某山地变电站二级边坡稳定性分析研究*

胡保祯，赵振刚，张长胜，李英娜，李　川

（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明650500）

某山地变电站二级边坡稳定性分析研究*

胡保祯，赵振刚，张长胜，李英娜，李川*

（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明650500）

瑞典条分法是对山地变电站边坡进行稳定性分析的一种有效手段，结合光纤传感技术实际监测可以进一步验证边坡的稳定性。利用瑞典条分法进行边坡稳定性验算，分析其安全系数。并布设表面式裂缝传感器监测边坡表面应变量，监测结果显示上表面IS3传感器的应变变化为近540 με，下表面IS4传感器的应变变化为近120 με，IS5传感器的应变变化为近120 με。布设表面分布式紧套光纤，采用OTDR法监测边坡表面形变，监测结果显示光纤链路的衰减系数为12.567 dB/km，衰减曲线有良好线性，无明显台阶，判定边坡处于稳定状态。

边坡稳定性；瑞典条分法；稳定系数；表面式裂缝传感器；表面分布式紧套光纤

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

云南省楚雄市某220 kV山地变电站位于禄丰县勤丰镇西侧山区的半山腰上，海拔高度1 923 m，占地面积22 876 m2，于2009年12月25日建成投产，是楚雄禄丰地区的重要变电站之一。山地变电站边坡失稳会给云南电力系统带来巨大影响，因此有必要对变电站边坡的稳定性进行分析与监测［1-3］。2005年Kwon I B等人通过表面式裂缝传感器对边坡土壤的滑动进行了一定的研究，从而得出裂缝变化长度和时间之间的对应关系。2007年中国地质大学张磊等人利用瑞典条分法对边坡稳定性进行了分析，搜索出边坡最危险滑面，验证了这种方法的有效性［4］。2011年浙江大学刘永莉等人利用光纤传感器监测边坡表面变形，实际变形量最大值为700 με左右，并由此判定边坡为稳定状态，无明显位移［5］。

本文通过瑞典条分法作为一种强有力的数值计算方法，计算出边坡的安全系数，为边坡的稳定性做出了判断［6-8］。并在边坡表面布设表面式裂缝传感器、表面分布式紧套光纤，监测边坡表面位移变化，进一步验证边坡的安全性［9-11］。

1　边坡结构及瑞典条分法仿真分析

如图1所示，山地变电站边坡为一个二级边坡，材质为回填土，上级边坡长7 m，下级边坡长7 m，平台长度2 m，坡角均为30°。

图1　实际边坡地形图

变电站区北侧则为填方边坡，填方通过粘土和粗砾夯实。从站区平面到下方的垂直填方高度约为20 m，边坡分为上下游两级，中间设有台阶，边坡通过水泥砂浆砌片支护。中间北侧填方边坡承受了站区大部分设备，并且由于雨水及变电站内工作运行等活动的影响导致边坡强度的降低，因此可以利用瑞典条分法或称Fellenius条分法来分析其稳定性［12］。

采用瑞典条分法假定滑面为圆弧，忽略土条两侧的作用力，即假定第i个土条上的作用力只有Wi、Ni与Ti。根据力的平衡条件，应有：

式中，Ni为滑面上的法向反力；Wi为土条的重量；αi为土条底面中点的法线与竖直线的夹角；Ti为滑面上的切向反力

则稳定安全系数为：

式中，Fs为安全系数；Ms为整个滑体对O点的滑动力矩；MR为整个滑体对O点的抗滑力矩；ci为土条底的抗剪强度参数；li为土条底部长度；φi为土层的内摩擦角。式（2）即为由瑞典条分法得到的安全系数显式表达式。

将数据各参数代入式（2），通过循环计算，求得最小的安全系数Fs。结果如表1、表2所示。

表1　最小安全系数

示意图如图2所示。

图2　边坡滑面1示意图

表2　最小安全系数

示意图如图3所示。

图3　边坡滑面2示意图

表3　建筑边坡安全系数规定值

计算结论如下：边坡滑面1稳定性安全系数Fs=1.378＞1.25满足要求。边坡滑面2稳定性安全系数Fs=1.322＞1.25满足要求。

虽然边坡滑面稳定性安全系数满足安全系数规定值，但事实上不可能将影响边坡稳定的因素考虑无遗。边坡临界稳定时的Fs标准，应根据资料齐全程度、工程规模和重要性、外力是否考虑齐全、对各种因素的消除和控制程度、计算参数的选择以及规范慎重确定。如果边坡地质条件比较复杂，进行计算时Fs的取值更大［13］。因此有必要针对山地变电站的安全性进行现场监测分析。

2　传感器现场实际监测

2.1传感器现场实际布设

边坡的上底长45.8 m，下底长57.5 m。为了全面监测边坡的形变，分布式传感网的布设采用菱形布设，分为上边坡和下边坡，上边坡的传感网布设长度为481 m，下边坡传感网布设长度为512 m，其传感网的总长度为993 m，其中为了区别上下边坡，其上下边坡通过光纤跳线连接。由于边坡表面的不平整，使得在布设光纤时容易出现断裂的现象。所以在定好的线路上先用水泥进行平整，然后将紧套光纤布设在用水泥平整过的线路上。光纤采用传感网布设图，如图4、图5所示。

图4　光纤采用传感网布设图

图5　分布式光纤传感器安装图

分布式光纤传感器的布设需要在边坡表面通过开槽（宽度2 mm，深度6～10 mm）的方式埋入400 m左右的分布式光纤传感器。在布设完以后，在其表面进行第二道水泥的加固平整。在加固过程中，严格按照光纤的布设路线进行，把布设好的光纤进行保护。埋入的传感器轴线如图6所示。

图6　挡土墙分布式传感器布设图

对于边坡表面石块堆砌支护出现的一些裂缝，在上下游边坡的表面分别布设了5支裂缝传感器。在布设边坡表面式裂缝传感器之前，要根据每两个应变传感器之间的距离在边坡上确定好具体的安装位置，在测量好的基础上再进行钻孔。对表面式裂缝传感器进行安装时，为了更好地固定传感器，使用了环氧树脂胶对其进行了固定。将调好的环氧树脂胶注入到钻好的洞中，然后再将表面式裂缝传感器的两个固定支架分别放入洞中，如图7、图8所示。

图7　光纤表面式裂缝传感器布设示意图

图8　光纤表面式裂缝传感器安装图

2.2传感器监测结果分析

针对腰站变电站的北侧边坡表面分别布设了表面分布式紧套光纤、表面式裂缝传感器；建成了光纤智能监测网络，本次监测时间是从2014年6月6日到2015年6月16日。

2.2.1表面分布式紧套光纤

图9中的曲线表明，由于上、下边坡的连接是通过光纤跳线的连接，因此在上、下边坡处产生菲涅尔反射峰，从而依照菲涅尔反射峰之前为上边坡传感网监测区域，反射峰之后为下边坡传感网监测区域，其中上边坡的传感网布设长度为481 m，下边坡传感网布设长度为512 m，其传感网的总长度为993 m。OTDR的量程选择为 5 km，脉冲宽度为160 ns，光纤链路的衰减系数为12.567 dB/km，衰减曲线有良好线性，无明显台阶。

2.2.2表面式裂缝传感器

上表面裂缝传感器应变变化图（图10（a）），IS3传感器的应变变化量较大，IS3传感器的应变变化为近540 με，其他传感器位移变化较平缓。

下表面裂缝传感器应变变化图（图10（b）），IS4，IS5传感器的应变变化量较大，IS4传感器的应变变化量为近120 με，IS5传感器的应变变化量为近120 με，其他传感器位移变化较平缓，即边坡无明显的变形。

表4　表面式裂缝传感器应变变化情况及建议统计表

图9　表面分布式监测数据

图10　裂缝位移传感器监测数据

3　结论

本文通过瑞典条分法对山地变电站二级边坡进行了仿真分析，对边坡稳定性进行验算，分析其安全系数最低处为1.322，较为临近其安全系数最低限值，因此有必要对边坡进行现场实际监测分析。在边坡表面布设表面式裂缝传感器、表面分布式紧套光纤，实际监测结果显示上表面IS3传感器的应变变化为近540 με，下表面IS4传感器的应变变化为近120 με，IS5传感器的应变变化为近120 με，其变形量在正常范围内。光纤链路的衰减系数为12.567 dB/km，衰减曲线有良好线性，无明显台阶，综合瑞典条分法仿真分析结果，认为山地变电站边坡处于稳定状态。

［1］沈良峰，廖继原，张月龙.边坡稳定性分析评价方法综述［J］.矿业研究与开发，2005，25（1）：24-27.

［2］彭李.基于光纤光栅应变桩的边坡结构监测与稳定性灰色模型研究［D］.昆明：昆明理工大学，2015.

［3］王宽.宏弯损耗的分布式光纤监测系统与边坡应用研究［D］.昆明：昆明理工大学，2015.

［4］张磊.简化瑞典条分法在土坡稳定分析中的应用［D］.北京：中国地质大学，2007.

［5］刘永莉.分布式光纤传感技术在边坡工程监测中的应用研究［D］.浙江：浙江大学，2011.

［6］李焕强，孙红月，刘永莉，等.光纤传感技术在边坡模型试验中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（8）：1703-1708.

［7］庞伟军，邓清禄，熊建，等.基于BOTDA的光纤传感技术在边坡变形监测中的应用研究［J］.安全与环境工程，2012，19（6）：28-33.

［8］朱鸿鹄，施斌，严珺凡，等.基于分布式光纤应变感测的边坡模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（4）：821-828.

［9］李川，张以谟，刘铁根，等.光纤双向应变-位移点式传感器［J］.光子学报，2003，32（4）：448-450.

［10］王骥，林杰华，谢仕义.基于无线传感网络的环境监测系统［J］.传感技术学报，2015，28（11）：1732-1740.

［11］毛江鸿，崔磊，金伟良，等.基于分布式光纤传感的混凝土裂缝识别与监测试验研究［J］.传感技术学报，2014，27（9）：1298-1304.

［12］杨庚字.土坡稳定分析中条分法的解析计算［J］.力学与实践，1995（2）：59-61.

［13］付华，刘银平，肖键，等.传感器交互多模型在露天矿边坡稳定中的应用［J］.传感器与微系统，2009，28（4）：114-116.

李川（1971-），男，教授，博士生导师，2002年毕业于天津大学光学工程专业，获工学博士学位。主要研究方向为传感器的研制与检测应用，1625677252@ qq.com；

胡保祯（1992-），男，硕士研究生，导师为李川教授，主要从事光纤传感技术和信息检测与处理方向的研究，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

项目来源：国家自然科学基金项目（51567013）；昆明理工大学人才培养基金项目（KKSY201303004）；云南省应用基础研究计划项目（2013FZ021）；中国博士后科学基金面上项目（一等）（2014M552552XB）

2016-04-15修改日期：2016-06-06