露天矿边坡监测数据采集分析及预报模型

露天矿边坡监测数据采集分析与预报模型综述1目录一、概论………………………………………………….…….2二、监测技术及数据采集传输………………………….…….4三、露天矿边坡数据分析方法…………………………..……8四、滑坡预测的模型与参数………………………………….15参考文献…………………………………………………...…26露天矿边坡监测数据采集分析与预报模型综述2一、概论一、露天边坡及稳定性分析边坡工程中，安全问题随着矿山开发、水利建设、城市发展等项目的进行，往往是其中重要的环节，经常会形成有超百米的临时边坡或永久边坡。例如，五强溪水电站坝址左岸形成的边坡高度在130~150m；清江隔河水岩电站厂房人工开挖形成的台阶式边坡高达185m，长350m；我国露天矿山规模宏大，最终设计边坡高度一般为300~500m，有的已经达700m，冶金部重点矿山大冶铁矿整个东露天采场上口尺寸为2250m*1000m，南北帮采深将分别达390m和420m，是典型的高陡深凹露天大型矿山。大小边坡失稳事件数目众多，小事故可以造成工期延误，财产、设备损失，大事故则可能造成人员伤亡，甚至改变设计初衷。天生桥二级水电站位于中国广西壮族自治区隆林县及贵州省安龙县的界河——南盘江上。水电站首部枢纽布置在天生桥峡谷出口的坝索坝址至厂房长约14.5km的河段内181m集中天然落差，裁弯取直，开凿引水隧洞引水发电。1985年，在该工程水电站进水口明渠开挖时，发生边坡坍塌，造成48人死亡；此外，该工程电站厂房殷边坡稳定问题几度改址。1989年，位于越西县的漫滩水电站在左岸坝肩开挖时，发生10.6万m3滑坡，工程被迫中断，并导致更改枢纽的原布置方案。又如，大冶铁矿狮子山北帮A区在1990年4月30日发生6000m3体积的滑坡，而后，在1996年7月1日再次发生较大规模的滑坡，滑坡体垂直高差240m，总体积约90000m3。可见边坡事故影响很大，所以其安全问题历来备受重视。我国的露天矿边坡工程研究起始于20世纪60年代，在20世纪70～80年代得到了飞速发展，与此同时，我国在边坡工程总体技术水平上，已居于国际先进行列。进入20世纪8O年代后期，我国已有越来越多的露天矿山转入深凹露天开采，边坡高度从原先的l00～300m增加到300～500m，有的甚至超过700m。90年代以来，我国露天矿的边坡稳定性研究的数据分析方法亦取得不少新的进展。边坡稳定性分析一直是岩土工程中重要的研究内容，其研究最早可追溯到19世纪初，早期的边坡研究是仅以土体为研究对象的，其方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法，并把此方法用于岩质边坡的稳定性研究，但由于其力学机理的粗浅或假设的不合理，其计算结果与实际情况差别较大。20世纪50年代，我国的许多学者在研究中开始采用苏联的“地质历史分析法”，但也是偏重于定性描述和分析。60年代初意大利依昂水库边坡及我国一些水电工程中所遇到的边坡失事，研究者意识到边坡破坏是一种时效过程或累积过程，从而使边坡稳定性研究进入模式机制研究或内部作用的阶段。80年代后，边坡稳定性研究进入蓬勃发展的新时期，计算理论及计算机技术的迅猛发展，数值模拟技术开始广泛应用于边坡稳定性研究之中，同时，随着工程规模的不断加大，边坡岩体工程条件也越来越复杂，随机方法和模糊方法等不确定性分析方法被应用。二、露天矿边坡数据分析方法和预报模型露天矿边坡中，主要研究的对象是天然岩体，它不仅具有显著的不连续性、非均匀性和各向异性，而且受到地应力和地下水等作用，这使得其天然状态十分复杂。而大型边坡开挖扰动了自然条件下的地应力（初始应力）场。合理的计算模型要求能真实的反映岩体物理力学性质，以及地应力释放和重分布时的岩体性状。露天矿边坡监测数据采集分析与预报模型综述3露天矿边坡数据分析方法可分为定性分析和定量分析两部分。定性分析通常包括：对实测数据中有代表性的主要测值信息进行基本特征值统计，例如，计算某时段（某区域）的最大值、最小值及相关时间，平均值、极差、样本方差等；进行对比分析，如将新监测值与历史同条件测值进行对比，与历史最大、最小值和平均值比较，与近期数值比较，与邻近测点数值比较，与相关项目数值比较，等等；绘制实测值变化曲线及相关测项对应曲线，并以这些为基础对被监测体的状态进行初步定性识别，同时可考察测值的真实性，识别由仪器失效、观测失误等因素造成的明显不合理数据。定量分析则需要从力学、数学等方面入手，从定量角度较为深入、详细地揭示数据所含的信息，描述内在规律，进行预测、评价和反演等。总体来说，露天矿边坡数据分析应用研究工作都是一个由定性分析向定量分析发展的过程，并处在进一步研究、发展阶段。作为数据分析的主要方法和定量分析的主要工具，数学监测模型在露天矿边坡中得到广泛的应用。工程人员借助监测模型可以对被监测状态的变化规律进行定量描述，在一定情况下，可以揭示状态量与影响因素间的定量关系，还可以借助模型进行反演分析，而在监测模型上的预测已经成为目前应用最广的预测方法。正是由于监测模型能有效服务于几乎全部的安全监测目的，它已成为深入分析监测资料不可缺少的组成部分，也是深入研究的重点内容。露天矿边坡监测项目众多，主要包括工作条件监测（如降雨、气温、施工进展），变形监测（如外部水平、垂直位移，内部水平、垂直位移，倾斜，裂缝及接缝，土体固结，等等），应力应变监测（衬砌、支护应力，锚杆荷载，混凝土应力应变，等等），渗压渗流及地下水监测（如渗压、渗流量，地下水位，等等）。其中，变形监测以其测量精度高、观测方便、资料齐全、能直接反映被监测体状态等特性而成为监测及分析的重点，其应用范围与分析水平都处于各观测项前列，是分析被监测体规律、掌握动态、评价安全的主要凭据。露天矿边坡监测数据采集分析与预报模型综述4二、监测技术及数据采集传输由于早期装备条件的限制，我国边坡安全性监测主要是根据人工观测地表变化特征、地下水以及周围动植物的异常来推断确定其发生的可能性。之后，随着时代的发展和科技进步，表面位移监测法的一些常规仪器，包括全站仪、经纬仪、水准仪、GPS监测以及新近发展的GPS手机监测和InSAR技术等，也逐渐得到应用。这类方法由于表面位移和滑面位移的不一致性，预测预报准确度十分有限。而通过深部位移监测法，即钻孔倾斜仪进行监测，虽然能够确定滑面位置，但产生较大错动后，倾斜位移监测失效，后期滑坡位移数据无法获得，故其数据带有“一孔之见”而有失准确。一、监测技术1边坡监测的作用①为边坡设计提供必要的岩土工程和水文地质等技术资料；②获得更充分的地质资料和边坡发展的动态，从而圈定可疑边坡的不稳定区段；③确定不稳定边坡的滑落模式，确定不稳定边坡滑移方向和速度，掌握边坡发展变化规律，为采取必要的防护措施提供重要的依据；④通过对边坡加固工程的监测，评价治理措施的质量和效果；⑤为边坡的稳定性分析提供重要依据。2边坡监测的内容与原则①重点突出、全面兼顾②及时有效、安全可靠③方便易行、经济合理3边坡监测的方法①简易观测法②设站观测法③仪表观测法④远程监测法（参考文献——边坡监测技术浅谈）二、GPS技术与数据采集传统的监测的传统方法是利用精密水准测量的方法测量垂直位移，利用全站仪测量水平位移。该技术常规做法是在变形区域内分别布设水平变形监测控制网和地表沉降监测控制网。由于传统监测方法网形结构要求较高，而受通视条件限制。在观测作业时，监测时间长、工作量大，并且不能实时得到真正意义上的三维高精度变形信息。同时，如果边坡处于变形加速期，难于保证监测人员的安全。在边坡监测过程中，其滑坡变形预报的准确度不但与监测设备能否实时、准实时或在相应的观测周期内灵敏可靠地取得相关精度要求的变形数据有关，还与数据的处理方法有关。随着GPS接收机设备价格的下降，以及GPS定位及数据处理技术的不断发展和完善，如何更好地运用GPS定位技术对边坡等地质灾害进行监测和预测是当前研究和应用的热点。应用GPS监测边坡变形时，基于监测网的精度指标、可靠性指标和灵敏度指标优化监测网。经验可知GPS一机多天线边坡自动监测系统与常规监测结果几乎是一致的。可用于高边坡，特别是传统方法由于观测条件困难而难于实施的场所，并且具有全天候监测、自动化程度高的特点。有时候由于产生电磁干扰和多路径效应的影响，会给测量结果带来影响，露天矿边坡监测数据采集分析与预报模型综述5形成突变，降低了定位数据的可靠性，影响定位精度。因此为了提高GPS定位的可靠性和精度，应对测量数据进行粗差剔除。GPS用于边坡监测，不仅是对观测设备有要求，数据处理方法也是核心内容。针对不同的监测环境和条件，应选择科学合理的数据处理方法，以得到精度高和可靠性强的监测结果。（参考文献——GPS在露天边坡地表位移监测中的应用）（参考文献——GPS边坡变形监测数据处理与精度分析）（参考文献——GPS实时监测技术在抚顺西露天矿边坡变形监测中的应用）三、监测过程数据采集的全自动化徕卡的TCA系列全站仪，具有自动识别目标的ATR(AutomaticTargetRecognition)功能，能自动搜索、照准目标，实现角度、距离的全自动化测量。基于徕卡TCA系列的边坡工程变形自动监测系统，在某矿山边坡工程变形监测中得到了应用。（参考文献——边坡工程变形监测系统的研究）四、监测预报的全自动化清华大学3s中心承担的“三峡库区高切坡监测预警信息系统软件开发及数据库建设”，设计了基于GPRS／SMS和NET技术的边坡稳定监测数据管理预警系统。提供了一套完整且运行效率较高的边坡稳定数据的监测、实时传输、处理、统计以及分析的解决方案。边坡稳定监测系统由自动监控没备、现场机、传输网络、监控中心服务器四部分组成。监控中心服务器通过传输网络与现场机交换数据、发起指令、应答指令。如图l所示。（参考文献——边坡稳定监测数据管理预警系统的设计与实现）五、变形监测数据的管理系统的设计与开发露天矿边坡监测数据采集分析与预报模型综述6数据管理软件设计开发的基本思想是以最少的人工干预、比较先进的数据算法、方便的操作方式和友好界面实现监测数据的管理，从而保证监测数据内外业处理的自动化和规范化，为高边坡的稳定和三峡大坝的安全运行提供可靠的变形监测数据资料。另外，系统的开发需要具有以下的几个要求(1)模块化；针对升船机及临时船闸的数据处理系统可以分成若干子模块，但其本身又要能接受三峡监控中心主控模块的调用。(2)可扩充性和先进性_5；系统应采用规范化、标准化、组件化的设计思想，即使个别组件出现故障或需更新，也不会影响到整个数据管理系统的正常运行，同时整个系统的维护和升级应更加容易。作为我国的重点水电项目，必须采用当前先进的软硬件技术，保证系统的先进性。(3)易学实用性；系统功能的划分应清晰合理，人机界面良好，人工干预少，菜单简单直观，易学、易操作，自动化程度高。(4)可靠性；一是保证监测工作的连续性，确保系统的软硬件长期稳定地工作，即使在特殊情况下，也能正常工作，准确地进行分析。二是采集的数据必须经过错误和粗差检验，确保数据的可靠性；应用的监测分析预报模型必须正确，保证预报的准确性和可靠性。(5)开放性；系统应对硬件依赖性小，软硬件平台选用开放式系统，便于不同系统、软件平台之间的互通。(6)安全性；系统要提供用户名、密码和不同的访问权限。另外，对重要数据进行加密、备份等安全措施。1数据采集模块采集模块是实现监测数据采集的功能。变形监测仪器的现代化和自动化程度越来越高，外业数据采集的仪器种类也越来越多。外业监测仪器大致分为全站仪系列、水准仪系列、GPS、各种应力计等；监测数据采集方式大致为全自动电子记录、手工按键式电子记录两种。对应这两种方式，PC——ES00袖珍计算机、基于WinCE的掌上电脑、存储卡、传感器等应用于不同类型外业监测数据的记录工具，数据采集后预留其它数据采集方式的接口。监测数据采集是通过记录程序对规范规定的各项监测限差进行自动控制，对不合格监测数据都会舍弃或要求重测，然后生成相应格式的数据流。2数据传输模块