加拿大Roctest产品工程案例12： 尾矿坝监测设备与安全监控

加拿大Roctest产品工程案例12：

尾矿坝监测设备与安全监控

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合理规划并实施的监测系统，对尾矿坝正常运行至关重要。在很多国家，尾矿坝必须遵守大量法规和严格的管理标准。

监测的首要作用，是保障尾矿坝能长期安全使用。通过监测，要能及时发现任何可能让坝体状况变差的问题 —— 这些问题如果不处理，严重时可能导致尾矿坝停工，甚至发生溃坝事故。

尾矿坝和土坝类似，但它更脆弱、风险也更高，所以必须通过 “24 小时不间断监测” 和 “远程监测”，及时找出坝体的隐患。而光纤监测设备，再加上振弦式传感器等其他各类技术，正好能满足这种关键的监测需求。

参考工程

Ø埃尔托里托——智利

Ø拉斯托尔托拉斯铜矿 —— （主坝）——智利

Ø拉斯托尔托拉斯铜矿 —— （西坝）——智利

Ø佩雷斯・卡尔德拉二号尾矿坝（铜矿项目）——智利

Ø谢拉戈尔达矿（铜 / 钼矿）——智利

Ø生物浸出谷——智利，注：“生物浸出” 是矿山用微生物提取矿物的技术区域）

Ø拉古纳塞卡铜矿——智利

Ø塞罗贝尔德铜矿——秘鲁

Ø马里斯堡铂矿——南非

Ø米纳斯里奥铁矿——巴西

 

尾矿坝的设计、监测设备与安全监控

什么是尾矿和尾矿坝？

从矿山开采的原矿石中提取目标矿物（比如铜、铁等）时，会用到机械或化学方法，而提取后剩下的废料就叫 “尾矿”。这些尾矿里含有无法回收的金属、矿物、化学物质、有机物，还有生产过程中用到的水，它们通常会混合成泥浆状，被输送到最终的储存区域 —— 这个区域一般叫 “尾矿储存设施（TSF）”。而 “尾矿坝”（通常是堤坝式建筑，或者大面积的露天储库），就是尾矿储存设施里最常用的建造形式。

尾矿坝的类型

尾矿坝主要有三种设计类型：下游式、上游式和中线式。这三种类型的区别，主要看坝顶（堤坝的顶部）相对于 “初始坝”（堤坝底部最开始修建的基础坝体）的移动方向（参考 Vick 1990 年的研究）。

修建尾矿坝用的材料、采用的施工方法，会影响坝体的 “透水性”（水能不能渗过去）和整体稳定性。要保证尾矿坝在 “使用期间” 和 “停用后” 都安全，有几个核心问题必须控制好：

1. 孔隙水压力：也就是坝体内部和坝基下方土壤孔隙里的水产生的压力（压力过大会削弱坝体稳定性）；

2. 渗流：指水从坝体或坝基慢慢渗过的现象（这种现象基本无法完全避免，有时甚至是必要的，但必须控制在安全范围）；

3. 土壤压实度：修建时对坝体土壤的压实程度（压实得好，坝体才更结实）。

尾矿坝的主要失事原因

尾矿坝失事的主要原因包括以下几类：

1. 气象事件：比如异常降雨、积雪融化（气候变化会让这类问题更严重）；

2. 管理不当：像坝体排水设施维护不到位、坝体加高速度过快、违规使用重型机械等；

3. 结构问题：例如坝基不稳、渗流 / 管涌（水在坝体内部形成通道，逐渐掏空坝体）、漫顶（坝内水位超过坝顶）、矿山采空区沉降等。

另外，在设计监测系统时，地震活动也是必须重点考虑的重要因素。

监测设备的作用

安装监测设备，是为了精准记录坝体结构性能的特定指标随时间的变化情况，同时跟踪这些指标的变化速度。设备的读数频率（也就是多久测一次数据），要根据过去的监测结果、这些指标的重要程度（是否是关键安全指标）、指标异常可能带来的风险大小，以及尾矿坝现场的实际情况来确定。

监测设备的选择依据

选择监测设备时，主要由三大核心依据决定：

l监测数据的可靠性：要保证数据既准确又精确，而且不会出现 “漂移”（就是数据不会随着时间推移慢慢偏离真实值，比如本来实际变形 1 厘米，测着测着数据变成 1.5 厘米，这种情况要避免）。

l设备的耐用性和稳定性：设备得能用得久、抗造（比如能适应尾矿坝的露天、潮湿等环境），而且得有很多实际应用案例能证明这一点。

l数据读取的自动化便利性：能方便地实现自动读数很关键，这样才能高效地收集数据，也能更快、更准确地分析数据背后的问题。

监测项目类型

要开展哪些监测项目、监测仪器装在什么位置，得根据尾矿坝自身的具体类型和实际情况来定。我们提供的解决方案里，包含基于光纤技术和振弦技术的接触式传感器。如果再搭配非接触式传感器，就能更全面地监测坝体的健康状况，更清楚地了解坝体是否安全。

监测仪器

尾矿坝的建造通常处于临界稳定状态（稍微出点问题就可能不稳定），所以需要密切监测。要分析坝体稳定性、防止坝体滑坡，有几个核心指标必须监测：孔隙水压力、沉降量、渗漏情况和水平移位。

除了为新建的尾矿坝堤坝提供全套监测仪器，Nova Metrix还会为已建成的尾矿坝设计和搭建监测系统，并且会根据每个项目的具体需求调整仪器。

用到的监测仪器主要有这些：

l渗压计

l沉降计

l原位测斜仪

l光纤变形传感器（1 维、3 维）

l光纤分布式温度传感电缆

l光纤分布式应变传感电缆

l加速度计

l定位方法（全球定位系统 GPS、全球导航卫星系统 GNSS、激光测量、地面 / 卫星合成孔径雷达 SAR 等）

这些仪器的用途分别是：渗压计用来监测孔隙水压力；钻孔测斜仪、3 维变形传感器以及分布式应变传感光缆，用来监测坝体的沉降量和稳定性；用固定式强震设备监测地震活动，确保能准确掌握坝体在地震中的动态变化；分布式温度传感光缆能检测坝体的渗漏情况（关于这种监测方法，我们有专门的公众号，叫《加拿大Roctest产品工程案例1》）；最后，分布式应变传感光缆通常会安装在坝体内部，目的是监测整个坝体区域是否有滑坡迹象，以及有没有突然出现的意外位移。

为了保障人员生命安全和保护周边环境、防止灾害发生，强烈建议设置预警机制，一旦监测到异常就及时发出预警信息。

应用案例

 

拉古纳塞卡（Laguna Seca）项目中的三维变形传感器——特制保护壳内的 SOFO 传感器

 

在佩雷斯・卡尔德拉二号（Perez Caldera II）项目：用分布式应变传感光缆来监测坝体的位移情况，以及有没有滑坡的迹象

 

在塞罗贝尔德（Cerro Verde）项目：把光纤渗压计装在了钻孔里

自动化数据采集与处理

要收集和分析大量数据（尤其是跨远距离传输的数据），就需要用集中式的自动化测量设备。这样一来，得出的结果会更准确，数据处理速度也更快，还能借助预先设定的阈值（比如规定好 “坝体变形超过 10 厘米就预警” 这样的标准）搭建更高效的警报系统。一个设计合理的尾矿坝监测方案，必然会包含自动化数据采集系统，同时会明确警报等级，以及对应每个等级该采取的应对措施。

NOVA METRIX 的数据采集仪（用来记录监测数据的设备）不仅性价比高，还能很方便地接入多节点网络（简单说就是能和多个监测点的设备联网），实现实时监测（数据能随时看，不用等很久才能汇总）。

 

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NOVA METRIX

加拿大Roctest公司与Smartec公司为同一集团 NOVA METRIX下的不同品牌。 NOVA METRIX是集研发、制造一体的供应商，专注于基于振弦式与光纤传感器的创新传感技术，服务于岩土和结构监测仪器领域。

瑞科仪器与NOVA METRIX合作提供一系列完整的基于传统传感器的解决方案，涵盖从极为耐用的传统振弦式技术，到用于岩土工程测量与监测以及关键资产结构健康监测（SHM）的尖端光纤技术。这些关键资产包括：水坝、隧道、矿山、建筑物、桥梁、核电站以及众多难以尽述的其他结构物。

此外，我们还提供种类广泛的旁压仪、岩石膨胀计，以及用于土壤和岩石的室内及现场测试设备。

 

服务

l系统设计

l安装、操作和维护

l数据管理

l数据分析

 

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相关配件

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适用工程项目

l堤坝光纤渗漏检测

l堤坝监测设备与安全监控

l隧道监测设备与结构健康监测

l桥梁监测设备与结构健康监测

l建筑监测设备与结构健康监测

l历史古迹监测设备

l岩土与结构监测

l核电站监测设备

l隧道光纤位移检测

l化工厂光纤渗漏检测

l管道光纤渗漏检测

l储存设施监测设备

l悬崖监测设备

l压力管道/输水管