沐若水電站邊坡變形監測探討

陳 軍

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

邊坡監測主要指邊坡因地下水、地震、人工切坡等因素導致的土體或巖體沿軟弱面產生部分或整體向下滑動的監測工作，它為邊坡穩定預測及評價提供科學依據并依此制定相應科學經濟的防災對策。本文針對馬來西亞沐若水電站工程廠房區邊坡監測進行項目優化、精度指標及經濟性探討。

1 概 況

1.1 工程概況

沐若水電站地處馬來西亞婆羅洲島的沙撈越州拉讓（Rajang）河流域源頭的沐若河上，壩址控制流域面積約2 750 km2。工程主要任務是發電，水庫正常蓄水位EL540.0 m，年徑流量120 億m3，總庫容120.43 億m3，調節庫容54.75 億m3。引水發電廠房裝機4 臺，單機容量為236 MW，總裝機容量944 MW。工程分成大壩區和廠房區。大壩區由碾壓混凝土重力壩、導流洞、生態流量引水發電系統等組成；廠房區由引水系統、發電廠房等組成。發電廠房距大壩下游約9 km，主廠房距進水口約2 km。

1.2 水文地質概況

沐若水電站所處拉讓河流域屬熱帶季風氣候。相對濕度全年不低于85%，全年最高平均氣溫30.7℃，最低平均氣溫23.2℃。流域發生降雨的頻率大于100 d/a，其中大于10 mm/h 的平均降雨天數為60 d。年平均降雨量約為4 456 mm。

沐若水電站廠房區邊坡巖體為第三紀始新世砂巖與泥巖或頁巖，呈軟硬相間互層，巖體風化不均，強風化深度一般在（5～15）m，邊坡一帶裂隙、剪切帶較發育。存在巖體易沿層面拉開而發生傾倒或變形，因此存在邊坡不穩定因素。

2 監測項目布置原則

本文僅針對沐若水電站主廠房區后邊坡的監測進行探討，因此，遵循以下布置原則：

（1）監測儀器及測點應埋設穩固、可靠、有效、耐久。

（2）選定儀器類型盡量單一，力求結構簡單、安裝操作簡便，合理優化監測項目應盡可能減少成本投入。

（3）監測項目確定后應及時埋設、觀測、整理資料并反饋信息。

（4）監測項目的布置應突出重點。以整體穩定性監測為主，兼顧監控應力相對集中的可能產生滑移的結構面；以位移變形監測為主，選擇地質相對復雜，對邊坡穩定性起控制作用的結構部位進行監測。

3 監測項目內容選擇

廠房區邊坡位于廠房機組正后方，根據已有地質資料,其巖體整體風化嚴重，強風化深度一般在（5～15）m。根據《滑坡體防治工程設計及施工技術規程》，其地質及支護結構屬于二類邊坡防治工程。施工期監測以變形監測為主要目的，采取的監測手段有：表層變形監測、深層變形監測及滲流滲壓監測。

（1）表層變形監測：對邊坡局部應力較為集中、開挖坡度較大、影響主廠房結構的局部位置布置監測點。運營期將于各級馬道布設測墩作為永久水平位移監測點。

（2）深部變形監測：表層變形監測數據分析顯示廠房后邊坡EL250.0 以上邊坡有局部滑動趨勢。經支護加固后，埋設6 套深層多點位移計對EL250.0以上邊坡深層進行監測。

（3）滲流滲壓監測：考慮到沐若水電站所處流域年降雨量較大，地下水活動較為頻繁。因此，邊坡支護完成后埋設3 套測壓管對邊坡進行地下水位監測。

監測點位布置見圖1。

圖1 廠房后邊坡監測點布置圖

4 監測方法及精度

沐若水電站廠房后邊坡監測主要以變形監測為主，因此這里僅討論表層變形監測項目的選用方法及點位精度。

表層變形監測在施工期主要以布置簡易監測點的形式進行監測。邊坡支護后，在各級馬道加設安裝強制對中盤的永久測量墩。利用廠房區首級控制網點作為基準點，采用極坐標法采集基準點與監測點的水平角、垂直角和平距，并進行氣象修正，用精密三角高程進行垂直位移觀測，從而推算出監測點三維坐標。廠房區已有二等施工控制網點位精度見表1。

表1 廠房基準網點位精度表如下

極坐標法觀測一般需要兩個或兩個以上的工作基點，觀測時在工作基點A 架設全站儀、在后視點B（工作基點）和監測點P 架設棱鏡，利用全站儀的測角功能測定夾角β，用全站儀的測邊功能測定邊長SAP。再按式（1）可計算出監測點P 的坐標（xP、yP）。其觀測原理參見圖2。

圖2 極坐標觀測法示意圖

下面分析極坐標法監測點位精度。

根據測量“誤差橢圓”模型和解析幾何定理“橢圓的任一共軛半徑平方之和是常數”，點位精度一般為：

式中 Mx——誤差橢圓坐標X 軸的投影；

My——誤差橢圓坐標Y 軸的投影；

a、b——誤差橢圓的長半軸和短半軸。對于極坐標法，則點位P 的精度可寫為：

式中 Mβ——水平角觀測中誤差；

Ms——測距中誤差；

ρ=206 265″

沐若水電站廠房邊坡監測儀器選用LeicaTCA2003（測距精度1+1 ppm,測角精度0.5″），角度及邊長觀測4 測回，平均測距邊長約300 m。代入式（3）可得。

根據 《水利水電工程施工測量規范》（DL/T 5173-2003）中表14.1.3，水平位移及垂直位移點位誤差精度指標均為±（3.0～5.0）mm；根據表14.3.8“精密全站儀坐標法觀測的技術要求”，精度指標為3 mm 時觀測邊長最大可達到700 m。因此，利用廠房區首級二等施工控制網點作為基準點對邊坡監測點進行極坐標法觀測完全可以滿足規范技術要求。

5 監測項目優化探討

不同類型邊坡，根據地質、地形、滑動誘發因素等，應采用多種監測方法相結合，監測內容不盡相同，監測重點亦不同。沐若水電站廠房后邊坡施工期監測在考慮技術可操作性及經濟性的情況下，對監測項目的選定進行了優化精簡。

（1）廠房后邊坡各級馬道高差為10 m，EL238.8以下由副廠房混凝土回填，EL238.8 以上為永久臨空面，采用土工柵格支護。

從邊坡所處位置考慮：邊坡屬于較為重要的區域，須進行施工期臨時監測和運營期的永久監測；從經濟角度考慮：施工期表層位移監測采用埋設簡易監測點的方式，根據開挖進度，對結構應力較為集中的區域進行測點布設。運營期監測則摒棄費用較高的正、倒垂監測項目，在EL238.8 m 以上邊坡的各級馬道上建立安裝強制對中裝置的觀測墩進行永久監測。

（2）施工期表層水平位移變形監測采用進行極坐標法觀測，一次在若干個監測點上架設棱鏡同時進行水平角和邊長觀測；垂直位移變形用三角高程代替精密水準。保證滿足監測精度的情況下，提高了現場可操作性，大大減少了人力物力的投入。

（3）為監測邊坡加固支護后的穩定性，對EL238.8 m 以上臨空邊坡選用一種深層位移變形監測方法，即采用埋設多點位移計法，實現表層和深層位移監測的結合。擯棄鉆孔測斜儀法，在滿足監測目的的要求下，減少成本投入。

（4）廠房后邊坡巖層風化嚴重且深度達15 m，邊坡整體性較差。人工切坡過程中局部開挖基本不會引起整體邊坡變化，因此不進行邊坡爆破影響監測和應力變化監測項目。

（5）表面傾斜監測的目的是為了監測邊坡在變形過程中的整體性傾斜變化情況，其缺點是監測范圍小且受局部地質條件影響大，因此廠房后邊坡不適宜進行表面傾斜監測項目。

（6）邊坡施工開挖期較不穩定，出現局部滑移現象。經土工柵格方式支護后，邊坡監測數據無突變跡象。因此不進行地表裂縫監測和加固效果監測。采用人工巡視的方式進行宏觀監測。

具體優化項目比較見表2。

表2 邊坡監測常規項目與沐若水電站邊坡監測項目比較表

6 監測精度指標的探討

沐若水電站廠房后邊坡監測采用極坐標法進行水平位移觀測和三角高程觀測，其成果完全可滿足相關規范技術要求。同時，經參考邊坡及滑坡體各相關規范，我們發現：《混凝土壩安全監測技術規范》（DL/T 5178-2003）及 《水利水電工程施工測量規范》（2003）中表14.1.3 均針對邊坡（滑坡體）水平及垂直位移變形監測作了具體要求，但標準不盡相同；《坍塌、滑坡、泥石流監測規范》（DZ/T 0221-2006）給出了觀測方法卻并未作出精度指標要求。各相關規范在邊坡（滑坡體）變形精度標準及變形速率等方面均存在差異，并未形成統一的標準。具體統計情況見表3。

表3 相關規范對于邊坡變形精度的比較統計

針對沐若水電站廠房后邊坡的位移變形監測，僅采用最為簡便易操作的極坐標觀測法即可滿足監測目的，達到上述規范中最高要求標準，詳見式（3）。

7 邊坡監測建議

（1）在滿足工程要求的前提下，盡量優化監測項目內容，提高現場可操作性，減少成本投入。

（2）監測項目視工程實施具體情況進行選擇，施工期監測和永久（運營期）監測相結合布置。施工期監測在允許的情況下可適當放寬監測條件和精度，減少人力物力的投入。

（3）根據邊坡所處位置和危害程度，可采取不同精度的監測方法，滿足工程建設的需要即可。

（4）對于表層變形位移監測，根據控制測量中“逐級控制”的原則，在已有高精度基準網的前提下，可采取較為簡便的觀測方法，如本實例中極坐標法即充分利用了全站儀，可同時對邊坡多個點位進行觀測，提高工作效率。

（5）監測項目以儀器量測為主，同時輔以人工巡視和宏觀調查，充分利用已有氣象地質資料，結合已布置監測項目數據進行穩定性分析，達到事半功倍的效果。如本實例中利用已有氣象資料及加強人工巡視減少了環境量監測和地表裂縫及加固監測項目的投入。

8 結語

邊坡工程監測的內容和方法較多，重要邊坡須進行全方位立體式的布置進行監測。同時根據工程性質和邊坡在工程中所處位置的不同，其監測內容和方法應區別對待。在滿足監測目的的要求下，可盡量優化監測內容、提高工作效率、減少成本投入，達到施工方、設計、業主多方共贏的目的。