岩质边坡稳定性监测技术研究进展*

谢　涛　何　文　卢春燕

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院；2.江西理工大学资源与环境工程学院；3.江西省矿业工程重点实验室)



岩质边坡稳定性监测技术研究进展*

谢涛1何文2,3卢春燕1

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院；2.江西理工大学资源与环境工程学院；3.江西省矿业工程重点实验室)

摘要岩质边坡稳定性监测一直是岩土工程的重要研究内容，并取得了众多成果。在收集整理了大量国内外文献资料和研究成果的基础上，系统、详细地介绍了目前岩质边坡的位移监测技术、光纤传感监测技术、地球物理监测技术、应力监测技术以及声发射监测技术，分析了目前岩质边坡稳定性监测技术存在的问题，展望了今后的研究方向。

关键词岩质边坡稳定性监测技术

我国露天金属矿山开采深度不断增加，逐渐形成了高陡边坡，边坡暴露面积越来越大，造成地质灾害频发，严重威胁着矿山的安全与发展。所以，对岩质边坡进行有效准确的监测、预测，是减轻滑坡灾害损失、减少人员伤亡最有效的途径。

到现阶段为止，国际上已经有很多用于岩质边坡稳定性监测的技术和手段，本文根据不同的监测仪器和手段，将其分为位移监测技术、基于光纤传感监测技术、地球物理监测技术、应力监测技术和声发射监测技术。

1位移监测技术

1.1数字化近景摄影测量

当摄影距离在300 m范围内时为近景摄影测量[1]。伴随着计算机技术的发展和光电子技术的成熟，利用计算机图像处理技术，实现了近景摄影测量的数字化。系统组成如图1所示。

图1　数字化近景测量系统构成示意

运用数字化近景摄影技术测量整个观测范围内边坡上所有位置的位移，实现观测人员很难到达地方的测量[2]。该技术具有设备简单、对环境要求低、自动化程度高、精度高等优点，以数字方式存储影像，能够在计算机上计算位移数据，但容易受天气的影响[3-5]。

近年来，国内外许多研究人员开始使用近景摄影测量进行边坡稳定性监测。2004年任伟中等人第一次将该技术应用在模型试验的变形测量中，在模型边界钢板上布置了测量标志点，每完成一步开挖，就测读一次数码相机测点。测量显示位移场如图2。这种方法所测得的位移变化与试验过程中各种现象很符合，结果比较准确，对采矿设计和生产具有重要的参考价值[2]。

图2　摄影所求得的累加位移矢量

2009年，聂小波等人利用近景摄影测量技术对某地进行监测，利用取得的数字信息，分析得到了该地区的立面图和云图等[6]；2011年，李彩林等人利用一种新的边坡稳定性监测方法，对被测对象进行近景摄影测量，对不同时期的DEM模型进行叠加分析，最后得到了岩体的绝对位移量[7]。目前该技术测量精度不高，将其应用在岩质边坡稳定性监测仍需要大量的理论研究。

1.2全球定位系统(GPS)

运用接收卫星信号测距进行定位称为全球卫星定位系统。GPS定位系统组成如图3所示，三者各自独立的发挥功能，同时又成为一个整体系统[8-10]。

图3　全球定位系统组成

2004年，过静珺等针对四川某地区滑坡，在示范区建立了GPS监测网，监测结果表明，GPS可以用作常规的大地测量方面的监测，能够满足边坡位移监测要求[9]。

目前，GPS技术在地质灾害的监测，尤其是滑坡灾害的监测中有着广泛的应用。如我国在三峡库区建立的高精度GPS监测网，此监测网分三级设置，首级控制将基准点覆盖三峡库区，工作基点依据滑坡的分布建立，使之成为基准网的加密和扩充；变形点建立于滑体上，和邻近的工作基点组网，共同监测滑坡体的变形。有效提高了监测的准确性和连续性。

在高精度GPS测量中，卫星轨道精度、对流层折射修正精度、多路径效应、接收机振荡器的稳定度等都会影响定位精度，实现高精度快速定位仍然存在许多尚未完全解决的关键技术。

1.3地理信息系统(GIS)

GIS平台具有强大的分析能力和处理空间信息的功能[11-16]，可以为相互作用研究提供支持，利用GIS技术可以综合研究滑坡的形成过程。地理信息系统组成如图4所示。

图4　地理信息系统的组成

从上世纪80年代开始，国外在实际工程中就已经逐步使用GIS技术，近年来，GIS技术正在不断地开发和研究中，但是众多研究人员只是将其作为一种数据准备和处理手段。2007年谈小龙在边坡稳定性研究中将力学模型和GIS技术相结合，以现场位移监测成果为依据进行数据分析、处理和统计推断，最终提出一个综合的边坡失稳预警模型，达到了提高边坡失稳和滑坡安全评价的精度要求[17]。到目前为止，GIS技术在岩质边坡稳定性监测相关方面的研究仍处于探索和发展阶段。

在岩质边坡稳定性监测中，GIS强大的空间解析功能具有广阔的运用前景。

1.4遥感(RS)

RS技术是运用电磁辐射理论，接收并记录目标所辐射的电磁波信息，经过信号加工处理，进而对被测体进行探测和识别的技术。

近10 a来，我国开始重视将遥感技术应用于滑坡灾害的监测中，实现对滑坡表面形态演变的动态监测。2010年唐川等[18]以北川县城及湔江河谷为研究区，运用遥感技术解译出了1 200多处不同类型的滑坡。地震后的2008年9月24日，暴雨诱发了更多的滑坡灾害，利用遥感影像解译，新增的暴雨引起的滑坡800多处。通过对“9.24”暴雨前后的遥感解译结果比较发现，被监测区域滑坡增加了68%，而且，发现滑坡面积增加了46.6%。图5为该地区遥感解译结果。

图5　该地区遥感解译结果

由于遥感技术在滑坡监测方面具有效率高、可动态监测、获取信息量大，适应性强等特点，在滑坡监测领域具有巨大的应用潜力。但遥感技术受天气的不利影响[19-21]，因此，遥感技术理论还需不断丰富，遥感分辨率还需提高。

1.5“3S”技术

GPS、GIS和RS技术共同组成了“3S”技术。滑坡灾害一般与地理信息有关，并且会涉及到空间信息成分，GIS技术可以管理滑坡信息，遥感技术对滑坡实时监测，基本不受地形地貌的影响；GPS又可以作为GIS及时采集和更新[22]。三者相结合的监测模式可以达到最佳的监测结果。

上世纪90年代以来，伴随GIS、GPS和RS技术的迅猛发展，欧阳祖熙等[23]利用三峡水库建成蓄水后，介于该高边坡和库岸的稳定性会产生变化，将3S技术和地面监测网相结合，监测边坡和库岸变形特征，根据在万州等地初步建立的系统监测，得到相当部分的结果。

将GPS监测数据直接传送给GIS系统，从而实现滑坡位移的监测和预测，是制约“3S”技术广泛应用的一个重点技术问题。随着卫星导航精度地提高，新型遥感技术日益完善，GIS空间分析与建模能力的增强，基于3S技术将在防灾减灾工作中发挥重要作用。

1.6测斜仪监测技术

在岩体中预埋测斜管，使测斜管随着岩体的变形而逐段测量，从而得到钻孔深度范围内各测点的水平位移。测斜仪埋设示意见图6。

图6　测斜仪原理及埋设示意图

以武汉基深勘察研究所研制的CX-3C型测斜仪为例，采用最新进口倾角传感器作为敏感元件，具有精度高，稳定性好，重复性高，漂移小，热稳定性高等优点。用测斜仪测定导管的位置初始值，比较各位置的读数与初始值之差，从而求得各个位置的相对位移，对相对位移求和得到位移量。量测钻孔深度范围内的水平位移 ：

(1)

式中，S为测孔深度范围内水平方向位移；n为测孔深度范围内的测试点数。

为保证边坡稳定性监测可靠，靳晓光等研究了钻孔测斜仪测量与数据处理，陈国胜等通过测斜资料误差，提出了误差的解决方法。

钻孔测斜仪的优点是测量准确，适用于滑坡体滑动方向可以准确预判的情况下，如果滑坡滑动方向预判不准确，得到的监测结果将与实际情况相差较大，同时也存在成本高、远程监控难、人工操作影响精度等问题[24-26]。

1.7应变管监测技术

布置于岩体内部的应变管随着岩体滑坡而产生位移，导致电阻应变片发生变化，测得岩体变化，继而得到岩体位移量和滑动面位置[27]。电阻应变管及埋设示意见图7。

图7　电阻应变管及埋设

电阻应变管分为弹性管材、电阻应变片、引线、防水层等。应当根据滑坡所处的滑动阶段来确定弹性管材,若滑坡推力较大，应选用强度较高的钢材，反之则可以采用聚氯乙烯塑料。

王化卿等采用电阻应变测管对甘肃省东乡县洒勒山附近的石拉子山黄图大滑坡群进行监测和预报，在有可靠的防水措施下，电阻应变测管应变值出现了异常变化，能够作为滑坡预测的依据[27]。该技术可以应用于滑坡监测和预报，结构简单，安装方便，性能可靠。

1.8时域反射技术(TDR)

时域反射技术最早于上世纪70年代在岩土工程运用。在TDR滑坡监测系统中，滑坡导致电缆形变，反射脉冲波形变化，通过分析反射波形来监测岩体的移动(见图8)。图9为滑裂面发展趋势与电缆断裂破坏的TDR信号[28-31]，图10为TDR技术边坡稳定性监测原理示意。

图8　时域反射系统

图9　电缆断裂的TDR信号

20世纪90年代初，Connor等人利用TDR监测技术，实现了对露天矿边坡稳定性监测的研究。我国张青等对雅安峡口滑坡进行变形监测，将同轴电缆安装钻孔中，得到了滑坡体深部的变形和位移。陈云敏等通过试验，取得了TDR反射波形随剪切和拉伸位移的变化规律，该成果具有重要的工程实际应用价值[29]。

但到目前为止，TDR技术在国内边坡监测领域发展还不成熟，单独使用该技术还不能确定边坡滑动方向和位移量，需要通过大量室内试验才能将其应用到实际工程中，如果与测斜仪技术配合，会得到较好的监测结果。

2光纤传感监测技术

利用外界环境的变化，使光在传播时某些特征参数发生变化，从而实现对外界环境的变化检测和信号的传输。根据被测区域的范围分为点式、准分布式及分布式3种监测，按照传感元件的不同分为纯光纤和光纤光栅。目前边坡监测运用中，光纤布拉格光栅传感技术[32-33]应用较多，但是只能实现点式或准分布式监测[34],将光纤作为传感元件可实现以上3种形式的监测[35-36]。

目前国内运用光纤传感技术于边坡稳定性监测方面取得了一定成果。王宝军等研究了边坡稳定性监测，表明光纤和土体的变形同步性很差，将光纤配合锚杆使用监测效果比较好。殷建华等根据光纤监测数据，阐述了光纤监测技术在边坡稳定性方面运用情况，为实际工程运用提供了一定的使用价值。美国利用自主研发系统SAA(Shape Accel Array)监测了加利福尼亚的现场边坡，监测结果与原先传统传感器测量的结果相吻合。

光纤传感具有可靠程度较高、抗干扰能力较强和监测精度高等优点。但是目前还不能同时满足高初始精度和大量程的要求，滑坡方向也不能确定，若光纤传感技术在岩土工程方向中取得突破，将有良好的运用前景[33]。

3地球物理监测技术

3.1地震勘探法

通过探测钻孔孔壁岩体的纵波波速，在带充气胶管的内胀式胶囊上绑传感器，每降2 m测量一次，直到孔底；然后拉回传感器，每2 m再测一次，纵波通过时间取平均值。探测方法和布设如图11。

图11　探测方法及其布设

当各岩体间存在明显的波速差异时，地震勘探法是可行的。该方法既经济又快速，被广泛用于探测边坡岩体变形破坏特征和边坡结构。

邓荣贵等利用地震勘探对岩体结构进行了探测，并且通过后期开挖，表明岩体结构特征和所探测结果相吻合[37]，为地震勘探法探测岩质边坡的开挖、支护等提供了支撑。

3.2探地雷达技术

将信号向地下发射，通过地层界面反射后接收，分析接收信号的特征参量，即探查滑动面[38]，如图12。

图12　探地雷达探测原理

第一次探地雷达的概念是由德国人在上世纪初提出的。在我国，1994年李大心在湖北襄樊岘上垭风化残积土体滑坡、湖北巴东新城碎石体滑坡和上海广灵四路软土体工程滑坡3种类型滑坡中运用了探地雷达技术进行探测，取得很好的效果。杨云芳等[39]利用探地雷达技术进行监测，杨成林等人利用探地雷达技术探测裂缝位置、走向、深度的高质量图像，说明探地雷达监测岩质边坡稳定性是可以实现的。

虽然探地雷达技术在岩质边坡稳定性监测方面是可行的，但随着频率的增加，衰减加快，会导致探测不深；而低频波则相反，其抗电磁干扰能力强，可在各种噪声环境下工作，具有图像清晰直观，工作效率高，重复性好等特点。

4应力监测技术

以预应力锚杆(索)监测边坡岩体的应力变化情况，在不少边坡监测工作中得到了有效应用。不仅可以治理边坡，还可以利用锚杆(索)进行应力监测，对边坡失稳进行及时有效地预测。振弦式钢筋测力较普遍，当钢筋计受拉伸或者压缩作用时，钢弦振动频率会变化，通过电磁感应线圈产生激振，读出钢弦的振动频率，可算出钢筋计受到的应力。GJJ-100型系列振弦式钢筋测力计结构简单、耐用性强和防水性能较好。预应力锚杆埋设见图13。

图13　预应力锚杆应力埋设示意

应力监测系统由两部分组成，一部分为数据采集和传输装置，安装在现场，另一部分接收和处理数据。2002年，朱焕春根据三峡临时船闸及升船机高边坡进行应力监测，取得了较好的监测效果[40]。2009年，何满潮提出了新的监测原理，建立了滑动力和预警力之间的关系，得出在滑坡发生前，边坡岩体应力会先出现变化，岩体位移变化滞后的重要成果[41]。

当前岩质边坡稳定性应力监测的研究大多处在现场监测，监测机制的研究并没有太多深入，也没有进行应力监测预警合理性分析，可以预计，在今后的研究中，这些难点将是应力监测边坡稳定性问题一个热点。

5声发射监测技术

岩石的脆性特性使位移监测技术较难探测到岩质边坡破坏失稳的一些前期特征，而岩质边坡的破坏过程往往从微观层面的变形开始，并且岩石的微观变形伴随着微弱的弹性波产生及传播，这种弹性波传播的现象称为声发射。因此声发射技术可作为一种时空动态监测方法，能够及时发现岩体内部破坏，对边坡内部情况能够进行有效揭示[42-43]，采集岩体破坏的声发射信号，通过分析和处理，达到辨别岩质边坡的前期破坏特征的目的[44-45]。

过去几十年中，国内外学者进行了大量的岩石力学声发射室内试验，确定了岩石在不同受力状态时裂纹的产生、扩展及声发射源位置等，建立了花岗岩三轴压缩试验下声发射源位置变化和裂纹扩展之间的关系。该试验表明，在低应力时，声发射源几乎分布在试件所有位置，但随着破坏的邻近，声发射源位置集中在主破坏面区域。

声发射技术在岩质边坡稳定性监测方面的应用是从上世纪70年代开始的，美国利用声发射技术测试了加州一个露天矿的边坡稳定性问题，并且对该边坡破坏进行了最初预报。我国研究人员曾用声发射技术对长江三峡大坝岩石活动情况进行了监测，由于受到众多因素的影响，在实际工程应用中声发射技术的监测效果受到很大影响。

万志军等[46]研究了岩石剪切破坏过程的声发射活动特征试验，结果说明岩石剪切过程有明显的声发射活动，临近极限强度时出现较大幅度的信号，这种特征能够作为岩体破坏的判断依据。通过相似模拟试验，布设了测力传感器和声发射传感器(见图14)，逐步加载直至边坡失稳，试验过程测得载荷、滑坡水平、垂直位移及声发射信号。图15为AE试件累计与位移的关系，分析试验结果得出，边坡失稳过程中岩体位移变化与AE声发射事件的变化趋势是同步发展的，并且当滑坡发生时，位移和声发射事件数都会迅速增加。

图14　模型和测点布置

图15　AE事件累计和位移的关系

室内试验与理论研究为现场声发射监测、预测提供了一定的科学依据，在现场岩石声发射监测、预测研究方面，蔡美峰等人根据采空区失稳过程的现场声发射监测结果，提出可以根据声发射特征统计分析岩体的稳定状态，该成果对现场运用有很大的实际工程价值[47]。到目前为止，声发射监测技术受到环境条件、边坡岩体结构复杂等方面的影响，在实际工程应用效果受到很大程度的抑制。

6结论

目前岩质边坡的稳定性监测技术正处在转型期，从过去传统的人工监测方法向自动化、高精度和远程监测方向发展。传统的监测技术大多由人工完成，观测周期较长，无法同时实现连续、实时、动态、高精度监测，且监测数据无法快速分析。

声发射技术可以反映岩体破裂和破坏的实时特征，监测结果可以反映岩体破坏和失稳的趋势和发展方向。通过监测岩体破裂和破坏的动态过程，提供预测岩质边坡滑坡失稳和评价岩石工程结构稳定性的依据。随着声发射技术在岩石变形、破坏和现场监测的研究不断进行，声发射技术运用到岩质边坡稳定性预测将会成为将来的一个研究热点。

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(收稿日期2015-09-23)

Advance of the Monitoring Technology of Rock Slope Stability

Xie Tao1He Wen2,3Lu Chunyan1

(1. School of Architecture and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology; 2. School of Resource and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology; 3. Jiangxi Key Laboratory of Mining Engineering)

AbstractRock slope stability is always the important research contents of geotechnical engineering, mangy achievements in this area are obtained in recent years. Based on collecting a large number of relevant domestic and foreign literature, the rock slope stability monitoring technologies are analyzed systematically and detailedly, such as the displacement monitoring technology, fiber optical sensing technology,geophysical monitoring technology, stress monitoring technology and acoustic emission monitoring technology, besides that, the existing problems of rock slope stability monitoring technologies area summarized, and the the future development direction of the rock slope stability monitoring technologies are discussed in depth.

KeywordsRock slope, Stability, Monitoring technology

*江西省科技支撑计划(编号: 20141BBG70097)。

谢涛(1991—)，男，硕士研究生，341000 江西省赣州市红旗大道86号。