震损高陡边坡工程安全预警与防控

李 万 洲

(中国水利水电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时30分，云南省鲁甸县发生6.5级地震，在鲁甸县火德红乡李家山村和巧家县包谷垴乡红石岩村交界的牛栏江干流上造成右岸山体崩塌、滑坡，形成堰塞湖，堰塞体高度为103 m，方量为1 200万m3，总库容2.6×108m3。后经应急处置后堰塞湖水位下降，险情得以解除。为彻底消除地震造成的堰塞湖可能引发的洪水等次生灾害，需对红石岩堰塞湖进行整治改建。

地震崩塌后，滑坡残留体呈圈椅状，上部为陡峭的滑坡后壁，下部为震损原状边坡，场地较为狭窄。根据地形地质特性，整治改建的红石岩水电站将溢洪洞、泄洪冲沙放空洞及引水系统的进水口均布置在震损边坡内，即“三洞合一”进水口边坡(图1)。在破碎震损边坡上进行边坡开挖支护施工、修建工程于国内外尚属首次。在堰塞体的右岸形成“三洞合一”的布置，即溢洪洞、泄洪冲沙放空洞及引水系统的进水口布置在右岸山体之中。边坡呈现出下部陡，上部缓的地形，高程1 330 m以下地形坡度约为75°，高程1 330 m以上的坡度约为40°。边坡基岩裸露，由奥陶系上巧家组(O2q)弱风化中层状至薄层状砂岩、石英砂岩、页岩组成。边坡稳定性受三组结构面控制，即：缓倾下游偏山里的层面，顺河向陡倾结构面及横河向陡倾结构面。边坡开口线高程约为1 365 m，至高程1 210 m时高度为155 m，开挖区共设7级马道，马道宽度为3 m，马道高差为20 m。高程1 350 m马道以上的开挖坡比为1∶0.5，以下的开挖坡比为1∶0.15。边坡开挖分层面积为821～7 651 m2，支护面积为3 320～5 500 m2，开挖区顺水流方向长166～275 m，开挖区外边缘距开挖边坡最厚处约33 m。

图1 “三洞合一”边坡示意图

2 工程难点分析

红石岩堰塞湖整治工程是世界上首个堰塞湖改建为水电站的工程，首次在震损边坡上修建工程无先例可循，施工难度大。

(1)岩体质量劣化明显，各区域差异性大。受地震快速循环载荷作用震损边坡岩体破碎，强度劣化明显且各个区域差异性很大，前期常规地质调查难以全面揭露真实的地质状况。

(2)危岩体破坏问题十分突出，安全风险高。尤其是陡立的滑坡后壁出现了严重的卸荷破坏，岩块间的切割裂隙纵横交错，孕育着大量的危岩体，稳定性极差，频繁发生落石，且前期无地质勘察资料、地质人员难以直接到陡坡上进行调查或查勘；此外，开挖边坡岩体质量亦差。在开挖扰动和余震作用下，小型崩塌、掉块时有发生，给施工人员和机械造成了很大的安全威胁。

(3)岩体破碎，开挖难度大。震损边坡开挖无先例可循，岩体劣化、破碎，爆破成孔难度大，爆破过程中易出现漏气。

(4)边坡差异变形明显，稳定性差。由于地震的动力作用，岩体强度劣化明显，边坡整体变形较大且各个区域差异性很大，常规单点式监测手段很难全面反映边坡的变形演化情况。

3 预警与防控措施

红石岩水电站震损边坡高陡、岩体破碎，在工程施工过程中，危岩体和小规模塌方时有发生，给工程施工人员和机械带来极大的安全隐患。由于落石数量众多，且大部分分布在施工区上部陡峭的滑坡残留边坡上，难以通过工程技术直接消除。而在施工开挖过程中，因开挖扰动和余震不断，也经常发生崩塌破坏现象，且因潜在失稳区域太多，有限的单点监测手段难以奏效。

基于上述难题，震损边坡施工前，项目部采用三维激光扫描、地基合成孔径雷达等非接触测量技术对整个边坡面所有区域进行了全覆盖式排查、监测与防治，研发了危岩体定量检测排查技术，实现了对整个边坡危岩体的全域排查与风险分析，并提出了三维落石风险分析方法和危岩体优化防治措施[1]。针对施工区开挖时频繁发生的马道塌方造成的威胁，研发出了边坡实时动态监测预警技术，实时预警，使施工人员和机械能够提前撤离，确保了施工安全。

3.1 地震对危岩体发育的影响

地震或爆破震动是地质灾害发生的重要诱因之一。地震或爆破震动对于危岩体发育的影响主要有两个方面：一是地震或爆破震动给危岩体一个惯性力，促进了结构面的张裂，降低了岩土体的完整性和结构面的强度；二是震动使得岩体反复压缩和松弛，当孔隙中有水时便会产生超孔隙水压力，进一步促进结构面的张裂，而一次地震中岩体要经过多次的压缩和松弛，岩体质量的损伤将发生累积效应[2]。当斜坡相对震源的高差越大，地形放大效应越强，岩体损伤程度更大。地震诱发崩滑的灾害十分常见。据统计，我国二十多个省都有地震诱发崩滑灾害的案例，尤其是地震构造发育的西部地区，地震发生频率大，每年都会导致大量的崩滑地质灾害。地震诱发崩滑灾害直接对人类的生命、财产安全造成破坏，而且其带来的次生灾害(如堰塞湖等)所产生的危害有时甚至超过地震本身。

3.2 地层岩性对危岩体发育的影响

地层岩性及其组合是危岩体形成的物质条件。软弱岩体由于风化、剥蚀往往形成缓坡，不利于危岩体发育。而坚硬、较坚硬的硬脆性岩体抗风化能力强，往往形成陡峻的斜坡。在地壳抬升、河流下蚀的过程中，陡坡上部的岩体卸荷作用强烈、卸荷裂隙等结构面发育，再加上水对结构面质量的劣化和地震力的促发，岩体很容易发生突发性的崩塌。软岩过于软弱，难以承受上部岩体的重量会向坡外发生塑性流动，在硬岩的底部产生拉应力，当拉应力超过硬岩的抗拉强度时，便会产生拉裂缝。随着软岩进一步向坡外塑流，拉裂缝逐渐向上扩展，形成下宽上窄的拉裂缝。当拉裂缝贯通时，便会导致岩体崩塌。

3.3 危岩体全域的监测识别

项目部采用三维激光扫描精细化建模技术对危岩体区域进行全域精细化扫描建模，之后，为了详细观察岩体的岩质与岩性、结构面等特性，需对扫描岩体进行精细化渲染。点云渲染也称点云融合技术，数据融合是因为激光扫描系统获取的原始数据包含各个独立传感器数据，需将各种数据联合解算以得到配准好的彩色点云数据。

(1)将激光扫描仪获取的原始点云数据和CCD相机的影像数据融合得到彩色点云数据，每一个激光点均包含RGB颜色。实际上是将激光点云数据中的每一个点和影像数据中的某一个像素相对应，因为激光扫描仪和CCD相机的相对位置是固定的且扫描是同时进行的，故可以将激光扫描仪的每一条扫描行和影像的某一列像素相对应。

(2)将得到的数据再和惯导数据联合解算得到配准后WGS84坐标系下的点云数据。实际上是通过惯导数据对点云数据的获取时间进行修正，得到WGS84下的大地坐标。融合后数据中的每一个点包含以下信息：WGS84的三维坐标、GPS时间、RGB颜色、对应CCD相机像素的行列号、POS中心三维坐标、中心坐标系下的极坐标和所处的扫描行。

断层、节理和裂隙等不连续体在岩石边坡的形态和破坏中起着关键作用。依据三维点云或表面模型可以充分地识别空间信息和不连续性，详细记录残余岩石边坡的几何形态信息。实现这一目标的一种简单方法是：根据操作者的判断，估计属于不连续表面的人工划界点云子集的最佳拟合平面。随后，不连续集的方向可以直接由拟合平面的法向量决定。

采用节理裂隙自动识别技术对边坡岩体结构面进行识别辨识。如图2所示，岩体主要存在三组优势结构面，其中顺层向裂隙J1产状最为集中，基本平行于层面，陡倾角卸荷裂隙J2产状分布范围较广，横河向构造裂隙J3产状分布也较集中。三组裂隙相互组合切割导致岩体较破碎，易形成危岩体。

图2 危岩体主要结构面分析图

将多期点云数据转换到统一坐标系统内并采用空间差值计算，可实现边坡危岩体的精确监测与危险性预判。图3表示工程掉落的危岩体及其分布情况。

图3 基于三维激光扫描危岩体辨识技术示意图

由图3可知，在施工过程中，高边坡存在大量的危岩体，危岩体掉落给其“三洞合一”进口边坡的施工带来极大威胁，应引起极大的重视。雨季是危岩体掉落的高发期，应避免在这段时间内施工，并采取避让、拦挡等措施以保证施工人员及机械的安全。

3.4 边坡开挖区实时远程监测预警

2017年3～12月为施工高峰期，为确保施工安全，采用合成孔径雷达对边坡施工开挖进行24 h不间断监测预警。为施工安全提供了可靠保证。

(1)合成孔径雷达及其原理。地基合成孔径雷达 (GB-InSAR) 是基于雷达干涉测量技术的地面遥感成像系统，它通过雷达天线发射并接收反射回来的电磁波，根据回波信号的相位变化实现高精度形变测量。该技术可以远程实时获取大范围、高精度、全天候的形变信息。雷达观测数据可以首先通过网络传输至服务器，并在服务器中建立数据库对数据进行统一的管理，观测结果可以在多个客户端实时显示；同时，通过网页技术，用户可以查询出历史的形变位移等。

(2)边坡开挖区实时远程三维监测预警。由于合成孔径雷达采用微波差分干涉测量技术[3]，其监测精度很高，可达亚毫米级(0.1 mm)且主动发射微波，测量不受时间、空间影响，可24 h连续监测，但合成孔径雷达的监测结果为二维干涉图，难以直观反映边坡的空间变形情况[4]。

图4 地基合成孔径雷达工作图

将雷达的(图4)二维监测结果解析到高精度三维的DEM模型中，实现边坡整体三维变形监测。所研发的三维变形实时监测集成系统(Real Time 3D Displacement Monitoring)可实现将雷达监测数据自动匹配、解析到三维DEM中，进而实现边坡实时三维监测。

采用合成孔径雷达和三维激光扫描集成技术，可以实现右岸残留边坡的三维实时监测，监测精度可达0.1 mm[5]，监测范围可覆盖整个残余边坡，且可24 h实时监测预警，能够最大限度地保证施工安全。

(3)实时数据的采集与监测预警。根据红石岩水电站边坡的实际条件，结合被监测边坡的区域分布，将合成孔径雷达的形变监测点选址在滑坡南侧对面的指挥平台上，监测方式采用全天不间断监测，雷达测量速度为6 min/次，采用实时处理的方式实现边坡形变实时监测，获取观测数据77轨，观测场景中存在一个明显的形变点，其形变量达到-20 mm左右，表现为远离雷达实现方向的形变分量。

在形变测量方面，观测到边坡面上的滑坡块回波信号较强，根据目标振幅及相位特性，选择出大量的稳定PS点(永久性散色体点)，进而可以进行大面积连续的边坡面形变观测。在2017年4月7日，经过将近8 h的边坡形变观测，合成孔径雷达观测出场景中存在一个明显的形变较大点位，形变量达到-20 mm。为进一步分析形变点位的形变特征，用形变曲线方法分析近8 h的历史形变特征。从历史形变剖线结果看，此形变点位在0～6 h内发生了持续的形变，形变较大，几乎呈线性趋势。而在第6～8 h，形变发生较大抖动而不再呈现线性的形变变化。此时对观测目标的实时形变速率计算采用了以下方案：首先对真实观测结果进行滤波处理，考虑到速率计算本身就是一种平均处理，然后根据滤波后形变曲线计算出观测目标的实时形变特征[6]。根据观测实时变形特征等情况达到了实时预警，将施工人员及设备提前撤离至安全地带，确保了施工安全。

4 结 语

(1)通过多时相三维模型空间差值算法，采用危岩体定量检测技术并排查了上部滑坡残留后壁上分布的所有危岩体的分布情况，共检测出36处典型危岩体，体积从0.1～500 m3不等。

(2)通过结构面空间组合关系，测算出危岩体破坏模式主要包含沿滑坡破裂面的大型倾倒破坏、沿拉裂面的平面破坏以及众多小型的楔形体破坏，基于危岩体破坏模式、高度、方量等构建了失稳风险综合评价方法，确定有13处高风险危岩体。

(3)通过地基合成孔径雷达和三维激光扫描集成监测，采用高精度(0.1 mm)雷达二维监测数据与高分辨率三维DEM数据空间融合算法，实现了整个施工区边坡三维变形的实时监测预警，成功预警了18次施工区崩塌落石灾害，提前撤离了18次，确保了施工人员和设备的安全。