龙江水电站边坡安全监控与预警

孙庚宁，何勇军，杨 阳，李 卓

（1.云南新华水利水电投资有限公司，650200，昆明；2.南京水利科学研究院 大坝安全与管理研究所，210029，南京）

龙江水电站边坡安全监控与预警

孙庚宁1，何勇军2，杨 阳2，李 卓2

（1.云南新华水利水电投资有限公司，650200，昆明；2.南京水利科学研究院 大坝安全与管理研究所，210029，南京）

总结近年近坝边坡安全监控与预警相关研究进展的基础上，以云南龙江水电站工程为依托，结合边坡滑坡试验研究，开展了近坝边坡安全监控模型、安全监控指标及预警技术研究。研究成果揭示近坝边坡失稳破坏的成因和规律，建立了近坝边坡预测预警系统，实现了近坝边坡安全的实时监测和预警。

龙江水电站；边坡；安全监控；预警技术

云南龙江水电站枢纽工程建成以来，大坝、溢洪道、泄洪底孔及电站运行基本正常。但大坝右坝肩上下游均有冲沟切割，地形完整性较差，断层与裂隙组合对拱座岩体稳定不利。经工程处理后，大坝右岸边坡虽整体基本稳定，但多点位移计测值在每年雨季仍有一定发展。大坝左坝肩缆机边坡及厂房后边坡岩石风化严重，施工中发生多次塌方，后虽采取锚索等加固措施，但由于边坡较高、坡度较陡，运行后仍于2013年8月厂房后边坡发生了较大滑坡，危及运行安全。因此，进行边坡安全试验研究势在必行。

一、滑坡试验

滑坡试验用的黏土取自龙江水电站近坝库岸边坡滑坡体。模型试验箱由主体模型箱、降雨系统、供水系统、多物理量测试系统（包括孔隙水压力、土压力、张力）、数据采集系统和高速摄像采集系统等组成。模型试验主要仪器有渗压计、张力计、土压力计、高速摄像机、取土器。

在模型箱内壁和底部涂上一定厚度的凡士林，以减小模型试验过程中与模型箱内壁摩擦，将在模型箱中装入密度为1.70 g/cm3、含水率19.5%黏土装入其中，边坡倾角50°，模型高1.80 m，坡顶长0.75 m，坡底长3 m。

试验考虑降雨和库水位作用的影响，试验的主要内容为降雨作用、降雨与库水位耦合作用引起的滑坡体变化和破坏过程。整个实验表明：降水和库水位变化是滑坡的最主要外因。大气降水渗入滑坡体，增加岩土体的含水量，增大岩土体容重，软化岩土，降低岩土的抗剪强度。降雨渗入到风化岩土体之下的基岩面或断水层面变成润滑剂，降低了接触面的抗滑性质，从而导致滑坡的发生。库水位变化诱发的滑坡有两种：一是库水位达到敏感水位后，滑坡体内孔隙水压力分布在达到新的平衡过程中，由于土体饱和而致使边坡土体的容重增加和潜在滑动面上孔隙水压力增大而导致土的抗剪强度降低所产生的滑坡；二是发生在水位消落，特别是快速消落期，由于不利的地下水梯度而造成滑坡。

二、滑坡监控模型

基于实验模型的研究，将降雨和边坡坡度作为主要的因素进行研究。龙江水电站设置了较为完善的安全监测设施，包括降雨量、变形、孔隙水压力和应力监测，为此，对龙江水电站近坝库岸边坡建立监控模型，研究降雨和不同边坡坡度对边坡的影响，并拟定降雨量和坡度的监控指标。

1.降雨量监控模型

基于饱和—非饱和土理论的边坡稳定性极限平衡法是建立在非饱和土体引申的Mohr-Coulomb强度准则的基础上，对降雨作用下边坡稳定性的分析，不仅考虑饱和区内地下水压力升高对边坡稳定性的影响，而且考虑非饱和区基质吸力的变化对边坡稳定性的影响。采用GeoStudio软件中的Seep/W模块和Sigma/W模块对边坡稳定性进行分析。

（1）计算剖面及计算模型

龙江水电站近坝库岸边坡滑坡剖面图见图1。坡体左右两边和底部为不透水边界，坡面为流量边界，流量大小为降雨强度。边坡滑坡体主滑动面有限元模型见图2所示。

（2）计算参数

根据室内试验和现场勘察钻探地勘报告，得到各层岩土体的强度参数（见表1）。

根据当地气象资料和实际情况，降雨单宽流量根据龙江水电站气象站降雨资料取值，降雨取值见表2。

（3）计算成果

不同降雨量下龙江水电站近坝库岸边坡安全系数见表3，计算结果可以看出，近坝库岸边坡安全系数受降雨量影响明显。随着降雨量增加，边坡安全系数减小，当降雨量为70.0 mm时边坡安全系数为1.04，边坡稳定处于临界状态。

图1 边坡典型剖面图

图2 滑坡体主滑面有限元模型

表1 各个土层物理力学性质表

表2不同降雨量表

表3 不同降雨量条件下边坡安全系数表

表4 不同坡度条件下边坡安全系数表

2.坡度监控模型

在不同降雨量模型的基础上，以30°、50°、60°三个不同坡度为例，选取5种不同降雨量进行3种不同坡度条件下安全系数计算。不同坡度条件下龙江水电站近坝库岸边坡安全系数见表4。在相同边坡坡度时，随着降雨量增加边坡安全系数减小；随着坡度增大，临界降雨量减小。

三、预警指标体系

预警指标与边坡的具体特点息息相关，预警指标内涵上分为警源指标、警情指标和警兆指标。警情产生于警源和警兆，预警是以警源指标为依据，分析警兆的报警区间，参照警情指标的警限和警度划分以及预报警素的严重程度，再对照警源指标，采取排警措施。此外对近坝库岸边坡滑坡进行预警时，还需要建立预警指标体系。

1.预警指标等级划分

根据相关研究及统计资料，边坡从局部产生变形到滑动，通常可经历三种状态，见图3。

①安全状态，指近坝库岸边坡产生初始的变形，边坡主要监测量的变化处于正常情况下的状态。②基本正常状态，指近坝库岸边坡产生等速变形的状态，大部分边坡在经过等速变形后累计位移逐步趋于稳定。③异常预警状态，指近坝库岸边坡产生加速变形状态。当边坡受到各种因素的影响在等速变形或初始变形趋于稳定的过程突然出现加速变形的状态突变。从监测角度，可以监测到环境中某些危及安全的因素正在加剧，或主要监测量出现异常，若不采取措施将出现失事的状态。异常预警状态的边坡安全系数通常逐步减小，抗力逐渐小于荷载。

针对近坝库岸滑坡受到降雨、山洪影响，结合有关规范和法规，将近坝库岸边坡安全状况分为三级。设边坡安全状况集合为V，则：

图3 近坝库岸边坡滑坡累计位移变化过程示意图

图4 降雨及安全系数关系曲线图

图5 不同等级降雨坡度关系等值线

2.警情警兆的预警指标建立

根据边坡受力平衡条件，R为边坡滑面的抗剪强度；S为临界荷载组合的总效应，有：

依据边坡的预警等级及边坡的安全系数，建立不同预警等级和边坡安全系数的对应关系式（3），其中K为规范或设计资料中的边坡安全系数，针对不同类型的边坡，要求设计安全系数一般取值在1.05～1.2之间。可以将 K 划分为（+∞，K］（K，1］（1，-∞］，对应安全、基本正常、异常3种状态。

对表3采用多项式拟合，得到对应边坡异常状况（K=1）及基本正常状况（K=1.1）对应的降雨量，见图4。

3.降雨预警指标

对应边坡 3个不同安全预警等级的降雨量监控指标可表示为：

4.联合降雨和坡度预警指标

基于表4可以得到降雨量、坡度与近坝库岸边坡安全系数的关系，表达为：

式中，R为抗力；S为荷载；r为降雨量，β为坡度变化。通过表4差值得到边坡异常状况（K=1）及基本正常状况（K=1.1）对应的降雨量和坡度分别为图5所示边界线。

四、总 结

基于龙江水电站近坝边坡滑坡实例建立物理实验模型，选取了降雨量、坡度为影响龙江水电站近坝库岸边坡稳定的主要因素，应用有限元方法建立了饱和—非饱和边坡稳定监控模型，对降雨入渗条件下的边坡稳定性进行了分析，得到了降雨和坡度对应的边坡安全系数。在此基础上研究了边坡稳定性的不同状态，将边坡分为安全状态、基本正常状态、异常状态，提出了近坝库岸边坡预警“安全、基本安全、异常”三个等级，对应不同等级拟定了不同安全系数条件下边坡的降雨预警指标和降雨坡度联合预警指标，并建立了近坝边坡预测预警系统。 ■

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责任编辑 韦凤年

Safety monitoring ofsideslopesofLongjiang HydropowerStation and early warning system//

Sun Gengning,He Yongjun,Yang Yang,Li Zhuo

With summary and studies on safety monitoring of side slope of Longjiang Hydropower Station and early warning system in recent years,research on models of safety monitoring of side slope near dam and indicators as well as early warning system are conducted based on case study on Longjiang Hydropower Station in Yunnan Province and landslide test.The results demonstrate the reasons and pattern of instability and damage of side slope near dam,so that real-time monitoring and early warning system can be established.

Longjiang Hydropower Station;slope;safety monitoring;early waning technology

TU457

A

1000-1123（2017）02-0041-03

2016-11-25

孙庚宁，教授级高级工程师。

国家自然科学基金(51309164、51609149)，南京水利科学研究院基金（Y712010、Y712009、Y716002）。