地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (4): 556-564
引用本文
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LI Bin, ZHANG Qing, WANG Wenpei, ZHAO Qisu, WANG Chenhui, HE Kai, GAO Yang, ZHANG Xiaofei. Geohazard monitoring and risk management of high-steep slope in the Wudongde dam area[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(4): 556-564.
金沙江乌东德水电站坝区高陡边坡地质灾害监测预警研究
李滨1,2, 张青3, 王文沛4, 赵其苏5, 王晨辉3, 贺凯1,2, 高杨1,2, 张晓飞3    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;
3. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 河北 保定 071051;
4. 中国地质环境监测院, 北京 100081;
5. 四川省地质矿产勘查开发局909水文地质工程地质队, 四川 绵阳 621050
摘要:文章以金沙江下游乌东德水电站坝区右岸水垫塘高陡边坡为例,系统探索了高度超过500 m的高陡边坡地质灾害调查识别与监测预警技术。针对常规方法难以准确捕捉高陡边坡危岩体变形破坏特征这一问题,创新采用了"登山攀岩速降技术与地质调查、工程地质测绘相结合"的方法,在乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡共调查识别了178个危岩体。在此基础上,通过构建分布式光纤应变实时监测系统和具有明显裂缝的危岩体布设拉绳位移传感器,实现了高陡边坡危岩体形变的实时监测,监测结果与实际危岩体变形一致。此外,在高程580~1600 m的坡体上还布设了6个地震动监测台站,捕捉到了包括2016年12月8日乌东德地震和2017年3月12日的鲁甸地震在内的大量地震加速度数据,并以此分析了乌东德地震波作用下的岩体动力响应特征,结果显示该边坡处于基本稳定状态。上述研究思路和方法对西南水电站高陡边坡稳定性监测预警和风险评估具有借鉴意义。
关键词西南山区    高陡边坡    地质灾害    调查识别    监测预警    乌东德水电站    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.04.048     文章编号:1006-6616(2020)04-0556-09
Geohazard monitoring and risk management of high-steep slope in the Wudongde dam area
LI Bin1,2, ZHANG Qing3, WANG Wenpei4, ZHAO Qisu5, WANG Chenhui3, HE Kai1,2, GAO Yang1,2, ZHANG Xiaofei3    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Neotectonic Movement & Geohazard, Beijing 100081, China;
3. China Center for Hydrogeology and Environmental Geology, China Geological Survey, Baoding 071051, Hebei, China;
4. China Institute of Geological Environment Monitoring, Beijing 100081, China;
5. 909 Hydrogeology and Engineering Geological survey, Sichuan Bureau of Geology and Mineral Resources, Mianyang 621050, Sichuan, China
Abstract: Taking the high-steep slope of Shuidiantang of the Wudongde dam on the Jinsha River as an example, this paper explores systematically the early warning technology and risk management of the high-steep slope monitoring with a height of over 500 m. Rock mass collapse often occurs at slopes with the gradient greater than 70°, and it is difficult to identify. With the method of rock climbing technique, geological survey and geological mapping, the high precision identification and analysis of the dangerous rock mass is achieved. Totally, 178 dangerous rocks are identified. On the basis of this result, the distributed optical fiber strain monitoring and the pull-line displacement sensor of the fractured rock are distributed to monitor in real-time the deformation of the rock mass. The monitoring data are in agreement with the reality. Furthermore, six seismic monitoring stations were set up between the slope of the elevation of 580~1600 m. Many seismic acceleration data were caught, including that of the Wudongde earthquake on December 8, 2016 and the Ludian earthquake on March 12, 2017. On the basis of these data, the stability and dynamic response of the Wudongde earthquake on this high-steep slope are analyzed. The results show that this slope is in the basically stable state. The ideas and methods of high-steep slope warning and risk assessment of southwest hydropower stations are of reference significance.
Key words: Southwest China    high-steep slope    geohazards    geological survey and recognition    monitoring and early warning    Wudongde dam    
0 引言

西南山区河谷深切、水流湍急、河道狭窄、水能资源丰富,是目前中国水利水电开发的主要场所。然而,这些地区系属青藏高原东缘,地层结构复杂,构造活动强烈,地震烈度高,河谷两岸岩体陡峻,卸荷作用强烈,高地应力问题突出,导致地质灾害频繁发生(钱七虎,2010黄润秋,2005宋胜武等,2011)。由于大型水利水电工程建设需要,西南山区人工开挖形成了大量高陡边坡。这些人工边坡高度普遍超过300 m,坡度普遍超过60°。边坡上部还常保留有数百米至上千米的自然斜坡,蕴藏着较高的重力势能(黄润秋,2005李会中等,2011宋胜武等,2011)。这些边坡节理、裂隙及断层等大小结构面发育,时常发生岩体崩滑。如2014年7月12日,乌东德坝址施工区红崖湾沟高陡危岩发生岩石崩塌,造成了多名施工作业人员伤亡。

目前,针对这类复杂地质环境下的大型水利水电工程高陡边坡地质灾害的监测预警问题尚还缺乏研究,一些先进、系统、全面的监测技术设备通常也无法满足这种高海拔、无电无通讯的环境条件,因此该地区从地质灾害调查识别、监测预警到应急处置的综合防灾减灾技术体系仍然存在较大空白(史彦新等,2008殷跃平,2009Yin et al., 2010a, 2010b)。本文围绕金沙江乌东德水电站坝区高陡边坡稳定性的辨识与监测预警问题进行系统研究,全面叙述危岩体调查识别、分布式光纤监测、地震动监测及稳定性分析的技术方法,以此为高陡边坡地质灾害综合监测预警提供新的思路,也为西南地区水利水电工程建设地质安全保障提供技术支撑。

1 乌东德水电站坝区地质环境

乌东德水电站坝区位于金沙江下游,地处中国地势第一阶梯与第二阶梯的过渡位置。地貌属于中山峡谷,河谷高程700~1000 m,两岸山岭高程2000~3000 m,山顶高程一般不超过3000 m,金沙江为坝区最低侵蚀基准面(吴世泽等,2005胥勤勉等,2006)。坝后水垫塘位于金沙江右岸,地形陡峻,河谷狭窄,北侧上方为鸡冠山梁子不稳定边坡及观音岩缓坡,南侧临空面下方的宽缓平地为水电站施工驻地(图 1)。水垫塘河床地面高程800 m,坡顶高程约1630 m,自然边坡高差大约830 m,平均坡度71°,局部悬坡地形。

图 1 金沙江下游乌东德坝区右岸高陡边坡影像图 Fig. 1 Images of the high-steep slope on the right bank of the Wudongde dam area in the Jinsha River area

坝区地层主要由中元古界会理群落雪组六段(Pt2l6)中厚层灰岩,落雪组七段(Pt2l7)薄层灰岩,落雪组八段(Pt2l8)中厚层灰岩夹大理岩组成,地层走向80°~100°,倾向总体向南,倾角75°~85°。坝区裂隙横河向和铅直向线密度均为0.5条/m左右,裂隙长度一般在5 m以内,少数较长的大裂隙延伸可达30 m左右(沈辉等,2012)。裂隙按走向可分为两大组,一组走向近南北,另一组走向近东西。由于节理裂隙发育,水垫塘上部区域崩塌危岩体普遍存在,虽然坡面覆盖主动柔性防护网,坡脚设置了被动柔性防护网,但是区域内仍然多次发生小规模崩塌灾害,造成现场工作人员伤亡,威胁施工区域安全生产(Wang et al., 2013Xie et al., 2016)。

2 高陡边坡危岩体调查识别方法

针对高陡边坡危岩体的地质调查和灾害识别新型方法有很多,如无人机摄像、三维成像、遥感解译等(Mcdougall and Hungr, 2004Ghosh et al., 2012Rouyet et al., 2017康亚等,2018WANG et al., 2020)。这些方法近年发展很快,应用也很普遍,但由于精度相对较低,目前还难以准确捕捉危岩体的变形破坏特征。而通过派遣专业技术人员到达现场进行细致工程地质素描,虽便于对危岩体进行快速准确分析,但因危险程度较大、防护要求较高,一般也少有操作。因此,为同时满足精度需求和操作安全需要,文中设计采用“登山攀岩速降技术与地质调查、工程地质测绘相结合”的方法,对乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡危岩体进行调查识别。具体操作如下:

(1) 对调查区域进行路线划分,确定起始断面原点的GPS坐标、高程,规划每条垂直下降纵剖面位置和测点间距。地质测绘人员沿每条垂直下降纵剖面由上至下对可辐射的上下左右范围内的岩体工程地质特征进行精细测绘。对纵剖面线进行空间相连,从而满足三维工程地质测绘需求。

(2) 掌握登山攀岩专业技术的地质工作人员从危岩体上方用绳索下落到具体需要测量的点上,一绳的横向左右控制距离为3.5 m,完成一点后继续下顺进行调查,逐步调查识别一条线上的所有危岩体情况;再横向移动7 m,按照上述方法重复进行另一绳的工作。每绳的控制范围连成一整个调查区域,如图 2所示。

图 2 乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡危岩体调查识别方法 Fig. 2 Investigation and identification methods for dangerous rock mass of the Shuidiantang high-steep slope in the Wudong dam area

(3) 在到达调查点时,采用罗盘、卷尺以及微距摄像仪等工具进行危岩体裂缝、节理、层理的具体调查测量记录,携带棱镜对圈定的危岩块体进行全站仪测绘,具体视危岩块体的大小进行操作,对单个危岩体的范围进行圈定。

(4) 调查控制崩塌的岩体结构面特征,包括结构面的类型、成因、性质、产状、规模、充填物和充水情况,并素描危岩体形态,裂缝产状、可见深度、长度及填充物等特征。

(5) 在外业调查的基础上,对识别出的危岩块体的形态特征、结构特征和变形状况,逐个分析其控制条件和影响因素,初步分析和评判危岩块体的稳定性,提出防治建议。

通过采用“登山攀岩速降技术与地质调查、工程地质测绘相结合”的方法,乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡共确定了178个危岩体(图 3)。其中体积大于100 m3危岩体共17个,危岩体积在20~100 m3的有73个,危岩体积在5~20 m3之间的有62个,危岩体积小于5 m3的有26个;结合危岩体形态、发育模式、基底和底界层特征、空间分布特征分析,178个危岩体主要存在坠落式、倾倒式和滑移式三种破坏模式,其中,滑移式危岩体97个,倾倒式危岩体51个,坠落式坏危岩体30个。

图 3 乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡危岩体分布立面图(白色圈曲线为危岩体) Fig. 3 Distribution and three types of failure of dangerous rock mass of the Shuidiantang high-steep slope in the Wudong dam area. White loops indicate the dangerous rock masses
3 高陡边坡危岩体分布式光纤监测

根据水垫塘高陡边坡危岩体点多面广的特点,常规点式监测仪器布设难度大,且存在耐久性和稳定性差等问题。因此选择分布式、自动化、高精度、远程监测的光纤传感器监测,其具有防水、抗腐蚀、耐久性长等特点,可实现对监测对象的远程分布式监测(Lieberman et al., 1990Lawrence et al., 1999施斌等,2007Perez-Herrera and Lopez-Amo, 2013)。高陡边坡分布式光纤的监测优点在于利用光监测的敏感性,通过监测光纤应变的变化及变化位置可以早期发现结构面的位错点及裂缝点,并进一步对位错形变的应变大小、对应位置、变形速率、变化趋势等做出判断。

近年来,在边坡工程分布式光纤监测领域陆续出现了一批有益成果。丁勇等(2005)设计了一种布设于边坡表面的光纤传感网络,通过布里渊光时域反射(BOTDR)技术可获得有关边坡表面稳定状态的监测信息。隋海波等(2008)总结了BOTDR技术在边坡工程中的应用方法,并用实例证明了该技术在边坡变形监测以及变形区域空间定位等方面的有效性。易贤龙等(2016)将光纤植入白水河滑坡中,获取了滑坡前缘地表变形等信息。董文文等(2016)基于近年来边坡监测应用实例,对比了分布式光纤传感等新型监测技术的特点,认为未来应加强综合性监测方法的综合运用。

此次研究通过“蜘蛛人”首次将分布式光纤铺设于水电站高陡斜坡,并建立分布式光纤实时监测系统以分析危岩体变形情况。该项工作采用微波电光调制技术和光相干检测方法,研发了适用于水利水电工程高陡边坡分布式光纤应变监测的系统样机,其应变测量精度为100,空间分辨率为5 m,且通过模拟温度、应变试验,开发出特定的光纤监测数据处理算法机制,具备定时采集、自动传输等功能。为了施工和监测方便,研发了具有定点功能、分段标识的特种光纤。其机械性能较好,适用于高陡边坡特有的特殊条件和恶劣工况。

依据监测区域高陡边坡的实际情况,采取的分布式光纤监测系统布设示意图如图 4。主要由固定在监测区域岩壁的监测光缆、连接监测光缆至采集单元的引纤、1180平台的应变采集单元和位于监控中心的服务器四部分组成。监测光纤布设于水垫塘右岸高陡边坡高程1380 m位置,覆盖危岩块体31个。通过整个监测光纤上应变的变化情况不但可以发现已知危岩和已知裂缝的位错变化,还可以通过发生应变变化的位置发现光纤走线覆盖区域其他岩体的位错情况。由于光纤监测的物理量是微应变,灵敏度较高,因此光纤监测的一个重要作用就是通过布设于监测体上光纤应变的变化及发生应变的位置及早的发现发生位错及位错位置,并通过应变的持续变化等情况告知监测体位错的变化,起到提前预警的作用。

图 4 乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡危岩体物联网模式分布式光纤监测系统布设示意图 Fig. 4 Layout of the distributed optical fiber sensor system based on the Internet of Things for dangerous rock masses of the Shuidiantang high-steep slope in the Wudong dam area

在水垫塘高陡边坡布设的应变光缆通过金属夹具固定在岩体或主动防护网上,假如岩体发生位移变化,或直接通过固定在岩体上的夹具带动光纤产生应变,或带动防护网变化再通过固定于防护网上的金属夹具带动光纤产生应变。水垫塘高陡边坡光纤监测选择光纤为定点功能的特殊光纤,两节点间距离10 m,当光纤发生应变时,主要为两节点之间的平均应变,理想情况下每产生1 με。光纤拉伸的长度关系如下:ΔL=10 m×10-6=0.01 mm。

由光纤室内实验可知,从光纤处于拉直状态到拉伸产生15000 με期间,仪器测得的应变和实际应变误差较小;对应于节点10 m的定点光纤,即两节点之间的光纤在拉伸15 cm之间的测量误差是比较小的。从室内实验可以得出,这种型号的定点光纤在微应变达到6000 με以上时,光纤处于拉紧状态,换算到野外监测时,当某段光纤的应变变化量累计达到6000 με以下时,当引起一定重视;当某段光纤的应变变化量累计达到6000~12000 με时,即10 m节点之间已经拉伸6~12 cm,当引起警示;当某段光纤的应变量累计达到12000~15000 με,再接着到光纤被拉伸断裂,当引起严重警示。光纤监测结果如图 5所示,其准确度较高,与实际情况基本一致。

图 5 乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡危岩体分布式光纤应变监测曲线图 Fig. 5 Strains from the distributed optical fiber sensor system for dangerous rock masses of the Shuidiantang high-steep slope in the Wudong dam area
4 高陡边坡地震动监测与稳定性分析

乌东德水电站坝址区地质条件复杂,构造运动强烈,高陡斜坡的地震稳定性问题也是防灾减灾的关键问题。由于边坡自身形态的地形场地效应的影响,使得此类高陡边坡地震破坏尤为强烈(李楠等,2018肖文静等,2018龚文俊等,2020刘铮等,2020)。现以乌东德坝区水垫塘右岸鸡冠山梁子高陡边坡为例,将地震动响应监测与速报仪、加速度计引入到高陡边坡地震动监测台站中,进行地震加速度实时观测。

4.1 高陡边坡地震动监测台站布设

数据采集系统采用的是G01NET-3型结构与斜坡地震动响应监测与速报仪。此仪器可配有短信速报模块、数据远程上传模块、GPS模块、太阳能供电设备,并具有低功耗、高精度、体积小、抗潮湿、耐寒等特点。可与QZ2013型三分量力平衡加速度计配套使用,能监测结构与斜坡的地震动加速度响应;与QZ2012型低频振动传感器配套使用,可监测结构与斜坡的地震动速度、位移响应。

在鸡冠梁子边坡山脊处选择6个不同高程的较缓平台布设监测点,采用太阳能发电,并将实测数据通过无线网络实时传输到平台终端。监测点所处高程由低到高分别为850 m、980 m、1150 m、1380 m、1450 m以及1580 m。监测点布设剖面见图 6

1—会理群落雪组第八段中—厚层状灰岩;2—会理群落雪组第七段中—厚层状灰岩;3—震旦系观音崖组薄层白云岩夹薄层砂质泥岩、页岩;4—第四系崩坡积物;5—地层界线;6—地震动监测点 图 6 乌东德坝址区鸡冠山梁子高陡边坡工程地质剖面及地震台站布设剖面 Fig. 6 Geological section and layout of seismic stations of the Jiguanshanliangzi high-steep slope in the Wudong dam area
4.2 地震动监测台站监测数据分析

强震监测仪器正常运行以来,设备已捕捉到大量数据,包括2016年12月8日乌东德地震和2017年3月12日的鲁甸地震,以及施工和泄洪引起振动的监测数据。2016年12月8日乌东德坝址区附近发生地震,地震震源为乌东德水电站附近5公里内,震级约为3级。现场所布置监测台站4、5、6号监测台站成功触发,并记录到了此次地震事件。地震发生时在各监测点记录到的地震动响应烈度最大值是6.994度,出现在第4号监测点,同时4号点地震动响应烈度最大、地震动持续时间也最长。三个监测台站的东西向(EW)、南北向(NS)、竖向(UD)三向加速度记录波形见图 7

图 7 乌东德坝址区鸡冠山梁子监测点4、5、6号台站实测地震加速度记录 Fig. 7 Seismic accelerations from the NO. 4, 5, and 6 station in the Jiguanshanliangzi high-steep slope in the Wudong dam area
4.3 高陡边坡地震稳定性分析

采用震级较低的乌东德监测波和强震记录下的什邡地震波,对鸡冠山梁子边坡进行模拟对比分析,发现边坡在自然条件下处于稳定状态,安全系数达到1.89,而动力条件下顶部出现滑动,边坡水平、竖向加速度在顶部出现明显的放大,强震时水平向和竖直向地震放大是弱震时的5倍和7.5倍,场地效应明显且计算完成时残余位移未完全收敛,出现明显的拉—剪破坏失稳。此外,整体上坡面峰值加速度均大于坡体内部,放大效应分布规律相近,放大的程度与地震波能量幅值成正相关。

由输入两种波形计算得到的塑性区分布图(图 8)可知,输入乌东德波形时,剪切塑性区主要出现在鸡冠山梁子顶部(1350 m)和高程650 m、450 m的坡面附近,其中坡面两处的剪切区域较小,坡顶区域较大,但未完全贯通,处于相对稳定状态。而输入什邡波形时,剪切塑性区范围显著扩大,并且基本由边坡顶部至坡脚贯通,特别是边坡顶部位置出现明显的拉—剪破坏区,并且基本已经失稳。

图 8 乌东德坝址区鸡冠山梁子不同地震情况下边坡塑性变形 Fig. 8 Plastic deformation of the Jiguanshanliangzi high-steep slope in the Wudong dam area under different seismic conditions
5 结论

本文围绕金沙江乌东德大型水利水电工程建设场地的地质灾害监测预警关键问题,开展了乌东德水电站右岸水垫塘高陡边坡的危岩体调查识别、分布式光纤监测、地震动监测等方面工作,得到主要成果如下。

(1) 采用了一种“登山攀岩速降技术与地质调查、工程地质测绘相结合”的方法,对乌东德水电站坝区水垫塘高陡边坡危岩体进行调查识别,实现了对高陡边坡危岩体快速精细调查与监测安装施工。

(2) 针对水垫塘右岸高陡边坡危岩体工程地质特征,探索性地将分布式光缆通过夹具固定的方式布设在岩体上,搭建了分布式光纤应变实时监测系统,实现了对复杂地形高陡边坡危岩体的实时监测。针对水垫塘右岸高陡边坡具有明显裂缝的危岩块体,将拉绳位移传感器引入到裂缝位移监测中,实现了特种光纤与拉绳式位移传感器多元监测。

(3) 针对水垫塘右岸鸡冠山梁子高陡边坡,将地震动响应监测与速报仪、加速度计引入到鸡冠山高陡边坡地震动监测台站中,进行地震加速度实时观测。

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