溪洛渡白鐵壩堆積區(qū)深部變形監(jiān)測可視化分析

孟永東 樊方濤 徐衛(wèi)亞 王仁坤 蔡德文

（1.三峽大學 水電工程施工與管理湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.河海大學 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，南京 210098；3.中國水電顧問集團 成都勘測設計研究院，成都 610072）

我國西南高山峽谷地區(qū)，河谷發(fā)育過程中經歷變形破壞活躍期，崩塌、滑坡等在長期重力地質作用及降雨作用下形成一些堆積體邊坡［1－2］，其穩(wěn)定問題直接關系到水電工程的建筑物運行安全.實踐證明，安全監(jiān)測是掌握堆積體邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的最有效途徑［3－8］.傳統(tǒng)的監(jiān)測資料分析方法主要包括:進行定性分析的常規(guī)分析方法，如:比較法、作圖法、特征值統(tǒng)計法和測值因素分析方法等；進行定量分析的數學模型分析方法，如:統(tǒng)計分析方法、時間序列分析法和非線性智能分析方法等；數學物理模型分析方法，如:確定性模型和混合模型分析.由于堆積體的穩(wěn)定性受地質、施工、環(huán)境等眾多因素影響，具有未確知性、隨機性、模糊性、可變性等特點，傳統(tǒng)方法沒有充分考慮地質因素，不能全方位、直觀地表現監(jiān)測對象的整體工作性態(tài)，為此，以建立三維地質模型為基礎，并結合安全監(jiān)測資料對邊坡的穩(wěn)定性進行綜合分析，可較形象、全面地反映堆積體變形趨勢和穩(wěn)定狀態(tài).

本文針對金沙江溪洛渡水電站左岸谷肩堆積體白鐵壩堆積區(qū)削坡范圍I至V區(qū)深部變形監(jiān)測分析問題，在依據地形、地質資料建立谷肩堆積體三維地質模型［9－11］的基礎上，進行測斜孔深部監(jiān)測點位置虛擬鉆孔巖芯取樣.根據測斜孔監(jiān)測資料，繪制各測斜孔的“位移－深度”曲線，進而實現深部變形監(jiān)測資料與基于虛擬鉆孔巖芯所揭示賦存地質條件的綜合分析，利用滑移面的“位移－時間”曲線對堆積體變形演化趨勢進行預測，通過繪制監(jiān)測物理量數據場三維云圖分析測斜孔深部監(jiān)測成果，研究堆積體的變形破壞模式，進行穩(wěn)定狀態(tài)的評價.

1 谷肩堆積體地質條件

Ⅰ區(qū):位于泄洪洞進口上方，坡面為坡洪積含碎礫石土，受附近無名溝長年流水的搬運作用，細粒物質較多，厚度較大.本區(qū)無鉆孔資料，推測坡洪積層厚約10m，內部古滑坡殘體厚約10～35m.

Ⅱ區(qū):下部為古滑坡殘體，鉆孔揭示前緣厚約42.2m，中后部厚約56.2～64.5m，底板高程740～748m，頂板高程803～812m；中部為冰川、冰水堆積物，鉆孔揭示厚6.3～20m，底板高程803～812m，頂板高程809～826m；表部坡洪積物，含碎礫石土，鉆孔揭示厚5.7～16.2m，前緣高程803～805m，中后緣厚度逐漸增大，底板高程803～826m.

Ⅲ區(qū):下部為古滑坡殘體，鉆孔揭示厚度約25 m，底板高程755m，頂板高程784～790m；中部為冰川、冰水堆積物，鉆孔揭示厚12～17m，底板高程784～790m，頂板高程796～808m；表部為坡洪積物，鉆孔揭示厚5.7～10m，前緣高程803～805m，中后緣厚度逐漸增大，底板高程803～826m.

Ⅳ區(qū):下部為古滑坡殘體，鉆孔揭示厚度8.1～33.8m，前緣厚約8.1m，中后緣厚約33.8m，底板高程768～770m，頂板高程776～803m；中部為冰川冰水堆積物，鉆孔揭示厚約11m，底板高程776～782 m，頂板高程787～803m；表部為坡洪積物，厚3.9～8.3m，底板高程787～803m，頂板高程795～811m.

V區(qū):下部古滑坡殘體，鉆孔揭示厚度24.1m，底板高程795m，頂板高程約819m；中部為冰川、冰水堆積物，厚4m，底板高程約819m，頂板高程823 m；表部為坡洪積物，厚5.3m，底板高程823m.

2 三維地質建模及虛擬鉆孔取樣

依據溪洛渡水電站左岸谷肩堆積體的地形、地質等勘測資料，采用基于半邊B－Rep和裁減NURBS數據結構的三維地質建模方法［12］建立堆積體的三維地質模型，主要步驟如下:

1）應用NURBS曲面技術，以地表控制點集合和建模范圍邊界線為基礎數據，采用反算法，構建堆積體的自然地表界面；

2）根據堆積體的削坡開挖設計和施工圖，提取并處理堆積體削坡坡面結構線，按照控制點高程將結構線轉化為三維空間帶有高程信息的線段.進而，按封閉區(qū)域構造所有結構面的閉合邊界環(huán)，按NURBS曲面的拓撲關系存儲邊坡控制信息，形成NURBS曲面集合.最后，將每個NURBS曲面的參數函數與地表界面的NURBS曲面的參數函數進行求交運算，形成帶裁減曲線信息的裁減NURBS曲面集合，即可建立削坡范圍I至V區(qū)的人工界面；

3）根據地質平面圖所揭示的地層等地質結構出露線，以及地質剖面圖所揭示的地質結構走向，得到地質結構趨勢面數據點集，再依照自然地表界面NURBS曲面生成方法，根據地質結構趨勢面數據點集和曲面邊界生成NURBS參數函數曲面，分析各地質結構的空間關系，與地表、邊界范圍等其它相關結構界面逐一求交，生成地質結構界面的裁減信息，按NURBS曲面數據結構存儲地質結構界面的裁減NURBS曲面定義數據，形成地質界面；

4）通過半邊B－Rep結構組織NURBS曲面的空間拓撲關系，實現堆積體三維實體模型的地質構造體劃分，完成白鐵壩堆積區(qū)三維地質模型的建立；

5）運用布爾運算對各測斜孔深部監(jiān)測點位置進行虛擬鉆孔巖芯取樣（如圖1所示），以便結合測斜孔孔位的地質條件進行測斜孔深部變形監(jiān)測資料的綜合分析.

3 深部變形監(jiān)測可視化分析

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

左岸谷肩堆積體白鐵壩區(qū)的5個分區(qū)布設有4個重點監(jiān)測斷面，其中2個為關鍵斷面，共埋設了20座外觀監(jiān)測點、9個測斜孔，9臺錨索測力計，1支滲壓計，量水堰1個，測壓孔1孔，單點位移計2套.因各種原因損壞的測斜孔已全部恢復，現有8個測斜孔可正常觀測.左岸谷肩堆積體外觀測點和測斜孔的概略位置如圖2所示.

3.2 測斜孔監(jiān)測資料綜合分析

測斜孔監(jiān)測符號為:A向臨空面（河谷）位移為“＋”；B向下游位移為“＋”；反之為“－”.

3.2.1 V 區(qū)

V區(qū)布置的測斜孔IN01H，位于Ⅴ區(qū)開口線排水溝旁，孔口高程829m，有效觀測深度為50m.從虛擬地質鉆孔取樣圖可知，孔口～10.5m段為洪積堆積層，孔深10.5～19m段為冰川冰水堆積物，19～33.5m段為古滑坡堆積層，33.5m以下為宣威組.

測斜孔IN01H于2010年2月恢復觀測，結合監(jiān)測資料和虛擬地質鉆孔取樣圖可知，該部位的滑移面主要位于33.5m古滑坡堆積與宣威組交界處（如圖3所示），與地質情況吻合，截至2012年3月，滑移面A向臨空（河谷）錯動量為13.85mm，另外，在14.5～18.5m段（位于冰川冰水堆積）存在較明顯的向河谷并略向上游方向變形.

截至2012年3月，從滑移面錯動量變化過程曲線（如圖4所示）可知，滑移面累積合位移為13.27 mm，增量合位移曲線表現出位移增量有明顯變緩趨勢，進行滑移面累積合位移的線性二次指數平滑預測建模，預測曲線顯示2012年8月的滑移面累積合位移為14.8mm；從孔口位移變化過程曲線（如圖5所示）可知，該測斜孔孔口累計合位移為35.25mm，孔口累計位移增長較小，根據孔口累積合位移線性二次指數平滑預測曲線，預計2012年8月的孔口累積合位移為35.67mm.

3.2.2 Ⅳ區(qū)

Ⅳ區(qū)共布設有4個測斜孔:IN02H、IN03H、IN12H、IN13H.IN02H于2010年2月28日取得基準值，為恢復后的測孔.分析圖6可知，從截至2012年3月，該孔大體向河谷方向變形，與外觀變形監(jiān)測結果一致.在28.5～29.5m深度之間存在明顯滑移面，A向臨空面（河谷）錯動量較大，分析虛擬地質鉆孔取樣圖可知，該位置位于古滑坡堆積與宣威組交界處，在孔口洪積堆積層內A向位移有小幅錯動，孔口A向位移為14.56mm，B向位移較小，孔口總體位移方向為向河床并略向下游.截至2012年3月滑移面累計錯動位移為13.55mm.同樣以孔深28.5m的滑移面位置累積合位移為樣本進行線性二次指數平滑預測建模，得到滑移面累積合位移的預測曲線，預計至2012年8月滑移面的累計錯動位移為15.08mm，由增量合位移過程曲線可知，目前滑移面合位移增量整體有下降趨勢，合位移增量曲線趨于平緩，如圖7所示的滑移面“位移－時間”過程線及預測曲線.

IN03H因測斜管折斷失效，后于2010年6月28日重新安裝并取得基準值.分析圖8可知，在15～22.5m區(qū)段（宣威組與峨眉山玄武巖交界處）A向臨空面（河谷）有較明顯的錯動，最大錯動發(fā)生在孔深20.5m處，截至2012年3月，A向滑移量為9.47 mm，滑移面處累積合位移為10.24mm.分析圖9，根據滑移面累積合位移線性二次指數平滑預測曲線可知，預計2012年8月的滑動面累積合位移為12.4 mm；由增量合位移曲線可知，滑動面位移增量有顯著下降趨勢.

IN12H因人為堵塞，于2011年1月28日恢復并重新取得基準值，有效觀測深度為103m.從監(jiān)測資料和虛擬地質鉆孔取樣圖可知（如圖10所示），截至2012年3月，該孔在90m孔深處（古滑坡堆積與宣威組交界）有向河谷方向的滑移面存在，滑移量在5mm左右.由于該孔時間序列較短，樣本稀疏預測精度較差，未進行預測建模.截至2012年3月，孔口A向累計位移量為12.04mm，有明顯下降趨勢.該孔變形整體向河谷偏上游方向（如圖11所示）.

IN13H因堵塞于2010年8月7日重新安裝，有效觀測深度為106.5m.從截至2012年3月的監(jiān)測資料和虛擬地質鉆孔取樣圖來看（如圖12所示），該部位的滑動面主要位于99.5m至103.5m區(qū)段（峨眉山玄武巖與古滑坡堆積交界處），與堵塞前的歷史監(jiān)測資料所揭示的滑動面位置一致，最大錯動量發(fā)生在101m深處，A向錯動量為12.14mm，滑動面B向錯動量不大，累積合位移為12.78mm.分析圖13，并根據滑移面累積合位移線性二次指數平滑預測曲線可知，預測滑動面2012年8月的累積合位移為12.6 mm，由增量合位移曲線可知，滑動面位移無加速增長趨勢.

3.2.3 Ⅲ區(qū)

Ⅲ區(qū)布設有2個測斜孔:IN04、IN05H，位于816 m高程的測斜孔IN04于2011年1月失效，截至2012年3月尚未恢復，從歷史觀測資料來看，在古滑坡體滑動帶內（孔深55～56m之間）有明顯的滑移面.位于792m高程的測斜孔IN05H，于2010年6月失效，2010年10月28日，對該孔鉆孔測斜儀進行了重新安裝.從監(jiān)測成果和虛擬地質鉆孔取樣圖來看（如圖14所示），截至2012年3月在孔深32～33m之間存在較明顯的滑移面（古滑坡堆積與宣威組交界），滑移面最大位錯發(fā)生處32m孔深位置，這與IN05H的歷史觀測資料一致，滑移面A向有7.44 mm的錯動，B向無明顯錯動，孔口位移有減小趨勢.

3.2.4 Ⅱ區(qū)

Ⅱ區(qū)共布設2個測斜孔.位于二次削坡頂部的測斜孔IN06H，孔深為105m.2008年12月因變形較大無法觀測，2010年6月8日對該測斜孔進行了重新安裝，編號為IN06H，從截至2012年3月的觀測資料來看，在孔深10～15m處B向有明顯錯動，錯動量為31.86mm，A向錯動不大，分析虛擬地質鉆孔取樣圖可知，該滑帶位于冰川冰水堆積層內.另外，在92～93.5m處A向有較明顯錯動，錯動量為9.35mm.該孔的孔口位移不大，以A向變形為主，方向為向河谷并略向下游變形，如圖15所示.

位于二次削坡頂部的鉆孔測斜儀IN07H，孔深為51m.在孔深42.5～43.5m處（宣威組與古滑坡堆積交界部位）有滑動面存在，歷史累計錯動量A、B向約為26.34mm和8.57mm.2010年8月6日，對該孔鉆孔測斜儀進行了重新安裝.從截至2012年3月的觀測資料可知，42.5～43.5m處仍有錯動，A向錯動量為8.68mm，如圖16所示.

3.3 測斜孔監(jiān)測數據場三維云圖分析

將堆積體監(jiān)測區(qū)域的三維地質模型進行四面體離散建立TEN離散模型，提取區(qū)域內各測斜孔內監(jiān)測點坐標以及各測點對應的相對位移值，形成監(jiān)測數據場數據文件，應用徑向基函數插值算法對監(jiān)測數據場進行插值計算，得到TEN網格結點的監(jiān)測物理量數值，基于X3D實現具有三維交互功能的監(jiān)測數據場三維云圖的實時動態(tài)可視化顯示和信息查詢［13－15］.

根據以上方法，繪制了溪洛渡左岸谷肩堆積體邊坡監(jiān)測區(qū)域的測斜孔監(jiān)測位移場分布的三維云圖，如圖17所示.從A向位移分布圖17（a）可知，位于V區(qū)的測斜孔IN01H的孔口位置向河谷方向相對位移最大，2012年3月15日監(jiān)測得到的位移值為35.06 mm.由A向位移變化量分布圖17（b）可知，位于Ⅱ區(qū)的測斜孔IN06H的孔口位置向河谷方向變形速率最大，2012年2月6日至2012年3月15日期間監(jiān)測得到的位移變化量為5.08mm；位于Ⅳ區(qū)的測斜孔IN13H的孔口位置向河谷方向變形變化量為負，2012年2月6日至2012年3月15日期間監(jiān)測得到的位移變化量為－2.26mm，表明A向變形趨向收斂；總體來看，Ⅳ～V區(qū)向河谷方向位移變化量不大.分析圖17（c）可知，B向（向下游）位移較大區(qū)域集中在Ⅱ～Ⅲ區(qū)，Ⅲ區(qū)的測斜孔IN05H監(jiān)測到的孔口B向位移為5.87mm；另外，Ⅳ區(qū)的測斜孔IN13H的孔口位置B向位移為負，說明該部位變形方向為向河谷略傾向上游.從圖17（d）可知，2012年2月6日至2012年3月15日期間的B向位移變化量基本為正，變化幅度在2mm左右，說明整個堆積體區(qū)域向下游變形趨勢較緩.從合位移分布圖17（e）與A向位移分布圖17（a）比較分析可知，整個堆積體監(jiān)測區(qū)域的變形以A向（向河谷）位移為主.合位移變化量（圖17（f））與A向位移變化量分布規(guī)律一致.

為了分析堆積體主要變形區(qū)域的深部變形趨勢和位移變化規(guī)律，從三維地質模型上取SⅣ－1和SⅣ－2斷面并截取堆積體Ⅳ區(qū)局部范圍進行分析，如圖18所示.

繪制堆積體Ⅳ區(qū)局部范圍測斜孔監(jiān)測量的三維位移云圖及其位移變化量云圖，如圖19所示.分析圖19（a）可知，SⅣ－1和SⅣ－2斷面上二次削坡范圍附近向河谷變形比上部削坡開挖線以外變形大.由圖19（b）可知，SⅣ－1和SⅣ－2斷面上二次削坡范圍附近向下游變形，而上部削坡開挖線以外向上游變形.綜合分析圖19（a）（b）可知，Ⅳ區(qū)二次削坡開挖線部位整體向河谷略向下游變形，而開挖線以外上部高程區(qū)域變形向河谷略傾向上游變形，測斜孔深部位移監(jiān)測成果揭示出在Ⅳ區(qū)有明顯得滑移錯動帶存在.由圖19（c）可知，在Ⅳ區(qū)SⅣ－1斷面內削坡區(qū)域下部潛在滑動面上的向河谷方向位移變化量較大，而SⅣ－1斷面（Ⅳ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界線處）削坡區(qū)域下的向河谷方向位移變化量較小，該斷面上削坡開挖線以外范圍變化量為負.向下游方向（B向）的位移變化量（見圖19（d））整體較小，其中SⅣ－1斷面上在潛在滑移面上B向位移變化量為負，數值不大.SⅣ－1和SⅣ－2斷面削坡開挖線以外區(qū)域表現為向下游變形趨勢，變化量在2 mm左右.

綜合以上分析可知，在堆積體變形較大的Ⅳ區(qū)內，由測斜孔深部變形監(jiān)測成果可揭示出該區(qū)域由二次削坡開挖區(qū)向上部表現出牽引式滑動變形.

4 結 論

1）左岸堆積體五個區(qū)的水平位移主要表現為向河谷中心和下游方向位移，垂直位移主要表現為下沉，從2012年3月的變形速率和合位移加速度來看，變形沒有異常突變，且有減緩趨勢.

2）堆積體測斜孔監(jiān)測的變形與外觀測點監(jiān)測位移規(guī)律基本一致.各區(qū)測斜孔在恢復后大多監(jiān)測到堆積體錯動帶位移量的發(fā)生，且與恢復前歷史監(jiān)測資料所揭示的滑移面位置一致.

3）二次削坡范圍的表面變形和錯動變形較為顯著，變形曲線存在兩個較為明顯的變形突變點，結合虛擬地質鉆孔取樣圖可知，上部變形突變點對應于冰川冰水堆積層或洪積堆積層內部，下部錯動面大致在古滑坡堆積層與宣威組分界面附近.

4）由堆積體監(jiān)測區(qū)域測斜孔監(jiān)測位移分布云圖分析可知，整個堆積體監(jiān)測區(qū)域的變形以A向（向河谷）位移為主，在堆積體變形較大的Ⅳ區(qū)內，由測斜孔深部變形監(jiān)測成果可揭示出該區(qū)域由二次削坡開挖區(qū)向上部表現出牽引式滑動變形，各測斜孔的滑移面位置累積合位移預測建模分析可知，滑移面位置變形趨于收斂，預測得到的累積合位移增幅不大.

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