首要问题。近些年飞速发展的调查监测技术，尤其是边坡雷达技术、国产卫星技术及机载激光雷达技术等被广泛应用于重大地质灾害应急调查及监测。

1地质雷达工作原理

地质雷达向地下发射宽频带短脉冲形式的高频电磁波（１０６Ｈｚ至１０９Ｈｚ），当地下存在介电常数有较大差异的不均匀体（界面）时，该电磁波会反射部分电磁波，介质的相对介电常数决定了反射系数的大小，通过分析和处理地质雷达主机所接收的反射信号的旅行时、振幅和频率等波组特征，达到识别隐蔽目标物的目的。该方法具有连续、无损、高效和高精度等优点。

2工作模式

边坡雷达是通过碟形天线进行大幅度转动实现对边坡的全面测量，其数据采集周期随着监测区域的面积大小而变化，一般为2～8min，同时可以根据用户需要自定义设置扫描角度、扫描速率及扫描距离等参数，以达到监测效率最大化。雷达系统采集数据后自动整理归集到处理服务器，并通过无线通信系统传输至监控中心的显示终端，使监测技术人员可以实时掌握边坡的动态变形情况。近年来随着4G/5G网络、遥感测绘、智能控制及无线通信等先进技术的更新迭代，边坡雷达监测系统已实现无人值守的完全自动化运行、测量及管理，能够对边坡的变形信息进行采集、储存、解算、传输、报表、分析、查询与发布等，以便于实时跟踪监测边坡岩体的动态变形情况。软件分析系统可以显示监测范围内所有边坡岩体的监测数据，包括三维云图、位移曲线、速度曲线、加速度曲线、干扰曲线、温度曲线及大气折射曲线等信息。通过这些信息可以快速地识别潜在的边坡异常变形区域，并以数据的时间序列为基础，分析各个重点监测区域所代表边坡岩体的变形演化趋势，最终通过设置报警阈值的方法进行边坡预警，为矿区作业人员及设备的安全撤离及避险提供技术依据。

3边坡雷达在重大突发滑坡应急监测中的应用

3.1边坡雷达数据处理流程

数据采集程序对回波信号进行成像处理后，进行噪声去除和大气校正处理，形成成像图。对相邻2组成像图进行干涉相位的计算并评价其相干系数，得到相干图。从相干图中选择始终保持高相干性的点，例如裸露的岩石等，作为永久散射体（PS）点，进一步生成雷达视向的二维变形图。利用雷达直线轨道坐标与同一坐标系下的目标边坡坐标，可以计算出雷达与目标边坡的空间关系，即每一个目标边坡三维点相对于雷达的方位角及斜距。将二维变形图中记录的方位角及斜距信息，与三维空间真实的方位角及斜距做匹配，实现变形图的地理配准，使得每一个二维变形图像素（M，N）能够对应若干个目标边坡三维点（X，Y，Z），并将对应关系制作为索引文件（M，N，X，Y，Z）。将二维变形图按照时间序列不断叠加，并利用索引文件显示在实景三维模型上，实现直观的监测效果。

3.2边坡雷达系统组成与参数

本研究采用中国安全生产科学研究院研发的S-SAR-I型边坡雷达，系统主要包括：雷达主机、直线轨道、运动控制单元、电源控制单元、连接线缆、-数据采集电脑6个部分。雷达主机采用步进频连续波信号（SFCW），具有较好的距离分辨率和穿透能力，能够提高对目标边坡的监测精度。雷达主机上的小天线沿着直线轨道等速移动并收发微波信号，通过信号分析技术构建出1m的等效长天线。运动控制单元和电源控制单元能够将数据采集电脑的控制指令稳定地传输给雷达主机，并对微波输出功率进行控制。具有全天候监测（有效穿透空气中的颗粒物，对雨雾等天气干扰容忍性远高于光学和激光设备）、非接触式监测、监测范围大精度高（测距可达到5km、测角120°、精度0.1mm）、成像图分辨率高（0.25m*4m@1km）、数据采集周期短等优点。主要缺点有：无法观测微观质点沿物体表面移动但宏观无位移无变形的运动，这种极限情况在岩土体中不会发生，所以当边坡雷达观测对象为连续小变形时，某时刻某质点的视变形量近似等于该质点位移沿视线的分量；边坡雷达可以实现滑坡自动预警但做不到预报，要实现较准确的预报需要结合人工分析。系统能够在西南地区高温高湿的河谷气候下稳定运行，对目标边坡进行全天时、全天候微波遥感监测，有效获取到0.1mm精度的视向变形监测成果。

3.3滑坡体位移场

在滑体坡面上按等间距选取特征点,提取其雷达监测数据,分别绘制特征点的位移曲线和速度曲线,进行分析对比。将特征点在滑动破坏之前的位移量、破坏时的位移量、滑动破坏之前的位移速度进行大小排序。以上监测项目均按滑体空间分布关系,按滑体前缘大于后缘的基本规律分布。依照以上规律,可绘制滑体的位移场,并可进一步推断滑动方向和滑面的产状,这对滑后开展滑坡反分析,求取滑面参数至关重要。

3.4滑坡牵引

某边坡雷达监测数据显示，自边坡雷达重点监测以来,共发生了7次不同规模的滑坡,其中3次对解释牵引式滑坡的发展过程具有标志性意义。位于1182~1194m台阶,为此次滑坡的前缘位置。滑坡体位置下方坡面位移监测数据频繁波动,变化范围绝对值在±30mm之间。滑坡体位置上方坡面位移周期性增大,位移量由-20mm增大至150mm以上。滑坡体下方位移再次波动,引发上方区域位移速度增加滑坡体位移突发性增长,发生滑动破坏.从监测数据连贯性来看,滑坡体位置下方坡面位移监测数据连贯性差,结合现场条件,为1182m边坡活动扰动下造成局部坡面不稳定,继而引发滑坡,规模约80m3.从小范围来看,1182m边坡活动引发了小型滑坡;从西南帮整体边坡来看,滑坡发生后,第三系与孔德龙古系不整合接触面以上边坡体坡角阻滑段的分离,造成整体边坡下滑力进一步发挥主体作用。从发生破坏的时间顺序上,滑坡体前缘先于其后部坡体发生破坏,并在2~3h后发生二次和三次破坏,进一步加大对其后部边坡体的牵引作用,随后中部、中后部和后缘滑坡体相继发生滑动破坏,证实了牵引式滑坡的渐进式破坏过程.从发生破坏时的位移速度和破坏最终时刻位移量来看,前缘滑坡在较小的位移速度(1mm/h)时即引发破坏,最终位移量也相对较小;在其渐进式的牵引作用下,中部、中后部和后缘边坡体在位移速度达到5mm/h左右时启动破坏过程,最终的位移量也相对较大。其中破坏时位移速度和最终位移量最大者均为中后部边坡,这可能与滑面形态有关。滑坡规模约600m3.滑坡发生破坏之后的一段时间内,总体坡面保持相对平稳状态。坡面位移量缓慢增加,位移速度保持在3mm/h以内,处于蠕动变形的匀速变形阶段。坡面位移速度逐步增加至5mm/h以上,且位移加速区域有滑坡体前缘向后逐步扩展,牵引式发展特征显著,处于蠕动变形的加速变形中期阶段。此后坡面位移速度进一步增加,至某一时刻,位移速度发生轻微突变至10mm/h,认为加速变形阶段结束,进入临滑阶段。位移速度达到极值38mm/h,由1194m平台滑坡体附近发生破坏,并迅速向后缘扩展,坡面整体下沉,1238m平台后缘裂缝暴露面积不断增大。滑动基本结束,位移速度回归至5mm/h以下,并逐步归零。

3.5巡视检查

在进行的同时边坡雷达监测，沿变形区域裂缝均匀布置了6个裂缝临时监测点，以监测裂缝宽度变化情况。数据变化趋势与雷达监测数据监测趋势一致。

3.6位置选定

在构建边坡雷达监测系统的过程中，需要进行现场勘查及布置方案设计，确定边坡雷达能够达到监测要求的最佳布设位置。选取合理的布设位置不仅可以提升监测效果、扩大监测范围和降低监测成本，还更有利于对边坡变形信息的提取及研究，有效掌握各区域的边坡稳定性情况。边坡雷达的位置确定原则要充分考虑到：①地质条件好，地表稳固可靠；②视野空间广阔，可以有效覆盖需要监测的边坡岩体；③道路通畅，便于巡查及维护；④电源稳定，便于长期稳定运行。为满足边坡雷达长时间工作所需的供电、环境要求以及在恶劣气象条件下保障人员及设备安全的要求，最终选取了东北帮（626614．78，4977937．59，972．18）为雷达的布设位置。

结束语

边坡雷达应急监测，提供的监测数据和分析，可实现对残留体或复活体变形区的局部临滑破坏识别与预报。通过对比分析累计变形量～时间曲线、变形速率～时间曲线，再结合其他监测手段结果，可为应急抢险期间的专家研判和指挥决策提供数据支持，边坡雷达是重大突发地质灾害应急监测和抢险救灾的有力手段之一。

参考文献

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