高陡边坡危岩体变形量边坡雷达监测设计方案研究

2022-09-29兰思炼胡静云

采矿技术 2022年5期

兰思炼，胡静云

(1.湖南柿竹园有色金属有限责任公司，湖南郴州市 423000；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012)

0 引言

对边坡表面位移进行测量与监测的方法有很多，例如水准仪、全站仪、GNSS的静态法与动态法，或采用无人机往待测区域投掷配置有GNSS仪的监测桩、边坡雷达法与卫星InSAR法等。在对高陡边坡危岩体的形变量进行监测时，常规测量方法与GNSS法均需要在被监测岩体上固定棱镜等发生目标，在实际操作中存在较大的安全风险且实用性受到很大限制，边坡雷达法因其独特的技术原理，在高陡边坡危岩体的变形量测量上具有不可替代的技术优势。

已有的相关研究有：李俊鹏等[1]对国内外边坡稳定性问题的研究现状进行了阐述，对边坡稳定性分析常用方法进行了解析，对边坡监测常用方法进行了介绍。韦忠跟[2]从合成孔径与真实孔径边坡雷达的工作原理、工程应用效果方面入手，分析了两种边坡雷达技术在露天矿边坡监测方面的异同，并在扫描工作原理、云图显示效果、数据更新速度、监测距离及精度等方面进行了对比，阐明了两种雷达的使用条件和范围，及在不同矿山场景的适用性，合成孔径和真实孔径雷达均为亚毫米级测量精度，在实际应用中，由于监测距离远，雷达波在空气中的传播过程受大气条件的影响，实际精度也无法达到理论上的最大值。另外，雷达波往往不是以垂直方向正对边坡发射，实际监测位移与真实位移存在三角函数关系。林德才等[3]基于干涉差分测量技术的边坡雷达监测预警系统，采用均方连差检验和卡尔曼滤波两种方法处理监测数据，根据边坡破坏特征以及演化规律进行预警。通过对边坡雷达的基本技术原理以及数据处理方式进行了深入研究，并基于边坡雷达在浙江丽水“11·13”滑坡救援监测中的应用，证明了边坡雷达可实时有效对目标边坡进行监测预警，这一技术对失稳边坡的监测预警具有重要意义。宋来臣，王旭等[4-5]结合乌拉根铅锌矿工程地质条件及采场边坡赋存状况，建立了一套拖车式合成孔径雷达预警系统。通过预警原理研究及预警阈值设定，建立了矿山边坡预警预报体系。通过监测数据处理与分析，雷达系统以声光报警器、短信、邮件的形式，成功发送了2019年12月15日矿山南边坡3号勘探线附近＋2284 m～＋2269 m区段边坡顺层滑动的黄色预警指令，避免了矿山可能出现的安全事故，证明了以位移速率 30 mm/d、连续变形体面积60 m2为边坡预警阈值的可靠性。

已有文献中关于某个具体的工程如何进行边坡雷达监测方案的设计的研究较少。根据边坡雷达的技术特点，针对具体的监测对象，如何布置边坡雷达的设计位置及需要注意的技术要点的研究也较少。本文以某钨矿高陡边坡存在的大范围危岩体典型案例为研究对象，详细研究边坡雷达技术原理、技术指标及其特点，设计边坡雷达的具体布置位置、边坡雷达的数量等详细的边坡雷达监测方案，总结进行方案设计时应重点注意的技术要点，为类似工程案例提供了研究范例。

1 工程概况

某钨矿形成了山坡型露天采场，因剥离工程的需要，需要在高陡边坡上进行凿岩、装药爆破与铲装运输的生产作业，高陡边坡垂高约400 m、最终边坡角约为57°，剖面图如图1所示，周边地形地势如图2所示。为了提高剥离施工过程中的安全保障水平，亟需对高陡边坡危岩体的位移变形量进行监测，以便掌握其发展趋势，为可能的边坡岩层滑移、倾倒等灾害进行监测预警[6]。根据国家有关规范的要求，边坡危岩体变形量的水平位移监测精度为 ±6 mm、垂直位移监测精度为 ±3 mm。

图1 高陡边坡剖面

图2 高陡边坡危岩体实景

2 合成孔径边坡雷达技术原理与特点

2.1 技术原理

本文以合成孔径边坡雷达来设计监测方案，边坡雷达分圆弧轨道地基雷达与直线轨道地基雷达两种，通过步进频率连续波技术获取观测区域的高分辨率二维图像，把同一目标区域，不同时间获取的 SAR复图像结合起来，比较目标在不同时刻的相位差，可获得目标的毫米级精度位移信息。

边坡雷达所获取的二维图像坐标轴中沿轨道的方向为方位向，沿雷达波发射的方向为距离向，方位向分辨率δθ为：

式中，λ为雷达发射电磁波波长；L为轨道长度。边坡雷达波段一般为Ku波段,波长为14 mm，轨道长度一般为2 m。方位向分辨率是区分雷达视线上左右两个不同物体的能力，该分辨率一般取 1 km处的分辨。目前边坡雷达角度分辨率能达到 4.0 mrad，即在1 km的地方，边坡雷达可以区分左右间距为4 m的两个物体。

距离向分辨率σr为：

式中，C为电磁波在真空中的传播速度；B为雷达发射信号带宽。目前的边坡雷达设备距离向分辨率优于0.15 m，雷达的距离向分辨率是指雷达区分出雷达视线方向上的前后不同物体的能力，即两个物体在雷达视线方向距离 0.15 m以上可以被雷达识别出是两个物体，在0.15 m以内则会被雷达认为是一个物体。

假设目标在时间t1和t2发生了一定的位移，在两个时刻下雷达位于相同的位置对目标区域进行观测，分别可以获得两次时间条件下与目标的距离S(t1)和S(t2)，通过干涉处理即可获得目标相对的位移量ΔS。这一过程可以用式（3）表示。

得到不同时间获取的 SAR复图后，通过比较目标在不同时刻的相位差，获得目标的位移信息。

差分干涉指在不同的时间点上利用雷达系统获取相同的固定目标数据，得到同一相元不同时刻的相位差，将上述相位差应用到其他监测目标，可以消除对大气干扰等误差，提高测量精度。

2.2 技术特点

（1）无法辨识岩体变形的来源。边坡雷达对测量目标区域进行周期性扫描，将不同时刻的扫描结果进行比对，在扫描得到的图像上，产生了位移的图像元是从上个时刻的图像元移动过来的，边坡雷达技术无法进行区分，边坡雷达只能给出扫描图像上同一个方位、仰俯角上的图像元发生了距离上的变化。

（2）测量结果的准确性与目标方向方位有关。对于测量区域的某一图像元目标，该目标表面与入射雷达电磁波的夹角、与边坡雷达的距离、目标表面反射回来的电磁波的信号强度等都会影响雷达成像。当雷达电磁波入射方向与失稳岩体主滑方向一致、距离1000 m以内、大气环境良好、被测岩体面反射强度好时，变形理论监测精度为亚毫米级。但是在实际应用过程中，上述各影响因素变化较大，将不同程度地降低变形测量精度，实际测量精度可能会降低到厘米级。

（3）异常数据剔除。在工程现场，由于人员移动、车辆作业设备的遮挡、边坡上局部小碎石的掉落等，都会对边坡雷达的测量结果产生干扰与局部异常。一般来讲，在边坡变形过程中，需要假设连续区域协同变形，剔除碎石掉落等偶然因素造成的干扰与局部异常。边坡雷达监测预警系统主要采用均方连差检验和卡尔曼滤波两种方法来剔除异常数据。

3 边坡雷达监测方案设计

3.1 边坡雷达位置的设计依据

设计采用的边坡雷达的技术参数除了上述的方位向分辨率与距离向分辨率外，其他技术参数有最远工作距离为5 km、监测周期小于10 min、监测范围在方位方向是90°、最大俯仰覆盖角度70°、整机功率50 W等，另外可采取无线数据传输方式，实现在线监测。

下面推导了边坡雷达电磁波入射方向与待监测滑体的主滑方向矢量的夹角对变形测量准确性的影响。

假设边坡上待监测滑体的主滑方向矢量为H，一般为未知量，但是可以根据边坡工程条件进行合理推断假定。1#边坡雷达处电磁波发射方向矢量r1与H的夹角为θ，当H为已知时，θ1也为已知量，对于 1#边坡雷达监测系统处理获得的监测目标的位移量ΔS1与滑坡体在主滑方向矢量H上的真实位移量ΔH有如下关系：

真实位移量ΔH是工程中最关心与最重要的量，但是若θ1太大，边坡雷达监测能监测与感应到的位移量就会变小，特别是极端情况下θ1为90°时，边坡雷达将感应不到边坡雷达的位移，一般来讲，θ1应小于 30°。

3.2 设计方案

在本工程案例中，所研究对象为山坡型露天矿，如图2与图3所示，地表地形布置条件不佳，高陡边坡的主滑方向矢量H如图3所示，可以推测为朝向西，倾角约30°～50°。另外在图2所示的高陡边坡危岩体区域内，由于岩体结构面的切割，一些小体积的滑体的主滑方向受岩体结构面的约束，岩体结构面揭露程度与勘探程度不够，存在较大的模糊性，所以一些小体积的滑体的主滑方向存在随机性。

边坡雷达在现场监测设计时，要在被监测滑坡区域外稳固的区域布置一个或几个三角反光站牌，用来作为差分校核，对于消除与降低大气影响因素有一定的作用。若未正对雷达视线方向，监测变形量数据会变小，可以通过软件对该点位的形变量进行校准，通过雷达视线方向和主滑方向的角度情况进行纠正。一是考虑主滑方向，雷达波的入射方向应尽量与预估的危岩体的主滑方向保持一致；二是布置两台边坡雷达，通过另一台边坡雷达来修正还原围岩体的真实滑动方向与滑移变形量；三是设置一个三角反光站牌，进行大气校正与差分校核，提高变形测量精度。

基于前述研究成果，本工程案例的边坡雷达监测设计方案具体见图3。共设计布置两台边坡雷达，其中一台布置在+620 m水平，见图3中的1#雷达，1#雷达正对着待监测围岩体发生移动的主滑方向，另外在塌陷坑的西南角布置2#雷达，用来对主滑方向存在随机性的小体积滑体的监测，也用来协助1#雷达进行修正还原。在理论推测的地表岩石移动范围之外，布置一个固定的三角反光站牌，具体设计位置见图3中的蓝色三角形图标。