三維多波束測深系統在庫區蓄水穩定性復核評價中的應用

孫紅亮，羅 浩

(1.四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川 成都 610072；2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610072)

水庫在蓄水及運營過程中，由于斜坡水文地質條件變化，特別是庫水位升降產生的動水壓力及波浪對岸坡的沖蝕磨蝕等，容易引發岸坡失穩，對生命和財產安全構成威脅，因此，庫區岸坡穩定性問題是水電工程建設和運營過程中重大的工程地質問題之一。

對水電站庫區滑坡災害開展全面系統的研究，分析滑坡的穩定性特征，有效地評價庫區滑坡潛在危害程度，對保證水電站安全建設與正常運行、確保綜合效益的正常發揮，具有重要的現實意義，同時對開發西部山區豐富的水電資源，確保山區水電站的安全建設和營運，具有積極的指導作用。

分析滑坡穩定性特征需明確滑坡發育的邊界條件，幾何邊界特點主要反映滑坡發育的規模，如長度、寬度、深度、發育形態、體積等。

對于庫區淹沒的滑坡體及庫岸滑坡水下部位的發育情況調查，引入三維多波束系統。對滑坡區域水下三維地形數據進行測量，并把離散的水深數據進行網格化，構建高分辨率的水下數字地形模型，繪制水下地形三維立體圖和坡度圖，以水下滑坡所呈現出的地形特征來識別其幾何結構，量測和計算滑坡坡度、主要陡坎高度、滑坡發生的水深、滑坡表面積等，為確定滑坡水下邊界條件及確定滑坡穩定性提供基礎資料。

1 三維多波束系統

三維多波束系統是利用超聲波原理進行工作，是在單波束回聲測深基礎上發展起來的。利用安裝于船的龍骨方向上一條長發射陣，向海底發射一個與船龍骨方向垂直的超寬聲波束，并利用安裝于船底的與發射陣垂直的接收陣，當測深系統在完成一個完整的發射接收過程后，經過適當處理形成與發射波束垂直的許多個預成接收波束，從而形成一條由一系列窄波束測點組成的在船只正下方垂直航向排列的測深剖面。

三維多波束系統采用慣導系統并配有GNSS輔助定位及Octans慣性姿態傳感器，實現精確的位置、艏向、垂蕩和橫搖測量。結合配備北斗衛星定位的RTK-GPS系統，實時提供厘米級定位精度的測量數據修正。對檢測區域進行全覆蓋掃測，相鄰測線覆蓋范圍重合至少20%，對于重點部位進行多次覆蓋掃測，保證探測數據精度。

采用Qinsy數據采集軟件以及CARIS HIPS and SIPS實測數據后處理軟件共同進行，對數據采集軟件采集來的各傳感器數據進行處理及對水深數據設定各項合理的過濾參數和刪除假信號，對兩條相鄰測線重覆蓋的地方的多余觀測數據進行篩選、刪除，以保留高精度的水深數據。最后，繪制等深線圖以及典型測線地貌圖。

2 水下滑坡形態特征

關于水下滑坡分類的研究并不多見，而水下滑坡與陸上滑坡基本相似，多為整體性滑坡，即滑坡體在被破壞的同時或隨后的運動過程中基本上保持不變形的滑坡。

整體性滑坡因滑動體變形小、滑距短，滑坡體保存相對完好，因此描述陸上滑坡結構形態的常用術語也同樣適用于水下滑坡。一個發育完全的典型陸上滑坡，一般由滑坡體(1)、滑動面(2)、剪出口(3)、滑坡床(4)、滑坡后壁(5)、滑坡洼地(6)、滑坡臺地(7)、滑坡臺坎(8)、滑坡前部(9)、滑坡頂點(10)、滑墊面(11)、滑坡側壁(12)等要素組成，整體性滑坡結構的特征示意圖如圖1所示。

圖1 滑坡形態特征示意圖

3 典型實例總結

本次應用區域為西南區域某水電站長度為31.5km的局部庫區部分，共對28個水下滑坡體或滑坡體的水下部分進行了三維多波束系統測試，選取有典型的檢測成果進行分析論證。

3.1 A滑坡

A滑坡整體區域位于水下，水庫蓄水前地質調查表明，坡體前緣局部滑塌、逐級牽引滑塌，覆蓋層存在局部垮塌。

水庫蓄水后三維多波束水下地形三維立體圖如圖2—3所示，以水下滑坡所呈現出的地形特征來識別其幾何結構，由圖可見：

(1)滑坡區域相對上下游其他區域，中、低高程區域表層凹凸不平，塊狀堆積特征明顯，且中、低高程區域整體坡度較緩，由于沉積作用，滑坡洼地、滑坡臺地、滑坡臺坎等滑坡特征不明顯。

(2)滑坡體高高程的滑坡后壁區域較明顯，坡度相對低高程區域較陡。

(3)滑坡前部向河道中間區域滑動趨勢明顯，滑坡區域河床明顯變窄。

(4)從邊坡向河道方向由溝壑變為隆起臺階，滑坡區域上下游兩側滑坡側壁清晰可見。

圖2 A滑坡俯視圖

圖3 A滑坡從左岸向右岸視圖

對水下滑坡完成三維多波束系統檢測，可根據水下三維數據量測和計算滑坡發生的高程、滑坡坡度、主要陡坎高度、滑坡表面積等。對滑坡體提取剖面(剖面1- 1、剖面2- 2、剖面3- 3)，剖面位置如圖3所示，剖面圖如圖4—6所示。

(1)由1- 1剖面圖可見，該剖面處：①河床較平坦，高程在1747.1m，滑坡頂點高程在1841.3m，整體呈中高程區域突起狀；②滑坡體橫河向長度139.7m，垂直高差94.2m，整體坡度34.0°；③滑坡前部特征明顯，呈9.5m高的垂直陡面狀，向河道中部滑動趨勢明顯。

(2)由2- 2剖面圖可見，該剖面處：①河床較平坦，高程在1747.8m，滑坡頂點高程在1852.9m，中高程滑坡臺地特征明顯；②滑坡體橫河向長度181.8m，垂直高差105.1m，整體坡度30.0°；③滑坡前部特征明顯，坡度相對較陡，向河道中部滑動趨勢明顯。

(3)由3- 3剖面圖可見，該剖面處：滑坡體兩側壁處特征明顯，上下游兩側較平整，滑坡區域向河道中心方向突出，最多突出33.9m。

(4)根據滑坡邊界及表面三維坐標數據，計算滑坡表面積為10.0萬m2。

圖4 1- 1剖面圖(從上游向下游看)

圖5 2- 2剖面圖(從上游向下游看)

圖6 3- 3剖面俯視圖

對比庫區蓄水前后滑坡的物理特征，滑坡體覆蓋層產生蠕動變形，總體變形未見明顯發展，前緣滑塌有所擴大，近期可能維持現狀。目前尚未對居民安全造成實質影響，應繼續做好水下定期檢查，發現危及到居民安全時及時采取安全措施。

3.2 B滑坡

B滑坡平面展布呈箕形，前緣最低高程1655m，與枯期河水位持平，后緣高程2120m，前后緣高差465m。滑坡縱長約880m，寬約260～300m，面積約0.28km2，滑坡殘體體積約1300萬m3。滑坡前緣至中部，滑體表層組成物質主要為塊碎石土，在庫水蓄水后被淹沒。

前期研究表明，該滑坡除水庫蓄水至正常蓄水位或迭加VII度地震時，滑體有滑動的可能，其余工況均能保持穩定或基本穩定，主滑體相對次滑體，其穩定狀態較差，如圖7所示。

圖7 庫水上漲至1880m滑坡體全貌

水庫蓄水后，滑坡體產生整體蠕滑，在高程約1900、2050m及后緣地帶出現貫通性拉裂縫，下游側出現側裂縫，坡體原有拉張裂縫的下錯幅度有明顯增加，其中最后緣貫通裂縫最大下座高度已大于200cm，較蓄水前調查時增加約50cm。

監測資料表明，截至復核評價期，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，滑坡體的蠕滑變形仍在緩慢增加。

水庫蓄水滑坡穩定性復核評價三維多波束水下地形三維立體圖如圖8—9所示，以水下滑坡所呈現出的地形特征來識別其幾何結構，由圖可見：

(1)滑坡區域相對于上下游其他區域，中、低高程區域表層凹凸不平，塊狀堆積特征明顯，中、高高程區域表層相對平整光滑。

(2)滑坡中高程區域臺地特征明顯，坡度相對較緩。

(3)滑坡前部向河道中間區域滑動趨勢明顯，滑坡前部局部區域呈扇形。

(4)滑坡區域滑坡側壁清晰可見。

圖8 B滑坡俯視圖

圖9 B滑坡從左岸向右岸視圖

對該滑坡體提取剖面(剖面4- 4)，剖面位置如圖9所示，剖面圖如圖10所示，蓄水前地質剖面圖如圖11所示，進行與蓄水前地質剖面對比，對比圖如圖12所示。

圖10 4- 4剖面圖(從上游向下游看)

圖11 4- 4剖面位置蓄水前地質剖面圖

圖12 4- 4剖面蓄水前后對比圖

(1)由4- 4剖面圖可見：①河床較平坦，高程在1653.5m；②滑坡前部區域表面有一定起伏，整體較陡，坡度33.6°；③滑坡臺地特征明顯，上部區域坡度較為平緩。

(2)由4- 4剖面位置蓄水前地質剖面圖可見：①右岸邊坡為反向坡，岸坡相對較陡，坡度為35°；②滑坡處岸坡巖層產狀為N10～30°E/SE∠85°，前緣最低高程與枯期河水位持平。

(3)由庫區蓄水前后對比圖可見：①由于沉積和滑坡前部的堆積作用，現河床高程基本和蓄水前枯水期高程相同；②1800m高程以下區域向河道中間區域滑動趨勢明顯，低高程區域滑動堆積最大；③滑坡臺地及以上區域表層高程和蓄水前對比，有一定起伏，可能由于滑動堆積、拉裂或沉積影響。

總體分析可見，滑坡的整體蠕滑仍在發展，近期仍會保持整體變形持續緩慢增加的趨勢，水位下降期變形速率會有所增大，失穩破壞模式以滑坡前緣及兩側溝近水邊部位牽引式逐級滑塌為主，不排除極端工況下發生快速的整體失穩破壞。

鑒于滑坡處于近壩庫區，滑坡體上常有當地居民通過，考慮最不利情況，預測計算對岸涌浪高度近30m。為了庫區安全考慮，建議高度重視滑坡變形的巡視檢查、水下定期檢查及監測工作，隨時掌握滑坡的活動狀態，做好滑坡變形異常的預警預報和相應的應急預案，確保水庫運行安全。

4 結論

引入三維多波束系統對于庫區蓄水期滑坡體穩定性復核進行評價，主要得出以下結論。

(1)水下三維多波束系統可清晰精確的反映水下滑坡的整體地貌及幾何結構特征，可量測和計算滑坡坡度、主要陡坎高度、滑坡發生的水深、滑坡面積等，為確定滑坡水下邊界條件提供基礎資料。

(2)可根據水下滑坡體表面三維坐標成果建立基準數據模型，定期進行水下檢查，通過滑坡體表面三維坐標的變化情況，監測滑坡活動狀態。

(3)可根據水下三維多波束系統測試滑坡體表面三維坐標，結合地面調查和監測資料進行綜合分析判斷滑坡活動狀態。