巖質邊坡穩定性監測技術研究進展*

謝　濤　何　文　盧春燕

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院；2.江西理工大學資源與環境工程學院；3.江西省礦業工程重點實驗室)

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巖質邊坡穩定性監測技術研究進展*

謝濤1何文2,3盧春燕1

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院；2.江西理工大學資源與環境工程學院；3.江西省礦業工程重點實驗室)

摘要巖質邊坡穩定性監測一直是巖土工程的重要研究內容，并取得了眾多成果。在收集整理了大量國內外文獻資料和研究成果的基礎上，系統、詳細地介紹了目前巖質邊坡的位移監測技術、光纖傳感監測技術、地球物理監測技術、應力監測技術以及聲發射監測技術，分析了目前巖質邊坡穩定性監測技術存在的問題，展望了今后的研究方向。

關鍵詞巖質邊坡穩定性監測技術

我國露天金屬礦山開采深度不斷增加，逐漸形成了高陡邊坡，邊坡暴露面積越來越大，造成地質災害頻發，嚴重威脅著礦山的安全與發展。所以，對巖質邊坡進行有效準確的監測、預測，是減輕滑坡災害損失、減少人員傷亡最有效的途徑。

到現階段為止，國際上已經有很多用于巖質邊坡穩定性監測的技術和手段，本文根據不同的監測儀器和手段，將其分為位移監測技術、基于光纖傳感監測技術、地球物理監測技術、應力監測技術和聲發射監測技術。

1位移監測技術

1.1數字化近景攝影測量

當攝影距離在300 m范圍內時為近景攝影測量[1]。伴隨著計算機技術的發展和光電子技術的成熟，利用計算機圖像處理技術，實現了近景攝影測量的數字化。系統組成如圖1所示。

圖1　數字化近景測量系統構成示意

運用數字化近景攝影技術測量整個觀測范圍內邊坡上所有位置的位移，實現觀測人員很難到達地方的測量[2]。該技術具有設備簡單、對環境要求低、自動化程度高、精度高等優點，以數字方式存儲影像，能夠在計算機上計算位移數據，但容易受天氣的影響[3-5]。

近年來，國內外許多研究人員開始使用近景攝影測量進行邊坡穩定性監測。2004年任偉中等人第一次將該技術應用在模型試驗的變形測量中，在模型邊界鋼板上布置了測量標志點，每完成一步開挖，就測讀一次數碼相機測點。測量顯示位移場如圖2。這種方法所測得的位移變化與試驗過程中各種現象很符合，結果比較準確，對采礦設計和生產具有重要的參考價值[2]。

圖2　攝影所求得的累加位移矢量

2009年，聶小波等人利用近景攝影測量技術對某地進行監測，利用取得的數字信息，分析得到了該地區的立面圖和云圖等[6]；2011年，李彩林等人利用一種新的邊坡穩定性監測方法，對被測對象進行近景攝影測量，對不同時期的DEM模型進行疊加分析，最后得到了巖體的絕對位移量[7]。目前該技術測量精度不高，將其應用在巖質邊坡穩定性監測仍需要大量的理論研究。

1.2全球定位系統(GPS)

運用接收衛星信號測距進行定位稱為全球衛星定位系統。GPS定位系統組成如圖3所示，三者各自獨立的發揮功能，同時又成為一個整體系統[8-10]。

圖3　全球定位系統組成

2004年，過靜珺等針對四川某地區滑坡，在示范區建立了GPS監測網，監測結果表明，GPS可以用作常規的大地測量方面的監測，能夠滿足邊坡位移監測要求[9]。

目前，GPS技術在地質災害的監測，尤其是滑坡災害的監測中有著廣泛的應用。如我國在三峽庫區建立的高精度GPS監測網，此監測網分三級設置，首級控制將基準點覆蓋三峽庫區，工作基點依據滑坡的分布建立，使之成為基準網的加密和擴充；變形點建立于滑體上，和鄰近的工作基點組網，共同監測滑坡體的變形。有效提高了監測的準確性和連續性。

在高精度GPS測量中，衛星軌道精度、對流層折射修正精度、多路徑效應、接收機振蕩器的穩定度等都會影響定位精度，實現高精度快速定位仍然存在許多尚未完全解決的關鍵技術。

1.3地理信息系統(GIS)

GIS平臺具有強大的分析能力和處理空間信息的功能[11-16]，可以為相互作用研究提供支持，利用GIS技術可以綜合研究滑坡的形成過程。地理信息系統組成如圖4所示。

圖4　地理信息系統的組成

從上世紀80年代開始，國外在實際工程中就已經逐步使用GIS技術，近年來，GIS技術正在不斷地開發和研究中，但是眾多研究人員只是將其作為一種數據準備和處理手段。2007年談小龍在邊坡穩定性研究中將力學模型和GIS技術相結合，以現場位移監測成果為依據進行數據分析、處理和統計推斷，最終提出一個綜合的邊坡失穩預警模型，達到了提高邊坡失穩和滑坡安全評價的精度要求[17]。到目前為止，GIS技術在巖質邊坡穩定性監測相關方面的研究仍處于探索和發展階段。

在巖質邊坡穩定性監測中，GIS強大的空間解析功能具有廣闊的運用前景。

1.4遙感(RS)

RS技術是運用電磁輻射理論，接收并記錄目標所輻射的電磁波信息，經過信號加工處理，進而對被測體進行探測和識別的技術。

近10 a來，我國開始重視將遙感技術應用于滑坡災害的監測中，實現對滑坡表面形態演變的動態監測。2010年唐川等[18]以北川縣城及湔江河谷為研究區，運用遙感技術解譯出了1 200多處不同類型的滑坡。地震后的2008年9月24日，暴雨誘發了更多的滑坡災害，利用遙感影像解譯，新增的暴雨引起的滑坡800多處。通過對“9.24”暴雨前后的遙感解譯結果比較發現，被監測區域滑坡增加了68%，而且，發現滑坡面積增加了46.6%。圖5為該地區遙感解譯結果。

圖5　該地區遙感解譯結果

由于遙感技術在滑坡監測方面具有效率高、可動態監測、獲取信息量大，適應性強等特點，在滑坡監測領域具有巨大的應用潛力。但遙感技術受天氣的不利影響[19-21]，因此，遙感技術理論還需不斷豐富，遙感分辨率還需提高。

1.5“3S”技術

GPS、GIS和RS技術共同組成了“3S”技術。滑坡災害一般與地理信息有關，并且會涉及到空間信息成分，GIS技術可以管理滑坡信息，遙感技術對滑坡實時監測，基本不受地形地貌的影響；GPS又可以作為GIS及時采集和更新[22]。三者相結合的監測模式可以達到最佳的監測結果。

上世紀90年代以來，伴隨GIS、GPS和RS技術的迅猛發展，歐陽祖熙等[23]利用三峽水庫建成蓄水后，介于該高邊坡和庫岸的穩定性會產生變化，將3S技術和地面監測網相結合，監測邊坡和庫岸變形特征，根據在萬州等地初步建立的系統監測，得到相當部分的結果。

將GPS監測數據直接傳送給GIS系統，從而實現滑坡位移的監測和預測，是制約“3S”技術廣泛應用的一個重點技術問題。隨著衛星導航精度地提高，新型遙感技術日益完善，GIS空間分析與建模能力的增強，基于3S技術將在防災減災工作中發揮重要作用。

1.6測斜儀監測技術

在巖體中預埋測斜管，使測斜管隨著巖體的變形而逐段測量，從而得到鉆孔深度范圍內各測點的水平位移。測斜儀埋設示意見圖6。

圖6　測斜儀原理及埋設示意圖

以武漢基深勘察研究所研制的CX-3C型測斜儀為例，采用最新進口傾角傳感器作為敏感元件，具有精度高，穩定性好，重復性高，漂移小，熱穩定性高等優點。用測斜儀測定導管的位置初始值，比較各位置的讀數與初始值之差，從而求得各個位置的相對位移，對相對位移求和得到位移量。量測鉆孔深度范圍內的水平位移 ：

(1)

式中，S為測孔深度范圍內水平方向位移；n為測孔深度范圍內的測試點數。

為保證邊坡穩定性監測可靠，靳曉光等研究了鉆孔測斜儀測量與數據處理，陳國勝等通過測斜資料誤差，提出了誤差的解決方法。

鉆孔測斜儀的優點是測量準確，適用于滑坡體滑動方向可以準確預判的情況下，如果滑坡滑動方向預判不準確，得到的監測結果將與實際情況相差較大，同時也存在成本高、遠程監控難、人工操作影響精度等問題[24-26]。

1.7應變管監測技術

布置于巖體內部的應變管隨著巖體滑坡而產生位移，導致電阻應變片發生變化，測得巖體變化，繼而得到巖體位移量和滑動面位置[27]。電阻應變管及埋設示意見圖7。

圖7　電阻應變管及埋設

電阻應變管分為彈性管材、電阻應變片、引線、防水層等。應當根據滑坡所處的滑動階段來確定彈性管材,若滑坡推力較大，應選用強度較高的鋼材，反之則可以采用聚氯乙烯塑料。

王化卿等采用電阻應變測管對甘肅省東鄉縣灑勒山附近的石拉子山黃圖大滑坡群進行監測和預報，在有可靠的防水措施下，電阻應變測管應變值出現了異常變化，能夠作為滑坡預測的依據[27]。該技術可以應用于滑坡監測和預報，結構簡單，安裝方便，性能可靠。

1.8時域反射技術(TDR)

時域反射技術最早于上世紀70年代在巖土工程運用。在TDR滑坡監測系統中，滑坡導致電纜形變，反射脈沖波形變化，通過分析反射波形來監測巖體的移動(見圖8)。圖9為滑裂面發展趨勢與電纜斷裂破壞的TDR信號[28-31]，圖10為TDR技術邊坡穩定性監測原理示意。

圖8　時域反射系統

圖9　電纜斷裂的TDR信號

20世紀90年代初，Connor等人利用TDR監測技術，實現了對露天礦邊坡穩定性監測的研究。我國張青等對雅安峽口滑坡進行變形監測，將同軸電纜安裝鉆孔中，得到了滑坡體深部的變形和位移。陳云敏等通過試驗，取得了TDR反射波形隨剪切和拉伸位移的變化規律，該成果具有重要的工程實際應用價值[29]。

但到目前為止，TDR技術在國內邊坡監測領域發展還不成熟，單獨使用該技術還不能確定邊坡滑動方向和位移量，需要通過大量室內試驗才能將其應用到實際工程中，如果與測斜儀技術配合，會得到較好的監測結果。

2光纖傳感監測技術

利用外界環境的變化，使光在傳播時某些特征參數發生變化，從而實現對外界環境的變化檢測和信號的傳輸。根據被測區域的范圍分為點式、準分布式及分布式3種監測，按照傳感元件的不同分為純光纖和光纖光柵。目前邊坡監測運用中，光纖布拉格光柵傳感技術[32-33]應用較多，但是只能實現點式或準分布式監測[34],將光纖作為傳感元件可實現以上3種形式的監測[35-36]。

目前國內運用光纖傳感技術于邊坡穩定性監測方面取得了一定成果。王寶軍等研究了邊坡穩定性監測，表明光纖和土體的變形同步性很差，將光纖配合錨桿使用監測效果比較好。殷建華等根據光纖監測數據，闡述了光纖監測技術在邊坡穩定性方面運用情況，為實際工程運用提供了一定的使用價值。美國利用自主研發系統SAA(Shape Accel Array)監測了加利福尼亞的現場邊坡，監測結果與原先傳統傳感器測量的結果相吻合。

光纖傳感具有可靠程度較高、抗干擾能力較強和監測精度高等優點。但是目前還不能同時滿足高初始精度和大量程的要求，滑坡方向也不能確定，若光纖傳感技術在巖土工程方向中取得突破，將有良好的運用前景[33]。

3地球物理監測技術

3.1地震勘探法

通過探測鉆孔孔壁巖體的縱波波速，在帶充氣膠管的內脹式膠囊上綁傳感器，每降2 m測量一次，直到孔底；然后拉回傳感器，每2 m再測一次，縱波通過時間取平均值。探測方法和布設如圖11。

圖11　探測方法及其布設

當各巖體間存在明顯的波速差異時，地震勘探法是可行的。該方法既經濟又快速，被廣泛用于探測邊坡巖體變形破壞特征和邊坡結構。

鄧榮貴等利用地震勘探對巖體結構進行了探測，并且通過后期開挖，表明巖體結構特征和所探測結果相吻合[37]，為地震勘探法探測巖質邊坡的開挖、支護等提供了支撐。

3.2探地雷達技術

將信號向地下發射，通過地層界面反射后接收，分析接收信號的特征參量，即探查滑動面[38]，如圖12。

圖12　探地雷達探測原理

第一次探地雷達的概念是由德國人在上世紀初提出的。在我國，1994年李大心在湖北襄樊峴上埡風化殘積土體滑坡、湖北巴東新城碎石體滑坡和上海廣靈四路軟土體工程滑坡3種類型滑坡中運用了探地雷達技術進行探測，取得很好的效果。楊云芳等[39]利用探地雷達技術進行監測，楊成林等人利用探地雷達技術探測裂縫位置、走向、深度的高質量圖像，說明探地雷達監測巖質邊坡穩定性是可以實現的。

雖然探地雷達技術在巖質邊坡穩定性監測方面是可行的，但隨著頻率的增加，衰減加快，會導致探測不深；而低頻波則相反，其抗電磁干擾能力強，可在各種噪聲環境下工作，具有圖像清晰直觀，工作效率高，重復性好等特點。

4應力監測技術

以預應力錨桿(索)監測邊坡巖體的應力變化情況，在不少邊坡監測工作中得到了有效應用。不僅可以治理邊坡，還可以利用錨桿(索)進行應力監測，對邊坡失穩進行及時有效地預測。振弦式鋼筋測力較普遍，當鋼筋計受拉伸或者壓縮作用時，鋼弦振動頻率會變化，通過電磁感應線圈產生激振，讀出鋼弦的振動頻率，可算出鋼筋計受到的應力。GJJ-100型系列振弦式鋼筋測力計結構簡單、耐用性強和防水性能較好。預應力錨桿埋設見圖13。

圖13　預應力錨桿應力埋設示意

應力監測系統由兩部分組成，一部分為數據采集和傳輸裝置，安裝在現場，另一部分接收和處理數據。2002年，朱煥春根據三峽臨時船閘及升船機高邊坡進行應力監測，取得了較好的監測效果[40]。2009年，何滿潮提出了新的監測原理，建立了滑動力和預警力之間的關系，得出在滑坡發生前，邊坡巖體應力會先出現變化，巖體位移變化滯后的重要成果[41]。

當前巖質邊坡穩定性應力監測的研究大多處在現場監測，監測機制的研究并沒有太多深入，也沒有進行應力監測預警合理性分析，可以預計，在今后的研究中，這些難點將是應力監測邊坡穩定性問題一個熱點。

5聲發射監測技術

巖石的脆性特性使位移監測技術較難探測到巖質邊坡破壞失穩的一些前期特征，而巖質邊坡的破壞過程往往從微觀層面的變形開始，并且巖石的微觀變形伴隨著微弱的彈性波產生及傳播，這種彈性波傳播的現象稱為聲發射。因此聲發射技術可作為一種時空動態監測方法，能夠及時發現巖體內部破壞，對邊坡內部情況能夠進行有效揭示[42-43]，采集巖體破壞的聲發射信號，通過分析和處理，達到辨別巖質邊坡的前期破壞特征的目的[44-45]。

過去幾十年中，國內外學者進行了大量的巖石力學聲發射室內試驗，確定了巖石在不同受力狀態時裂紋的產生、擴展及聲發射源位置等，建立了花崗巖三軸壓縮試驗下聲發射源位置變化和裂紋擴展之間的關系。該試驗表明，在低應力時，聲發射源幾乎分布在試件所有位置，但隨著破壞的鄰近，聲發射源位置集中在主破壞面區域。

聲發射技術在巖質邊坡穩定性監測方面的應用是從上世紀70年代開始的，美國利用聲發射技術測試了加州一個露天礦的邊坡穩定性問題，并且對該邊坡破壞進行了最初預報。我國研究人員曾用聲發射技術對長江三峽大壩巖石活動情況進行了監測，由于受到眾多因素的影響，在實際工程應用中聲發射技術的監測效果受到很大影響。

萬志軍等[46]研究了巖石剪切破壞過程的聲發射活動特征試驗，結果說明巖石剪切過程有明顯的聲發射活動，臨近極限強度時出現較大幅度的信號，這種特征能夠作為巖體破壞的判斷依據。通過相似模擬試驗，布設了測力傳感器和聲發射傳感器(見圖14)，逐步加載直至邊坡失穩，試驗過程測得載荷、滑坡水平、垂直位移及聲發射信號。圖15為AE試件累計與位移的關系，分析試驗結果得出，邊坡失穩過程中巖體位移變化與AE聲發射事件的變化趨勢是同步發展的，并且當滑坡發生時，位移和聲發射事件數都會迅速增加。

圖14　模型和測點布置

圖15　AE事件累計和位移的關系

室內試驗與理論研究為現場聲發射監測、預測提供了一定的科學依據，在現場巖石聲發射監測、預測研究方面，蔡美峰等人根據采空區失穩過程的現場聲發射監測結果，提出可以根據聲發射特征統計分析巖體的穩定狀態，該成果對現場運用有很大的實際工程價值[47]。到目前為止，聲發射監測技術受到環境條件、邊坡巖體結構復雜等方面的影響，在實際工程應用效果受到很大程度的抑制。

6結論

目前巖質邊坡的穩定性監測技術正處在轉型期，從過去傳統的人工監測方法向自動化、高精度和遠程監測方向發展。傳統的監測技術大多由人工完成，觀測周期較長，無法同時實現連續、實時、動態、高精度監測，且監測數據無法快速分析。

聲發射技術可以反映巖體破裂和破壞的實時特征，監測結果可以反映巖體破壞和失穩的趨勢和發展方向。通過監測巖體破裂和破壞的動態過程，提供預測巖質邊坡滑坡失穩和評價巖石工程結構穩定性的依據。隨著聲發射技術在巖石變形、破壞和現場監測的研究不斷進行，聲發射技術運用到巖質邊坡穩定性預測將會成為將來的一個研究熱點。

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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

*江西省科技支撐計劃(編號: 20141BBG70097)。

謝濤(1991—)，男，碩士研究生，341000 江西省贛州市紅旗大道86號。