基于變形監測的金龍溝料場邊坡失穩時間預測

冷超勤，張 揚（雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 610000）

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基于變形監測的金龍溝料場邊坡失穩時間預測

冷超勤，張 揚
（雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 610000）

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

關鍵詞：金龍溝料場邊坡；安全監測；現場檢查；失穩預測預報

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。邊坡的穩定問題不僅關系到工程本身的安全，同時也涉及到整體環境的安全。邊坡的失穩破壞不僅會直接影響工程建設本身，而且也會通過環境災難對人民生命財產安全帶來影響和災害。深入分析和掌握邊坡變形規律，科學預測預報邊坡失穩破壞，對防災減災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日發生垮塌，由于高度重視監測資料的及時分析，借此建立了預測模型，并結合現場巡查情況，臨滑前成功預測了邊坡失穩時間，并及時預警，提前撤離施工人員、設備，才避免了人員傷亡和重大經濟損失。該案例充分說明了邊坡安全監測及其科學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測資料，開展邊坡失穩預測預報模型、方法研究，不僅具有重要的科學意義，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，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，距二灘大壩直線距離約700 m，距桐子林電站19 km。料場右側緊鄰金龍山滑坡。分布高程1 330～1 600 m，料場區總面積約0．1 km2，地質儲量約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。由于預警及時，施工人員疏散得力，垮塌未造成任何人員傷亡及設備材料損失。垮塌前后照片如圖2、3所示。

圖2 金龍溝料場邊坡垮塌前現場

圖3 金龍溝料場邊坡垮塌后現場

1．2 金龍溝料場邊坡安全監測概況

根據桐子林金龍溝料場邊坡的地質情況及結構支護措施，采用外部變形觀測墩、多點位移計、測斜孔、錨桿應力計、錨索應力計等儀器設備，對邊坡表面及深部變形和錨桿、錨索支護應力情況進行監測。保障開挖過程安全為主要設計目的，采用儀器監測和人工巡視檢查相結合的觀測方法。綜合考慮料場邊坡的破壞機理、穩定條件、整體穩定性和局部穩定性，在金龍溝料場邊坡1 611 m以上高程共設AA、B－B和C－C三個監測剖面，在1 611 m以下高程共布設LCBP1、LCBP2、LCBP3、LCBP4和LCBP5五個監測剖面。

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個監測斷面的多點位移計、錨索測力計的埋設。監測布置見圖4～6。

圖4 1 611 m高程以上邊坡監測剖面布置示意

2 基于變形監測數據的邊坡失穩預測預報方法

邊坡變形是邊坡穩定狀況最直觀的反映，合理分析、預測邊坡變形規律及其與邊坡穩定關系，對邊坡失穩的可靠預報具有重要意義。由于工程及地質條件的復雜性，在分析邊坡變形監測資料并預測其變化規律時，常常會出現擬合不佳的現象，進而會影響到對邊坡性狀及規律的分析和預測。因此針對邊坡特點探討合適的分析預測模型及邊坡失穩時間的預報方法具有重要的意義。

圖5 A－A剖面監測儀器布設示意

圖6 B－B剖面監測儀器布設示意

2．1 邊坡變形預測模型

2．1．1 雙曲線預測模型

雙曲線法認為邊坡變形量與時間近似呈雙曲線函數關系［1］。這是一種純經驗的曲線配合方法，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t0時刻的位移值；

a、b——為曲線方程待擬合的參數。

2．1．2 灰色預測模型

邊坡的變形破壞是受內外多因素綜合作用的結果，由于邊坡變形破壞機理的復雜性和人們認識的局限性，仍存在許多因素、參數及其相關性不十分清楚，可以認為邊坡變形系統是個灰色系統。自1988年陳明東等首次將灰色系統理論中的GM（1，1）模型應用于滑坡變形預測以來，該模型及其改進的非等時距GM（1，1）模型被廣泛應用于滑坡變形預測中［2］。

非等時距GM（1，1）模型反應了一個變量對時間的一階動態微分函數，可以確定觀測值與變化的關系，對未來的觀測量變化進行預測。其相應的微分方程為

式中 x（1）——為經過一次累加生成的數列；

t——為時間；

a——為發展系數；

b——為灰色作用量。

設原始數列X（0）＝（x（0）（1），x（0）（2），x（0）（3），…，x（0）（n）），對X（0）進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）所示關于x（t）的灰色一階微分方程。對微分方程進行離散化，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，可用最小二乘法求得。令

則

式中：YN為原始數列矩陣，用YN＝｛x（0）（2），x（0）（3），…，x（0）（n）｝T求得；參數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時間預測方法

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實例的位移觀測曲線發現，巖體失穩前整個變形可分為線性穩定變形及非線性非穩定破裂發展兩個階段，這兩個階段的歷時T1、T2符合“黃金分割”原理［3］，即有：

由巖體系統狀態的歷時曲線，獲知巖體的變形發展進入了非線性的累進性破壞階段后，即可得知其線性穩態變形的歷時T1，由式（8）則可求得將要經歷的非線性階段歷時T2，從而得出巖體失穩破壞的時間。

圖7 灰色非等時距GM（1，1）模型算法流程

2．2．2 變形速率判據法

滑坡的發生，本質上屬斜坡上的物質以一定的速度沿某滑移面向下移動所致。因此，以斜坡體上物質變形速率的大小來作為滑坡是否會發生、何時發生的預報判據更直觀、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來對滑坡作出臨滑預報。

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

3 基于監測資料的金龍溝料場邊坡失穩分析

3．1 巡視檢查情況分析

2010年9月29日巡視發現，在1 611．00 m高程馬道（樁號K0＋090．00 m附近）出現裂縫，其最大寬度約3 mm；在1 562．00 m高程新發現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日巡視發現，樁號0＋00．00～0＋90．00 m段邊坡，坡體前緣出現一系列豎向裂縫；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°）出現斷續擠壓裂縫，長約16 m，寬3～10 mm。

經現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。

結合巡視檢查情況分析和監測資料分析可得A－A典型剖面在滑動范圍內，的測值數據可作為關鍵依據預測失穩時間。

邊坡實際失穩的時間是2010年10月23日17：33。黃金分割法、變形速率判據法的預測結果都與之接近。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，不論巖體的地質條件、經歷的變形時間長短，皆可利用此法預測失穩時間；且不需要過多觀測數據。黃金分割法的難點在于準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）雙曲線預測模型適用于中長期預測，對于邊坡線性變形階段到非線性變形階段的變形數據擬合精度高，預測效果好；非等時距GM（1，1）模型只適用于臨滑前短期預測，對于非線性階段的變形數據擬合精度較高，而對于線性變形階段到非線性變形階段的變形數據擬合精度較低。

圖8 A－A監測剖面多點位移計和錨索測力計測值－時間過程線

表1 各預測方法預測時間匯總

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

4 結 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，充分依據該邊坡監測資料和現場檢查成果，開展邊坡失穩預測預報方法研究。主要研究內容及相關結論如下：

（1）研究基于監測資料的邊坡變形預測模型和邊坡失穩時間預測方法。論述了邊坡變形雙曲線預測模型、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據序列和預測成果，實現邊坡失穩時間預報的黃金分割法、變形速率判據法。

（2）針對金龍溝料場邊坡失穩垮塌案例，在對該次事故前巡查資料和監測資料詳細分析的基礎上，基于該邊坡變形實測數據和上述模型計算值，應用文中所述邊坡失穩時間預報方法，進行了該邊坡失穩時間的分析預報，得出了與實際情況較吻合的預報結果。證實了雙曲線預測模型、非等時距GM （1，1）模型、黃金分割法、變形速率判據法的可行性、有效性。

（3）分析闡述了各種預測方法的優缺點及其適用條件，便于該類方法的推廣。

參考文獻：

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

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

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

［4］ 李秀珍，許強，黃潤秋，湯明高．滑坡預報判據研究［J］．中國地質災害與防治學報，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

文獻標志碼：B

文章編號：1003－9805（2016）01－0084－05