某水电站库区某斜坡牢固性监控之自动化改良科技的概述理工论文
第一章 前言
1.1 选题依据及研究意义
国内外,由于水库库岸滑坡的失稳,产生了一系列的灾难性事故,如 1959 年 2月 1 日,法国马尔帕塞薄拱坝左坝头沿绢云母页岩发生滑动,致使坝体破裂,造成500 人死亡;1963 年 10 月,意大利 Vajont 大坝库水下降时大坝左岸山体发生顺层基岩滑坡,激起 250m 高的涌浪,涌浪漫过坝顶,造成 1925 人死亡[1];我国湖南柘溪水库在蓄水初期,在近坝段发生大型顺层基岩滑坡(塘岩光滑坡),激起的涌浪冲毁了已建成的构筑物,并造成 40 人死亡[2];湖北黄龙滩水库在 1974 年至 1985年间,库区发生了 73 处滑坡,造成了 11900 多人不得不进行移民搬迁[3];2003 年 6月,三峡水库蓄水至 135m 后不久,发生大型顺层基岩滑坡(千将坪滑坡),导致了 24 人死亡或失踪[4]。
在这些灾难发生之后,人们对水库滑坡的稳定性给予了更多的关注。为了避免由于库岸滑坡带来的生命财产损失,在水库建设和运行过程中,库岸边坡的监测工作也逐渐受到了更多的重视。国内大多数水库库岸滑坡的监测工作,主要是采用人工观测的方式进行监测数据的获取、分析和预报。人工观测存在监测频次低、数据采集过程中耗费的劳动量大、监测数据的采集过程容易受到外界不可抗力的影响(如强降雨)等缺点。不能够较好的完成监测预警的目的。
随着科技的进步,自动化数据采集技术和传输技术得到了长足的发展,目前自动化监测技术已逐渐的被应用于库岸滑坡稳定性的监测工作中。如 1991 年我国在三峡库区内 14 个重大滑坡体上组建了自动化监测站,目前这些自动化监测仪器运行正常,而且较好的完成了监测预警的目的,避免了生命财产的损失。1991 年 6 月29 日秭归县鸡米寺 60 万 m3 滑坡,通过及时准确的预警,滑坡区内 2504 人无一伤亡,财产损失也降到最低限度[5]。
自动化监测具有无人值守、实时在线、实时计算分析等优点,而且自动化监测技术能够消除人为误差对测量精度的影响,大大的提高了测量结果的可靠性,所以有必要对采用了人工观测手段的库岸滑动进行有针对性的自动化改造,消除人工观测的弊端,达到更好的预警效果。
二滩水库库区内也布着较多的滑坡体。水库两岸大于 10 万 m3 的各种不同类型的滑坡有 100 多处,大部分分布于支沟河谷中,对二滩大坝无直接的影响;干流岸坡稳定性较差,方量大于 500 万 m3 以上的有 15 处。其中金龙山斜坡位于电站库首左岸,距离二滩大坝 600m~1300m,稳定性问题十分复杂,对二滩大坝的安全及下游人民的安全威胁最大[6~7]。
金龙山斜坡上目前设置的变形监测控制网包含,地表位移变形、深层变形、地下水位、平硐监测和斜坡区气象监测。现有的监测方案具有监测数据不完整,观测频次少,数据处理不能及时反映坡体的稳定情况等一系列问题;而且观测过程中存在着数据采集工作繁重、也有一定的人为误差和危险性,因此有必要对斜坡上现有的监测仪器进行自动化改造。
目前国内外已采用自动化监测技术的滑坡体,绝大多数是没有在仪器安装以前进行自动化监测技术的`可行性研究,而是直接采购自动化监测仪器,并不考虑周围环境对自动化监测设备运行以及监测数据真实性的影响,从而产生了监测数据误差过大,甚至出现了自动化监测项目遭弃用的现象。如贵州省大方县德兴煤矿滑坡体上安装的 GPS 监测系统,没有在系统安装前进行太阳能板的供电设计,造成了 GPS监测仪器不能够正常工作、贵州省都匀市马达岭接娘平变形体没有在 GPS 安装之前进行 GPRS 无线信号强度测试,而是直接采用 GPRS 通讯业务进行监测数据的传输,最终导致 GPS 监测系统安装完成后,监测数据无法正常发送。所以为了使金龙山斜坡现有监测仪器在自动化改造完成以后,能够正常运行并且获取的监测数据能够达到一个较高的精度,安装之前进行自动化监测技术研究就显得更为重要。
鉴于此,作者在导师的指导下,结合作者参加的 雅砻江流域水电站重大滑坡体自动化监测技术研究 科研项目,以《二滩水电站库区金龙山斜坡稳定性监测的自动化改造技术研究》为硕士论文选题,展开论文的研究工作,以期获得对金龙山斜坡稳定性监测有益的成果及对类似工程具有指导意义的研究方法和手段。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 库岸滑坡监测现状
库岸滑坡监测是为了避免或减轻由于岸坡失稳造成的生命财产损失,通过在岸坡的内部或表面安装埋设监测设备,监控坡体在诱发因素作用下的变形发展趋势,并在岸坡失稳前及时准确的进行预警预报。是集形成机理、监测仪器、时空技术和预测预报技术为一体的综合性技术。
1963 年,意大利 Vajont 大坝左岸山体发生顺层滑坡以后,国内外的专家学者逐渐意识到了库岸滑坡稳定性监测工作的重要性,并开展了一系列的岸坡稳定监测工作研究;我国的库岸滑坡监测工作是随着二滩、小浪底和三峡工程的兴建,而逐渐开展起来的[8]。早期的监测工作是通过水准仪、经纬仪和钢尺等仪器,量取坡体的地表位移和宏观变形;20 世纪 80 年代后,随着测量机器人和 GPS 技术的引入,以及电子技术和计算机技术的发展,监测手段更多的向自动化、高精度及远程化发展。
第二章 工程地质条件
金龙山斜坡坡面与岩层走向夹角 30°,岩层倾右岸但偏下游,在顺河流方向上岩层以 16°左右的视倾角倾向下游,阳新灰岩顶底假整合面自上游的临空状态向下游逐渐插入河床之下,造成了坡体由上游至下游稳定条件上的差异。根据两条假整合面的出露程度将金龙山斜坡从自西向东划分为三个区段[20~23]。Ⅰ区:古滑坡区,位于斜坡上游侧,呈顺坡槽谷地貌;Ⅱ区:岩体蠕变区,位于斜坡中部,呈脊形地貌;Ⅲ区:浅-表层滑坡区段,位于斜坡下游侧,呈脊形地貌,见图 2-1。
第三章 现有监测成果分析与方案评价 ...............17
3.1 监测仪器布置及运行情况 ...........17
3.2 变形特征分析 ....................19
3.3 现有监测方案存在的问题 ..........41
3.4 小结 ............................43
第四章 信号测试与分析 ...............45
4.1 GPS 监测系统概述 ................45
4.2 GPS 采集信号测试 ................49
4.3 GPS 信号测试成果分析 ............52
4.4 无线数据传输信号测试 ............58
4.5 小结 ........ .....61
第五章 自动化改造方案研究 ..............62
5.1 现有监测项目自动化改造方案研究 ..........62
5.2 新增自动化监测项目 ....................79
5.3 数据传输系统的选择 ....................81
5.4 自动化辅助系统研究 .................... 82
5.5 自动化监测方案效果评价 ..................86
结语
本文以金龙山斜坡现有监测仪器的自动化改造为研究主题,在对现有监测资料分析的基础上,结合 GPS 采集信号分析成果,明确了有必要进行自动化改造的监测项目和监测部位;然后根据 GPRS/CDMA 无线传输信号强度的测试成果、斜坡的地形地貌条件和现有的自动化改造技术,最终确定了适合于金龙山斜坡的自动化改造方案。本文得出的主要结论和成果如下:
(1)通过对现有监测资料的分析研究,明确了影响坡体稳定性的外界因素,统计了地表位移特征点、滑面位置和 V 号平硐内变形量大的监测部位,总结出现有监测方案中存在的问题。
(2)利用 TEQC 质量分析软件分析评价了 3 个地表位移控制点和 13 个地表位移特征点的 GPS 采集号质量。分析结果表明:斜坡地区大部分地表位移测点是完全可以利用 GPS 监测系统进行替代。
(3)通过对比分析金龙山斜坡区域内 GPRS/CDMA 无线数据传输业务的信号强度,结合斜坡的地形地貌条件、监测点之间的相互位置,得出应选用 CDMA 通讯业务进行监测数据的传输。GPRS 信号强度值普遍较低,而且测试值相差较大,信号强度不稳定;CDMA 的信号强度均为优,信号强度稳定。
(4)从点位选择、监测仪器的布置方式、安装过程及数据后期处理等方面系统的对金龙山斜坡进行了自动化改造方案研究。
(5)对自动化监测方案进行了效果评价,得出①相比于与现有监方案,该自动化监测方案针对性更强,直接关注重点监测部位的变形特征,减少了自动化改造的资金投入;②监测数据的采集频次大大提高,能够及时的将监测数据反馈给相关部门,达到预警的目的;③通过后期长时间的运行,与人工观测相比能够大大减少观测费用的投入。
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