某水電站庫區某斜坡牢固性監控之自動化改良科技的概述理工論文
第一章 前言
1.1 選題依據及研究意義
國內外,由於水庫庫岸滑坡的失穩,產生了一系列的災難性事故,如 1959 年 2月 1 日,法國馬爾帕塞薄拱壩左壩頭沿絹雲母頁岩發生滑動,致使壩體破裂,造成500 人死亡;1963 年 10 月,義大利 Vajont 大壩庫水下降時大壩左岸山體發生順層基岩滑坡,激起 250m 高的湧浪,湧浪漫過壩頂,造成 1925 人死亡[1];我國湖南柘溪水庫在蓄水初期,在近壩段發生大型順層基岩滑坡(塘巖光滑坡),激起的湧浪衝毀了已建成的構築物,並造成 40 人死亡[2];湖北黃龍灘水庫在 1974 年至 1985年間,庫區發生了 73 處滑坡,造成了 11900 多人不得不進行移民搬遷[3];2003 年 6月,三峽水庫蓄水至 135m 後不久,發生大型順層基岩滑坡(千將坪滑坡),導致了 24 人死亡或失蹤[4]。
在這些災難發生之後,人們對水庫滑坡的穩定性給予了更多的關注。為了避免由於庫岸滑坡帶來的生命財產損失,在水庫建設和執行過程中,庫岸邊坡的監測工作也逐漸受到了更多的重視。國內大多數水庫庫岸滑坡的監測工作,主要是採用人工觀測的方式進行監測資料的獲取、分析和預報。人工觀測存在監測頻次低、資料採集過程中耗費的勞動量大、監測資料的採集過程容易受到外界不可抗力的影響(如強降雨)等缺點。不能夠較好的完成監測預警的目的。
隨著科技的進步,自動化資料採集技術和傳輸技術得到了長足的發展,目前自動化監測技術已逐漸的被應用於庫岸滑坡穩定性的監測工作中。如 1991 年我國在三峽庫區內 14 個重大滑坡體上組建了自動化監測站,目前這些自動化監測儀器執行正常,而且較好的完成了監測預警的目的,避免了生命財產的損失。1991 年 6 月29 日秭歸縣雞米寺 60 萬 m3 滑坡,透過及時準確的預警,滑坡區內 2504 人無一傷亡,財產損失也降到最低限度[5]。
自動化監測具有無人值守、實時線上、實時計算分析等優點,而且自動化監測技術能夠消除人為誤差對測量精度的影響,大大的提高了測量結果的可靠性,所以有必要對採用了人工觀測手段的庫岸滑動進行有針對性的自動化改造,消除人工觀測的弊端,達到更好的預警效果。
二灘水庫庫區內也布著較多的滑坡體。水庫兩岸大於 10 萬 m3 的各種不同型別的滑坡有 100 多處,大部分分佈於支溝河谷中,對二灘大壩無直接的影響;幹流岸坡穩定性較差,方量大於 500 萬 m3 以上的有 15 處。其中金龍山斜坡位於電站庫首左岸,距離二灘大壩 600m~1300m,穩定性問題十分複雜,對二灘大壩的安全及下游人民的安全威脅最大[6~7]。
金龍山斜坡上目前設定的變形監測控制網包含,地表位移變形、深層變形、地下水位、平硐監測和斜坡區氣象監測。現有的監測方案具有監測資料不完整,觀測頻次少,資料處理不能及時反映坡體的穩定情況等一系列問題;而且觀測過程中存在著資料採集工作繁重、也有一定的人為誤差和危險性,因此有必要對斜坡上現有的監測儀器進行自動化改造。
目前國內外已採用自動化監測技術的滑坡體,絕大多數是沒有在儀器安裝以前進行自動化監測技術的`可行性研究,而是直接採購自動化監測儀器,並不考慮周圍環境對自動化監測裝置執行以及監測資料真實性的影響,從而產生了監測資料誤差過大,甚至出現了自動化監測專案遭棄用的現象。如貴州省大方縣德興煤礦滑坡體上安裝的 GPS 監測系統,沒有在系統安裝前進行太陽能板的供電設計,造成了 GPS監測儀器不能夠正常工作、貴州省都勻市馬達嶺接娘平變形體沒有在 GPS 安裝之前進行 GPRS 無線訊號強度測試,而是直接採用 GPRS 通訊業務進行監測資料的傳輸,最終導致 GPS 監測系統安裝完成後,監測資料無法正常傳送。所以為了使金龍山斜坡現有監測儀器在自動化改造完成以後,能夠正常執行並且獲取的監測資料能夠達到一個較高的精度,安裝之前進行自動化監測技術研究就顯得更為重要。
鑑於此,作者在導師的指導下,結合作者參加的 雅礱江流域水電站重大滑坡體自動化監測技術研究 科研專案,以《二灘水電站庫區金龍山斜坡穩定性監測的自動化改造技術研究》為碩士論文選題,展開論文的研究工作,以期獲得對金龍山斜坡穩定性監測有益的成果及對類似工程具有指導意義的研究方法和手段。
1.2 國內外研究現狀
1.2.1 庫岸滑坡監測現狀
庫岸滑坡監測是為了避免或減輕由於岸坡失穩造成的生命財產損失,透過在岸坡的內部或表面安裝埋設監測裝置,監控坡體在誘發因素作用下的變形發展趨勢,並在岸坡失穩前及時準確的進行預警預報。是集形成機理、監測儀器、時空技術和預測預報技術為一體的綜合性技術。
1963 年,義大利 Vajont 大壩左岸山體發生順層滑坡以後,國內外的專家學者逐漸意識到了庫岸滑坡穩定性監測工作的重要性,並開展了一系列的岸坡穩定監測工作研究;我國的庫岸滑坡監測工作是隨著二灘、小浪底和三峽工程的興建,而逐漸開展起來的[8]。早期的監測工作是透過水準儀、經緯儀和鋼尺等儀器,量取坡體的地表位移和宏觀變形;20 世紀 80 年代後,隨著測量機器人和 GPS 技術的引入,以及電子技術和計算機技術的發展,監測手段更多的向自動化、高精度及遠端化發展。
第二章 工程地質條件
金龍山斜坡坡面與岩層走向夾角 30°,岩層傾右岸但偏下游,在順河流方向上岩層以 16°左右的視傾角傾向下游,陽新灰巖頂底假整合面自上游的臨空狀態向下遊逐漸插入河床之下,造成了坡體由上游至下游穩定條件上的差異。根據兩條假整合面的出露程度將金龍山斜坡從自西向東劃分為三個區段[20~23]。Ⅰ區:古滑坡區,位於斜坡上游側,呈順坡槽谷地貌;Ⅱ區:巖體蠕變區,位於斜坡中部,呈脊形地貌;Ⅲ區:淺-表層滑坡區段,位於斜坡下游側,呈脊形地貌,見圖 2-1。
第三章 現有監測成果分析與方案評價 ...............17
3.1 監測儀器佈置及執行情況 ...........17
3.2 變形特徵分析 ....................19
3.3 現有監測方案存在的問題 ..........41
3.4 小結 ............................43
第四章 訊號測試與分析 ...............45
4.1 GPS 監測系統概述 ................45
4.2 GPS 採集訊號測試 ................49
4.3 GPS 訊號測試成果分析 ............52
4.4 無線資料傳輸訊號測試 ............58
4.5 小結 ........ .....61
第五章 自動化改造方案研究 ..............62
5.1 現有監測專案自動化改造方案研究 ..........62
5.2 新增自動化監測專案 ....................79
5.3 資料傳輸系統的選擇 ....................81
5.4 自動化輔助系統研究 .................... 82
5.5 自動化監測方案效果評價 ..................86
結語
本文以金龍山斜坡現有監測儀器的自動化改造為研究主題,在對現有監測資料分析的基礎上,結合 GPS 採集訊號分析成果,明確了有必要進行自動化改造的監測專案和監測部位;然後根據 GPRS/CDMA 無線傳輸訊號強度的測試成果、斜坡的地形地貌條件和現有的自動化改造技術,最終確定了適合於金龍山斜坡的自動化改造方案。本文得出的主要結論和成果如下:
(1)透過對現有監測資料的分析研究,明確了影響坡體穩定性的外界因素,統計了地表位移特徵點、滑面位置和 V 號平硐內變形量大的監測部位,總結出現有監測方案中存在的問題。
(2)利用 TEQC 質量分析軟體分析評價了 3 個地表位移控制點和 13 個地表位移特徵點的 GPS 採集號質量。分析結果表明:斜坡地區大部分地表位移測點是完全可以利用 GPS 監測系統進行替代。
(3)透過對比分析金龍山斜坡區域內 GPRS/CDMA 無線資料傳輸業務的訊號強度,結合斜坡的地形地貌條件、監測點之間的相互位置,得出應選用 CDMA 通訊業務進行監測資料的傳輸。GPRS 訊號強度值普遍較低,而且測試值相差較大,訊號強度不穩定;CDMA 的訊號強度均為優,訊號強度穩定。
(4)從點位選擇、監測儀器的佈置方式、安裝過程及資料後期處理等方面系統的對金龍山斜坡進行了自動化改造方案研究。
(5)對自動化監測方案進行了效果評價,得出①相比於與現有監方案,該自動化監測方案針對性更強,直接關注重點監測部位的變形特徵,減少了自動化改造的資金投入;②監測資料的採集頻次大大提高,能夠及時的將監測資料反饋給相關部門,達到預警的目的;③通過後期長時間的執行,與人工觀測相比能夠大大減少觀測費用的投入。