高陡边坡滑力监测预警系统的试验与优化研究

摘要

一系列高坡陡已经形成，由于资源的跨中国露天矿深部开采。这些高陡斜坡的稳定性已成为影响深矿产资源的高效，安全，可持续发展的重要因素。由于许多问题，如恒定电阻波动和原始滑动力监测系统的管堵塞，从而导致系统故障，一系列的电流监测系统的改进被实施。这个特定的工作包括斜率的内部位移的锚索的机械特性试验，恒定电阻结构的改进，和测量。通信模式和系统的软件架构进行了调整。这项工作显著提高滑动力监测预警系统的整体性能。在这项研究进行的改进进行了系统的描述，为其他网站具有类似特征的良好做法的一个例子。所收集的数据表明，改进的滑动力监测系统能够准确地反映滑坡培养的全过程。此外，基于滑动力预警标准的有效性再次使用现场测试验证。

1.介绍

随着露天矿浅部地表资源的枯竭，开采深度和边坡高度不断增加，在矿山周边形成了一系列高陡边坡。由于矿井内的降雨、风化和爆破，岩石强度随时间而降低[1-6]影响露天矿边坡稳定性。这些边坡的稳定性已成为影响深部矿产资源高效、安全、可持续发展的重要因素。需要持续监测，以确保这些高陡边坡的稳定性和滑坡预警的传递。

早期的滑坡主要是监测推断滑坡发生的经过表面裂隙，地下水水位变化的可能性。例如，Pirone等。[7]通过现场地下水监测资料，对某非饱和火山灰边坡的稳定性进行了评价。随着技术的进步和设备条件的改善，地表位移和内部位移监测等一系列监测技术逐渐被应用于现场。领先的技术设备包括GPS、In-SAR、GB-SAR、三维激光扫描和现场倾斜仪。萨尔瓦多和迪特[8]所使用的内部变形监测和微震监测技术来研究在澳大利亚昆士兰州的露天斜率的深岩石损伤机制和斜率稳定性。大西等人。[9]利用数字摄影测量分析边坡稳定性行为的演变。Osasan和Stacey [10]采用反速度法对某MSR陆基实景雷达的边坡监测数据进行分析，验证了SFPM模型在边坡开挖情况下预警的有效性。许等人[11]应用三维激光扫描技术进行露天矿边坡监测。通过对不同时期的扫描数据进行DEM对比，结合野外调查结果，验证了三维激光扫描技术应用于矿山边坡监测的可行性。Jun等人。[12]采用低空无人机携带数码相机获取边坡图像序列，快速构建露天矿边坡的精细地形，监测具有潜在危害的露天矿边坡的动态变形。国斌等[13]利用SSR边坡雷达连续监测矿井边坡的各种天气模式，利用边坡雷达扫描图像对矿井边坡的风险等级进行分类。矿山边坡的稳定性是由位移值相对于位移率的变化曲线来决定的。陈等人[14]研究了时域反射率(TDR)在滑坡监测中的应用，通过室内模拟和现场应用对理论进行了验证。陶等人[15]安装在新疆，中国开放式坑煤矿的边坡滑动测斜仪。只有通过监测数据，潜在滑移软弱面的位置被确定，这为工程治理提供了指导。丹丹等人。[16]建立了基于GPS和GIS技术的大冶露天铁矿高陡边坡监测预警系统。将GPS和GIS数据进行关联，综合分析可能发生的滑坡，对矿井进行预警。雷等人[17]所使用的时间序列在-SAR技术来获得变形范围，变形率和Daguangbao滑坡实验区的时间序列的变形值和汶川地震后，评价滑坡区的稳定性。这些以前的研究提供了滑坡灾害监测和预警系统有价值的方法。以前一直在使用这些不同的监测方法，它提供了监视其他网站的足够参考建立了滑坡发生和边坡稳定性标准。

然而，大量的研究和实践表明，监测指标，如地表变形和地下水渗透压都只是发生山体滑坡的必要条件。力学表明，牛顿的力位移的基础的基本原则。斜坡的潜在滑动面上的滑动力为滑坡的发生的充分必要的因素。然而，由于斜面的滑动力属于自然机械系统，它不能被直接测量。

鉴于上述问题，他[18，19]认为滑动力可通过人工机械系统来计算。边坡失稳的过程，从量变到质变，由渐变到斜坡的最终失败。滑坡的时间和精确位置可以通过实时监控作用在边坡岩体在深滑动力变化的准确预测。在滑动力监测中使用的力学模型然后可以创建基于上述发现。因此，遥感监测和预警用于基于所述滑动力变化滑坡系统可以被开发，这实现首次监测和深滑移力预警[19]。但在工程应用过程中，系统遇到了一系列工程适应性问题，如不稳定的恒阻、恒阻体干扰等，导致系统失效，监测中断。

在该论文中，作者改进了部件结构并通过他[提出的监控系统的安装模式19]及升级的通信方法和上计算机软件架构显著提高了系统的适用性和有效性。工程监测情况也用于示出上述工作的有效性。

2.系统的改进

最初的系统是由何[19]在2009年和一系列工程监测点的应用。原系统增加了一个恒定电阻部和机械测量装置对普通边坡加固锚索测量滑动力。有线或无线通信将数据发送到被存储在一个物理服务器。该系统的扩展性是有限的，和数据传输的可靠性不充分，由于工程现场的通常复杂的环境。

2.1。机械传导系统的改进

2.1.1。锚索束的力学特性试验

恒定电阻和大变形锚索是通过添加恒定电阻器件与常规锚索一个能量吸收和有助于抵抗大变形的部件。首先，进行拉拔试验，以确定锚缆束的机械性能，以实现所述锚缆束和恒定电阻器件之间的经济，合理的，实用的机械匹配。根据对几个锚电缆束，静态拉伸试验的机械特性（表1)，以确定使用固定锚链材料的锚链束的最佳数量(1∗7-15.24-1860钢绞线，15.24 mm)和长度组件(长度为4米，由拉伸测试系统允许的锚链的最大尺寸决定)。

基于单根15.24 mm锚索的标称力学性能，确定了不同组合方式下锚索束的应力-应变特性，得到了不同锚索数量下的屈服强度和弹性模量的变化规律。这也提供了锚索束力学性能的定量影响。利用钢绞线静拉试验，对记录数据进行汇总，各组试验锚索的应力-应变曲线如图所示1。

弹性模量Ë的钢绞线通过取两个数据点来计算（0.2-0.6σ_PEK，σ_PEK是屈服应力）尽可能在稳定的斜率内直线部（表2)。同时，将单线的名义弹性模量作为数值拟合分析的基础数据之一。

分析了不同钢绞线数下锚索束的数量效应，以及弹性模量的经验曲线英语锚的电缆束与股线的数量变化的拟合，如图2。

从图中可以看出2，等效弹性模量与在股线的数量的增加而减小。为链的至6的等效弹性模量为1的减少的经验公式拟合通过最小二乘法： 在哪里表示股数和表示多股钢丝的等效弹性模量(GPa)。

分析了不同股数的峰值张力和屈服力的经验曲线，如图所示3。

总体而言，随着钢绞线数量的增加，锚索的屈服力和峰值张力呈线性增加。采用最小二乘法拟合张力与股数关系的经验公式如下: 在哪里是锚缆束，KN的峰值张力，和是锚缆束，KN的屈服力。

2.1.2。组件结构改进

恒定电阻和大变形锚缆线由六组12毫米楔型锚固连接到传统的锚缆束。夹具不是由缓冲板的压缩和绞合线的轴向张力松弛。恒定电阻体（在图蓝色部分4)是一种表面光滑，上下不平的钢瓶。在圆柱体的轴线上分布有六个轴对称通孔，用于穿透钢绞线并对钢绞线产生张力。根据锚链屈服强度的90%-92%设计恒阻值。当钢绞线轴向载荷达到恒阻值时，恒阻体将沿恒阻套管管壁滑移。锚索束不受破坏，恒阻套管管壁在粘弹性应力作用下发生弹塑性变形，产生强烈的热。这个过程吸收了滑坡产生的变形能。因此，添加恒阻装置后的锚索能够吸收恒阻能量，抵抗大变形。恒阻装置的原理图如图所示4[20.]。

当施加在钢绞线上的轴向荷载小于或等于恒定阻力值时，外荷载主要由锚索束的弹性变形来抵抗。当施加在钢绞线上的轴向载荷大于恒阻值时，恒阻套管内的筒体开始沿恒阻套管内壁滑动，恒阻套管的结构变形抵抗外部载荷。结构设计确保缆绳在2 m的变形范围内不会断裂[21]。

但在实际应用中发现，两个圆面直径的差异决定了恒阻体能否在套管中顺利滑动，产生恒定的抗滑力。如果直径差较小，则无法达到预设的恒阻值。反之，如果直径差较大，恒阻体在套管中会产生相当大的摩擦，可能会在恒阻套管内壁产生不均匀的皮肤划痕(图1)五)。这些划痕反映在滑动力监测曲线中，在恒阻特性曲线中表现为不规则的波状跳跃。此外，由于壳体内壁钢的撕裂，使恒阻体前端挤压错开，使恒阻体卡死而不能滑移。在这种情况下，恒阻特性曲线会直线上升，超过预先设定的恒阻值，直至钢绞线断裂，系统失效。

为了解决上述问题，对恒阻体的力学模型进行了研究。采用内径93 mm、外径133 mm的恒阻套管。基于恒阻体端面直径的组合方案，在恒阻体圆柱面上设计了切屑槽，去除恒阻体滑动过程中产生的切屑，防止切屑堆积和挤压形成错台。在恒阻体的圆柱面上制作了螺纹。该螺纹使定阻体与定阻套管之间的摩擦呈线性，减轻了立根滑移引起的定阻波动，优化了定阻特性（图6)。

设计实验对恒阻装置(表)的静张力进行测试3和图7). 恒阻体由45号钢制成，尺寸为（D∗A∗L）93.9∗92.5∗150∗mm。恒阻套管由20号钢制成，外径133 mm，内径93 mm，哨长150 mm，哨外径113 mm，内径93 mm。该装置在四种条件下进行了测试：无螺纹和导屑槽；仅螺纹；仅导屑槽；加螺纹和导屑槽。在HWL-2000型静态张力测试系统上对整套恒阻装置进行了静态张力测试。观察了静载下的恒阻曲线，验证了加螺纹和导屑槽的优化效果。

试验结果表明，在没有螺纹和导屑槽的情况下，滑力监测曲线波动较大(图2)8（甲）)。当仅在仪器上增加螺纹或导屑槽时，滑模力监测曲线仅略有波动(图2)图8（b）和图8（c）)。加入螺纹和导屑槽后(如图)图8（d）)，滑动力监测曲线光滑，阻力恒定。实验结果表明，通过综合增加螺纹和导屑槽，可以优化恒阻曲线，避免了恒阻夹紧和恒阻波动的问题。

2.1.3。安装改进

在具有恒定电阻的大变形电缆的工业应用的初始阶段中，恒定电阻装置通常安装在孔的底部和灌浆和锚固到基岩。力传感器和锚环被添加到钢绞线在钻孔的入口，和一个预应力沿钢绞线以形成滑动力测量系统的轴向方向上施加（图9)。通过工程实践，发现该安装方法至少存在以下问题:（1）由于施工机械在钻孔过程中不可避免地会出现孔眼偏移，容易堵塞恒阻装置，难以顺利到达孔底。此外，恒阻装置的表面在安装过程中被磨损。注浆后恒阻装置内部构件的耐腐蚀性降低，降低了恒阻及大变形电缆的使用寿命。(2)恒定阻力装置位于所述孔的底部和远离井孔入口。恒电阻体在恒定电阻套管（约等于滑坡体的位移）的滑移距离不能测量。(3)周围的恒定电阻的锚固剂壳体施加恒定阻力装置，从而影响到恒定电阻壳体的结构变形机构，并且使预先设计的恒电阻难以控制上侧向约束。

为解决上述问题，对恒阻大变形电缆的反安装进行了研究。由于钢绞线具有不同于恒阻装置刚性结构的径向柔度特性，因此很容易将钢绞线与锚固头、注浆锚固分别置于孔底。在钻孔入口放置恒阻装置，在孔板末端的钢绞线上施加的预应力将传感器和锚环锚定在钢绞线的轴向上(抗滑坡)。这种安装方法避免了上述问题，降低了施工成本，易于维护。

同时，一组位移传感器安装在管道内壁以恒定电阻套管的端部。位移传感器的电缆端被连接到恒定的电阻体，其用于测量在恒定电阻壳体的恒定电阻体的位移（图10)。由于在孔板上安装了恒阻装置，传感器信号线可以方便地通向采集系统，准确地测量恒阻套管中恒阻体的滑动距离。滑坡体内部位移实际上是间接测量的，解决了滑坡孕育过程中系统无法获得边坡内部位移和变形的问题。

2.2。通信系统的改进

在高陡斜坡上建立安全监测系统，维护有线通信线路既不方便又困难。为解决这一问题，在滑模力监测预警系统建设之初，就采用了GPRS无线数据传输方式。在远端服务器端安装一套GPRS无线数据收发装置，在边坡现场各滑力监测点安装一套GPRS无线数据收发装置。数据交换仅在站点上的每个监测点与服务器发生，这是一个典型的星形网络。服务器端和站点上的每个监控点都需要一个单独的接收和发送设备，以支持无线数据传输和接收的数据流。一般情况下，监测点数量多，则需要更多的GPRS收发装置，建设成本和后期运行成本高，难以管理。

此外，矿山一般位于偏远山区，移动运营商的网络覆盖范围可能存在盲区或信号漂移，这就造成了基于GPRS传输的远程数据采集的不确定性。为了解决这些问题，改进了传输网络的结构。“区域数据聚合+远程双冗余传输”允许高度可靠的数据传输。首先，低功耗广域网（LPWAN）允许无线传输汇聚系统，该系统可以覆盖斜坡上监测点的安装区域。系统采用基于扩频技术的超长距离无线传输方案LoRa（Long-Range Radio）实现，大大扩展了无线传感器网络的覆盖范围（图11)。

在滑力监测系统的应用中，每个滑力监测点只安装了LoRa数据传输模块，覆盖区中心设置了LoRa网关。采集分布在矿山边坡地区的滑力监测点的数据，通过LoRa网关向移动运营商网络（GPRS/3G/4G）进行远程数据传输，形成与广域网相连的星型局域网监测，实现远程数据采集。同时，为了保证远程数据通信的可靠性，从数据采集点到远程服务器采用冗余通信，以提高可靠性。北斗卫星通信系统被用作移动运营商GPRS/3G/4G网络的并行备份。同时发送两组数据。服务器端上位机软件建立数据接收机制，两组数据相继存储在数据库中。在这两个表中，上位机软件依次调用表中的数据进行判别验证。只要一组数据是正确的，传输过程就被认为是成功的。否则，数据请求将被重新初始化，直到成功为止，这将大大提高数据接收的可靠性。

这种设计消除了在每个监测点安装移动运营商数据流卡的后期运营成本，网络覆盖范围比其他区域无线传输模式要广泛得多。这种通信方式虽然冗余，但在中后端采用，借助北斗通信网，实现了远程数据传输在远程地区的无缝覆盖。这大大提高了远程矿山数据通信的可靠性。

2.3。上位机软件体系结构的改进

在原来的斜坡滑动力监测和预警系统，具有独立IP的服务器，需要从网站获得的监测数据。该数据库存储软件和信息发布和显示软件也安装在服务器上。该结构具有以下问题：（1）长时间内的数据采集涉及到大量的数据。数据调用的速度取决于服务器的性能。更大规模的数据集需要更长的调用时间，这直接影响用户体验。(2)系统的存储容量和扩展空间有限。系统的升级、传输和备份需要由专业人员手动处理。系统的灵活性很低。(3)使用一台服务器存储和管理多个项目数据是繁琐的，并且存在数据丢失的风险，导致系统的整体可靠性较低。

云计算技术的出现解决了上述问题。基于云服务平台软件架构的高边坡监测预警系统，极大地提高了系统的灵活性、稳定性和可扩展性。具体的云服务平台系统架构如图所示12。

云服务平台系统架构优化的内容如下:（1）数据传输可靠性大大提高，系统维护减少，云盘数据可靠性达到99.9%。一旦停机，数据就会在自动快照备份功能的帮助下自动迁移，并且数据恢复是快速和简单的。在过去的项目中，矿主需要管理高性能的服务器来维持系统的稳定运行。矿山信息化技术力量不足，导致边坡监测预警系统运行不理想。采用云服务平台系统架构后，无需对矿山硬件系统进行维护，充分保证了系统运行数据的可靠性和监测数据的可持续性。(2)云服务器ECS（Elastic Compute Service）是一种灵活、可扩展的计算服务，可以根据数据统计的性能实现虚拟机的实时动态伸缩。即实时监控虚拟机的状态，根据业务数据处理所需资源的大小，动态调整所需的虚拟机数量。这样可以灵活地控制系统，减少调用大量数据所需的时间。这些方面提供了卓越的用户体验。(3)云服务器集成了传统的互联网应用三大核心要素：计算，存储和网络。它可以快速实现分布式部署，满足各矿山边坡的监控和预警系统的统一和一体化运作，并有利于动态加入新的边坡监测项目，这使得系统非常灵活，可扩展。

部署在云服务器上的监控系统发布软件界面如图所示13，显示了我国已建成的滑坡监测系统的地理位置。用户可以点击地图上的黄点，获取该站点的实时监测数据。

新的软件体系结构和平台软件解决了物理服务器查询速度慢、运行可靠性差的问题，不需要定期对硬件配置进行升级和维护。系统数据的可靠性大大提高，系统的迁移具有足够的灵活性，可以帮助研究者专注于数据的分析，而不是专注于系统的维护。

3.工程应用及结果分析

3.1。项目概述

本钢南芬露天铁矿是亚洲最大的单一露天铁矿之一。目前，最高坡度接近700 m，坡度角为46–54度。根据技术规范，将边坡分为超高陡边坡。矿区大部分岩层为绿泥石片岩、角闪石绿泥石、石英绿泥石片岩。结构呈粉状、片状或板岩状。吸水后强度急剧下降。由于地表水的风化和侵蚀作用，边坡很容易形成潜在的滑动面。

2014年5月,9新滑力监视点老滑体上设计步骤478 - 526根据滑坡体的规模和结构特点在露天的下盘和周围的要求增大边坡的安全监测。新型滑力监测点采用恒阻电缆，结构优化，恒阻增大，恒阻体滑动测量装置变形大。监测点采用反安装方式，初始预应力约为300kn。在安装初期，采用GPRS点对点传输方式远程采集监测数据，后来改为通过LoRa无线采集数据。在步骤522 m处安装LoRa网关，接收斜坡上的滑力监测数据，通过GPRS和北斗双链路上传到远程云服务器。监测点分布情况如图所示14。

3.2。监测和预警流程

2014年底建设完成后启用新的滑模力监测点。部署在远程云服务器上的采集分发软件实时动态记录各个监测点的监测数据。监测组按照预先设定的预警标准，及时发布各级预警信息。2016年11月1日凌晨，边坡下盘502-430 m台阶23#勘探线附近发生局部滑坡(崩塌)。由于监测点位置合理，预警信息发布准确及时，滑坡没有造成人员伤亡和设备损失。监测数据表明，高边坡滑坡力监测预警系统的建设有效地起到了保障安全生产的作用。监测预警过程分析如下:

2015年1月10日至滑坡发生前，南芬铁矿下盘478 - 3滑力监测点(点A、点B、点C、点D)发生4个显著突变，如图所示(15日))。因为分A，B，和C未能达到相应的警示标准的警戒线，系统没有发出警告，并在生产小组会议，工人是被讨论的扰动因素和相应的斜坡区的相关条件提醒注意的斜率条件[22]。

乙y point D (September 7, 2016), the sliding force increased by more than 300 kN, and there was a sudden increase again, but no significant change in the displacement sensor data at this time. According to the early warning criteria, the monitoring team issued a long-term early warning for the region on September 7, 2016, and the manager of the mine asked to increase the monitoring frequency of this point.

到2016年10月1日，在监测点的滑动力增加的趋势停止了，监控曲线呈温和态势。位移传感器的数据保持不变。乙y October 1, the cumulative increment of the sliding force at the monitoring point exceeded 500 kN. The monitoring group timely issued a midterm warning and took corresponding hedging measures. Specialized personnel observed the monitoring data and the stability of the site slope, recorded and reported every hour, and decided whether to continue production according to the development of the monitoring data.

2016年10月30日，矿区监测数据再次暴增。滑动力累计增量达到550 kN，并不断增大。位移传感器数据无明显变化。8点30分，监测组发出短期警告。该矿决策层决定撤出大型设备和作业人员。只有一名观察员留在现场远程观察斜坡动态。

2016年10月30日17时，滑力达到852 kN后开始减小（图15（b）中），表明滑坡体的滑动力已经达到了锚索此时的最大恒定的电阻值。The cumulative decline was more than 20 kN at night on October 31. At the same time, the monitoring data of the displacement sensor showed that the constant resistance body slipped slightly, and crack displacement occurred inside the slope. At 23:52 (point 15B-D), the monitoring data showed that the sliding force dramatically dropped. The displacement sensor monitored the rapid rise of the displacement value of the constant resistance body. The monitoring group issued a warning of near-sliding, and all personnel and equipment were withdrawn. At 3:40 a.m. on November 1, a landslide occurred in the slope of the lower wall of the slope, causing a tremendous noise. Large amounts of rubble rolled along the slope and accumulated on step 430 m, which resulted in a height difference of about 3.5 m along the slope at the back edge of the landslide (Figure16)[22]。

滑坡表明，经过现场调查（1）滑坡1116至01年在南芬露天铁矿下盘被分类为平移幻灯片或楔滑动。在内部，大角度的两组交错在滑动体上显影结构面和产生交错切割损坏岩体和诱导的楔故障。从外部看，10月30日的降水（雨到雪）引起的滑坡。Green mudstone and chlorite amphibolite schist are dominant in the 526–430 m bench and 430–358 m bench of the lower wall slope of the open-pit mine. The potential sliding surface formed when the strength of the chlorite stratum was significantly reduced due to the precipitation.(2)监测数据表明，本次滑坡的临界滑坡力约为852kn。前几次滑动力的突然增大表明滑坡的孕育过程。滑力在达到852kn后才开始减小。这表明滑坡将很快发生。(3)滑坡的突发性较强，表现为滑坡体尚未完全解体，但发生了层状沉降。即每一步整体下陷到下一步(如478 m整体下陷到466 m，岩体完好，未出现裂缝，如图所示)17)。滑坡舌部下沉430 m, 478-3号监测点监测墩下沉。随着平台整体滑塌，监控墩未受损，恒阻体全部被拉出埋入碎石中。

4.结论

本文报道的几种改进的实验结果对原始滑动力监测系统，重点解决问题的系统中，执行如恒定电阻波动，易于配管堵塞。的斜率滑动力监测受许多因素，如规模，结构，和滑动面的深度的影响，有必要分析不同的条件和改善的情况下的监视仪器箱。因此，预警的标准应该仔细定义基于站点的具体情况。从研究中得出以下结论可以得出：（1）通过在恒阻体上增加切槽和螺纹，有效地改善了大变形锚索的恒阻特性，避免了恒阻体夹紧和恒阻波动引起的系统故障。(2)改进恒阻大变形电缆的安装方法和测量边坡内部位移，显著提高了基于滑坡力的复杂边坡环境监测预警系统的适应性、有效性和可靠性。(3)通信模式的改进在灵活性和运营成本之间找到了平衡。云服务器的引入提高了系统在处理大量监控点时的计算能力，与原来的物理服务器相比，用户体验得到了极大的提升。(4)实测数据表明，改进后的滑坡力监测系统能够准确反映滑坡孕育的全过程。再次验证了基于滑动力的预警准则的有效性。系统地描述了在本研究中应用的改进措施，为其他具有类似特征的场地提供了良好的实践范例。

数据可用性

用于支持这些发现的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者宣称，有兴趣就本文发表任何冲突。

致谢

本研究获得国家重点研究开发计划(批准号:)资助。国家青年科学家自然科学基金(批准号:)资助的课题。41502323)。

参考

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