震損高陡邊坡工程安全預(yù)警與防控

李 萬 洲

(中國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30分，云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級地震，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m3，總庫容2.6×108m3。后經(jīng)應(yīng)急處置后堰塞湖水位下降，險情得以解除。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，需對紅石巖堰塞湖進行整治改建。

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)的進水口均布置在震損邊坡內(nèi)，即“三洞合一”進水口邊坡(圖1)。在破碎震損邊坡上進行邊坡開挖支護施工、修建工程于國內(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時高度為155 m，開挖區(qū)共設(shè)7級馬道，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，支護面積為3 320～5 500 m2，開挖區(qū)順?biāo)鞣较蜷L166～275 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 工程難點分析

紅石巖堰塞湖整治工程是世界上首個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，強度劣化明顯且各個區(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的地質(zhì)狀況。

(2)危巖體破壞問題十分突出，安全風(fēng)險高。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，孕育著大量的危巖體，穩(wěn)定性極差，頻繁發(fā)生落石，且前期無地質(zhì)勘察資料、地質(zhì)人員難以直接到陡坡上進行調(diào)查或查勘；此外，開挖邊坡巖體質(zhì)量亦差。在開挖擾動和余震作用下，小型崩塌、掉塊時有發(fā)生，給施工人員和機械造成了很大的安全威脅。

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

(4)邊坡差異變形明顯，穩(wěn)定性差。由于地震的動力作用，巖體強度劣化明顯，邊坡整體變形較大且各個區(qū)域差異性很大，常規(guī)單點式監(jiān)測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，在工程施工過程中，危巖體和小規(guī)模塌方時有發(fā)生，給工程施工人員和機械帶來極大的安全隱患。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，難以通過工程技術(shù)直接消除。而在施工開挖過程中，因開挖擾動和余震不斷，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，有限的單點監(jiān)測手段難以奏效。

基于上述難題，震損邊坡施工前，項目部采用三維激光掃描、地基合成孔徑雷達等非接觸測量技術(shù)對整個邊坡面所有區(qū)域進行了全覆蓋式排查、監(jiān)測與防治，研發(fā)了危巖體定量檢測排查技術(shù)，實現(xiàn)了對整個邊坡危巖體的全域排查與風(fēng)險分析，并提出了三維落石風(fēng)險分析方法和危巖體優(yōu)化防治措施[1]。針對施工區(qū)開挖時頻繁發(fā)生的馬道塌方造成的威脅，研發(fā)出了邊坡實時動態(tài)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，實時預(yù)警，使施工人員和機械能夠提前撤離，確保了施工安全。

3.1 地震對危巖體發(fā)育的影響

地震或爆破震動是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要誘因之一。地震或爆破震動對于危巖體發(fā)育的影響主要有兩個方面：一是地震或爆破震動給危巖體一個慣性力，促進了結(jié)構(gòu)面的張裂，降低了巖土體的完整性和結(jié)構(gòu)面的強度；二是震動使得巖體反復(fù)壓縮和松弛，當(dāng)孔隙中有水時便會產(chǎn)生超孔隙水壓力，進一步促進結(jié)構(gòu)面的張裂，而一次地震中巖體要經(jīng)過多次的壓縮和松弛，巖體質(zhì)量的損傷將發(fā)生累積效應(yīng)[2]。當(dāng)斜坡相對震源的高差越大，地形放大效應(yīng)越強，巖體損傷程度更大。地震誘發(fā)崩滑的災(zāi)害十分常見。據(jù)統(tǒng)計，我國二十多個省都有地震誘發(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)害直接對人類的生命、財產(chǎn)安全造成破壞，而且其帶來的次生災(zāi)害(如堰塞湖等)所產(chǎn)生的危害有時甚至超過地震本身。

3.2 地層巖性對危巖體發(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。而堅硬、較堅硬的硬脆性巖體抗風(fēng)化能力強，往往形成陡峻的斜坡。在地殼抬升、河流下蝕的過程中，陡坡上部的巖體卸荷作用強烈、卸荷裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，再加上水對結(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。軟巖過于軟弱，難以承受上部巖體的重量會向坡外發(fā)生塑性流動，在硬巖的底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過硬巖的抗拉強度時，便會產(chǎn)生拉裂縫。隨著軟巖進一步向坡外塑流，拉裂縫逐漸向上擴展，形成下寬上窄的拉裂縫。當(dāng)拉裂縫貫通時，便會導(dǎo)致巖體崩塌。

3.3 危巖體全域的監(jiān)測識別

項目部采用三維激光掃描精細(xì)化建模技術(shù)對危巖體區(qū)域進行全域精細(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，需對掃描巖體進行精細(xì)化渲染。點云渲染也稱點云融合技術(shù)，數(shù)據(jù)融合是因為激光掃描系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)包含各個獨立傳感器數(shù)據(jù)，需將各種數(shù)據(jù)聯(lián)合解算以得到配準(zhǔn)好的彩色點云數(shù)據(jù)。

(1)將激光掃描儀獲取的原始點云數(shù)據(jù)和CCD相機的影像數(shù)據(jù)融合得到彩色點云數(shù)據(jù)，每一個激光點均包含RGB顏色。實際上是將激光點云數(shù)據(jù)中的每一個點和影像數(shù)據(jù)中的某一個像素相對應(yīng)，因為激光掃描儀和CCD相機的相對位置是固定的且掃描是同時進行的，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)系下的點云數(shù)據(jù)。實際上是通過慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對點云數(shù)據(jù)的獲取時間進行修正，得到WGS84下的大地坐標(biāo)。融合后數(shù)據(jù)中的每一個點包含以下信息：WGS84的三維坐標(biāo)、GPS時間、RGB顏色、對應(yīng)CCD相機像素的行列號、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)三維點云或表面模型可以充分地識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。實現(xiàn)這一目標(biāo)的一種簡單方法是：根據(jù)操作者的判斷，估計屬于不連續(xù)表面的人工劃界點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)理裂隙自動識別技術(shù)對邊坡巖體結(jié)構(gòu)面進行識別辨識。如圖2所示，巖體主要存在三組優(yōu)勢結(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)并采用空間差值計算，可實現(xiàn)邊坡危巖體的精確監(jiān)測與危險性預(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技術(shù)示意圖

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

3.4 邊坡開挖區(qū)實時遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警

2017年3～12月為施工高峰期，為確保施工安全，采用合成孔徑雷達對邊坡施工開挖進行24 h不間斷監(jiān)測預(yù)警。為施工安全提供了可靠保證。

(1)合成孔徑雷達及其原理。地基合成孔徑雷達 (GB-InSAR) 是基于雷達干涉測量技術(shù)的地面遙感成像系統(tǒng)，它通過雷達天線發(fā)射并接收反射回來的電磁波，根據(jù)回波信號的相位變化實現(xiàn)高精度形變測量。該技術(shù)可以遠(yuǎn)程實時獲取大范圍、高精度、全天候的形變信息。雷達觀測數(shù)據(jù)可以首先通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，并在服務(wù)器中建立數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理，觀測結(jié)果可以在多個客戶端實時顯示；同時，通過網(wǎng)頁技術(shù)，用戶可以查詢出歷史的形變位移等。

(2)邊坡開挖區(qū)實時遠(yuǎn)程三維監(jiān)測預(yù)警。由于合成孔徑雷達采用微波差分干涉測量技術(shù)[3]，其監(jiān)測精度很高，可達亞毫米級(0.1 mm)且主動發(fā)射微波，測量不受時間、空間影響，可24 h連續(xù)監(jiān)測，但合成孔徑雷達的監(jiān)測結(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 地基合成孔徑雷達工作圖

將雷達的(圖4)二維監(jiān)測結(jié)果解析到高精度三維的DEM模型中，實現(xiàn)邊坡整體三維變形監(jiān)測。所研發(fā)的三維變形實時監(jiān)測集成系統(tǒng)(Real Time 3D Displacement Monitoring)可實現(xiàn)將雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)自動匹配、解析到三維DEM中，進而實現(xiàn)邊坡實時三維監(jiān)測。

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

(3)實時數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測預(yù)警。根據(jù)紅石巖水電站邊坡的實際條件，結(jié)合被監(jiān)測邊坡的區(qū)域分布，將合成孔徑雷達的形變監(jiān)測點選址在滑坡南側(cè)對面的指揮平臺上，監(jiān)測方式采用全天不間斷監(jiān)測，雷達測量速度為6 min/次，采用實時處理的方式實現(xiàn)邊坡形變實時監(jiān)測，獲取觀測數(shù)據(jù)77軌，觀測場景中存在一個明顯的形變點，其形變量達到-20 mm左右，表現(xiàn)為遠(yuǎn)離雷達實現(xiàn)方向的形變分量。

在形變測量方面，觀測到邊坡面上的滑坡塊回波信號較強，根據(jù)目標(biāo)振幅及相位特性，選擇出大量的穩(wěn)定PS點(永久性散色體點)，進而可以進行大面積連續(xù)的邊坡面形變觀測。在2017年4月7日，經(jīng)過將近8 h的邊坡形變觀測，合成孔徑雷達觀測出場景中存在一個明顯的形變較大點位，形變量達到-20 mm。為進一步分析形變點位的形變特征，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。而在第6～8 h，形變發(fā)生較大抖動而不再呈現(xiàn)線性的形變變化。此時對觀測目標(biāo)的實時形變速率計算采用了以下方案：首先對真實觀測結(jié)果進行濾波處理，考慮到速率計算本身就是一種平均處理，然后根據(jù)濾波后形變曲線計算出觀測目標(biāo)的實時形變特征[6]。根據(jù)觀測實時變形特征等情況達到了實時預(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

(1)通過多時相三維模型空間差值算法，采用危巖體定量檢測技術(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，共檢測出36處典型危巖體，體積從0.1～500 m3不等。

(2)通過結(jié)構(gòu)面空間組合關(guān)系，測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)險綜合評價方法，確定有13處高風(fēng)險危巖體。

(3)通過地基合成孔徑雷達和三維激光掃描集成監(jiān)測，采用高精度(0.1 mm)雷達二維監(jiān)測數(shù)據(jù)與高分辨率三維DEM數(shù)據(jù)空間融合算法，實現(xiàn)了整個施工區(qū)邊坡三維變形的實時監(jiān)測預(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。