三维多波束测深系统在库区蓄水稳定性复核评价中的应用

孙红亮，罗 浩

(1.四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川 成都 610072；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610072)

水库在蓄水及运营过程中，由于斜坡水文地质条件变化，特别是库水位升降产生的动水压力及波浪对岸坡的冲蚀磨蚀等，容易引发岸坡失稳，对生命和财产安全构成威胁，因此，库区岸坡稳定性问题是水电工程建设和运营过程中重大的工程地质问题之一。

对水电站库区滑坡灾害开展全面系统的研究，分析滑坡的稳定性特征，有效地评价库区滑坡潜在危害程度，对保证水电站安全建设与正常运行、确保综合效益的正常发挥，具有重要的现实意义，同时对开发西部山区丰富的水电资源，确保山区水电站的安全建设和营运，具有积极的指导作用。

分析滑坡稳定性特征需明确滑坡发育的边界条件，几何边界特点主要反映滑坡发育的规模，如长度、宽度、深度、发育形态、体积等。

对于库区淹没的滑坡体及库岸滑坡水下部位的发育情况调查，引入三维多波束系统。对滑坡区域水下三维地形数据进行测量，并把离散的水深数据进行网格化，构建高分辨率的水下数字地形模型，绘制水下地形三维立体图和坡度图，以水下滑坡所呈现出的地形特征来识别其几何结构，量测和计算滑坡坡度、主要陡坎高度、滑坡发生的水深、滑坡表面积等，为确定滑坡水下边界条件及确定滑坡稳定性提供基础资料。

1 三维多波束系统

三维多波束系统是利用超声波原理进行工作，是在单波束回声测深基础上发展起来的。利用安装于船的龙骨方向上一条长发射阵，向海底发射一个与船龙骨方向垂直的超宽声波束，并利用安装于船底的与发射阵垂直的接收阵，当测深系统在完成一个完整的发射接收过程后，经过适当处理形成与发射波束垂直的许多个预成接收波束，从而形成一条由一系列窄波束测点组成的在船只正下方垂直航向排列的测深剖面。

三维多波束系统采用惯导系统并配有GNSS辅助定位及Octans惯性姿态传感器，实现精确的位置、艏向、垂荡和横摇测量。结合配备北斗卫星定位的RTK-GPS系统，实时提供厘米级定位精度的测量数据修正。对检测区域进行全覆盖扫测，相邻测线覆盖范围重合至少20%，对于重点部位进行多次覆盖扫测，保证探测数据精度。

采用Qinsy数据采集软件以及CARIS HIPS and SIPS实测数据后处理软件共同进行，对数据采集软件采集来的各传感器数据进行处理及对水深数据设定各项合理的过滤参数和删除假信号，对两条相邻测线重覆盖的地方的多余观测数据进行筛选、删除，以保留高精度的水深数据。最后，绘制等深线图以及典型测线地貌图。

2 水下滑坡形态特征

关于水下滑坡分类的研究并不多见，而水下滑坡与陆上滑坡基本相似，多为整体性滑坡，即滑坡体在被破坏的同时或随后的运动过程中基本上保持不变形的滑坡。

整体性滑坡因滑动体变形小、滑距短，滑坡体保存相对完好，因此描述陆上滑坡结构形态的常用术语也同样适用于水下滑坡。一个发育完全的典型陆上滑坡，一般由滑坡体(1)、滑动面(2)、剪出口(3)、滑坡床(4)、滑坡后壁(5)、滑坡洼地(6)、滑坡台地(7)、滑坡台坎(8)、滑坡前部(9)、滑坡顶点(10)、滑垫面(11)、滑坡侧壁(12)等要素组成，整体性滑坡结构的特征示意图如图1所示。

图1 滑坡形态特征示意图

3 典型实例总结

本次应用区域为西南区域某水电站长度为31.5km的局部库区部分，共对28个水下滑坡体或滑坡体的水下部分进行了三维多波束系统测试，选取有典型的检测成果进行分析论证。

3.1 A滑坡

A滑坡整体区域位于水下，水库蓄水前地质调查表明，坡体前缘局部滑塌、逐级牵引滑塌，覆盖层存在局部垮塌。

水库蓄水后三维多波束水下地形三维立体图如图2—3所示，以水下滑坡所呈现出的地形特征来识别其几何结构，由图可见：

(1)滑坡区域相对上下游其他区域，中、低高程区域表层凹凸不平，块状堆积特征明显，且中、低高程区域整体坡度较缓，由于沉积作用，滑坡洼地、滑坡台地、滑坡台坎等滑坡特征不明显。

(2)滑坡体高高程的滑坡后壁区域较明显，坡度相对低高程区域较陡。

(3)滑坡前部向河道中间区域滑动趋势明显，滑坡区域河床明显变窄。

(4)从边坡向河道方向由沟壑变为隆起台阶，滑坡区域上下游两侧滑坡侧壁清晰可见。

图2 A滑坡俯视图

图3 A滑坡从左岸向右岸视图

对水下滑坡完成三维多波束系统检测，可根据水下三维数据量测和计算滑坡发生的高程、滑坡坡度、主要陡坎高度、滑坡表面积等。对滑坡体提取剖面(剖面1- 1、剖面2- 2、剖面3- 3)，剖面位置如图3所示，剖面图如图4—6所示。

(1)由1- 1剖面图可见，该剖面处：①河床较平坦，高程在1747.1m，滑坡顶点高程在1841.3m，整体呈中高程区域突起状；②滑坡体横河向长度139.7m，垂直高差94.2m，整体坡度34.0°；③滑坡前部特征明显，呈9.5m高的垂直陡面状，向河道中部滑动趋势明显。

(2)由2- 2剖面图可见，该剖面处：①河床较平坦，高程在1747.8m，滑坡顶点高程在1852.9m，中高程滑坡台地特征明显；②滑坡体横河向长度181.8m，垂直高差105.1m，整体坡度30.0°；③滑坡前部特征明显，坡度相对较陡，向河道中部滑动趋势明显。

(3)由3- 3剖面图可见，该剖面处：滑坡体两侧壁处特征明显，上下游两侧较平整，滑坡区域向河道中心方向突出，最多突出33.9m。

(4)根据滑坡边界及表面三维坐标数据，计算滑坡表面积为10.0万m2。

图4 1- 1剖面图(从上游向下游看)

图5 2- 2剖面图(从上游向下游看)

图6 3- 3剖面俯视图

对比库区蓄水前后滑坡的物理特征，滑坡体覆盖层产生蠕动变形，总体变形未见明显发展，前缘滑塌有所扩大，近期可能维持现状。目前尚未对居民安全造成实质影响，应继续做好水下定期检查，发现危及到居民安全时及时采取安全措施。

3.2 B滑坡

B滑坡平面展布呈箕形，前缘最低高程1655m，与枯期河水位持平，后缘高程2120m，前后缘高差465m。滑坡纵长约880m，宽约260～300m，面积约0.28km2，滑坡残体体积约1300万m3。滑坡前缘至中部，滑体表层组成物质主要为块碎石土，在库水蓄水后被淹没。

前期研究表明，该滑坡除水库蓄水至正常蓄水位或迭加VII度地震时，滑体有滑动的可能，其余工况均能保持稳定或基本稳定，主滑体相对次滑体，其稳定状态较差，如图7所示。

图7 库水上涨至1880m滑坡体全貌

水库蓄水后，滑坡体产生整体蠕滑，在高程约1900、2050m及后缘地带出现贯通性拉裂缝，下游侧出现侧裂缝，坡体原有拉张裂缝的下错幅度有明显增加，其中最后缘贯通裂缝最大下座高度已大于200cm，较蓄水前调查时增加约50cm。

监测资料表明，截至复核评价期，最大水平合位移1113.0mm，位移速率1.78mm/d，最大垂直位移820.7mm，位移速率1.31mm/d，滑坡体的蠕滑变形仍在缓慢增加。

水库蓄水滑坡稳定性复核评价三维多波束水下地形三维立体图如图8—9所示，以水下滑坡所呈现出的地形特征来识别其几何结构，由图可见：

(1)滑坡区域相对于上下游其他区域，中、低高程区域表层凹凸不平，块状堆积特征明显，中、高高程区域表层相对平整光滑。

(2)滑坡中高程区域台地特征明显，坡度相对较缓。

(3)滑坡前部向河道中间区域滑动趋势明显，滑坡前部局部区域呈扇形。

(4)滑坡区域滑坡侧壁清晰可见。

图8 B滑坡俯视图

图9 B滑坡从左岸向右岸视图

对该滑坡体提取剖面(剖面4- 4)，剖面位置如图9所示，剖面图如图10所示，蓄水前地质剖面图如图11所示，进行与蓄水前地质剖面对比，对比图如图12所示。

图10 4- 4剖面图(从上游向下游看)

图11 4- 4剖面位置蓄水前地质剖面图

图12 4- 4剖面蓄水前后对比图

(1)由4- 4剖面图可见：①河床较平坦，高程在1653.5m；②滑坡前部区域表面有一定起伏，整体较陡，坡度33.6°；③滑坡台地特征明显，上部区域坡度较为平缓。

(2)由4- 4剖面位置蓄水前地质剖面图可见：①右岸边坡为反向坡，岸坡相对较陡，坡度为35°；②滑坡处岸坡岩层产状为N10～30°E/SE∠85°，前缘最低高程与枯期河水位持平。

(3)由库区蓄水前后对比图可见：①由于沉积和滑坡前部的堆积作用，现河床高程基本和蓄水前枯水期高程相同；②1800m高程以下区域向河道中间区域滑动趋势明显，低高程区域滑动堆积最大；③滑坡台地及以上区域表层高程和蓄水前对比，有一定起伏，可能由于滑动堆积、拉裂或沉积影响。

总体分析可见，滑坡的整体蠕滑仍在发展，近期仍会保持整体变形持续缓慢增加的趋势，水位下降期变形速率会有所增大，失稳破坏模式以滑坡前缘及两侧沟近水边部位牵引式逐级滑塌为主，不排除极端工况下发生快速的整体失稳破坏。

鉴于滑坡处于近坝库区，滑坡体上常有当地居民通过，考虑最不利情况，预测计算对岸涌浪高度近30m。为了库区安全考虑，建议高度重视滑坡变形的巡视检查、水下定期检查及监测工作，随时掌握滑坡的活动状态，做好滑坡变形异常的预警预报和相应的应急预案，确保水库运行安全。

4 结论

引入三维多波束系统对于库区蓄水期滑坡体稳定性复核进行评价，主要得出以下结论。

(1)水下三维多波束系统可清晰精确的反映水下滑坡的整体地貌及几何结构特征，可量测和计算滑坡坡度、主要陡坎高度、滑坡发生的水深、滑坡面积等，为确定滑坡水下边界条件提供基础资料。

(2)可根据水下滑坡体表面三维坐标成果建立基准数据模型，定期进行水下检查，通过滑坡体表面三维坐标的变化情况，监测滑坡活动状态。

(3)可根据水下三维多波束系统测试滑坡体表面三维坐标，结合地面调查和监测资料进行综合分析判断滑坡活动状态。