溪洛渡白铁坝堆积区深部变形监测可视化分析

孟永东 樊方涛 徐卫亚 王仁坤 蔡德文

（1.三峡大学 水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002；2.河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，南京 210098；3.中国水电顾问集团 成都勘测设计研究院，成都 610072）

我国西南高山峡谷地区，河谷发育过程中经历变形破坏活跃期，崩塌、滑坡等在长期重力地质作用及降雨作用下形成一些堆积体边坡［1－2］，其稳定问题直接关系到水电工程的建筑物运行安全.实践证明，安全监测是掌握堆积体边坡稳定状态的最有效途径［3－8］.传统的监测资料分析方法主要包括:进行定性分析的常规分析方法，如:比较法、作图法、特征值统计法和测值因素分析方法等；进行定量分析的数学模型分析方法，如:统计分析方法、时间序列分析法和非线性智能分析方法等；数学物理模型分析方法，如:确定性模型和混合模型分析.由于堆积体的稳定性受地质、施工、环境等众多因素影响，具有未确知性、随机性、模糊性、可变性等特点，传统方法没有充分考虑地质因素，不能全方位、直观地表现监测对象的整体工作性态，为此，以建立三维地质模型为基础，并结合安全监测资料对边坡的稳定性进行综合分析，可较形象、全面地反映堆积体变形趋势和稳定状态.

本文针对金沙江溪洛渡水电站左岸谷肩堆积体白铁坝堆积区削坡范围I至V区深部变形监测分析问题，在依据地形、地质资料建立谷肩堆积体三维地质模型［9－11］的基础上，进行测斜孔深部监测点位置虚拟钻孔岩芯取样.根据测斜孔监测资料，绘制各测斜孔的“位移－深度”曲线，进而实现深部变形监测资料与基于虚拟钻孔岩芯所揭示赋存地质条件的综合分析，利用滑移面的“位移－时间”曲线对堆积体变形演化趋势进行预测，通过绘制监测物理量数据场三维云图分析测斜孔深部监测成果，研究堆积体的变形破坏模式，进行稳定状态的评价.

1 谷肩堆积体地质条件

Ⅰ区:位于泄洪洞进口上方，坡面为坡洪积含碎砾石土，受附近无名沟长年流水的搬运作用，细粒物质较多，厚度较大.本区无钻孔资料，推测坡洪积层厚约10m，内部古滑坡残体厚约10～35m.

Ⅱ区:下部为古滑坡残体，钻孔揭示前缘厚约42.2m，中后部厚约56.2～64.5m，底板高程740～748m，顶板高程803～812m；中部为冰川、冰水堆积物，钻孔揭示厚6.3～20m，底板高程803～812m，顶板高程809～826m；表部坡洪积物，含碎砾石土，钻孔揭示厚5.7～16.2m，前缘高程803～805m，中后缘厚度逐渐增大，底板高程803～826m.

Ⅲ区:下部为古滑坡残体，钻孔揭示厚度约25 m，底板高程755m，顶板高程784～790m；中部为冰川、冰水堆积物，钻孔揭示厚12～17m，底板高程784～790m，顶板高程796～808m；表部为坡洪积物，钻孔揭示厚5.7～10m，前缘高程803～805m，中后缘厚度逐渐增大，底板高程803～826m.

Ⅳ区:下部为古滑坡残体，钻孔揭示厚度8.1～33.8m，前缘厚约8.1m，中后缘厚约33.8m，底板高程768～770m，顶板高程776～803m；中部为冰川冰水堆积物，钻孔揭示厚约11m，底板高程776～782 m，顶板高程787～803m；表部为坡洪积物，厚3.9～8.3m，底板高程787～803m，顶板高程795～811m.

V区:下部古滑坡残体，钻孔揭示厚度24.1m，底板高程795m，顶板高程约819m；中部为冰川、冰水堆积物，厚4m，底板高程约819m，顶板高程823 m；表部为坡洪积物，厚5.3m，底板高程823m.

2 三维地质建模及虚拟钻孔取样

依据溪洛渡水电站左岸谷肩堆积体的地形、地质等勘测资料，采用基于半边B－Rep和裁减NURBS数据结构的三维地质建模方法［12］建立堆积体的三维地质模型，主要步骤如下:

1）应用NURBS曲面技术，以地表控制点集合和建模范围边界线为基础数据，采用反算法，构建堆积体的自然地表界面；

2）根据堆积体的削坡开挖设计和施工图，提取并处理堆积体削坡坡面结构线，按照控制点高程将结构线转化为三维空间带有高程信息的线段.进而，按封闭区域构造所有结构面的闭合边界环，按NURBS曲面的拓扑关系存储边坡控制信息，形成NURBS曲面集合.最后，将每个NURBS曲面的参数函数与地表界面的NURBS曲面的参数函数进行求交运算，形成带裁减曲线信息的裁减NURBS曲面集合，即可建立削坡范围I至V区的人工界面；

3）根据地质平面图所揭示的地层等地质结构出露线，以及地质剖面图所揭示的地质结构走向，得到地质结构趋势面数据点集，再依照自然地表界面NURBS曲面生成方法，根据地质结构趋势面数据点集和曲面边界生成NURBS参数函数曲面，分析各地质结构的空间关系，与地表、边界范围等其它相关结构界面逐一求交，生成地质结构界面的裁减信息，按NURBS曲面数据结构存储地质结构界面的裁减NURBS曲面定义数据，形成地质界面；

4）通过半边B－Rep结构组织NURBS曲面的空间拓扑关系，实现堆积体三维实体模型的地质构造体划分，完成白铁坝堆积区三维地质模型的建立；

5）运用布尔运算对各测斜孔深部监测点位置进行虚拟钻孔岩芯取样（如图1所示），以便结合测斜孔孔位的地质条件进行测斜孔深部变形监测资料的综合分析.

3 深部变形监测可视化分析

3.1 监测系统组成

左岸谷肩堆积体白铁坝区的5个分区布设有4个重点监测断面，其中2个为关键断面，共埋设了20座外观监测点、9个测斜孔，9台锚索测力计，1支渗压计，量水堰1个，测压孔1孔，单点位移计2套.因各种原因损坏的测斜孔已全部恢复，现有8个测斜孔可正常观测.左岸谷肩堆积体外观测点和测斜孔的概略位置如图2所示.

3.2 测斜孔监测资料综合分析

测斜孔监测符号为:A向临空面（河谷）位移为“＋”；B向下游位移为“＋”；反之为“－”.

3.2.1 V 区

V区布置的测斜孔IN01H，位于Ⅴ区开口线排水沟旁，孔口高程829m，有效观测深度为50m.从虚拟地质钻孔取样图可知，孔口～10.5m段为洪积堆积层，孔深10.5～19m段为冰川冰水堆积物，19～33.5m段为古滑坡堆积层，33.5m以下为宣威组.

测斜孔IN01H于2010年2月恢复观测，结合监测资料和虚拟地质钻孔取样图可知，该部位的滑移面主要位于33.5m古滑坡堆积与宣威组交界处（如图3所示），与地质情况吻合，截至2012年3月，滑移面A向临空（河谷）错动量为13.85mm，另外，在14.5～18.5m段（位于冰川冰水堆积）存在较明显的向河谷并略向上游方向变形.

截至2012年3月，从滑移面错动量变化过程曲线（如图4所示）可知，滑移面累积合位移为13.27 mm，增量合位移曲线表现出位移增量有明显变缓趋势，进行滑移面累积合位移的线性二次指数平滑预测建模，预测曲线显示2012年8月的滑移面累积合位移为14.8mm；从孔口位移变化过程曲线（如图5所示）可知，该测斜孔孔口累计合位移为35.25mm，孔口累计位移增长较小，根据孔口累积合位移线性二次指数平滑预测曲线，预计2012年8月的孔口累积合位移为35.67mm.

3.2.2 Ⅳ区

Ⅳ区共布设有4个测斜孔:IN02H、IN03H、IN12H、IN13H.IN02H于2010年2月28日取得基准值，为恢复后的测孔.分析图6可知，从截至2012年3月，该孔大体向河谷方向变形，与外观变形监测结果一致.在28.5～29.5m深度之间存在明显滑移面，A向临空面（河谷）错动量较大，分析虚拟地质钻孔取样图可知，该位置位于古滑坡堆积与宣威组交界处，在孔口洪积堆积层内A向位移有小幅错动，孔口A向位移为14.56mm，B向位移较小，孔口总体位移方向为向河床并略向下游.截至2012年3月滑移面累计错动位移为13.55mm.同样以孔深28.5m的滑移面位置累积合位移为样本进行线性二次指数平滑预测建模，得到滑移面累积合位移的预测曲线，预计至2012年8月滑移面的累计错动位移为15.08mm，由增量合位移过程曲线可知，目前滑移面合位移增量整体有下降趋势，合位移增量曲线趋于平缓，如图7所示的滑移面“位移－时间”过程线及预测曲线.

IN03H因测斜管折断失效，后于2010年6月28日重新安装并取得基准值.分析图8可知，在15～22.5m区段（宣威组与峨眉山玄武岩交界处）A向临空面（河谷）有较明显的错动，最大错动发生在孔深20.5m处，截至2012年3月，A向滑移量为9.47 mm，滑移面处累积合位移为10.24mm.分析图9，根据滑移面累积合位移线性二次指数平滑预测曲线可知，预计2012年8月的滑动面累积合位移为12.4 mm；由增量合位移曲线可知，滑动面位移增量有显著下降趋势.

IN12H因人为堵塞，于2011年1月28日恢复并重新取得基准值，有效观测深度为103m.从监测资料和虚拟地质钻孔取样图可知（如图10所示），截至2012年3月，该孔在90m孔深处（古滑坡堆积与宣威组交界）有向河谷方向的滑移面存在，滑移量在5mm左右.由于该孔时间序列较短，样本稀疏预测精度较差，未进行预测建模.截至2012年3月，孔口A向累计位移量为12.04mm，有明显下降趋势.该孔变形整体向河谷偏上游方向（如图11所示）.

IN13H因堵塞于2010年8月7日重新安装，有效观测深度为106.5m.从截至2012年3月的监测资料和虚拟地质钻孔取样图来看（如图12所示），该部位的滑动面主要位于99.5m至103.5m区段（峨眉山玄武岩与古滑坡堆积交界处），与堵塞前的历史监测资料所揭示的滑动面位置一致，最大错动量发生在101m深处，A向错动量为12.14mm，滑动面B向错动量不大，累积合位移为12.78mm.分析图13，并根据滑移面累积合位移线性二次指数平滑预测曲线可知，预测滑动面2012年8月的累积合位移为12.6 mm，由增量合位移曲线可知，滑动面位移无加速增长趋势.

3.2.3 Ⅲ区

Ⅲ区布设有2个测斜孔:IN04、IN05H，位于816 m高程的测斜孔IN04于2011年1月失效，截至2012年3月尚未恢复，从历史观测资料来看，在古滑坡体滑动带内（孔深55～56m之间）有明显的滑移面.位于792m高程的测斜孔IN05H，于2010年6月失效，2010年10月28日，对该孔钻孔测斜仪进行了重新安装.从监测成果和虚拟地质钻孔取样图来看（如图14所示），截至2012年3月在孔深32～33m之间存在较明显的滑移面（古滑坡堆积与宣威组交界），滑移面最大位错发生处32m孔深位置，这与IN05H的历史观测资料一致，滑移面A向有7.44 mm的错动，B向无明显错动，孔口位移有减小趋势.

3.2.4 Ⅱ区

Ⅱ区共布设2个测斜孔.位于二次削坡顶部的测斜孔IN06H，孔深为105m.2008年12月因变形较大无法观测，2010年6月8日对该测斜孔进行了重新安装，编号为IN06H，从截至2012年3月的观测资料来看，在孔深10～15m处B向有明显错动，错动量为31.86mm，A向错动不大，分析虚拟地质钻孔取样图可知，该滑带位于冰川冰水堆积层内.另外，在92～93.5m处A向有较明显错动，错动量为9.35mm.该孔的孔口位移不大，以A向变形为主，方向为向河谷并略向下游变形，如图15所示.

位于二次削坡顶部的钻孔测斜仪IN07H，孔深为51m.在孔深42.5～43.5m处（宣威组与古滑坡堆积交界部位）有滑动面存在，历史累计错动量A、B向约为26.34mm和8.57mm.2010年8月6日，对该孔钻孔测斜仪进行了重新安装.从截至2012年3月的观测资料可知，42.5～43.5m处仍有错动，A向错动量为8.68mm，如图16所示.

3.3 测斜孔监测数据场三维云图分析

将堆积体监测区域的三维地质模型进行四面体离散建立TEN离散模型，提取区域内各测斜孔内监测点坐标以及各测点对应的相对位移值，形成监测数据场数据文件，应用径向基函数插值算法对监测数据场进行插值计算，得到TEN网格结点的监测物理量数值，基于X3D实现具有三维交互功能的监测数据场三维云图的实时动态可视化显示和信息查询［13－15］.

根据以上方法，绘制了溪洛渡左岸谷肩堆积体边坡监测区域的测斜孔监测位移场分布的三维云图，如图17所示.从A向位移分布图17（a）可知，位于V区的测斜孔IN01H的孔口位置向河谷方向相对位移最大，2012年3月15日监测得到的位移值为35.06 mm.由A向位移变化量分布图17（b）可知，位于Ⅱ区的测斜孔IN06H的孔口位置向河谷方向变形速率最大，2012年2月6日至2012年3月15日期间监测得到的位移变化量为5.08mm；位于Ⅳ区的测斜孔IN13H的孔口位置向河谷方向变形变化量为负，2012年2月6日至2012年3月15日期间监测得到的位移变化量为－2.26mm，表明A向变形趋向收敛；总体来看，Ⅳ～V区向河谷方向位移变化量不大.分析图17（c）可知，B向（向下游）位移较大区域集中在Ⅱ～Ⅲ区，Ⅲ区的测斜孔IN05H监测到的孔口B向位移为5.87mm；另外，Ⅳ区的测斜孔IN13H的孔口位置B向位移为负，说明该部位变形方向为向河谷略倾向上游.从图17（d）可知，2012年2月6日至2012年3月15日期间的B向位移变化量基本为正，变化幅度在2mm左右，说明整个堆积体区域向下游变形趋势较缓.从合位移分布图17（e）与A向位移分布图17（a）比较分析可知，整个堆积体监测区域的变形以A向（向河谷）位移为主.合位移变化量（图17（f））与A向位移变化量分布规律一致.

为了分析堆积体主要变形区域的深部变形趋势和位移变化规律，从三维地质模型上取SⅣ－1和SⅣ－2断面并截取堆积体Ⅳ区局部范围进行分析，如图18所示.

绘制堆积体Ⅳ区局部范围测斜孔监测量的三维位移云图及其位移变化量云图，如图19所示.分析图19（a）可知，SⅣ－1和SⅣ－2断面上二次削坡范围附近向河谷变形比上部削坡开挖线以外变形大.由图19（b）可知，SⅣ－1和SⅣ－2断面上二次削坡范围附近向下游变形，而上部削坡开挖线以外向上游变形.综合分析图19（a）（b）可知，Ⅳ区二次削坡开挖线部位整体向河谷略向下游变形，而开挖线以外上部高程区域变形向河谷略倾向上游变形，测斜孔深部位移监测成果揭示出在Ⅳ区有明显得滑移错动带存在.由图19（c）可知，在Ⅳ区SⅣ－1断面内削坡区域下部潜在滑动面上的向河谷方向位移变化量较大，而SⅣ－1断面（Ⅳ区与Ⅲ区分界线处）削坡区域下的向河谷方向位移变化量较小，该断面上削坡开挖线以外范围变化量为负.向下游方向（B向）的位移变化量（见图19（d））整体较小，其中SⅣ－1断面上在潜在滑移面上B向位移变化量为负，数值不大.SⅣ－1和SⅣ－2断面削坡开挖线以外区域表现为向下游变形趋势，变化量在2 mm左右.

综合以上分析可知，在堆积体变形较大的Ⅳ区内，由测斜孔深部变形监测成果可揭示出该区域由二次削坡开挖区向上部表现出牵引式滑动变形.

4 结 论

1）左岸堆积体五个区的水平位移主要表现为向河谷中心和下游方向位移，垂直位移主要表现为下沉，从2012年3月的变形速率和合位移加速度来看，变形没有异常突变，且有减缓趋势.

2）堆积体测斜孔监测的变形与外观测点监测位移规律基本一致.各区测斜孔在恢复后大多监测到堆积体错动带位移量的发生，且与恢复前历史监测资料所揭示的滑移面位置一致.

3）二次削坡范围的表面变形和错动变形较为显著，变形曲线存在两个较为明显的变形突变点，结合虚拟地质钻孔取样图可知，上部变形突变点对应于冰川冰水堆积层或洪积堆积层内部，下部错动面大致在古滑坡堆积层与宣威组分界面附近.

4）由堆积体监测区域测斜孔监测位移分布云图分析可知，整个堆积体监测区域的变形以A向（向河谷）位移为主，在堆积体变形较大的Ⅳ区内，由测斜孔深部变形监测成果可揭示出该区域由二次削坡开挖区向上部表现出牵引式滑动变形，各测斜孔的滑移面位置累积合位移预测建模分析可知，滑移面位置变形趋于收敛，预测得到的累积合位移增幅不大.

［1］黄润秋.中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化［J］.地球科学进展，2005，20（3）:292－297.

［2］季伟峰，胡时友，宋 军.中国西南地区主要地质灾害及常用监测方法［J］.中国地质灾害与防治学报，2007，18（S）:38－41.

［3］张 敏，黄润秋，巨能攀.小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义［J］.工程地质学报，2009，17（1）:62－69.

［4］高俊强，严伟标.工程监测技术及其应用［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［5］保华富，魏友庆，李仕胜.金安桥水电站边坡安全监测成果分析［J］.水利与建筑工程学报，2008，6（4）:43－48.

［6］张金龙，徐卫亚，金海元，等.大型复杂岩质高边坡安全监测与分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（9）:1819－1827.

［7］黄秋香，汪家林.某水利枢纽工程泄洪排砂洞进口边坡稳定性监测分析［J］.防灾减灾工程学报，2005，25（4）:401－405.

［8］陈 强，韩 军，艾 凯.某高速公路山体边坡变形监测与分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（2）:299－303.

［9］潘 炜，刘大安，钟辉亚，等.三维地质建模以及在边坡工程中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（4）:597－602.

［10］屈红刚，潘 懋，王 勇，等.基于含拓扑剖面的三维地质建模［J］.北京大学学报:自然科学版，2006，42（6）:717－723.

［11］陆亚文，李际军.一种基于快速拟合的NURBS曲面实体建模方法［J］.计算机仿真，2008，25（10）:105－109.

［12］徐卫亚，孟永东，田 斌，等.复杂岩质高边坡三维地质建模及虚拟现实可视化［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（12）:2385－2397.

［13］孟永东，蔡征龙，徐卫亚，等.边坡工程中监测数据场三维云图实时动态可视化方法［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（S2）:3482－3490.

［14］孟永东，徐卫亚，刘造保，等.复杂岩质高边坡工程安全监测三维可视化分析［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（12）:2500－2509.

［15］孟永东，徐卫亚，田 斌，等.高边坡工程安全监测在线分析系统研发及应用［J］.三峡大学学报学报:自然科学版，2009，31（5）:20－25.