胡保禎，趙振剛，張長勝，李英娜，李　川

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明650500）

某山地變電站二級邊坡穩(wěn)定性分析研究*

胡保禎，趙振剛，張長勝，李英娜，李川*

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明650500）

瑞典條分法是對山地變電站邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的一種有效手段，結(jié)合光纖傳感技術(shù)實際監(jiān)測可以進(jìn)一步驗證邊坡的穩(wěn)定性。利用瑞典條分法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗算，分析其安全系數(shù)。并布設(shè)表面式裂縫傳感器監(jiān)測邊坡表面應(yīng)變量，監(jiān)測結(jié)果顯示上表面IS3傳感器的應(yīng)變變化為近540 με，下表面IS4傳感器的應(yīng)變變化為近120 με，IS5傳感器的應(yīng)變變化為近120 με。布設(shè)表面分布式緊套光纖，采用OTDR法監(jiān)測邊坡表面形變，監(jiān)測結(jié)果顯示光纖鏈路的衰減系數(shù)為12.567 dB/km，衰減曲線有良好線性，無明顯臺階，判定邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡穩(wěn)定性；瑞典條分法；穩(wěn)定系數(shù)；表面式裂縫傳感器；表面分布式緊套光纖

EEACC：6150P；7230E doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.016

云南省楚雄市某220 kV山地變電站位于祿豐縣勤豐鎮(zhèn)西側(cè)山區(qū)的半山腰上，海拔高度1 923 m，占地面積22 876 m2，于2009年12月25日建成投產(chǎn)，是楚雄祿豐地區(qū)的重要變電站之一。山地變電站邊坡失穩(wěn)會給云南電力系統(tǒng)帶來巨大影響，因此有必要對變電站邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與監(jiān)測［1-3］。2005年Kwon I B等人通過表面式裂縫傳感器對邊坡土壤的滑動進(jìn)行了一定的研究，從而得出裂縫變化長度和時間之間的對應(yīng)關(guān)系。2007年中國地質(zhì)大學(xué)張磊等人利用瑞典條分法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，搜索出邊坡最危險滑面，驗證了這種方法的有效性［4］。2011年浙江大學(xué)劉永莉等人利用光纖傳感器監(jiān)測邊坡表面變形，實際變形量最大值為700 με左右，并由此判定邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)，無明顯位移［5］。

本文通過瑞典條分法作為一種強(qiáng)有力的數(shù)值計算方法，計算出邊坡的安全系數(shù)，為邊坡的穩(wěn)定性做出了判斷［6-8］。并在邊坡表面布設(shè)表面式裂縫傳感器、表面分布式緊套光纖，監(jiān)測邊坡表面位移變化，進(jìn)一步驗證邊坡的安全性［9-11］。

1　邊坡結(jié)構(gòu)及瑞典條分法仿真分析

如圖1所示，山地變電站邊坡為一個二級邊坡，材質(zhì)為回填土，上級邊坡長7 m，下級邊坡長7 m，平臺長度2 m，坡角均為30°。

圖1　實際邊坡地形圖

變電站區(qū)北側(cè)則為填方邊坡，填方通過粘土和粗礫夯實。從站區(qū)平面到下方的垂直填方高度約為20 m，邊坡分為上下游兩級，中間設(shè)有臺階，邊坡通過水泥砂漿砌片支護(hù)。中間北側(cè)填方邊坡承受了站區(qū)大部分設(shè)備，并且由于雨水及變電站內(nèi)工作運行等活動的影響導(dǎo)致邊坡強(qiáng)度的降低，因此可以利用瑞典條分法或稱Fellenius條分法來分析其穩(wěn)定性［12］。

采用瑞典條分法假定滑面為圓弧，忽略土條兩側(cè)的作用力，即假定第i個土條上的作用力只有Wi、Ni與Ti。根據(jù)力的平衡條件，應(yīng)有：

式中，Ni為滑面上的法向反力；Wi為土條的重量；αi為土條底面中點的法線與豎直線的夾角；Ti為滑面上的切向反力

則穩(wěn)定安全系數(shù)為：

式中，F(xiàn)s為安全系數(shù)；Ms為整個滑體對O點的滑動力矩；MR為整個滑體對O點的抗滑力矩；ci為土條底的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；li為土條底部長度；φi為土層的內(nèi)摩擦角。式（2）即為由瑞典條分法得到的安全系數(shù)顯式表達(dá)式。

將數(shù)據(jù)各參數(shù)代入式（2），通過循環(huán)計算，求得最小的安全系數(shù)Fs。結(jié)果如表1、表2所示。

表1　最小安全系數(shù)

示意圖如圖2所示。

圖2　邊坡滑面1示意圖

表2　最小安全系數(shù)

示意圖如圖3所示。

圖3　邊坡滑面2示意圖

表3　建筑邊坡安全系數(shù)規(guī)定值

計算結(jié)論如下：邊坡滑面1穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=1.378＞1.25滿足要求。邊坡滑面2穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs=1.322＞1.25滿足要求。

雖然邊坡滑面穩(wěn)定性安全系數(shù)滿足安全系數(shù)規(guī)定值，但事實上不可能將影響邊坡穩(wěn)定的因素考慮無遺。邊坡臨界穩(wěn)定時的Fs標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)資料齊全程度、工程規(guī)模和重要性、外力是否考慮齊全、對各種因素的消除和控制程度、計算參數(shù)的選擇以及規(guī)范慎重確定。如果邊坡地質(zhì)條件比較復(fù)雜，進(jìn)行計算時Fs的取值更大［13］。因此有必要針對山地變電站的安全性進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測分析。

2　傳感器現(xiàn)場實際監(jiān)測

2.1傳感器現(xiàn)場實際布設(shè)

邊坡的上底長45.8 m，下底長57.5 m。為了全面監(jiān)測邊坡的形變，分布式傳感網(wǎng)的布設(shè)采用菱形布設(shè)，分為上邊坡和下邊坡，上邊坡的傳感網(wǎng)布設(shè)長度為481 m，下邊坡傳感網(wǎng)布設(shè)長度為512 m，其傳感網(wǎng)的總長度為993 m，其中為了區(qū)別上下邊坡，其上下邊坡通過光纖跳線連接。由于邊坡表面的不平整，使得在布設(shè)光纖時容易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。所以在定好的線路上先用水泥進(jìn)行平整，然后將緊套光纖布設(shè)在用水泥平整過的線路上。光纖采用傳感網(wǎng)布設(shè)圖，如圖4、圖5所示。

圖4　光纖采用傳感網(wǎng)布設(shè)圖

圖5　分布式光纖傳感器安裝圖

分布式光纖傳感器的布設(shè)需要在邊坡表面通過開槽（寬度2 mm，深度6～10 mm）的方式埋入400 m左右的分布式光纖傳感器。在布設(shè)完以后，在其表面進(jìn)行第二道水泥的加固平整。在加固過程中，嚴(yán)格按照光纖的布設(shè)路線進(jìn)行，把布設(shè)好的光纖進(jìn)行保護(hù)。埋入的傳感器軸線如圖6所示。

圖6　擋土墻分布式傳感器布設(shè)圖

對于邊坡表面石塊堆砌支護(hù)出現(xiàn)的一些裂縫，在上下游邊坡的表面分別布設(shè)了5支裂縫傳感器。在布設(shè)邊坡表面式裂縫傳感器之前，要根據(jù)每兩個應(yīng)變傳感器之間的距離在邊坡上確定好具體的安裝位置，在測量好的基礎(chǔ)上再進(jìn)行鉆孔。對表面式裂縫傳感器進(jìn)行安裝時，為了更好地固定傳感器，使用了環(huán)氧樹脂膠對其進(jìn)行了固定。將調(diào)好的環(huán)氧樹脂膠注入到鉆好的洞中，然后再將表面式裂縫傳感器的兩個固定支架分別放入洞中，如圖7、圖8所示。

圖7　光纖表面式裂縫傳感器布設(shè)示意圖

圖8　光纖表面式裂縫傳感器安裝圖

2.2傳感器監(jiān)測結(jié)果分析

針對腰站變電站的北側(cè)邊坡表面分別布設(shè)了表面分布式緊套光纖、表面式裂縫傳感器；建成了光纖智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，本次監(jiān)測時間是從2014年6月6日到2015年6月16日。

2.2.1表面分布式緊套光纖

圖9中的曲線表明，由于上、下邊坡的連接是通過光纖跳線的連接，因此在上、下邊坡處產(chǎn)生菲涅爾反射峰，從而依照菲涅爾反射峰之前為上邊坡傳感網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域，反射峰之后為下邊坡傳感網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域，其中上邊坡的傳感網(wǎng)布設(shè)長度為481 m，下邊坡傳感網(wǎng)布設(shè)長度為512 m，其傳感網(wǎng)的總長度為993 m。OTDR的量程選擇為 5 km，脈沖寬度為160 ns，光纖鏈路的衰減系數(shù)為12.567 dB/km，衰減曲線有良好線性，無明顯臺階。

2.2.2表面式裂縫傳感器

上表面裂縫傳感器應(yīng)變變化圖（圖10（a）），IS3傳感器的應(yīng)變變化量較大，IS3傳感器的應(yīng)變變化為近540 με，其他傳感器位移變化較平緩。

下表面裂縫傳感器應(yīng)變變化圖（圖10（b）），IS4，IS5傳感器的應(yīng)變變化量較大，IS4傳感器的應(yīng)變變化量為近120 με，IS5傳感器的應(yīng)變變化量為近120 με，其他傳感器位移變化較平緩，即邊坡無明顯的變形。

表4　表面式裂縫傳感器應(yīng)變變化情況及建議統(tǒng)計表

圖9　表面分布式監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖10　裂縫位移傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)

3　結(jié)論

本文通過瑞典條分法對山地變電站二級邊坡進(jìn)行了仿真分析，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，分析其安全系數(shù)最低處為1.322，較為臨近其安全系數(shù)最低限值，因此有必要對邊坡進(jìn)行現(xiàn)場實際監(jiān)測分析。在邊坡表面布設(shè)表面式裂縫傳感器、表面分布式緊套光纖，實際監(jiān)測結(jié)果顯示上表面IS3傳感器的應(yīng)變變化為近540 με，下表面IS4傳感器的應(yīng)變變化為近120 με，IS5傳感器的應(yīng)變變化為近120 με，其變形量在正常范圍內(nèi)。光纖鏈路的衰減系數(shù)為12.567 dB/km，衰減曲線有良好線性，無明顯臺階，綜合瑞典條分法仿真分析結(jié)果，認(rèn)為山地變電站邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

［1］沈良峰，廖繼原，張月龍.邊坡穩(wěn)定性分析評價方法綜述［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2005，25（1）：24-27.

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李川（1971-），男，教授，博士生導(dǎo)師，2002年畢業(yè)于天津大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。主要研究方向為傳感器的研制與檢測應(yīng)用，1625677252@ qq.com；

胡保禎（1992-），男，碩士研究生，導(dǎo)師為李川教授，主要從事光纖傳感技術(shù)和信息檢測與處理方向的研究，641696396@ qq.com。

The Research on Secondary Slope Stability of Mountain Substation*

HU Baozhen，ZHAO Zhengang，ZHANG Changsheng，LI Yingna，LI Chuan*
（Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

Fellenius method is an effective means of mountain substation slope stability analysis，combining with the actual monitoring optical fiber sensing technology to further verify the stability of the slope.Use Fellenius method to check the slope stability，analyzing the factor of safety.Layout surface cracks type sensors monitor the slope surface should be variable，the actual monitoring results show that the strain change on the surface of the sensor IS3 is nearly 540 με，the strain change under the surface of sensor IS4 is nearly 120 με，the strain change of sensor IS5 is nearly 120 με.Distributed surface laid fiber sleeve，and the use of surface deformation monitoring slope OTDR method，the actual monitoring results show that the attenuation coefficient of optical fiber link is 12.567 dB/km，the attenuation curve has good linearity，no significant steps determines the slope in a stable state.

slope stability；fellenius method；stability factor；surface crack type sensor；surface distributed sleeve fiber

TP212.9

A

1004-1699（2016）10-1560-05

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（51567013）；昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金項目（KKSY201303004）；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目（2013FZ021）；中國博士后科學(xué)基金面上項目（一等）（2014M552552XB）

2016-04-15修改日期：2016-06-06