基于變形監(jiān)測的金龍溝料場邊坡失穩(wěn)時間預(yù)測

冷超勤，張 揚（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610000）

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基于變形監(jiān)測的金龍溝料場邊坡失穩(wěn)時間預(yù)測

冷超勤，張 揚
（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610000）

摘 要：在加強現(xiàn)場檢查的同時，高度重視安全監(jiān)測及資料的深入分析，科學(xué)構(gòu)建邊坡失穩(wěn)預(yù)測預(yù)報與穩(wěn)定性評價模型和方法，對及時發(fā)現(xiàn)邊坡工程安全隱患，實時調(diào)整施工過程，確保邊坡工程安全具有極其重要的意義，亦是邊坡工程領(lǐng)域長期關(guān)注的研究課題。基于此，本文以金龍溝料場邊坡為依托，開展了相關(guān)預(yù)測模型、預(yù)報方法的研究，進(jìn)行了金龍溝料場邊坡失穩(wěn)垮塌案例分析，證實了雙曲線預(yù)測模型、非等時距GM（1，1）模型、黃金分割法、變形速率判據(jù)法的可行性、有效性。

關(guān)鍵詞：金龍溝料場邊坡；安全監(jiān)測；現(xiàn)場檢查；失穩(wěn)預(yù)測預(yù)報

0 前 言

水利、交通和建筑等工程會形成大量的大壩壩肩邊坡、料場邊坡、鐵路和公路的道路邊坡。邊坡的穩(wěn)定問題不僅關(guān)系到工程本身的安全，同時也涉及到整體環(huán)境的安全。邊坡的失穩(wěn)破壞不僅會直接影響工程建設(shè)本身，而且也會通過環(huán)境災(zāi)難對人民生命財產(chǎn)安全帶來影響和災(zāi)害。深入分析和掌握邊坡變形規(guī)律，科學(xué)預(yù)測預(yù)報邊坡失穩(wěn)破壞，對防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要的意義。

金龍溝料場為桐子林水電站工程的主要料場，該料場邊坡在2010年10月23日發(fā)生垮塌，由于高度重視監(jiān)測資料的及時分析，借此建立了預(yù)測模型，并結(jié)合現(xiàn)場巡查情況，臨滑前成功預(yù)測了邊坡失穩(wěn)時間，并及時預(yù)警，提前撤離施工人員、設(shè)備，才避免了人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。該案例充分說明了邊坡安全監(jiān)測及其科學(xué)分析對于邊坡工程的重要性。以該料場邊坡垮塌案例為依托，基于該工程寶貴的監(jiān)測資料，開展邊坡失穩(wěn)預(yù)測預(yù)報模型、方法研究，不僅具有重要的科學(xué)意義，對其他邊坡工程亦具有重要的參考價值。

1 工程概況

1．1 概 述

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)，系雅礱江下游最末一個梯級電站。金龍溝料場為原二灘電站人工骨料場開采剩余部分（見圖1），現(xiàn)為桐子林水電站工程的主要料場，位于二灘電站左岸壩肩上游金龍溝谷坡左側(cè)，距二灘大壩直線距離約700 m，距桐子林電站19 km。料場右側(cè)緊鄰金龍山滑坡。分布高程1 330～1 600 m，料場區(qū)總面積約0．1 km2，地質(zhì)儲量約670萬m3（以開采至高程1 300 m計）。

圖1 二灘水電站原料場邊坡

2009年11月料場邊坡在原料場的基礎(chǔ)上開始揭頂開挖，2010年9月底開挖至高程1 560．00～1 594．00 m，邊坡揭頂開挖工作基本結(jié)束。金龍溝料場揭頂邊坡于2010年10月23日下午5 h 33 min出現(xiàn)垮塌，垮塌樁號約為0－30．00～0＋90．00 m，順坡長約120 m；垮塌高程約為1 562．00～1 685．00 m，最大垮塌高度約為120 m，垮塌面積近1萬m2，垮塌厚度約15～25 m，垮塌方量估計約20萬m3。由于預(yù)警及時，施工人員疏散得力，垮塌未造成任何人員傷亡及設(shè)備材料損失?？逅昂笳掌鐖D2、3所示。

圖2 金龍溝料場邊坡垮塌前現(xiàn)場

圖3 金龍溝料場邊坡垮塌后現(xiàn)場

1．2 金龍溝料場邊坡安全監(jiān)測概況

根據(jù)桐子林金龍溝料場邊坡的地質(zhì)情況及結(jié)構(gòu)支護(hù)措施，采用外部變形觀測墩、多點位移計、測斜孔、錨桿應(yīng)力計、錨索應(yīng)力計等儀器設(shè)備，對邊坡表面及深部變形和錨桿、錨索支護(hù)應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測。保障開挖過程安全為主要設(shè)計目的，采用儀器監(jiān)測和人工巡視檢查相結(jié)合的觀測方法。綜合考慮料場邊坡的破壞機(jī)理、穩(wěn)定條件、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性，在金龍溝料場邊坡1 611 m以上高程共設(shè)AA、B－B和C－C三個監(jiān)測剖面，在1 611 m以下高程共布設(shè)LCBP1、LCBP2、LCBP3、LCBP4和LCBP5五個監(jiān)測剖面。

截至2010年10月23日，金龍溝料場邊坡完成1 611 m以上高程3個監(jiān)測斷面的多點位移計、錨索測力計的埋設(shè)。監(jiān)測布置見圖4～6。

圖4 1 611 m高程以上邊坡監(jiān)測剖面布置示意

2 基于變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的邊坡失穩(wěn)預(yù)測預(yù)報方法

邊坡變形是邊坡穩(wěn)定狀況最直觀的反映，合理分析、預(yù)測邊坡變形規(guī)律及其與邊坡穩(wěn)定關(guān)系，對邊坡失穩(wěn)的可靠預(yù)報具有重要意義。由于工程及地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在分析邊坡變形監(jiān)測資料并預(yù)測其變化規(guī)律時，常常會出現(xiàn)擬合不佳的現(xiàn)象，進(jìn)而會影響到對邊坡性狀及規(guī)律的分析和預(yù)測。因此針對邊坡特點探討合適的分析預(yù)測模型及邊坡失穩(wěn)時間的預(yù)報方法具有重要的意義。

圖5 A－A剖面監(jiān)測儀器布設(shè)示意

圖6 B－B剖面監(jiān)測儀器布設(shè)示意

2．1 邊坡變形預(yù)測模型

2．1．1 雙曲線預(yù)測模型

雙曲線法認(rèn)為邊坡變形量與時間近似呈雙曲線函數(shù)關(guān)系［1］。這是一種純經(jīng)驗的曲線配合方法，利用實測位移—時間曲線確定拐點t0（起點，通常取恒載下的某個時刻），將實測S（t）—t曲線的起點放在t0處，則位移時間曲線將接近于雙曲線，可近似用雙曲線表示，即：

式中 S（t）——為t時刻的位移值；

t0——為拐點處的時間或時間零點；

S0——為對應(yīng)t0時刻的位移值；

a、b——為曲線方程待擬合的參數(shù)。

2．1．2 灰色預(yù)測模型

邊坡的變形破壞是受內(nèi)外多因素綜合作用的結(jié)果，由于邊坡變形破壞機(jī)理的復(fù)雜性和人們認(rèn)識的局限性，仍存在許多因素、參數(shù)及其相關(guān)性不十分清楚，可以認(rèn)為邊坡變形系統(tǒng)是個灰色系統(tǒng)。自1988年陳明東等首次將灰色系統(tǒng)理論中的GM（1，1）模型應(yīng)用于滑坡變形預(yù)測以來，該模型及其改進(jìn)的非等時距GM（1，1）模型被廣泛應(yīng)用于滑坡變形預(yù)測中［2］。

非等時距GM（1，1）模型反應(yīng)了一個變量對時間的一階動態(tài)微分函數(shù)，可以確定觀測值與變化的關(guān)系，對未來的觀測量變化進(jìn)行預(yù)測。其相應(yīng)的微分方程為

式中 x（1）——為經(jīng)過一次累加生成的數(shù)列；

t——為時間；

a——為發(fā)展系數(shù)；

b——為灰色作用量。

設(shè)原始數(shù)列X（0）＝（x（0）（1），x（0）（2），x（0）（3），…，x（0）（n）），對X（0）進(jìn)行一階累加可生成新的序列X（1）＝（x（1）（1），x（1）（2），x（1）（3），…，x（1）（n）），其中，建立灰色非等時距GM（1， 1）模型，得到如式（2）所示關(guān)于x（t）的灰色一階微分方程。對微分方程進(jìn)行離散化，可得到如下近似線性方程：

式中：i＝0，1，2，…，n；a、b為待定系數(shù)，可用最小二乘法求得。令

則

式中：YN為原始數(shù)列矩陣，用YN＝｛x（0）（2），x（0）（3），…，x（0）（n）｝T求得；參數(shù)β由最小二乘法原理可得到，其估值＾β＝（BTB）－1BTYN。

在考慮初始條件x（1）（1）＝x（0）（1）時，白化微分方程的解為：

通過累減還原，可求出原始序列：

非等時距GM（1，1）模型算法流程如圖7所示。

2．2 基于變形狀況的邊坡失穩(wěn)時間預(yù)測方法

2．2．1 黃金分割法

張倬元教授通過收集分析若干巖體失穩(wěn)實例的位移觀測曲線發(fā)現(xiàn)，巖體失穩(wěn)前整個變形可分為線性穩(wěn)定變形及非線性非穩(wěn)定破裂發(fā)展兩個階段，這兩個階段的歷時T1、T2符合“黃金分割”原理［3］，即有：

由巖體系統(tǒng)狀態(tài)的歷時曲線，獲知巖體的變形發(fā)展進(jìn)入了非線性的累進(jìn)性破壞階段后，即可得知其線性穩(wěn)態(tài)變形的歷時T1，由式（8）則可求得將要經(jīng)歷的非線性階段歷時T2，從而得出巖體失穩(wěn)破壞的時間。

圖7 灰色非等時距GM（1，1）模型算法流程

2．2．2 變形速率判據(jù)法

滑坡的發(fā)生，本質(zhì)上屬斜坡上的物質(zhì)以一定的速度沿某滑移面向下移動所致。因此，以斜坡體上物質(zhì)變形速率的大小來作為滑坡是否會發(fā)生、何時發(fā)生的預(yù)報判據(jù)更直觀、更可靠。目前，人們都直接或間接地使用滑坡變形速率作為判據(jù)來對滑坡作出臨滑預(yù)報。

李秀珍研究大量滑坡工程實例，通過對現(xiàn)有一些滑坡的統(tǒng)計結(jié)果表明，一般黏土斜坡的臨界變形速率為0．1 mm／d；巖質(zhì)邊坡一般為10 mm／d、14．4 mm／d或24 mm／d［4］。

3 基于監(jiān)測資料的金龍溝料場邊坡失穩(wěn)分析

3．1 巡視檢查情況分析

2010年9月29日巡視發(fā)現(xiàn)，在1 611．00 m高程馬道（樁號K0＋090．00 m附近）出現(xiàn)裂縫，其最大寬度約3 mm；在1 562．00 m高程新發(fā)現(xiàn)一緩傾坡外泥化夾層，長約30 m，厚約3～10 cm，其上層已相對下層滑動約30 mm。2010年10月21日巡視發(fā)現(xiàn)，樁號0＋00．00～0＋90．00 m段邊坡，坡體前緣出現(xiàn)一系列豎向裂縫；樁號0＋00．00 m開口線附近，分別于高程1 590．00 m、1 600．00 m、1 620．00 m處出現(xiàn)順坡向裂縫；樁號0＋90．00 m處裂縫變寬，最大寬度約30 mm，豎向裂縫于高程1 617．00 m、1 623．00 m兩處將錨礅與錨索梁連接處錯開；樁號0＋65．00～0＋85．00 m，高程1 062．00～1 088．00 m，順裂隙（N70°E SE∠50°）出現(xiàn)斷續(xù)擠壓裂縫，長約16 m，寬3～10 mm。

經(jīng)現(xiàn)場巡查及分析推測樁號0＋00．00～0＋90．00 m段邊坡，存在整體垮塌的可能。

結(jié)合巡視檢查情況分析和監(jiān)測資料分析可得A－A典型剖面在滑動范圍內(nèi)，的測值數(shù)據(jù)可作為關(guān)鍵依據(jù)預(yù)測失穩(wěn)時間。

邊坡實際失穩(wěn)的時間是2010年10月23日17：33。黃金分割法、變形速率判據(jù)法的預(yù)測結(jié)果都與之接近。對比上述模型可知：

（1）黃金分割法十分簡便，而且適用范圍廣，不論巖體的地質(zhì)條件、經(jīng)歷的變形時間長短，皆可利用此法預(yù)測失穩(wěn)時間；且不需要過多觀測數(shù)據(jù)。黃金分割法的難點在于準(zhǔn)確確定邊坡變形的線性階段T1，本案例位移—時間曲線為光滑型曲線，且拐點較明顯，很適合用該法。但如果位移－時間曲線為振蕩型、波動型，確定邊坡變形的線性階段T1將會有難度。

（2）雙曲線預(yù)測模型適用于中長期預(yù)測，對于邊坡線性變形階段到非線性變形階段的變形數(shù)據(jù)擬合精度高，預(yù)測效果好；非等時距GM（1，1）模型只適用于臨滑前短期預(yù)測，對于非線性階段的變形數(shù)據(jù)擬合精度較高，而對于線性變形階段到非線性變形階段的變形數(shù)據(jù)擬合精度較低。

圖8 A－A監(jiān)測剖面多點位移計和錨索測力計測值－時間過程線

表1 各預(yù)測方法預(yù)測時間匯總

（3）該工程案例再次驗證了位移變形速率判據(jù)對于滑坡預(yù)測的實用性，地質(zhì)條件類似的巖質(zhì)邊坡可取變形速率10 mm／d作為判據(jù)對滑坡作出臨滑預(yù)報。

4 結(jié) 論

本文以金龍溝料場邊坡為依托，以該料場邊坡垮塌案例分析為目標(biāo)，充分依據(jù)該邊坡監(jiān)測資料和現(xiàn)場檢查成果，開展邊坡失穩(wěn)預(yù)測預(yù)報方法研究。主要研究內(nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下：

（1）研究基于監(jiān)測資料的邊坡變形預(yù)測模型和邊坡失穩(wěn)時間預(yù)測方法。論述了邊坡變形雙曲線預(yù)測模型、非等間距GM（1，1）模型的建模原理和過程，分析闡述了利用邊坡變形實測數(shù)據(jù)序列和預(yù)測成果，實現(xiàn)邊坡失穩(wěn)時間預(yù)報的黃金分割法、變形速率判據(jù)法。

（2）針對金龍溝料場邊坡失穩(wěn)垮塌案例，在對該次事故前巡查資料和監(jiān)測資料詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，基于該邊坡變形實測數(shù)據(jù)和上述模型計算值，應(yīng)用文中所述邊坡失穩(wěn)時間預(yù)報方法，進(jìn)行了該邊坡失穩(wěn)時間的分析預(yù)報，得出了與實際情況較吻合的預(yù)報結(jié)果。證實了雙曲線預(yù)測模型、非等時距GM （1，1）模型、黃金分割法、變形速率判據(jù)法的可行性、有效性。

（3）分析闡述了各種預(yù)測方法的優(yōu)缺點及其適用條件，便于該類方法的推廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 汪國斌，李融融，董澤榮．邊坡穩(wěn)定預(yù)測方法在桐子林水電站邊坡垮塌的應(yīng)用［J］．云南水利發(fā)電，2012，23（3）：23－25．

［2］ 陳明東，王蘭生．邊坡變形破壞的灰色預(yù)報方法［C］／／全國第三次工程地質(zhì)大會論文選集（下）．成都：成都科技大學(xué)出版社，1988：1226－1240．

［3］ 張倬元，黃潤秋．巖體失穩(wěn)前系統(tǒng)的線性和非線性狀態(tài)及破壞時間預(yù)報的“黃金分割法”［C］／／全國第三次工程地質(zhì)大會論文選集（下）．成都：成都科技大學(xué)出社，1988：1233－1240．

［4］ 李秀珍，許強，黃潤秋，湯明高．滑坡預(yù)報判據(jù)研究［J］．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2003，18（4）：8－14．

作者簡介：冷超勤（1987－），男，湖北武漢人，助理工程師，從事項目工程管理工作。

收稿日期：2015-10-13

中圖分類號：TU457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1003－9805（2016）01－0084－05