摘要 摘要 ：边坡稳定性监测是有效预警滑坡的重要手段，本文在总结国内外文献资料的基础上，从不同的技术手段、不同的使用范围分析了边坡稳定性监测方法的利弊及其适用性，监测技术实现了从点到面、从坡体表面到坡体内部、从人工测量到自动化和智能化监测、从近距离监测到远程监控等方向的转变和发展。针对边坡稳定性监测技术研究中存在的问题，提出了采用空-天-地-内一体化监测，实施多源监测数据融合，以及稳定性动态评价和远程监测一体化交互的观点，以提高边坡稳定性预警的可靠性和远程监测的时效性，为降低矿山的生产成本，保障矿山的安全实施提供重要的技术支持，也为相关领域的研究提供参考
摘要 ：边坡稳定性监测是有效预警滑坡的重要手段，本文在总结国内外文献资料的基础上，从不同的技术手段、不同的使用范围分析了边坡稳定性监测方法的利弊及其适用性，监测技术实现了从点到面、从坡体表面到坡体内部、从人工测量到自动化和智能化监测、从近距离监测到远程监控等方向的转变和发展。针对边坡稳定性监测技术研究中存在的问题，提出了采用空-天-地-内一体化监测，实施多源监测数据融合，以及稳定性动态评价和远程监测一体化交互的观点，以提高边坡稳定性预警的可靠性和远程监测的时效性，为降低矿山的生产成本，保障矿山的安全实施提供重要的技术支持，也为相关领域的研究提供参考。
矿产资源是人类社会发展的重要资源，在国民经济建设中起着非常重要的作用。地下开采和露天开采是矿产资源开采的两种形式，据不完全统计，我国露天开采占矿山开采总量的87.1%，其中中小型露天矿山约占94.9%[1]。但由于矿山边坡内外界各种因素的影响，以及企业管理和安全生产投入等方面的问题，致使边坡失稳，经常发生各类地质灾害，给人民的生命和财产安全带来重大的隐患[2-3]，严重制约区域经济和社会的可持续发展。
为保证矿山的安全生产和管理，准确分析其稳定性及变化趋势，实现提前预警，国内外学者采用不同的监测方法和手段，从不同的角度对边坡稳定性进行监测和分析，实现了从点到面、从坡体表面到坡体内部、从人工测量到自动化和智能化监测、从近距离监测到远程监控等方向的转变和发展。本文在总结归纳当前监测方法研究现状的基础上，首先对露天矿边坡稳定性监测方法的研究进展进行系统的梳理，然后对比分析现有方法的特点、适用范围及利弊，以期为实现更有效的露天矿边坡监测提供重要技术手段，为相关领域的研究提供较为全面的理论参考。
1 边坡稳定性监测方法研究现状1.1 传统大地测量方法
传统大地测量是一种对边坡表面变形监测点位置变化进行监测的方法，其主要采用的仪器有经纬仪、水准仪和全站仪等。该方法通过对监测点进行定期监测，计算出边坡表面监测点的水平和垂直位移，分析其稳定性和变化趋势。目前，该方法的使用已相当成熟，并具有操作简单、监测精度高、成本低等优点。但在监测过程中由于需要布设大量的控制点和监测点，而且受地形和外部环境、气候等因素的影响，存在监测效率低、周期长、工作量大、劳动强度高，以及难以实现连续、实时监测等缺点，正逐渐被其他监测方法所取代。
1.2 测量机器人技术
测量机器人俗称自动全站仪(automatic total station)，通过内置于全站仪中的步进马达和CCD阵列传感器对固定于边坡表面监测点上的棱镜进行自动搜索、识别、照准和测量，以实现对边坡监测点角度、距离、高程及三维坐标等数据的采集，具有监测效率高、测量精度高、自动化程度高和远程无接触监测等优点。
自奥地利维也纳技术大学的卡门教授1983年首次将测量机器人用于监测矿区地表移动以来，学者们相继将测量机器人技术应用于露天矿边坡监测中[4]。笔者所在课题组[5]针对越堡露天矿滑坡的问题，设计和开发了一套基于TM30的远程变形监测在线分析系统，对该矿山的安全生产和管理起到了指导作用。但该方法对点间通视有一定的要求，受外界环境(如雾雨天气、矿区扬尘等)的影响较大，测量边长一般不超过1 km，且随距离的增加，其精度逐渐降低，限制了其监测范围。
1.3 全球定位系统监测技术
全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)利用固定于边坡表面监测点的接收机连续接收空间卫星信号，获取地面监测点的三维坐标，以实现对监测点位变化趋势的分析。与传统测量相比，该方法不要求监测点间相互通视，自动化程度高，具有操作简单、远程、全天候、实时位等优点。
目前，GNSS技术广泛应用于露天矿边坡监测中，其平差后的连续监测精度可达毫米级[6]。随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的不断完善和发展，其应用价值也逐渐凸显，得到越来越多研究者的关注[7-8]，但由于我国BDS仍处于发展阶段，存在一定的不足，其单系统定位效果不如GPS[9]。为此，文献[10]采用BDS+GPS相结合的监测方法，提高了定位精度和可靠性。
但在连续监测中，若其配备的太阳能电池板或蓄电池发生断电，将影响监测精度。此外，采用GNSS监测点分析，不易反映边坡表面的全局信息，存在一定的片面性，而加密监测点的布设，又将导致成本的增加。
1.4 摄影(无人机)测量技术
摄影(无人机)测量技术是采用量测相机或非量测相机等设备获取边坡表面监测影像，并建立其三维点云模型，进而获得特征点的空间三维坐标。通过对不同时期的DEM模型进行叠加、分析，计算滑坡体的位移量，以实现边坡整体变化趋势的分析。与传统点式监测方法相比，该方法解决了传统方法不易反映边坡表面全局信息变化的问题，具有作业灵活简便、无接触快速测量、数据全面等优点。
文献[11]采用近景摄影测量的方法分析露天矿边坡变化趋势，解决了传统方法点式监测的不足。但在摄影测量数据处理中，影像匹配是成果质量的关键，文献[12]针对此问题从灰度匹配、特征匹配和影像匹配3方面进行了全面的阐述和分析。考虑拍摄影像过程中植被、水汽等因素的影响，文献[13]将无人机接触式方法引入到滑坡位移监测中，并采用蚁群算法对飞行路线进行优化，提高了飞行效率和精度，文献[14]依据无人机机载激光雷达具有强穿透的特性，实现对露天矿边坡微小位移的识别。在矿山边坡监测中，由于矿石磁性的影响，磁罗盘定位容易受到磁场的干扰，文献[15]将搭载有激光雷达的双GPS无人机，在一定程度上解决了磁场干扰的问题。但该方法监测数据量大、数据处理复杂，随着距离(高度)的增加，测量精度将会降低。
1.5 地面三维激光扫描技术
地面三维激光扫描技术(terrestrial laser scanning，TLS)主要由激光测距系统、扫描系统和支架系统组成，是一种远程无接触、面式测量的方法。其利用仪器发出的红外激光，通过漫反射的形式获取边坡体表面物体的点云数据，计算点的空间三维坐标，以实现对边坡体表面变化特征的分析。该方法具有高分辨率、高密度、高精度、快速测量等优点，相比摄影测量技术，无须布设像控点，对地表纹理的要求更低。
自20世纪90年代起，作为面式监测手段，三维激光扫描技术迅速得到学者们的青睐，并应用于鞍山某露天矿山边坡位移整体变化监测[16]。而监测边坡微小变形是探测滑坡的关键，文献[17]利用TLS成功地探测了这种缓慢移动的滑坡，为TLS用于边坡微小变形提供了指导。但随着远程TLS测量范围的增大，点的不确定性和点的密度都有很大的变化，点云处理难度增加，精度降低，文献[18]提出了固定桩点的监测方法，文献[19]提出了TLS和GNSS相结合的监测方法等，提高了监测精度。但由于该方法存在劳动强度大、耗时、人员安全、标记保存等不足，文献[20]提出了基于语义关键点的点云无标记自动配准。但该方法得到的海量点云数据具有一定的散乱性、没有实体特征参数，直接利用其扫描数据比较困难。
1.6 InSAR技术
合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术是近20年来兴起的一种新型对地观测技术，以主动式微波遥感(SAR)和干涉测量技术为手段，依据获得的不同时期同一地区的两幅或多幅SAR影像，对其进行干涉处理，计算出它们的相位差并形成干涉图像，再进行相位解缠，提取边坡表面任一点的位置信息和高程变化，以实现对边坡整体变形趋势的分析。该方法具有覆盖范围广、全天候、远距离、非接触、低成本、高精度等优点。
文献[21]首次利用InSAR技术分析法国某滑坡变形，监测精度与传统测量方法一致。此后，国内外学者将InSAR技术广泛应用于边坡监测[22-23]。但由于受地形、大气等因素的影响，InSAR监测困难，精度有所降低，国内外研究人员提出了多时相InSAR技术(multi-temporal InSAR，MT-InSAR)，如永久散射体技术(persistent scatterer InSAR，PS-InSAR)[24]、小基线集技术(small baseline subsets InSAR，SBAS-InSAR)[25]和分布式散射体技术(distributed scatterer InSAR，DS-InSAR)[26]等方法应用于边坡监测。而为弥补D-InSAR和MT-InSAR只能获得LOS形变的不足，提出了多孔径InSAR(multiaperture InSAR，MAI)技术[27]。但该方法受失相关、大气延迟和轨道误差等因素的影响，定位精度受到一定的影响，而且在进行小变形监测分析时，有效性较差，这些都在一定程度影响了InSAR技术的使用及市场化进程。
1.7 时域反射技术
时域反射技术(time-domain reflectometry，TDR)由电脉冲信号发生器、传输线及信号接收器3部分组成，是一种利用安装在钻孔中的同轴电缆局部变形而产生的反射信号，确定边坡体内部岩体发生状态变化的位置，以实现对边坡变化趋势分析的方法，主要应用于边坡变形发生之前。该方法具有检测时间短、成本低、定位准、安全性高、观测自动化、远程控制等优点。
为提前预警，全面了解和掌握边坡破坏的内在机理和规律，从早期测钻孔轴向位移的多点位移计法和测水平位移的钻孔测斜仪法，发展到时域反射技术和微地震/声发射监测技术等。20世纪90年代初，美国交通运输部通过试验分析了TDR在远程滑坡监测的可行性。此后，国际上许多学者对TDR技术应用于滑坡(边坡)监测作了大量的研究[28-29]。我国起步较晚，文献[30]将TDR技术应用于滑坡实测，并与测斜仪结果进行对比分析，验证了该方法的有效性及优越性，文献[31]采用室内试验和野外实测相结合，进一步证明了TDR技术的可行性、可靠性和实用性。但该方法监测范围小、时效性较差，而且与传统监测方法相比，无法确定滑坡移动的方向，也难以准确测定其位移量，在一定程度上受到限制，在实际应用中一般与其他方法联合监测，互相弥补不足。
1.8 声发射(微震)监测技术
声发射(微震)监测技术是依据埋设在岩(土)体中的传感器所接收到的声发射信息，建立岩(土)体边坡稳定性与声发射参数关系，确定岩(土)体的力学特性，并依据其破坏大小、集中程度和破裂密度，准确分析边坡体内部破裂区域及其变化趋势，以评定边坡的整体稳定性[32-33]。该方法不受外界气候条件环境的影响，能自动、实时、连续地监测岩(土)体内部的动态变形，并实现对岩(土)体破坏失稳的提前预警。
20世纪70年代开始，美国率先采用声发射技术对加州某露天矿边坡进行了稳定性监测和最初预报[34]。文献[35]为确定声发射事件计数率与位移率之间的关系，进行了一系列试验分析，研究发现，声发射事件率与边坡位移率及其稳定性状态直接相关。文献[36]首次将有源波导所监测的声发射与阵列式位移计(SAA)形变测量进行了分析对比，结果表明声发射率与边坡运动速度成正比，对判断边坡内部岩体从微破裂、裂隙发展、滑面贯通直至滑坡整个过程提供重要科学依据。但由于受环境、岩(土)体结构等因素的影响，声发射技术监测中传、接线路的铺设较为困难，探头的稳定性及可靠性不稳定，容易受其他波的干扰，声发射监测效果受到制约，难以确定滑移面位置，一般仅适用于边坡临滑阶段的监测。
1.9 分布式光纤传感监测技术
分布式光纤传感监测技术是以光时域反射(OTDR)技术为基础，将分布式传感光纤布设于边坡体内，连续探测出光纤不同位置特征参量(相位、振幅和波长等)的整体变化，并获得岩土体的应力应变状态，以实现对边坡变形区域空间分布及变形大小的分析。目前主流分布式光纤传感监测技术有布里渊光时域反射(BOTDR)、布里渊光时域分析(BOTDA)和光纤布拉格光栅(FBG)等[1]。与传统传感器监测技术相比，该方法抗干扰、抗腐蚀性能更强，耐久性、灵敏性更好。
自Mendez等1989年首先在混凝土结构检测中使用光纤传感器后[37]，其优势不断得到体现，国内外学者逐渐将其应用于边坡监测领域，文献[38]将BOTDR用于日本某河堤滑坡位移监测，文献[39]分别采用BOTDR和FBG对某公路边坡失稳进行监测。2004年，南京大学光电传感工程监测中心建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测试验室[40]，为我国分布式光纤传感边坡监测的研究及应用提供了参考和指导。文献[41]提出利用光时域反射仪(OTDR)进行边坡变形全分布式传感监测试验研究，测试结果与钻孔倾斜仪吻合。文献[42]采用BOTDR技术有效地获取了边坡的内部变形，有助于准确找到潜在滑动面位置。研究和实践结果表明，BOTDR技术相比于OTDR，不仅可以同时测量应变和温度，而且其灵敏度和测量精度也更高。然而两者的空间分辨率较低，文献[43]研制了基于光频域反射计(OFDR)的斜滑坡光纤传感监测系统，较好地解决了监测中存在的空间分辨率低的问题，文献[44]则采用PPP-BOTDA光纤技术进一步将边坡监测的空间分辨率提高到了10 cm的范围。文献[45]则采用FBG与BOTDR联合监测的方法，实现对滑坡由点到线再到面的、连续准确的监测和分析。重庆大学高潮课题组以OTDR技术为基础，制作了用于滑坡监测的一至四代复合光纤传感装置(composite optical fiber transduser，COFT)，解决了上述方法难以同时实现对滑坡滑动方向的准确判定，对初始监测的高精度分析，以及远程监测等问题[46]。但该方法在实际监测中，由于光纤受岩土体内外界因素影响多，容易发生断裂，影响监测数据的采集。此外，监测数据中包含的应变和温度信息存在的交叉敏感问题，也限制了其在实际工程中的应用。
1.10 多种方法协同监测技术
为克服单一边坡监测技术存在监测精度、监测效率、人员投入、生产成本及数据处理等方面难以满足工程需求的不足，以提高边坡稳定性分析的准确性和精度，实现自动化，发展了多种方法协同监测技术。文献[47]考虑黑方台滑坡实时监测数据量大、类型多等问题，设计了基于GPS及InSAR数据的滑坡监测云平台; 文献[48]采用测量机器人、钻孔测斜仪和分布式传感光纤联合监测的方法，分析边坡开挖变形的规律; 文献[49]采用PS-InSAR和UAV摄影测量技术的方法分析西班牙东南部城市地区沿海滑坡运动规律。
2 边坡稳定性监测研究存在的问题及发展趋势2.1 存在的问题
针对边坡稳定性监测方法的研究，通过对上述参考文献和研究成果的分析，笔者认为依然存在以下2个方面的问题。
(1) 矿山边坡稳定性监测主要以坡体表面变形观测为主，忽视对岩体内部微破裂的分析，难以掌握边坡体内部变形的“时空前兆特征”。
时空前兆特征反映的是某一物体发生变化前的时空演化特征。一般情况下，边坡失稳与其内部岩体的变化(微震活动)有着必然的联系，边坡表面位移的发生通常滞后于内部岩体的微破裂变化。目前，传统的边坡稳定性分析主要以坡体表面变形观测为主，依据变形监测点的位移量、位移变化率等指标判定边坡的变形趋势。不仅忽视了边坡内部岩体的微破裂，还缺乏对边坡失稳前岩体内部微震活动的孕育、演化、繁衍整个过程的分析，无法反映边坡渐进破坏过程及机理，难以掌握边坡体内部变形的“时空前兆特征”，造成对边坡稳定性分析的不及时，导致边坡危险性判定的不准确甚至错误。
(2) 采用多种方法协同监测边坡变形，主要是对不同监测方法所得结果的对比分析，缺乏对多源监测信息和数据的融合。
边坡失稳是多种因素耦合作用的结果，突出表现为表面位移、岩体应力应变变化、声发射异常等现象。常规单一边坡监测方法依据表面位移量、位移变化率、岩体应力应变或声发射等参数反映边坡稳定性状态。通过分析其变化趋势，预测预报准确性和时效性较差，存在一定的局限性。目前采用的多种方法协同监测手段，在一定程度上解决了单一监测方法存在的局限性问题。但通过对上述相关文献分析来看，大部分仅仅是对不同监测方法所得结果的对比分析，缺乏对多源监测信息和数据的融合，未从根本上分析边坡位移与岩体应力应变等其他监测数据之间的关联性，如何识别和表征多源监测信息和数据之间的演化规律是研究边坡破坏机理的重要手段。
2.2 研究方向及发展趋势
通过对前述边坡稳定性监测方法研究现状及存在问题的分析，笔者认为边坡稳定性监测及分析工作应重点考虑以下几个方面。
(1) 实现边坡稳定性分析的空-天-地-内一体化监测。从边坡稳定性监测技术来看，不管是坡体表面还是坡体内部，其监测技术和方法都较为成熟。为了提高监测效率、保证监测精度、节省监测成本，采用空-天-地-内一体化监测，将边坡表面区域形变与内部岩体滑动监测相结合，优势互补。克服了单一监测方法存在的明显不足和缺点，实现了边坡岩体内部滑动和表面位移变化由内而外的全方位监测。通过获得全面的边坡稳定性信息，探求岩体微震活动前兆信息，从不同角度分析了边坡稳定性变化趋势，提高了预测的准确性和时空前兆预见性。
(2) 实现边坡稳定性监测多源异构数据的融合。对不同边坡稳定性监测方法而言，监测数据的形式有所不同，有边坡体表面的点位移数据，坡体表面的点云数据及遥感影像，以及反映岩体内部应力应变的微震监测数据等，它们在一定程度存在某种内在联系，彼此之间相互依赖、相互响应，并从不同角度反映出边坡稳定性变化的情况。为探明不同监测数据之间的联系，进一步分析边坡稳定性的变化机理，建立位移监测数据和微震数据的内在联系，内部岩体破坏演化规律与微震数据的内在联系，以及微震数据反演的岩体损伤演化力学模型等，实现边坡稳定性监测多源异构数据的融合，消除或减弱影响数据信噪比的主要因素，提高监测的有效性。
(3) 实现边坡稳定性动态评价及远程监测的一体化交互。边坡稳定性评价是实现破坏预警的一种重要方法和手段，但由于其稳定性影响因素非常复杂，具有很强的时变性、模糊性和不确定性，受理论、方法和技术的制约，评价准确性较差。为提高预报预警的准确性，保证动态评价模型的可行性，认识及把握边坡地质及环境等因素，将多学科、多专业理论方法相融合，不断更新和完善监测技术和设备，开展动态综合评价提前预警和远程监测实时反馈的一体化交互，实现理论计算与现场监测的有机结合，以提高边坡稳定性预警的可靠性和远程监测的时效性。
3 结论
本文在分析对比露天矿边坡稳定性监测方法利弊的基础上，指出了稳定性监测技术研究中存在的问题，提出了今后可能的研究方向和发展趋势，主要研究结论如下。
(1) 边坡稳定性监测技术实现了从点到面、从坡体表面到坡体内部、从人工测量到自动化和智能化监测、从近距离监测到远程监控等方向的转变和发展，为准确、全面地分析边坡稳定性状态提供重要的技术支持。
(2) 现有边坡稳定性监测技术各有特点和适用性，采用某一种方法难以同时有效地反映边坡内部岩体滑动状态和边坡表面整体变形趋势。空-天-地-内一体化监测及多源监测数据的融合，不仅解决了单一监测方法的局限性，实现了边坡稳定性监测的前兆预警，同时还建立了不同监测数据之间的内在联系和岩体内部损伤演化模型，实现了边坡破坏机理的分析，将成为露天矿边坡稳定性监测和分析的重要手段。
(3) 露天矿边坡处于一个开放环境中，具有很强的时变性，受各种因素的影响，其稳定性在不断动态变化。通过建立边坡稳定性动态评价及远程监测的一体化交互，可实现理论计算与现场监测的有机结合，降低了生产成本，提高了工作效率，对指导矿山的施工和安全生产具有重要的理论价值和现实意义。
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