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        震損高陡邊坡工程安全預(yù)警與防控

        2021-04-06 05:30:50萬(wàn)
        四川水力發(fā)電 2021年1期
        關(guān)鍵詞:施工

        李 萬(wàn) 洲

        (中國(guó)水利水電工程第七工程局有限公司 第一分局,四川 彭山 620860)

        1 概 述

        2014 年8月3日16時(shí)30分,云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級(jí)地震,在魯?shù)榭h火德紅鄉(xiāng)李家山村和巧家縣包谷垴鄉(xiāng)紅石巖村交界的牛欄江干流上造成右岸山體崩塌、滑坡,形成堰塞湖,堰塞體高度為103 m,方量為1 200萬(wàn)m3,總庫(kù)容2.6×108m3。后經(jīng)應(yīng)急處置后堰塞湖水位下降,險(xiǎn)情得以解除。為徹底消除地震造成的堰塞湖可能引發(fā)的洪水等次生災(zāi)害,需對(duì)紅石巖堰塞湖進(jìn)行整治改建。

        地震崩塌后,滑坡殘留體呈圈椅狀,上部為陡峭的滑坡后壁,下部為震損原狀邊坡,場(chǎng)地較為狹窄。根據(jù)地形地質(zhì)特性,整治改建的紅石巖水電站將溢洪洞、泄洪沖沙放空洞及引水系統(tǒng)的進(jìn)水口均布置在震損邊坡內(nèi),即“三洞合一”進(jìn)水口邊坡(圖1)。在破碎震損邊坡上進(jìn)行邊坡開挖支護(hù)施工、修建工程于國(guó)內(nèi)外尚屬首次。在堰塞體的右岸形成“三洞合一”的布置,即溢洪洞、泄洪沖沙放空洞及引水系統(tǒng)的進(jìn)水口布置在右岸山體之中。邊坡呈現(xiàn)出下部陡,上部緩的地形,高程1 330 m以下地形坡度約為75°,高程1 330 m以上的坡度約為40°。邊坡基巖裸露,由奧陶系上巧家組(O2q)弱風(fēng)化中層狀至薄層狀砂巖、石英砂巖、頁(yè)巖組成。邊坡穩(wěn)定性受三組結(jié)構(gòu)面控制,即:緩傾下游偏山里的層面,順河向陡傾結(jié)構(gòu)面及橫河向陡傾結(jié)構(gòu)面。邊坡開口線高程約為1 365 m,至高程1 210 m時(shí)高度為155 m,開挖區(qū)共設(shè)7級(jí)馬道,馬道寬度為3 m,馬道高差為20 m。高程1 350 m馬道以上的開挖坡比為1∶0.5,以下的開挖坡比為1∶0.15。邊坡開挖分層面積為821~7 651 m2,支護(hù)面積為3 320~5 500 m2,開挖區(qū)順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)166~275 m,開挖區(qū)外邊緣距開挖邊坡最厚處約33 m。

        圖1 “三洞合一”邊坡示意圖

        2 工程難點(diǎn)分析

        紅石巖堰塞湖整治工程是世界上首個(gè)堰塞湖改建為水電站的工程,首次在震損邊坡上修建工程無(wú)先例可循,施工難度大。

        (1)巖體質(zhì)量劣化明顯,各區(qū)域差異性大。受地震快速循環(huán)載荷作用震損邊坡巖體破碎,強(qiáng)度劣化明顯且各個(gè)區(qū)域差異性很大,前期常規(guī)地質(zhì)調(diào)查難以全面揭露真實(shí)的地質(zhì)狀況。

        (2)危巖體破壞問(wèn)題十分突出,安全風(fēng)險(xiǎn)高。尤其是陡立的滑坡后壁出現(xiàn)了嚴(yán)重的卸荷破壞,巖塊間的切割裂隙縱橫交錯(cuò),孕育著大量的危巖體,穩(wěn)定性極差,頻繁發(fā)生落石,且前期無(wú)地質(zhì)勘察資料、地質(zhì)人員難以直接到陡坡上進(jìn)行調(diào)查或查勘;此外,開挖邊坡巖體質(zhì)量亦差。在開挖擾動(dòng)和余震作用下,小型崩塌、掉塊時(shí)有發(fā)生,給施工人員和機(jī)械造成了很大的安全威脅。

        (3)巖體破碎,開挖難度大。震損邊坡開挖無(wú)先例可循,巖體劣化、破碎,爆破成孔難度大,爆破過(guò)程中易出現(xiàn)漏氣。

        (4)邊坡差異變形明顯,穩(wěn)定性差。由于地震的動(dòng)力作用,巖體強(qiáng)度劣化明顯,邊坡整體變形較大且各個(gè)區(qū)域差異性很大,常規(guī)單點(diǎn)式監(jiān)測(cè)手段很難全面反映邊坡的變形演化情況。

        3 預(yù)警與防控措施

        紅石巖水電站震損邊坡高陡、巖體破碎,在工程施工過(guò)程中,危巖體和小規(guī)模塌方時(shí)有發(fā)生,給工程施工人員和機(jī)械帶來(lái)極大的安全隱患。由于落石數(shù)量眾多,且大部分分布在施工區(qū)上部陡峭的滑坡殘留邊坡上,難以通過(guò)工程技術(shù)直接消除。而在施工開挖過(guò)程中,因開挖擾動(dòng)和余震不斷,也經(jīng)常發(fā)生崩塌破壞現(xiàn)象,且因潛在失穩(wěn)區(qū)域太多,有限的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)手段難以奏效。

        基于上述難題,震損邊坡施工前,項(xiàng)目部采用三維激光掃描、地基合成孔徑雷達(dá)等非接觸測(cè)量技術(shù)對(duì)整個(gè)邊坡面所有區(qū)域進(jìn)行了全覆蓋式排查、監(jiān)測(cè)與防治,研發(fā)了危巖體定量檢測(cè)排查技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)邊坡危巖體的全域排查與風(fēng)險(xiǎn)分析,并提出了三維落石風(fēng)險(xiǎn)分析方法和危巖體優(yōu)化防治措施[1]。針對(duì)施工區(qū)開挖時(shí)頻繁發(fā)生的馬道塌方造成的威脅,研發(fā)出了邊坡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù),實(shí)時(shí)預(yù)警,使施工人員和機(jī)械能夠提前撤離,確保了施工安全。

        3.1 地震對(duì)危巖體發(fā)育的影響

        地震或爆破震動(dòng)是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要誘因之一。地震或爆破震動(dòng)對(duì)于危巖體發(fā)育的影響主要有兩個(gè)方面:一是地震或爆破震動(dòng)給危巖體一個(gè)慣性力,促進(jìn)了結(jié)構(gòu)面的張裂,降低了巖土體的完整性和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度;二是震動(dòng)使得巖體反復(fù)壓縮和松弛,當(dāng)孔隙中有水時(shí)便會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力,進(jìn)一步促進(jìn)結(jié)構(gòu)面的張裂,而一次地震中巖體要經(jīng)過(guò)多次的壓縮和松弛,巖體質(zhì)量的損傷將發(fā)生累積效應(yīng)[2]。當(dāng)斜坡相對(duì)震源的高差越大,地形放大效應(yīng)越強(qiáng),巖體損傷程度更大。地震誘發(fā)崩滑的災(zāi)害十分常見(jiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)二十多個(gè)省都有地震誘發(fā)崩滑災(zāi)害的案例,尤其是地震構(gòu)造發(fā)育的西部地區(qū),地震發(fā)生頻率大,每年都會(huì)導(dǎo)致大量的崩滑地質(zhì)災(zāi)害。地震誘發(fā)崩滑災(zāi)害直接對(duì)人類的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成破壞,而且其帶來(lái)的次生災(zāi)害(如堰塞湖等)所產(chǎn)生的危害有時(shí)甚至超過(guò)地震本身。

        3.2 地層巖性對(duì)危巖體發(fā)育的影響

        地層巖性及其組合是危巖體形成的物質(zhì)條件。軟弱巖體由于風(fēng)化、剝蝕往往形成緩坡,不利于危巖體發(fā)育。而堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬的硬脆性巖體抗風(fēng)化能力強(qiáng),往往形成陡峻的斜坡。在地殼抬升、河流下蝕的過(guò)程中,陡坡上部的巖體卸荷作用強(qiáng)烈、卸荷裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育,再加上水對(duì)結(jié)構(gòu)面質(zhì)量的劣化和地震力的促發(fā),巖體很容易發(fā)生突發(fā)性的崩塌。軟巖過(guò)于軟弱,難以承受上部巖體的重量會(huì)向坡外發(fā)生塑性流動(dòng),在硬巖的底部產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)硬巖的抗拉強(qiáng)度時(shí),便會(huì)產(chǎn)生拉裂縫。隨著軟巖進(jìn)一步向坡外塑流,拉裂縫逐漸向上擴(kuò)展,形成下寬上窄的拉裂縫。當(dāng)拉裂縫貫通時(shí),便會(huì)導(dǎo)致巖體崩塌。

        3.3 危巖體全域的監(jiān)測(cè)識(shí)別

        項(xiàng)目部采用三維激光掃描精細(xì)化建模技術(shù)對(duì)危巖體區(qū)域進(jìn)行全域精細(xì)化掃描建模,之后,為了詳細(xì)觀察巖體的巖質(zhì)與巖性、結(jié)構(gòu)面等特性,需對(duì)掃描巖體進(jìn)行精細(xì)化渲染。點(diǎn)云渲染也稱點(diǎn)云融合技術(shù),數(shù)據(jù)融合是因?yàn)榧す鈷呙柘到y(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)包含各個(gè)獨(dú)立傳感器數(shù)據(jù),需將各種數(shù)據(jù)聯(lián)合解算以得到配準(zhǔn)好的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

        (1)將激光掃描儀獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和CCD相機(jī)的影像數(shù)據(jù)融合得到彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù),每一個(gè)激光點(diǎn)均包含RGB顏色。實(shí)際上是將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每一個(gè)點(diǎn)和影像數(shù)據(jù)中的某一個(gè)像素相對(duì)應(yīng),因?yàn)榧す鈷呙鑳x和CCD相機(jī)的相對(duì)位置是固定的且掃描是同時(shí)進(jìn)行的,故可以將激光掃描儀的每一條掃描行和影像的某一列像素相對(duì)應(yīng)。

        (2)將得到的數(shù)據(jù)再和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)聯(lián)合解算得到配準(zhǔn)后WGS84坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。實(shí)際上是通過(guò)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間進(jìn)行修正,得到WGS84下的大地坐標(biāo)。融合后數(shù)據(jù)中的每一個(gè)點(diǎn)包含以下信息:WGS84的三維坐標(biāo)、GPS時(shí)間、RGB顏色、對(duì)應(yīng)CCD相機(jī)像素的行列號(hào)、POS中心三維坐標(biāo)、中心坐標(biāo)系下的極坐標(biāo)和所處的掃描行。

        斷層、節(jié)理和裂隙等不連續(xù)體在巖石邊坡的形態(tài)和破壞中起著關(guān)鍵作用。依據(jù)三維點(diǎn)云或表面模型可以充分地識(shí)別空間信息和不連續(xù)性,詳細(xì)記錄殘余巖石邊坡的幾何形態(tài)信息。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種簡(jiǎn)單方法是:根據(jù)操作者的判斷,估計(jì)屬于不連續(xù)表面的人工劃界點(diǎn)云子集的最佳擬合平面。隨后,不連續(xù)集的方向可以直接由擬合平面的法向量決定。

        采用節(jié)理裂隙自動(dòng)識(shí)別技術(shù)對(duì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識(shí)別辨識(shí)。如圖2所示,巖體主要存在三組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,其中順層向裂隙J1產(chǎn)狀最為集中,基本平行于層面,陡傾角卸荷裂隙J2產(chǎn)狀分布范圍較廣,橫河向構(gòu)造裂隙J3產(chǎn)狀分布也較集中。三組裂隙相互組合切割導(dǎo)致巖體較破碎,易形成危巖體。

        圖2 危巖體主要結(jié)構(gòu)面分析圖

        將多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)并采用空間差值計(jì)算,可實(shí)現(xiàn)邊坡危巖體的精確監(jiān)測(cè)與危險(xiǎn)性預(yù)判。圖3表示工程掉落的危巖體及其分布情況。

        圖3 基于三維激光掃描危巖體辨識(shí)技術(shù)示意圖

        由圖3可知,在施工過(guò)程中,高邊坡存在大量的危巖體,危巖體掉落給其“三洞合一”進(jìn)口邊坡的施工帶來(lái)極大威脅,應(yīng)引起極大的重視。雨季是危巖體掉落的高發(fā)期,應(yīng)避免在這段時(shí)間內(nèi)施工,并采取避讓、攔擋等措施以保證施工人員及機(jī)械的安全。

        3.4 邊坡開挖區(qū)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警

        2017年3~12月為施工高峰期,為確保施工安全,采用合成孔徑雷達(dá)對(duì)邊坡施工開挖進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測(cè)預(yù)警。為施工安全提供了可靠保證。

        (1)合成孔徑雷達(dá)及其原理。地基合成孔徑雷達(dá) (GB-InSAR) 是基于雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的地面遙感成像系統(tǒng),它通過(guò)雷達(dá)天線發(fā)射并接收反射回來(lái)的電磁波,根據(jù)回波信號(hào)的相位變化實(shí)現(xiàn)高精度形變測(cè)量。該技術(shù)可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取大范圍、高精度、全天候的形變信息。雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器,并在服務(wù)器中建立數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理,觀測(cè)結(jié)果可以在多個(gè)客戶端實(shí)時(shí)顯示;同時(shí),通過(guò)網(wǎng)頁(yè)技術(shù),用戶可以查詢出歷史的形變位移等。

        (2)邊坡開挖區(qū)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程三維監(jiān)測(cè)預(yù)警。由于合成孔徑雷達(dá)采用微波差分干涉測(cè)量技術(shù)[3],其監(jiān)測(cè)精度很高,可達(dá)亞毫米級(jí)(0.1 mm)且主動(dòng)發(fā)射微波,測(cè)量不受時(shí)間、空間影響,可24 h連續(xù)監(jiān)測(cè),但合成孔徑雷達(dá)的監(jiān)測(cè)結(jié)果為二維干涉圖,難以直觀反映邊坡的空間變形情況[4]。

        圖4 地基合成孔徑雷達(dá)工作圖

        將雷達(dá)的(圖4)二維監(jiān)測(cè)結(jié)果解析到高精度三維的DEM模型中,實(shí)現(xiàn)邊坡整體三維變形監(jiān)測(cè)。所研發(fā)的三維變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)(Real Time 3D Displacement Monitoring)可實(shí)現(xiàn)將雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配、解析到三維DEM中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邊坡實(shí)時(shí)三維監(jiān)測(cè)。

        采用合成孔徑雷達(dá)和三維激光掃描集成技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)右岸殘留邊坡的三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)精度可達(dá)0.1 mm[5],監(jiān)測(cè)范圍可覆蓋整個(gè)殘余邊坡,且可24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警,能夠最大限度地保證施工安全。

        (3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)預(yù)警。根據(jù)紅石巖水電站邊坡的實(shí)際條件,結(jié)合被監(jiān)測(cè)邊坡的區(qū)域分布,將合成孔徑雷達(dá)的形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址在滑坡南側(cè)對(duì)面的指揮平臺(tái)上,監(jiān)測(cè)方式采用全天不間斷監(jiān)測(cè),雷達(dá)測(cè)量速度為6 min/次,采用實(shí)時(shí)處理的方式實(shí)現(xiàn)邊坡形變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)77軌,觀測(cè)場(chǎng)景中存在一個(gè)明顯的形變點(diǎn),其形變量達(dá)到-20 mm左右,表現(xiàn)為遠(yuǎn)離雷達(dá)實(shí)現(xiàn)方向的形變分量。

        在形變測(cè)量方面,觀測(cè)到邊坡面上的滑坡塊回波信號(hào)較強(qiáng),根據(jù)目標(biāo)振幅及相位特性,選擇出大量的穩(wěn)定PS點(diǎn)(永久性散色體點(diǎn)),進(jìn)而可以進(jìn)行大面積連續(xù)的邊坡面形變觀測(cè)。在2017年4月7日,經(jīng)過(guò)將近8 h的邊坡形變觀測(cè),合成孔徑雷達(dá)觀測(cè)出場(chǎng)景中存在一個(gè)明顯的形變較大點(diǎn)位,形變量達(dá)到-20 mm。為進(jìn)一步分析形變點(diǎn)位的形變特征,用形變曲線方法分析近8 h的歷史形變特征。從歷史形變剖線結(jié)果看,此形變點(diǎn)位在0~6 h內(nèi)發(fā)生了持續(xù)的形變,形變較大,幾乎呈線性趨勢(shì)。而在第6~8 h,形變發(fā)生較大抖動(dòng)而不再呈現(xiàn)線性的形變變化。此時(shí)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)形變速率計(jì)算采用了以下方案:首先對(duì)真實(shí)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行濾波處理,考慮到速率計(jì)算本身就是一種平均處理,然后根據(jù)濾波后形變曲線計(jì)算出觀測(cè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)形變特征[6]。根據(jù)觀測(cè)實(shí)時(shí)變形特征等情況達(dá)到了實(shí)時(shí)預(yù)警,將施工人員及設(shè)備提前撤離至安全地帶,確保了施工安全。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        (1)通過(guò)多時(shí)相三維模型空間差值算法,采用危巖體定量檢測(cè)技術(shù)并排查了上部滑坡殘留后壁上分布的所有危巖體的分布情況,共檢測(cè)出36處典型危巖體,體積從0.1~500 m3不等。

        (2)通過(guò)結(jié)構(gòu)面空間組合關(guān)系,測(cè)算出危巖體破壞模式主要包含沿滑坡破裂面的大型傾倒破壞、沿拉裂面的平面破壞以及眾多小型的楔形體破壞,基于危巖體破壞模式、高度、方量等構(gòu)建了失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)方法,確定有13處高風(fēng)險(xiǎn)危巖體。

        (3)通過(guò)地基合成孔徑雷達(dá)和三維激光掃描集成監(jiān)測(cè),采用高精度(0.1 mm)雷達(dá)二維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與高分辨率三維DEM數(shù)據(jù)空間融合算法,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)施工區(qū)邊坡三維變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警,成功預(yù)警了18次施工區(qū)崩塌落石災(zāi)害,提前撤離了18次,確保了施工人員和設(shè)備的安全。

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