龍江水電站邊坡安全監(jiān)控與預(yù)警

孫庚寧，何勇軍，楊 陽(yáng)，李 卓

（1.云南新華水利水電投資有限公司，650200，昆明；2.南京水利科學(xué)研究院 大壩安全與管理研究所，210029，南京）

龍江水電站邊坡安全監(jiān)控與預(yù)警

孫庚寧1，何勇軍2，楊 陽(yáng)2，李 卓2

（1.云南新華水利水電投資有限公司，650200，昆明；2.南京水利科學(xué)研究院 大壩安全與管理研究所，210029，南京）

總結(jié)近年近壩邊坡安全監(jiān)控與預(yù)警相關(guān)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，以云南龍江水電站工程為依托，結(jié)合邊坡滑坡試驗(yàn)研究，開(kāi)展了近壩邊坡安全監(jiān)控模型、安全監(jiān)控指標(biāo)及預(yù)警技術(shù)研究。研究成果揭示近壩邊坡失穩(wěn)破壞的成因和規(guī)律，建立了近壩邊坡預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了近壩邊坡安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

龍江水電站；邊坡；安全監(jiān)控；預(yù)警技術(shù)

云南龍江水電站樞紐工程建成以來(lái)，大壩、溢洪道、泄洪底孔及電站運(yùn)行基本正常。但大壩右壩肩上下游均有沖溝切割，地形完整性較差，斷層與裂隙組合對(duì)拱座巖體穩(wěn)定不利。經(jīng)工程處理后，大壩右岸邊坡雖整體基本穩(wěn)定，但多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值在每年雨季仍有一定發(fā)展。大壩左壩肩纜機(jī)邊坡及廠房后邊坡巖石風(fēng)化嚴(yán)重，施工中發(fā)生多次塌方，后雖采取錨索等加固措施，但由于邊坡較高、坡度較陡，運(yùn)行后仍于2013年8月廠房后邊坡發(fā)生了較大滑坡，危及運(yùn)行安全。因此，進(jìn)行邊坡安全試驗(yàn)研究勢(shì)在必行。

一、滑坡試驗(yàn)

滑坡試驗(yàn)用的黏土取自龍江水電站近壩庫(kù)岸邊坡滑坡體。模型試驗(yàn)箱由主體模型箱、降雨系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、多物理量測(cè)試系統(tǒng)（包括孔隙水壓力、土壓力、張力）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像采集系統(tǒng)等組成。模型試驗(yàn)主要儀器有滲壓計(jì)、張力計(jì)、土壓力計(jì)、高速攝像機(jī)、取土器。

在模型箱內(nèi)壁和底部涂上一定厚度的凡士林，以減小模型試驗(yàn)過(guò)程中與模型箱內(nèi)壁摩擦，將在模型箱中裝入密度為1.70 g/cm3、含水率19.5%黏土裝入其中，邊坡傾角50°，模型高1.80 m，坡頂長(zhǎng)0.75 m，坡底長(zhǎng)3 m。

試驗(yàn)考慮降雨和庫(kù)水位作用的影響，試驗(yàn)的主要內(nèi)容為降雨作用、降雨與庫(kù)水位耦合作用引起的滑坡體變化和破壞過(guò)程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)表明：降水和庫(kù)水位變化是滑坡的最主要外因。大氣降水滲入滑坡體，增加巖土體的含水量，增大巖土體容重，軟化巖土，降低巖土的抗剪強(qiáng)度。降雨滲入到風(fēng)化巖土體之下的基巖面或斷水層面變成潤(rùn)滑劑，降低了接觸面的抗滑性質(zhì)，從而導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。庫(kù)水位變化誘發(fā)的滑坡有兩種：一是庫(kù)水位達(dá)到敏感水位后，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力分布在達(dá)到新的平衡過(guò)程中，由于土體飽和而致使邊坡土體的容重增加和潛在滑動(dòng)面上孔隙水壓力增大而導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)度降低所產(chǎn)生的滑坡；二是發(fā)生在水位消落，特別是快速消落期，由于不利的地下水梯度而造成滑坡。

二、滑坡監(jiān)控模型

基于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯?，將降雨和邊坡坡度作為主要的因素進(jìn)行研究。龍江水電站設(shè)置了較為完善的安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，包括降雨量、變形、孔隙水壓力和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，為此，對(duì)龍江水電站近壩庫(kù)岸邊坡建立監(jiān)控模型，研究降雨和不同邊坡坡度對(duì)邊坡的影響，并擬定降雨量和坡度的監(jiān)控指標(biāo)。

1.降雨量監(jiān)控模型

基于飽和—非飽和土理論的邊坡穩(wěn)定性極限平衡法是建立在非飽和土體引申的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，對(duì)降雨作用下邊坡穩(wěn)定性的分析，不僅考慮飽和區(qū)內(nèi)地下水壓力升高對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，而且考慮非飽和區(qū)基質(zhì)吸力的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。采用GeoStudio軟件中的Seep/W模塊和Sigma/W模塊對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

（1）計(jì)算剖面及計(jì)算模型

龍江水電站近壩庫(kù)岸邊坡滑坡剖面圖見(jiàn)圖1。坡體左右兩邊和底部為不透水邊界，坡面為流量邊界，流量大小為降雨強(qiáng)度。邊坡滑坡體主滑動(dòng)面有限元模型見(jiàn)圖2所示。

（2）計(jì)算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)勘察鉆探地勘報(bào)告，得到各層巖土體的強(qiáng)度參數(shù)（見(jiàn)表1）。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和實(shí)際情況，降雨單寬流量根據(jù)龍江水電站氣象站降雨資料取值，降雨取值見(jiàn)表2。

（3）計(jì)算成果

不同降雨量下龍江水電站近壩庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)見(jiàn)表3，計(jì)算結(jié)果可以看出，近壩庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)受降雨量影響明顯。隨著降雨量增加，邊坡安全系數(shù)減小，當(dāng)降雨量為70.0 mm時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.04，邊坡穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)。

圖1 邊坡典型剖面圖

圖2 滑坡體主滑面有限元模型

表1 各個(gè)土層物理力學(xué)性質(zhì)表

表2不同降雨量表

表3 不同降雨量條件下邊坡安全系數(shù)表

表4 不同坡度條件下邊坡安全系數(shù)表

2.坡度監(jiān)控模型

在不同降雨量模型的基礎(chǔ)上，以30°、50°、60°三個(gè)不同坡度為例，選取5種不同降雨量進(jìn)行3種不同坡度條件下安全系數(shù)計(jì)算。不同坡度條件下龍江水電站近壩庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)見(jiàn)表4。在相同邊坡坡度時(shí)，隨著降雨量增加邊坡安全系數(shù)減小；隨著坡度增大，臨界降雨量減小。

三、預(yù)警指標(biāo)體系

預(yù)警指標(biāo)與邊坡的具體特點(diǎn)息息相關(guān)，預(yù)警指標(biāo)內(nèi)涵上分為警源指標(biāo)、警情指標(biāo)和警兆指標(biāo)。警情產(chǎn)生于警源和警兆，預(yù)警是以警源指標(biāo)為依據(jù)，分析警兆的報(bào)警區(qū)間，參照警情指標(biāo)的警限和警度劃分以及預(yù)報(bào)警素的嚴(yán)重程度，再對(duì)照警源指標(biāo)，采取排警措施。此外對(duì)近壩庫(kù)岸邊坡滑坡進(jìn)行預(yù)警時(shí)，還需要建立預(yù)警指標(biāo)體系。

1.預(yù)警指標(biāo)等級(jí)劃分

根據(jù)相關(guān)研究及統(tǒng)計(jì)資料，邊坡從局部產(chǎn)生變形到滑動(dòng)，通?？山?jīng)歷三種狀態(tài)，見(jiàn)圖3。

①安全狀態(tài)，指近壩庫(kù)岸邊坡產(chǎn)生初始的變形，邊坡主要監(jiān)測(cè)量的變化處于正常情況下的狀態(tài)。②基本正常狀態(tài)，指近壩庫(kù)岸邊坡產(chǎn)生等速變形的狀態(tài)，大部分邊坡在經(jīng)過(guò)等速變形后累計(jì)位移逐步趨于穩(wěn)定。③異常預(yù)警狀態(tài)，指近壩庫(kù)岸邊坡產(chǎn)生加速變形狀態(tài)。當(dāng)邊坡受到各種因素的影響在等速變形或初始變形趨于穩(wěn)定的過(guò)程突然出現(xiàn)加速變形的狀態(tài)突變。從監(jiān)測(cè)角度，可以監(jiān)測(cè)到環(huán)境中某些危及安全的因素正在加劇，或主要監(jiān)測(cè)量出現(xiàn)異常，若不采取措施將出現(xiàn)失事的狀態(tài)。異常預(yù)警狀態(tài)的邊坡安全系數(shù)通常逐步減小，抗力逐漸小于荷載。

針對(duì)近壩庫(kù)岸滑坡受到降雨、山洪影響，結(jié)合有關(guān)規(guī)范和法規(guī)，將近壩庫(kù)岸邊坡安全狀況分為三級(jí)。設(shè)邊坡安全狀況集合為V，則：

圖3 近壩庫(kù)岸邊坡滑坡累計(jì)位移變化過(guò)程示意圖

圖4 降雨及安全系數(shù)關(guān)系曲線圖

圖5 不同等級(jí)降雨坡度關(guān)系等值線

2.警情警兆的預(yù)警指標(biāo)建立

根據(jù)邊坡受力平衡條件，R為邊坡滑面的抗剪強(qiáng)度；S為臨界荷載組合的總效應(yīng)，有：

依據(jù)邊坡的預(yù)警等級(jí)及邊坡的安全系數(shù)，建立不同預(yù)警等級(jí)和邊坡安全系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系式（3），其中K為規(guī)范或設(shè)計(jì)資料中的邊坡安全系數(shù)，針對(duì)不同類(lèi)型的邊坡，要求設(shè)計(jì)安全系數(shù)一般取值在1.05～1.2之間?？梢詫?K 劃分為（+∞，K］（K，1］（1，-∞］，對(duì)應(yīng)安全、基本正常、異常3種狀態(tài)。

對(duì)表3采用多項(xiàng)式擬合，得到對(duì)應(yīng)邊坡異常狀況（K=1）及基本正常狀況（K=1.1）對(duì)應(yīng)的降雨量，見(jiàn)圖4。

3.降雨預(yù)警指標(biāo)

對(duì)應(yīng)邊坡 3個(gè)不同安全預(yù)警等級(jí)的降雨量監(jiān)控指標(biāo)可表示為：

4.聯(lián)合降雨和坡度預(yù)警指標(biāo)

基于表4可以得到降雨量、坡度與近壩庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)的關(guān)系，表達(dá)為：

式中，R為抗力；S為荷載；r為降雨量，β為坡度變化。通過(guò)表4差值得到邊坡異常狀況（K=1）及基本正常狀況（K=1.1）對(duì)應(yīng)的降雨量和坡度分別為圖5所示邊界線。

四、總 結(jié)

基于龍江水電站近壩邊坡滑坡實(shí)例建立物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，選取了降雨量、坡度為影響龍江水電站近壩庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定的主要因素，應(yīng)用有限元方法建立了飽和—非飽和邊坡穩(wěn)定監(jiān)控模型，對(duì)降雨入滲條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了降雨和坡度對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)。在此基礎(chǔ)上研究了邊坡穩(wěn)定性的不同狀態(tài)，將邊坡分為安全狀態(tài)、基本正常狀態(tài)、異常狀態(tài)，提出了近壩庫(kù)岸邊坡預(yù)警“安全、基本安全、異常”三個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)不同等級(jí)擬定了不同安全系數(shù)條件下邊坡的降雨預(yù)警指標(biāo)和降雨坡度聯(lián)合預(yù)警指標(biāo)，并建立了近壩邊坡預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。 ■

[1]王恭先.滑坡防治工程措施的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào), 1998(1).

[2]孫紅月,呂慶.堆積層滑坡成因機(jī)理與防治[M].北京：科學(xué)出版社，2012. [3]王濤，等.國(guó)內(nèi)外典型工程滑坡災(zāi)害比較[J].地質(zhì)通報(bào),2013(12).

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[5]許強(qiáng),等.大型滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急處置[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

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責(zé)任編輯 韋鳳年

Safety monitoring ofsideslopesofLongjiang HydropowerStation and early warning system//

Sun Gengning,He Yongjun,Yang Yang,Li Zhuo

With summary and studies on safety monitoring of side slope of Longjiang Hydropower Station and early warning system in recent years,research on models of safety monitoring of side slope near dam and indicators as well as early warning system are conducted based on case study on Longjiang Hydropower Station in Yunnan Province and landslide test.The results demonstrate the reasons and pattern of instability and damage of side slope near dam,so that real-time monitoring and early warning system can be established.

Longjiang Hydropower Station;slope;safety monitoring;early waning technology

TU457

A

1000-1123（2017）02-0041-03

2016-11-25

孫庚寧，教授級(jí)高級(jí)工程師。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51309164、51609149)，南京水利科學(xué)研究院基金（Y712010、Y712009、Y716002）。