礦山尾礦壩變形監測技術綜述

李亞龍，劉玉峰

（金堆城鉬業股份有限公司，陜西 華縣 714102）

0 前言

尾礦庫作為礦山企業的主要生產設施，既是事故易發部位，也是重大危險源之一。我國現有尾礦庫12 600多座，其中一百萬方以上尾礦庫有800多座，儲存選礦廠排出尾礦達50億t以上，而且每年以3億t的數量在增長，造成尾礦庫壩高逐年增加，存在巨大安全隱患。

在我國礦山諸多尾礦庫中，目前處于正常運行的不足70％，有的行業44％的尾礦庫處于險、病、超期服務狀態，導致尾礦庫的重大事故時有發生，例如：云南錫業公司火谷都尾礦庫1962年發生潰壩，造成171人死亡；湖南柿竹園有色礦牛角壟尾礦庫1985年發生潰壩，造成49人死亡；湖北省大冶有色金屬公司龍角山銅礦1994年尾礦庫潰壩，死亡28人、失蹤3人；2000年廣西南丹縣大廠鎮林潤選礦廠尾礦庫突然塌壩，造成28人死亡；2006年陜西鎮安某黃金尾礦壩潰壩，造成17人死亡；2007年遼寧海城發生尾礦壩垮塌事故致15人死2人失蹤；2008年山西襄汾縣“9·8”特重大尾礦庫潰壩事故，277人遇難等等。這些尾礦壩重大安全事故造成了重大人員傷亡和巨大經濟損失、環境破壞，給社會帶來了嚴重的負面影響。

美國克拉克大學公害評定小組的研究表明，尾礦庫事故的危害，在世界93種事故、公害隱患中，名列第18位，它僅次于核爆炸、神經毒氣、核輻射等災害，而比航空失事、火災等其他災害嚴重。根據國際大型壩體協會（ICOLD）和美國大型壩體學會（UCSOLD）尾礦分會對尾礦壩事故的評價結果，造成尾礦壩事故的原因是多方面的，包括：漫頂、靜態條件下或地震引起的不穩定性、滲漏及內部侵蝕作用等，在尾礦壩體事故的主要原因中，邊坡的不穩定是遠高于地震和漫頂的第一因素，其聯合調查的主要結論為：在尾礦庫的運行期間，尾礦壩體及周圍邊坡的監測和控制十分重要。因此，開展尾礦壩的安全監測工作，對提高尾礦庫的本質安全狀態和安全管理水平，減少和控制尾礦庫運行中的危險、有害因素，減少各類隱患、降低安全風險、預防事故發生，保護企業及下游居民的生命財產安全，保持庫區周邊的自然環境和社會穩定等方面都具有重要意義。

1 國內外尾礦壩變形監測研究現狀和發展歷程

1.1 尾礦壩變形監測現狀

尾礦壩的安全監測項目主要有：壩體水平位移、壩體沉降、壩體固結、壩體孔隙水壓力、壩體浸潤線、壩基揚壓力、繞壩滲流量、滲流水水質、庫區干灘距離等等，一般認為其中的壩體浸潤線、庫區干灘距離和壩體位移是關鍵的3項。對于尾礦壩的位移變形監測主要是進行壩體水平位移和壩體沉降觀測兩項，根據冶金工業部1988年頒布的《選礦安全規程》的規定：“尾礦壩上的變形觀測點，應定期進行觀測，地震、洪訊期間應增加觀測次數，發現沉降量或水平位移量有異常變化時，應及時向有關部門報告”。位移是壩體穩定性狀態最直觀的反映，壩體任何變形均能在其水平位移和沉降上得到及時反映，因此，采用一定的技術方法對壩體位移進行及時、高效的監測，建立其數據分析和預警系統是非常必要的。

國際大型壩體委員會（ICOLD）歷來十分重視大壩安全監控問題的研究，自1992年成立“大壩及其基礎監測委員會”以來，在一些國家中進行了廣泛的調查研究，先后制定頒發了一系列有關安全監測的文件，這些文件集中了各國先進成熟的經驗。從目前看來，大壩監測已成為一個綜合性的需要多個專業支持的專門學科和技術，它包括從儀表量測、數據采集、傳送處理、儲存管理到資料解釋、分析、評估、預測等許多環節，己形成一個完整的系統。隨著傳感器、計算技術和軟件技術，特別是網絡、通信和數據庫技術的飛速發展，人工施測的時代將成為歷史，大壩安全監測自動化技術得到了空前發展。

1.2 國內外尾礦壩變形監測發展歷程

在尾礦壩安全監測方面，國外開展較早，發展遙測儀器成為近幾年科研工作的重點。20世紀60年代末，美國、法國、意大利、日本、萄葡牙、加拿大等國在大壩自動化監測及遙測技術方面開始了深入的研究和開發，意大利安全監控系統構成包括自動在線實時監視系統和離線復核及大壩管理系統，其大壩安全監控預報模型處于世界領先水平；美國的大壩安全監測自動化系統，比較重視大壩監測數據的集中處理，例如墾務局所屬的255座大壩的觀測數據，通過電話、衛星通訊、計算機通訊等方式傳遞到丹佛市的工程研究中心進行分析處理。

國內尾礦壩安全監測普遍起步較晚，現在仍存在一些尾礦壩的運行狀況，依靠直觀經驗判斷的情況，大部分礦山企業的尾礦管理系統，只是將相關尾礦管理資料信息化，人工利用全站儀采集尾礦壩體的形變、位移、庫區水位等相關數據，整理后存儲以供管理、分析、決策等應用，其數據采集周期長、數據精度完全依賴觀測人員的工作經驗、數據讀取受天氣等因素影響較大，觀測資料的可信度較低，不能做到實時、真實反映實際情況，缺乏相關的尾礦壩變形監測處理系統。

從20世紀50年代開始，我國大壩變形監測開始研究和使用人工變形監測系統，利用經偉儀、水準儀等監測壩體變形。20世紀70年代末，我國大壩監測自動化工作開始起步，經歷了從單臺（支）儀器遙測、專測量裝置、集中式數據采集系統到分布式數據采集系統的發展過程，以傳感器為基礎的大壩自動化監測系統開始逐步應用于葛洲壩水利樞紐、新豐江水利工程等壩體位移監測。20世紀90年代開始大壩GPS自動化變形監測系統的研究，已經成功應用于三峽工程、黃河小浪底水利樞紐、高壩洲大壩等變形監測。目前，多傳感器融合的大壩變形自動監測系統的自動化、網絡化和信息化技術是大壩變形監測領域的研究和發展趨勢。

表1 尾礦壩變形監測發展歷程

盡管國內外壩體變形監測的新技術得到快速發展，如地面攝影測量方法、GPS自動化變形監測系統、時態GIS（Temporal GI S，簡稱TGI S）技術、變形監測機器人高精度地面監測技術等，變形監測的技術和方法正由傳統的單一監測模式向點、線、面立體交叉的空間模式發展，但綜合考慮尾礦壩體的特殊環境和布設特點、監測方法的有效性和實用性、變形數據的精度要求和周期影響、野外環境監測設備的可靠性和穩定性等方面的因素，這些基于新技術的自動化實時監測手段并不能完全取代傳統大地測量方法對壩體變形監測的直觀反映，傳統常規大地測量方法仍然是一些尾礦壩體變形監測的首選。

2 尾礦壩體變形監測技術現狀與展望

2.1 傳統的監測方法

尾礦壩體變形監測的傳統方法，指采用經緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等常規測量儀器測定尾礦壩體監測點的水平位移和高程沉降。水平位移測量就是測定壩體每個監測點的水平位移，其特點是精度要求高、視線距離短，通常采用三角網、邊角網、三邊網以及角度距離交會、導線測量等形式，具體方法主要有視準線法、激光準直法等。沉降觀測，就是利用尾礦壩上的監測點組成附合水準路線，定期測量監測點的高程變化情況，根據各監測點的高差變化，計算尾礦壩的沉降量、傾斜率、曲率、構件傾斜率以及沉降速度，確定沉降變形對尾礦壩破壞影響程度。

傳統監測方法的優點是：①能夠提供整體變形狀態；②適用于不同的監測精度要求和不同的監測環境；③可以提供壩體絕對變形信息；④設備穩定、可操作性強。但由于其布點受多方面條件的制約，施測受天氣、環境等多種影響，數據采集的人為偶然誤差較大，外業工作量大、監測成本高、自動化程度差，使得效率很低，耗時、費力且經常出現粗差，已難以滿足當今尾礦壩安全監測的要求。

2.2 現代監測方法

目前，尾礦壩變形監測的技術和方法正由傳統的單一監測模式向點、線、面立體交叉的空間模式發展，主要的新技術和方法有以下幾種：

⑴變形監測機器人。測量機器人（Measurement Robot，或稱測地機器人Geo-robot）是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀，可用于尾礦壩的自動化變形監測。

⑵地面攝影測量方法。在壩體周圍選擇穩定的點安置攝影機，對尾礦壩進行攝影，然后通過內業量測和數據處理得到尾礦壩上目標點的二維或三維坐標，比較不同時刻目標點的坐標變化得到它們的位移。

⑶計算機層析成像（CT技術）。在不破壞物體結構的前提下，根據在物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、X線光強）的一維投影數據，運用一定的數學方法、通過計算機處理，重建物體特定層面上的二維圖像以及依據一系列上述二維圖像而構成三維圖像的一門技術。

⑷光纖傳感技術。光纖傳感是利用光導纖維來感受各種物理量并傳送所感受信息的一種新技術，凡是電子儀器能夠測量的物理量，如位移、壓力、流量、液面、溫度等，光纖傳感器幾乎都能測量。光纖靈敏度相當高，其位移傳感器能測出0.01 mm的位移量，溫度傳感器能測出0.01℃的溫度變化。

上述技術方法都具有自動化程度高、全天候、連續、實時、操作簡便、數據傳輸處理方便等優點，但大多數礦山尾礦壩都處在偏遠、惡劣的環境，制約因素較多，因此在實際應用中仍存在一些問題：①設備管理、維護、保護困難；②儀器穩定性、數據傳輸穩定性不能保證；③變形監測實際精度大多不能達到設計要求；④投資費用較大。

2.3 GPS用于變形監測的現狀

全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）是美國國防部研制組建的新一代衛星導航定位系統，具有精度高、速度快、全天候、連續、同步、自動化程度高，且能同時獲得3維坐標等優點，它的出現使得測量定位技術產生了一場深刻的變革，近年來在大地測量、精密工程測量、地殼形變監測、城市測量、石油勘探、資源調查等領域已成功地得以應用和普及推廣，極大地推動了相關行業的技術進步。自20世紀90年代以來，GPS技術在滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和地裂縫等各種地質災害和重大工程建筑的變形監測中得到了廣泛應用，取得了較好的效果。

1984年美國在斯坦福粒子加速器的工程測量中采用GPS定位技術，平差后平面位置精度為1～2 mm，高程精度為2～3 mm；我國大港油田地面垂直位移監測網中采用GPS定位技術，大地高測定精度達到3～4 mm；我國第一個全自動GPS監測系統——湖北清江隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監測系統于1997年8月建成運行至今，這都顯示了GPS技術用于變形監測的巨大優勢。目前對于GPS精密測量，采用性能優良的接收機和較好的數據處理軟件，平差后點位的平面位置精度為1～2 mm，高程精度為2～3 mm，完全能滿足尾礦壩變形監測的精度要求。

當前國內對GPS用于壩體變形監測方面的研究，主要體現在基于GPS一機多天線技術的GPS自動化變形監測系統，已成功應用于馬鞍山南山礦尾礦壩、小灣電站高邊坡監測、小浪底大壩、黑代溝尾礦庫、潤江大橋等多處壩體、邊坡、橋梁、公路沉陷的變形監測。圖1是某壩體GPS自動監測系統的網絡結構圖。

圖1 GPS自動監測系統的網絡結構圖

2.4 尾礦壩體變形監測技術展望

尾礦壩壩體變形監測的發展趨勢，是多學科的融合，是自動化、數字化、實時化、智能化、集成化、內外一體化，是在壩體破壞剛開始或將要開始時實現大壩的安全預警功能，是基于科學技術手段不斷發展而體現的壩體安全監控專家系統。

尾礦壩變形監測的硬件技術將與精密儀器學、電子傳感技術、3S技術、通訊技術、影像技術等緊密聯系，實現數據采集的自動化、實時、連續性和高精度，并向“科傻型”方向發展。而基于集成軟件的變形分析和決策支持，將實現多媒體系統和模擬仿真技術等應用于監測系統，從物理力學角度運用多學科相關知識分析、擴充大壩安全評估專家系統的知識庫和方法庫，形成大壩安全監控專家系統，實現壩體變形研究和安全預警。當然，在尾礦壩變形監測安全監控領域，這些技術應用于壩體變形監測還不完全成熟，有些還處于研究探索階段，但它們已顯現出了一定的實用性。

3 結束語

目前，尾礦壩變形監測技術在國內外迅速發展，其技術應用與革新一日千里。我們有理由相信，隨著各學科最新技術應用于尾礦壩變形監測的程度更深入、壩體安全監控專家系統的集成化更有效、壩體變形研究決策支持和安全預警系統更成熟，杜絕尾礦壩事故的發生指日可待。

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