第一篇：漓鐵尾礦庫壩體變形GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)成功案例

尾礦庫壩體變形GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)在

漓鐵尾礦庫監(jiān)測中的應用

鄭樹剛 北京礦咨信礦業(yè)技術研究有限公司

一、前言

GPS能否用于高精度變形監(jiān)測，一直是測量工作者關心的課題。90年代GPS剛開始在國內使用時，大地型GPS接收機剛研究成功不久，硬件成本非常高，而且軟件在解算方法上也不夠完善，GPS只適合做大范圍大地控制測量和全球地殼形變監(jiān)測研究等。

但是隨著GPS系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，GPS接收機在硬件性能和高精度軟件解算方法上取得了巨大的提高，同時GPS的硬件成本隨著用戶使用數量的增加和制造技術的進步也有了大幅度的下降，尤其是早期GPS用于全球地殼形變監(jiān)測和全球坐標框架研究所積累的先進的理論技術方法和豐富的實踐應用經驗，目前GPS已經完全可用于高精度變形監(jiān)測，并將逐步取代常規(guī)測量方法成為高精度變形監(jiān)測領域的一種重要高科技手段。

二、尾礦庫壩體GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)的重要意義

常規(guī)的尾礦庫壩體外觀監(jiān)測方法，是水平位移和垂直位移采用不同儀器設備分別進行。水平位移一般采用經緯儀導線法、邊角網法或視準線法，垂直位移采用精密幾何水準法。這些方法都受外界氣候條件影響大，手工或半手工操作，工作量大，作業(yè)周期長。

“尾礦庫壩體GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)”是以現代衛(wèi)星大地測量理論、技術為基礎，以基于多元統(tǒng)計分析的數據處理和變形分析理論、技術為核心，以現代通訊和計算機網絡技術為手段，實現尾礦庫變形特征點三維空間位置變化量監(jiān)測的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

與常規(guī)方法相比，GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

1、不受氣候等外界條件影響，可全天候監(jiān)測

常規(guī)方法所用的儀器設備是基于幾何光學原理工作，故不能在黑夜、雨、霧、雪、大風、泄洪等氣象條件下正常觀測。而GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)則不受外界氣候條件的影響，尤其在影響壩體安全的關鍵時刻，即在風、雨交加的汛期，都能及時提供壩體變形量，這是常規(guī)方法無法實現的。

2、所有變形監(jiān)測點的觀測時間同步，能客觀反映某一時刻壩體各監(jiān)測點的變形狀況。

用常規(guī)監(jiān)測方法，在進行壩體外觀變形監(jiān)測時，總是一個點、一個點地觀測。若壩體上有七個監(jiān)測點，現以邊角網為例，按一般觀測速度，第一個點與最后一個點的時間間隔約為七個小時。即各監(jiān)測點觀測的時間不在同一時刻，監(jiān)測結果反應不出壩體在同一時刻的變形狀況。尤其在汛期，壩體內水位會迅速上漲，在七個小時時間內，由于水位的上漲，壩體各部位的位移都已發(fā)生變化，可常規(guī)監(jiān)測方法把它看成不變來處理，不能客觀地去反映出在監(jiān)測期間的壩體變形。這顯然是不客觀的、也是不正確的，這會漏掉應該監(jiān)測出的且危害壩體安全的變形信息。但由于常規(guī)監(jiān)測方法本身的局限性，這是無能為力的。

而GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)，就可避免以上的缺陷，不管壩體上有七個監(jiān)測點還是二十個監(jiān)測點，都可測出同一時刻壩體上各監(jiān)測點的變形量，即所有監(jiān)測點觀測時間是同步的，能客觀地反映出壩體在某一時刻各段的變形情況，在汛期不會漏報危害壩體安全的變形信息，可實時分析整個壩體或各壩段之間的變形情況，確保壩體的安全或做出及時的預警。

3、監(jiān)測點的空間三維位移能同步測出

用常規(guī)監(jiān)測方法進行壩體外觀變形監(jiān)測時，水平位移和垂直位移是采用不同方法和不同儀器，在不同時間內完成的。如壩體上某一監(jiān)測點，測定水平位移在一天的上午，而測定垂直位移可能在下午，有的還可能在另一天。這樣測出壩體外觀監(jiān)測點的水平位移和垂直位移，是不同時刻的位移量，不能反映出壩體上監(jiān)測點在同一時刻的三維變形狀態(tài)，影響對壩體變形的正確分析。

而GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對一個監(jiān)測點的水平位移和垂直位移是同步測出，真正反映出監(jiān)測點在同一時刻的三維位移，非常有利于分析壩體的安全性，這在汛期等危險時刻尤其重要。

4、可實現全自動監(jiān)測，決策在千里之外

常規(guī)壩體外觀變形監(jiān)測方法，使用的是經緯儀和水準儀，都是手工操作，不僅觀測周期長，且無法實現自動化。而GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)，則從數據采集、傳輸、計算、顯示、打印全自動，壩體安全管理決策者只需敲一下計算機鍵盤，即可了解壩體上各監(jiān)測點此時相對于某一標準位置的變形數據與直觀的變形圖表。如需要，決策者可在遠離壩體千里之外的辦公室，遙控、指揮壩體的安全監(jiān)測及壩體安全調度。真正實現決策在千里之外。

三、GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)在浙江漓鐵集團蘭亭尾礦庫

壩體變形監(jiān)測中的應用

漓鐵集團的尾礦庫位于浙江省紹興市漓渚，位于著名的風景區(qū)蘭亭附近，屬二等尾礦庫，原設計主壩堆高為120米標高，后期進行150米標高的設計，現其堆高以每年約2米的速度增高，其尾礦庫區(qū)現尚未建設數字化的實時監(jiān)測系統(tǒng)，在安全、生產管理方面，主要靠人工巡檢和人工攜帶儀器設備到現場實地測量相關數據。

漓鐵尾礦庫壩體GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)，總體上按照國家的技術標準設計規(guī)范和工程設計標準規(guī)范進行。整套系統(tǒng)采用485工業(yè)總線和模塊化分布式結構，采用分層分布的優(yōu)化設計方法，硬件及軟件系統(tǒng)均采用模塊化、開放式結構設計，以方便系統(tǒng)升級以及與其它系統(tǒng)的連接。關鍵部件使用10臺徠卡GMX902原裝監(jiān)測型GPS接收機和Spider參考站網軟件，配以國內的成熟技術與產品，系統(tǒng)設計力求較高的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性、可操作性和可擴展性，系統(tǒng)內部的通訊完全采用數字信號的傳輸。

壩體變形GPS監(jiān)測系統(tǒng)構架圖 該系統(tǒng)主要用來對壩體所產生的達到毫米級的水平和沉降微小變形狀況進行監(jiān)測，并根據監(jiān)測結果和系統(tǒng)設定發(fā)出預警信息，更為重要的，是系統(tǒng)能夠根據所采集的歷史數據進行智能分析，從而給出形變狀態(tài)在一定時間段內的發(fā)展趨勢，使決策管理人員能夠將事故消滅在萌芽狀態(tài)，大大提高壩體安全性和可控性。

整個系統(tǒng)監(jiān)測網由處于穩(wěn)定區(qū)域的基準點和壩體上的變形監(jiān)測點組成。為便于進行基準點的穩(wěn)定性校核，同時為今后礦區(qū)的GPS控制網提供可靠的，高精度的基準數據，系統(tǒng)中設基準點的數量為1個，構成框架網，基準點設置在漓鐵集團選礦廠辦公樓上。壩區(qū)上布設9個監(jiān)測點，其中主壩設置7個監(jiān)測點，副壩設置2個監(jiān)測點，在壩上距各監(jiān)測點合理的位置上建立現場采集室一間，各監(jiān)測點數據通過通信線纜傳輸到采集室后，在采集室內匯總并通過光纜傳輸到設在選礦廠的控制中心內。

現場采集室和GPS監(jiān)測點

該系統(tǒng)建成后，配合其他礦區(qū)監(jiān)測管理系統(tǒng)和尾礦生產視頻監(jiān)視系統(tǒng)一同實現尾礦壩體安全管理、尾礦庫區(qū)生產管理、尾礦庫區(qū)實時監(jiān)測的全過程智能化、數字化、可視化。

“漓鐵尾礦庫數字化管理系統(tǒng)”中壩體變形模塊界面

目前該系統(tǒng)已于2007年6月1日投入正式運行后，運行狀態(tài)良好，達到預先設計目標。

第二篇：尾礦庫在線自動監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

尾礦庫在線自動監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

一.需求分析：.......................................................2

二、方案設計........................................................4

（一）監(jiān)測指標選擇.............................................................................................4

（二）監(jiān)測系統(tǒng)設計.............................................................................................6 1．浸潤線監(jiān)測................................................................................................6 2．庫水位監(jiān)測................................................................................................7 4．壩體位移監(jiān)測............................................................................................7

5、視頻監(jiān)測....................................................................................................7

（三）某尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)設計方案.............................................................8

三、運營/管理......................................................10

（一）設備安裝...................................................................................................10

（二）運營管理...................................................................................................11

四、產品映射.......................................................13

五、標準支持.......................................................14

六、標準化程度.....................................................16

七、效果分析.......................................................16

一.需求分析：

安全生產事關廣大人民群眾的根本利益，事關改革發(fā)展和穩(wěn)定的大局。我國在確立了“安全第一，預防為主，綜合治理”的安全生產基本方針和“安全發(fā)展”的指導原則后，從安全法制、安全責任、安全投入、安全科技和安全文化等方面入手，強化安全監(jiān)管工作。但受我國現階段生產力發(fā)展水平較低、企業(yè)安全生產基礎薄弱、從業(yè)人員安全意識不強、安全法制不健全等因素的影響，我國安全生產形勢依然嚴峻，工礦商貿領域安全生產重特大事故時有發(fā)生，特別是近年來尾礦庫事故多發(fā)，已引起了國家的高度重視。

金屬與非金屬礦山是工業(yè)生產的高危行業(yè)，其事故發(fā)生起數和死亡人數在全國工業(yè)安全生產領域占較大的比重。尾礦庫是金屬與非金屬礦山安全生產的重要環(huán)節(jié)，也是該領域的重大危險源之一，作為具有高勢能的人造泥石流危險源，其一旦發(fā)生事故，將會給下游人民生命財產安全造成巨大損失，給當地環(huán)境造成嚴重污染，給當地的經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定也帶來嚴重的負面影響。

經過50多年發(fā)展，我國已成為世界礦業(yè)大國，目前全國有金屬非金屬礦山92071座，其中金屬礦山8239座，非金屬礦山83832座，冶金、有色、化工、核工業(yè)、建材和輕工業(yè)等行業(yè)的礦山都有尾礦設施。經初步統(tǒng)計，全國有尾礦庫7610座，總庫容約5×109m3,堆存尾礦約5.5×109t。其中正常運行的約有4800座，占63％，危庫、險庫和危險性較大的病庫約有2810座，占37％。

我國作為發(fā)展中國家，經濟比較落后，從安全上看，尾礦庫還存在以下不利因素：一是筑壩尾礦粒度細。由于筑壩的尾礦粒度細，細尾礦的力學強度低、透水性差、不易固結，造成壩體穩(wěn)定性較差；二是上游法筑壩多。我國目前85％的尾礦庫采用上游法筑壩，較下游法和中線法筑壩的壩體穩(wěn)定性差；三是尾礦庫安全設計標準較低。我國作為發(fā)展中國家，尾礦庫防洪、抗震及壩體穩(wěn)定等建設標準與發(fā)達國家相比相對偏低；四是小型庫多。我國礦山規(guī)模小，四等庫及四等庫以下的小型尾礦庫占90％以上；五是受地震威脅大。我國是多地震國家，尾礦庫防震抗震是重要問題；六是失事后果嚴重。我國人口眾多，尾礦庫難以避開居民區(qū)和重要工業(yè)、交通設施，一旦失事，損失巨大。

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、公害的隱患中，名列第18位。它僅次于核武器爆炸、DDT、神經毒氣、核輻射以及其它13種災害，而比航空失事、火災等其它60種災害嚴重，直接造成百人以上死亡的尾礦庫事故已不鮮見。如1972年2月26日，美國布法羅尼河礦尾礦壩潰壩，造成125人死亡，4000人無家可歸；1985年7月中旬，意大利東北部的普瑞皮爾尾礦庫潰壩，造成250人死亡。

我國尾礦庫歷史上曾發(fā)生過多起重特大事故，給人民生命財產安全造成了重大損失。如：1962年9月25日，云錫公司火古都尾礦庫潰壩，造成171人死亡、92人受傷，受災人口13970人；1994年7月13日，湖北大冶有色金屬公司龍角山尾礦庫潰壩，造成30死亡；2000年10月18日，廣西南丹宏圖選廠尾礦庫垮塌，造成28人死亡、56人受傷。

近年來，尾礦庫垮壩造成人員傷亡和有毒污染物下泄的事故屢有發(fā)生，給人民群眾生命財產安全造成重大損失，對環(huán)境安全構成重要威脅。據初步統(tǒng)計，自2005年以來，全國發(fā)生尾礦庫潰壩等重特大事故17起、死亡41人，重傷1人，輕傷28人，給人民群眾生命財產和環(huán)境安全帶來嚴重損失。其中：2006年4月30日陜西鎮(zhèn)安尾礦庫潰壩，造成17人死亡、5人受傷。

尾礦庫的安全監(jiān)測對于加強尾礦庫的安全監(jiān)管，把握尾礦庫的安全現狀，減少尾礦庫的事故發(fā)生等具有重要意義。當前，我國尾礦庫安全運行的主要技術參數如壩體形變位移、庫水位、浸潤線埋深等，均由人工定期用傳統(tǒng)儀器到現場進行測量，安全監(jiān)測工作量大、受天氣、人工、現場條件等許多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人工誤差。同時，人工監(jiān)測還存在不能及時監(jiān)測尾礦庫的各項技術參數，難以及時掌握尾礦庫各項安全技術指標等缺點，這些都將影響尾礦庫的安全生產和安全管理水平。我國安全生產市場急需尾礦庫潰壩災害的實時、連續(xù)監(jiān)測的技術和產品。

尾礦庫自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的實施，便于企業(yè)和安全監(jiān)管部門快速掌握與尾礦庫安全密切相關的技術指標的最新動態(tài)，有利于及時掌握尾礦庫的運行狀況和安全現狀，可以提高尾礦庫的安全性，保障庫區(qū)下游企業(yè)正常運轉及庫區(qū)人民群眾的生命財產安全，避免因尾礦庫事故而造成的環(huán)境污染，保護生態(tài)環(huán)境。

水利工程和高邊坡工程的監(jiān)測技術發(fā)展較快。從20世紀50年代開始，在我國大壩、高邊坡變形監(jiān)測領域開始研究和使用人工變形監(jiān)測系統(tǒng)，其中應用經緯儀、3 水準儀等監(jiān)測儀器監(jiān)測壩體變形的監(jiān)測方法有視準線法、引張線法、前方交會法、壩面水準測量法以及連通管法等。20世紀70年代末，以傳感器為基礎的大壩自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)開始應用于葛洲壩水利樞紐、新豐江水利工程等壩體位移的監(jiān)測中。20世紀90年代開始了大壩及高邊坡的GPS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的研究，GPS技術已經應用于三峽工程、黃河小浪底水利樞紐工程、浙江天荒坪抽水蓄能電站、湖北清江隔河巖水利工程、龍羊峽水庫近岸等大壩或高邊坡的變形監(jiān)測。目前，多傳感器數據融合的大壩變形自動監(jiān)測技術、監(jiān)測系統(tǒng)的自動化、網絡化和信息化技術是大壩和高邊坡工程監(jiān)測領域的研究發(fā)展趨勢。

當前尾礦庫較為落后的安全監(jiān)測技術和監(jiān)測手段，不能滿足包括企業(yè)自身在內的全社會對于提高尾礦庫管理水平和安全狀況的迫切需要。目前，我國尾礦庫的監(jiān)測技術還處于起步階段。尾礦庫的管涌流土、地震液化等壩體內部致災因素引起壩坡失穩(wěn)的預警技術基本屬于空白，其監(jiān)測、預警技術的研究成果較少。特別指出的是，我國尾礦庫數量多、分布廣，因此尾礦庫自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的設施實施是面向我國尾礦庫安全的重大需求，具有良好的應用前景。

二、方案設計

（一）監(jiān)測指標選擇

尾礦庫內存有大量尾礦漿沉淀水，水位相對比較穩(wěn)定；同時，從尾礦壩壩頂排放尾礦時，礦漿向庫內流淌的過程中，礦漿水不斷向下滲透；此外，汛期大量降雨。這些因素在尾礦壩體內形成一個龐大滲流場。再者，尾礦沉積體屬非均值體，排礦部位又需要經常調換；壩體又在不斷增高；況且在尾礦庫整個服務期間內，礦源及選礦流程有可能改變，尾礦性能自然也會變化。這就是尾礦壩滲流場異常復雜的原因。浸潤線即滲流流網的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關系到壩體穩(wěn)定及安全性狀，因此，對于浸潤線位置的監(jiān)測是尾礦庫安全監(jiān)測的重要內容之一。如圖1所示，圖中孔隙水壓力為0的線即為尾礦壩的浸潤線。

圖1 某尾礦壩孔隙水壓力分布圖（單位:kPa）

尾礦庫內存有大量尾礦漿沉淀水，庫水位監(jiān)測的目的是根據其水位的高低可判斷該庫防洪能力是否滿足安全要求。具體地說：一個完善的設計在設計文本中會給出防洪所需的調洪水深，并要求在設計洪水位（即最高洪水位）時，要同時滿足設計規(guī)定的最小安全超高和最小安全干灘長度的要求。因此，對于庫水位位置的把握可以直接防止尾礦庫在汛期避免洪水漫頂潰壩事故的發(fā)生，有利于安全監(jiān)管部門和企業(yè)在汛期來臨之前，直觀地了解和掌握庫水位是否達到了設計要求的汛前限制水位。由此可見，庫水位的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測也是尾礦庫安全監(jiān)測的重要內容之一。圖2給出了安全灘長監(jiān)測法的示意圖。

圖2 安全灘長檢測法

如圖2所示，設現狀庫水位為Hs，先在沉積灘上用皮尺量出[Lg]，并插上標桿a，用儀器測出a點地面標高Ha，當Ht = Ha – Hs≥ [Ht] 時，即認為安全灘長滿足設計要求。否則，不滿足。同理，也有安全超高檢測法。

尾礦庫發(fā)生潰壩災害，壩體位移是災害演化過程的直觀反應指標，因此對于壩體下游坡變形的掌握，可以及時發(fā)現尾礦壩變形率和發(fā)展速度，有利于安全監(jiān)管部門和企業(yè)進行科學的應急決策，并及時采取應急對策措施，從而避免災害的發(fā)生或者減少災害發(fā)生造成的危害。圖3給出了尾礦庫尾礦壩的典型變形矢量圖，從圖中可知壩體下游坡發(fā)生向下和偏向下游的變形。

圖3 尾礦壩典型變形矢量圖

在定量評價尾礦庫的防洪能力時，需要測定灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高，當前的檢測方法較難準確并快速測定這兩個指標，問題在于水邊線的界線很不明顯，該處又無法進人，通常只能目測。據此推算出來的總干灘長度和調洪干灘長度自然也是極不可信的。因此，在尾礦庫安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，應增加快速并簡捷的標高測定方法。因此，灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高，是尾礦庫安全監(jiān)測需要測定的指標。

此外，在尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)中，為了實時掌握尾礦庫庫區(qū)的情況和運行狀況，通常在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監(jiān)測設置，以滿足準確清晰把握尾礦庫運行狀況的需要。綜上所述，金屬非金屬礦山尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測指標包括：浸潤線；庫水位；灘面標高；壩體位移；視頻圖像。

（二）監(jiān)測系統(tǒng)設計 1．浸潤線監(jiān)測

一般選擇尾礦庫壩上最大斷面或者一旦發(fā)生事故將對下游造成重大危害的斷面為監(jiān)測剖面。大型尾礦庫在一些薄壩段也應設有監(jiān)測剖面。每個監(jiān)測剖面應至少設置5個監(jiān)測點，并應根據設計資料中壩體下游坡處的孔隙水壓力變化梯度靈活選擇監(jiān)測點。尾礦壩壩坡浸潤線監(jiān)測儀器分兩類。一類埋設測壓管，人工現場實測；另一類是埋設特制傳感器，進行半自動或自動觀測。

浸潤線監(jiān)測儀器埋設位置的選擇，應根據《尾礦庫安全技術規(guī)程》（AQ2006－2005）中規(guī)定的計算工況所得到的壩體浸潤線位置來埋設。在作壩體抗滑穩(wěn)定分析時，設計規(guī)范規(guī)定浸潤線須按正常運行和洪水運行兩種工況分別給出。設計 6 時所給出的浸潤線位置應是監(jiān)測儀器埋設深度的最重要的依據。

2．庫水位監(jiān)測

一般在庫內排水構筑物上設置自動監(jiān)測儀，將所測信號傳給室內接收機處理得到庫水位。既準確，又適時。需要指出的是，庫內排水構筑物一般位于尾礦庫內，排水構筑物周邊為尾礦澄清水，因此需要在監(jiān)測系統(tǒng)布置前，針對特定尾礦庫的實際情況，靈活選擇施工方案。

3．干灘標高監(jiān)測

干灘標高的測量不同于其它點標高的測量，這是由尾礦壩自身的運行特點決定的，隨著尾礦壩的不斷填筑加高，灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高是兩個動態(tài)變化的指標，因此，不能在某一位置架設堅固的不能移動的標高監(jiān)測設備。采用移動GPS，定期監(jiān)測尾礦壩灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高。該方法靈活簡便、具有較高精度、利于位置變化。

4．壩體位移監(jiān)測

正是由于過去對尾礦壩壩體位移監(jiān)測認識不足，尾礦壩位移監(jiān)測手段不多。壩體變形計算至今尚未納入設計規(guī)范。對于較大的尾礦壩，設計僅在壩體表面設置位移觀測樁。具體監(jiān)測手段主要有人工用經緯儀監(jiān)測和GPS自動監(jiān)測兩種。根據壩的長短至少選擇2～3個監(jiān)測剖面。一般在最大壩高處、地基地形地質變化較大處均應布置監(jiān)測剖面。

每個剖面上根據壩的高矮，在壩坡表面從上到下均勻設置4～6個監(jiān)測點。最下面一個點應設置在壩腳外5～10m范圍內的地面上，以用于監(jiān)測尾礦壩發(fā)生整體滑動的可能性。

5、視頻監(jiān)測

在尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)中，為了實時掌握尾礦庫庫區(qū)的情況和運行狀況，通 7 常在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監(jiān)測設置，以滿足準確清晰把握尾礦庫運行狀況的需要。

（三）某尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

某尾礦庫初期壩壩頂標高為163.5m（東壩壩高為20m，西壩壩高為24.2m）。后期壩壩頂標高為220m。后期壩采用上游式尾礦筑壩。最終總庫容為1350萬m3。2008年1月子壩壩頂標高為201m，沉積灘頂標高約為198m。目前總壩高為58.7m，總庫容不到1000萬m3，暫屬四等尾礦庫。當沉積灘頂標高達到199.3m時，就升為三等尾礦庫。該尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測設計方案為：

1、庫水位監(jiān)測

1）監(jiān)測部位：尾礦庫溢水塔上。

2）監(jiān)測儀器：電子水位傳感器（無線傳輸）。3）儀器數量：1個。

2、灘頂和灘面標高監(jiān)測

1）監(jiān)測部位：在東壩和西壩的沉積灘面上各選三條垂直于子壩的直線，直線間距為100 m。在每條線的灘頂和距灘頂70 m處各設一個灘面標高兩個點均為監(jiān)測點。

2）監(jiān)測儀器：小旗和移動GPS，定期檢查小旗標高，并輸入軟件。3）儀器數量：移動GPS一臺，小旗12桿。

3、浸潤線監(jiān)測

1）監(jiān)測部位：選擇了（位于鉆孔ZK13以東3～5m處）、Q2（位于鉆孔ZK01以東3～5m處）、Q3（位于鉆孔ZK23以東3～5m處）、Q4（位于鉆孔ZK31以東3～5m處）。

在Q1、Q3剖面的第一、三、五期子壩頂各布設兩個浸潤線觀測點（兩點間距0.5m），每個點埋設1個傳感器。第一期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為6m和10m（自孔口地面算起）；第三期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為8m和13m；第五期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為8m和15m。

在Q2、Q4剖面的第三、五期子壩頂各布設1個浸潤線觀測點，每個點埋設1個傳感器。第三期子壩頂兩個傳感器的埋深分別為13m；第五期子壩頂兩個傳感 器的埋深分別為15m。

2）監(jiān)測儀器：振弦式孔壓傳感器、光纖滲壓傳感器。

3）儀器數量：振弦式孔壓傳感器（10個），光纖滲壓傳感器（6個）。

4、位移GPS監(jiān)測

1）監(jiān)測部位：在東壩最大壩高剖面G1和西壩最大壩高剖面G2的壩坡上各布設4個監(jiān)測點。4個監(jiān)測點的位置分別設在壩腳、第一、三、五期子壩頂上。

2）監(jiān)測儀器：GPS 3）儀器數量：一個基站、八個測點。

5、壩內位移監(jiān)測

1）監(jiān)測部位：ZK53、ZK15、ZK24、ZK32以東3～5m，每個斷面3個位移監(jiān)測點。

2）監(jiān)測儀器：測斜儀＋測斜管。

3）儀器數量：SINCO測斜儀一臺，測斜管若干長度。

7、可視化監(jiān)測

在溢水塔、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監(jiān)測設置，通過現場攝像頭實時拍攝并快速傳輸至控制室的顯示屏幕上，能夠直觀地顯現尾礦庫生產放礦及筑壩運行等情況。

圖4 某尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

圖5 某尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)安裝圖

三、運營/管理

（一）設備安裝

在尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)安裝時，應注意以下問題：

1．安裝的儀器設備的安全問題。尾礦庫一般處在高山峽谷等人員稀少的場地，且尾礦庫占地面積較大，因此，儀器設備的防盜問題是面臨的安全問題之一。因此，傳感器、攝像頭及GPS等設備應安裝穩(wěn)固，均應在安全過程中考慮防盜問題，GPS接收機應放置在水泥墩內，避免因為設備主機被盜，導致系統(tǒng)無法正常工作。

2．購買的GPS等設備應該有避雷裝置。GPS設備靠接收星歷信號來準確測定壩體變形狀況，GPS天線應盡量選擇軛流圈天線，盡可能保證雷雨天氣的設備安全。

3．安裝位置應考慮尾礦壩填筑過程高程變化。尾礦庫的運行期為尾礦壩不斷升高、儲存尾砂庫容不斷增大的過程，與水利工程不同，其壩頂高程隨著生產運行期的發(fā)展不斷變化。此外，對于上游式尾礦壩來說，其壩軸線還要不斷向庫內前移（如圖6所示）。因此，GPS、孔壓傳感器等設備的埋設位置應能夠滿足尾礦庫整個運行期安全監(jiān)測和安全管理的需要，應針對整個運行期綜合考慮。

圖6 上游式尾礦壩筑壩方式圖

4．應注意浸潤線監(jiān)測儀器埋設位置。尾礦壩總在不斷加高，尾礦壩浸潤線還受降雨和放礦水的影響，其深度在一定范圍內經常變動。現有的觀測設施只能測出進水孔處的水頭或孔隙壓力。從流網圖可知：只有當某個深度的水頭與該深度的高程相等時，或者說當某個深度的孔隙壓力接近于零時，該深度才是浸潤線的位置。監(jiān)測儀器埋深了，測得的浸潤線比實際浸潤線低；儀器埋淺了，測不到浸潤線。浸潤線的位置應根據設計資料綜合考慮。

（二）運營管理

基于金屬非金屬礦山尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)，在尾礦庫的運行過程中，除了應及時掌握各種監(jiān)測技術指標的最新數據外，還要有尾礦庫安全與否的預警技術和響應方法。本系統(tǒng)認為，應結合尾礦庫定量安全評價方法，通過對尾礦庫運行期的安全評價和監(jiān)測指標數據安全度分析后，可以建立尾礦庫運營管理的預警技術和響應方法。

1．浸潤線指標的預警方法

通過尾礦壩現狀的勘察和資料分析，掌握特定尾礦壩的沉積規(guī)律、材料分區(qū)及概化方法、堆壩材料的物理力學特性指標，通過滲流驗算及分析，掌握汛期設計資料允許的最高浸潤線高程。該指標即時浸潤線監(jiān)測指標的預警及響應標準。

其中，滲流驗算的計算方法如下所示： 滲流分析的基本方程為：

式中，[K]為透水系數矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲水量矩陣；{Q}為流量向量；t為時間。

對于等別不高的尾礦庫，還可以依據國家標準《構筑物抗震設計規(guī)范》中有關尾礦壩浸潤線高度的預警指標進行預警。

2．防洪能力的預警方法

防洪能力的預警是避免汛期發(fā)生尾礦庫漫頂潰壩事故的最有效方法。通過調洪驗算得到當前庫水位下，設計最高洪水位下尾礦庫需要的調洪水深，即可以掌握當前干灘長度是否滿足調洪水深的要求。

3．壩體位移的預警方法

通過尾礦壩當前運行現狀的有限元強度折減法壩坡穩(wěn)定性分析，可以近似得到發(fā)生極限滑動情況時，壩體一定深度及表面的變形情況，并結合尾礦壩位移監(jiān)測趨勢及變形率的定性判斷，可以準確把握尾礦庫因受力情況發(fā)生位移趨勢及變化速率，從而及時預警并采取響應措施，疏散下游群眾，并采取積極措施加固壩坡，避免因壩坡失穩(wěn)發(fā)生潰壩的嚴重危害。

其中，強度折減法計算壩體位移量的計算方法如下所示：

圖7 壩坡有限元網格示意圖

圖7為一壩坡的有限元網格示意圖，假定A點為某一單元的一個高斯點，以下關于點的應力分析均以A點為例。設尾礦的抗剪強度指標為c和?，則土的抗剪強度為：

假設尾礦的抗剪強度以某一折減系數F按下式進行折減：

當折減系數較小時，尾礦的抗剪強度較高，整個壩坡基本處于彈性狀態(tài)。然后逐漸增加折減系數，則尾礦的抗剪強度逐漸降低，壩坡中處于彈性的范圍會相應減少。如對于A點，當折減系數增加到某一較大的值時，會不再處于彈性狀態(tài)，其摩爾－庫侖強度包線會下移至與應力摩爾圓相交。

當折減系數繼續(xù)增加，尾礦的抗剪強度進一步減小，壩坡的塑性區(qū)會進一步增大；當折減系數增加到某一數值時，塑性區(qū)形成連通的區(qū)域，尾礦沿該剪切面發(fā)生不收斂的塑性剪切變形。此時認為壩坡發(fā)生破壞，強度折減系數即認為是壩坡的整體安全系數；滑裂面的位置可根據位移增量等值線或最大剪應變增量等值線的疏密來確定，也可根據破壞區(qū)域的范圍來判斷。

基于剛體極限平衡理論的壩坡穩(wěn)定分析方法已相當成熟且廣泛應用于尾礦壩在內的邊坡穩(wěn)定分析中。然而，該法在處理荷載條件和邊界條件復雜的邊坡時常遇到困難?；趶姸日蹨p的有限元法，能夠處理復雜荷載和邊界條件，算法先進，可以更為準確地分析尾礦壩的壩坡穩(wěn)定性，為尾礦庫安全監(jiān)測位移指標的預警提供依據。

4．注重與日常巡檢工作結合

尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的實施，可以使管理者在主控制室內能夠及時把握尾礦庫的最新動態(tài)和監(jiān)測指標信息，但是，尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)不能完全代替尾礦庫日常巡檢工作，應與日常巡檢結合，通過監(jiān)測指標和日常巡檢結合的比對，能夠更為科學的掌握尾礦庫的安全狀況和運行特點。

四、產品映射

1．孔壓傳感器的技術要求

1）準確度高，靈敏度高，穩(wěn)定性好，體積小，重量輕，直接頻率輸出，激勵電路封裝在水密殼體內。2）測量范圍：0.1、0.2、0.3、0.6、1.0、3.0、6.0、10.0、MPa（對應于10-1000m水深）。

3）準確度：±0.5%FS。

4）可直接用于江河、湖泊、海水的深度和液體壓力的測量，也可用作剖面系統(tǒng)的深度傳感器。

2．GPS設備的技術要求

1）GPS接收機及其配套設備，要求包括從數據采集、集中傳輸、解算處理、顯示和記錄及避雷和防盜等安全保護設施的全部設備。

2）精度要求，水平：3mm+0.5ppm ,垂直：5mm+0.5ppm；上述精度指標要求有國家光電檢測中心等權威機構的檢測結果，并具有權威機構頒發(fā)的證書。

3）解算軟件上有各個GPS接收機的獨立監(jiān)控模塊，通過解算軟件，可以在計算機中實時顯示具有上述精度的各個GPS接收機的坐標和位移量，并能夠實時記錄在文本文件中。

4）GPS接收機天線為軛流圈天線。5）具有避雷設施及其它安全保護措施。

五、標準支持

在尾礦庫安全領域，技術標準主要參照《尾礦庫安全技術規(guī)程》（AQ2006-2005）。該標準有關尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)定包括以下內容：

1．4級以上尾礦壩應設置壩體位移和壩體浸潤線觀測設施。必要時還宜設置孔隙水壓力、滲透水量及其渾濁度的觀測設施。

2．做好日常巡檢和定期觀測，并進行及時、全面的記錄。發(fā)現安全隱患時，應及時處理并向企業(yè)主管領導報告。

3．尾礦庫運行期間應加強浸潤線觀測，注意壩體浸潤線埋深及其出逸點的變化情況和分布狀態(tài)，嚴格按設計要求控制。

4．尾礦庫灘頂高程的檢測，應沿壩（攤）頂方向布置測點進行實測，其測量誤差應小于20mm。當灘頂一端高一端低時，應在低標高段選較低處檢測1～3個點；當灘頂高低相同時，應選較低處不少于3個點；其他情況，每100m壩長選 較低處檢測1～2點，但總數不少于3個點。

5．根據尾礦庫防洪能力和尾礦壩壩體穩(wěn)定性確定，分為危庫、險庫、病庫、正常庫四個等級。除正常庫外，前三類從文字上看，只是程度有所不同。尾礦庫安全度定義緊緊依靠尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)中設定的監(jiān)測指標來評判。

例如，危庫是指安全沒有保障，隨時可能發(fā)生垮壩事故的尾礦庫，危庫必須停止生產并采取應急措施，危庫定義見圖8。

圖8 尾礦庫安全度中危庫的定義 尾礦庫安全度中同時滿足圖9四個工況的尾礦庫為正常庫。

圖9 尾礦庫安全度中正常庫的定義

綜上所述，尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠緊扣我國現行尾礦庫安全技術標準，具有較大的實用意義和價值。

六、標準化程度

尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的浸潤線、庫水位、灘面標高、壩體位移、視頻圖像，均能夠為尾礦庫日常安全管理及尾礦庫安全運行服務。我國尾礦庫中85%以上為上游式尾礦壩筑壩，該系統(tǒng)對于上游式筑壩的尾礦庫具有良好的應用前景，今后監(jiān)測系統(tǒng)若能與不同等別尾礦庫相結合，上升到安全技術標準，可以全面提高我國尾礦庫安全管理水平，減少我國尾礦庫事故發(fā)生的數量，保障尾礦庫庫區(qū)人民生命財產、環(huán)境安全及社會穩(wěn)定，為構建和諧社會服務。

七、效果分析

當前，我國安全生產形勢依然嚴峻，工礦商貿領域安全生產重特大事故時有發(fā)生，特別是近年來尾礦庫事故多發(fā)，已引起全社會的高度重視。在《國務院關 于實施國家突發(fā)公共事件總體應急預案的決定》（國發(fā)〔2005〕11號）中明確要求 “科技部、教育部、中科院、社科院、工程院、中國科協(xié)等有關部門和科研教學單位，要積極開展公共安全領域的科學研究；加大公共安全檢測、預測、預警、預防和應急處置技術研發(fā)的投入，不斷改進技術裝備，建立健全應急平臺，提高我國公共安全科技水平”。在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》中把“公共安全”問題列入了國家科技發(fā)展的“重點領域”，要重點研究開發(fā)地震、臺風、暴雨、洪水、地質災害等監(jiān)測、預警和應急處置關鍵技術，森林火災、潰壩、決堤險情等重大災害的監(jiān)測預警技術以及重大自然災害綜合風險分析評估技術。同時，2007年國家安全生產監(jiān)督管理總局、國家發(fā)展改革委、國土資源部、國家環(huán)?？偩致?lián)合組織了全國范圍的尾礦庫專項整治行動，使得尾礦庫的安全運行和管理已引起全社會的廣泛關注。

近年來，我國國民經濟快速發(fā)展，每年以10%左右的速度遞增，在經濟高速發(fā)展的帶動下，鋼鐵、有色金屬和水泥等主要原材料工業(yè)擴張迅速，隨著金屬非金屬礦山采選業(yè)的迅速發(fā)展，尾礦庫的安全生產和環(huán)境安全等問題日益顯現，特別需要指出的是，我國尾礦庫下游大都為人口密集區(qū)、城鎮(zhèn)或大型工廠企業(yè)，因此，尾礦庫的安全備受關注。如何針對我國尾礦庫分布特點和現狀，提高尾礦庫安全管理水平，是擺在全社會的一個重要問題。金屬非金屬礦山尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的逐步實施和推廣，可以大幅度提高我國對于尾礦庫潰壩災害機理的認識水平，全面提升尾礦庫安全監(jiān)管和日常管理水平，增強企業(yè)、社會、政府對于尾礦庫災害的預警響應能力，建立更便于尾礦庫運行期安全管理和風險控制的潰壩風險綜合評判方法。特別需要指出的是，我國尾礦庫數量多、分布廣，金屬非金屬礦山尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)將具有廣泛的市場前景和重要的應用價值。