第  卷第  期岩    土    力    学Vol.  No. 

第  卷第  期岩    土    力    学Vol.  No. 

2022年 月                                                                           Rock and Soil Mechnics                                                                                  2008

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柔性测斜仪边坡监测的工程应用

邵长伟1

1中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081

摘  要：边坡变形监测是评价边坡稳定性的主要手段，传统深部变形监测钻孔测斜仪多以人工监测为主，耗时费力、测量精度底、难以适应边坡岩土体大变形。介绍了柔性测斜仪新型监测技术工作原理及在某水电站堆积体边坡中的实际应用。结果表明，柔性测斜仪具有数据量大、稳定性高、易于实现远程监测等优势，在边坡监测中具有推广价值。

关键词：边坡监测技术；测斜仪；新技术；深部变形

中图分类号：TU 454文献标识码：A

Engineering application of slope flexible inclinometer monitoring technology

SHAO changwei1

(1. Power China Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, Guiyang, China)

Abstract:Slope deformation monitoring is the main means of evaluating the stability of slopes, and the traditional deep deformation monitoring borehole inclinometer is mostly based on manual monitoring, which is time-consuming and laborious, with the bottom of the measurement accuracy, and difficult to adapt to the large deformation of the slope geotechnical body. The working principle of the new monitoring technology of flexible inclinometer and its practical application in the slope of an accumulation body of a hydropower station are introduced. The results show that the flexible inclinometer has the advantages of large data volume, high stability, easy to realize remote monitoring, etc., and has the value of popularization and application in the slope monitoring.

Keywords:Slope monitoring; flexible inclinometer; new technology; deep horizontal displacement

0引  言

滑坡灾害是全球性三大地质灾害之一[1-3]，主要发生在山地、高原和丘陵地区，我国地域辽阔，山区面积占全国陆地总面积的70%以上，在我国分部广泛。边坡监测中对变形监测最为直观，对评价边坡稳定性尤为重要[4-5]。何满潮[6]指出通过监测边坡岩土体深部变形可以有效识别滑面位置，具有较好的预测预报准确度。钻孔测斜仪用来确定滑坡体滑动的大概位置、方向及滑动距离，但其多以人工监测为主，耗时费力、测量精度低、安全风险高、适应变形能力较差。

柔性测斜仪测试技术是近年发展较快的一种新型传感技术，最早在国外水电站大坝变形监测、结构变形监测、隧道掘进过程变形监测、振动台试验中得到应用。Birch等[7]在某大型边坡工程中安装柔性测斜仪，监测边坡倾角和位移变形；Rollins等[8]通过对比分析柔性测斜仪加速度传感器和传统的测斜装置的测试结果

优势明显。 近几年国内将该技术逐步应用到大坝、边坡、基坑等结构的变形监测中，如大华桥水电站的沧江桥滑坡体、两河口大坝、双江口地下厂房等[9-12]。

1  柔性测斜仪监测技术

1.1  SAA简介

柔性测斜仪（ShapeAccelerationArray，SAA，又称柔性测斜仪或多维度变形测量系统）是基于MEMS加速度计开发而来的一种新型准分布式变形监测系统。该技术具有自动实时采集、集成度高、大量程、高精度、高灵敏性、高稳定性和高3D空间分辨率等特点。柔性测斜仪见图1。

图1 柔性测斜仪

Fig. 1flexible inclinometer

柔性测斜仪由多节长度相同的监测单元通过柔性关节串联而成，一般有0.5m一节和1m一节两种。。柔性测斜仪组成见图2。

图2 柔性测斜仪结构图

Fig. 2Structure of flexible inclinometer

1.2工作原理

柔性测斜仪（SAA）是一种可以被放置在一个钻孔或嵌入结构内的变形监测传感器。

已知单节监测单元长度为L，通过监测单元内的三轴加速度计检测自身重力场的变化，可以计算出单节监测单元在x、y、z轴的旋转角度θ，利用旋转角度和已知节长度，便可精确计算单个监测单元的变形，即Δ（x,y,z）=θ（x,y,z）×L；根据得到的单节变化量，基准点坐标固定为（x0，y0，z0），依次连续对各节变形进行算术求和∑Δ（x,y,z），即可得到各节位置坐标值（xi，yi，zi），进而得到整个柔性测斜仪的三维位姿曲线。将柔性测斜仪安装于边坡垂直钻孔内，通过坐标变化值就可计算出边坡深部变形位置和变形量。监测原理见图3。

a）单个节段测量原理

b）整体工作原理

图3 柔性测斜仪监测原理

Fig. 2Monitoring Principles of flexible inclinometer

SAA传感器为微机电加速度式（EMES），每段转角测量标称精度为±0.5°%，按每段长度30cm和50cm计，则每段变形测量精度分别为0.0262mm、0.0436mm；全长变形精度±1.5mm/32m；防水等级100m、使用温度0℃~70℃；动态取样速率70 HZ ~100HZ。SAA通常安装在聚氯乙烯管道中，然后将管道放在孔内并进行灌浆。量数据无线发送到服务器进行自动化处理，远程数据可进行实时分析。

1.3安装工艺

1）在需要监测处采用钻机成孔，孔深按照设计需要贯穿土体位移层。将测斜管顺直放入孔内，管外用膨胀土或者水泥砂浆填充、固定。

2）使用PVC管（外径32mm，内径28mm）将SAA套住，在传入时严格防止SAA发生旋转，X-mark线保持一个方向。

3）配合旋转轮毂和支架，将传入SAA的PVC管顺直放进测斜管内。

4）采用220v转12v电源模块供电，或使用太阳能电板供电，视现场具体环境而定。

1.4技术特点

与传统变形监测仪器对比，柔性测斜仪SAA具备以下独特优点：

1）具有实时、连续、高精度、大量程、高稳定性和高3D空间分辨率等优点。

2）性价比高，使用寿命长，可回收多次进行重复监测。

3）可以测量2D及3D加速度场和位移场，用户能够全面直观的观测到被测目标在受荷过程中的变形及内力变化规律。无需进行现场装配和校准，也不需要其他的引导或固定，安装简单便捷。

4）抗干扰能力及信号稳定性强，可以采用无线信号传输技术，从而克服线路导致的采集时滞问题。

5）有着很高的测量频率，能够做到自动化实时测量，满足滑坡监测预警预报的要求。

6）信息量大，每节标准节都是一个独立传感器，可以进行实时监测，数据采集的频率高，所以信息量很大。

7）耐腐蚀性、耐久性优于传统传感器，适宜在恶劣试验条件和环境下使用。

8）对比固定式测斜仪，柔性测斜仪传感器的布置间距从传统固定测斜仪的 2~3m间距提升到0.5~1.0m，使监测数据更加接近实际并较少误差。

2  柔性测斜仪的工程应用

2.1  工程背景

堆积体边坡位于某水电站厂房下游侧斜坡地带，边坡区地形相对平缓，上游侧为厂房，下游侧为陡壁。局部胶结较好的阶地冲积层多形成陡坎，覆盖层陡坎高差4m~16m，陡坎下自然坡度28°~40°，陡坎上自然坡度20°~25°。堆积体中部源自附近村寨一带发育一小型崔家寨冲沟，位于厂房下游边墙附近，沟内四季流水，枯季流量0.5L/s。厂房下游侧堆积体分布高程1150.00m~1350.00m，长约700m，宽150mm~500m，厚度10m~45m，估算方量600万m3。该堆积体基座为河流II级阶地堆积层，台地后缘为后期崩塌覆盖的大块石、块碎石等。

2.2地质条件

1）地层岩性

厂房下游侧堆积体边坡地表主要为第四系崩塌堆积体（Qcol）及残坡积层（Qedl），下伏基岩主要为二叠系梁山组（P1l）石英砂岩、泥页岩、泥灰岩、泥质灰岩夹劣质煤；堆积体边坡上游侧地层岩性为石炭系马平群（C3mp）灰色、浅灰色中厚至厚层及少量薄层致密灰岩；堆积体边坡下游侧为二叠系栖霞茅口组（

P1q+m）深灰、灰黑色中厚层、厚层至块状灰岩、致密灰岩。

2）地质构造

边坡区岩层产状NE25°~29°。厂房下游侧边坡区岩层单斜，构造简单，无大断层通过。裂隙发育，主要有两组，一组近于平行河床，另一组近于垂直河床，倾角较陡。裂隙发育以N35°~45°E，NW 70°~80°为主。工程区地震动峰值加速度为0.05g，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

3）岩溶、水文地质条件

厂房下游侧堆积体边坡下卧基岩主要为非可溶性砂岩及泥页岩，属非岩溶化地层，岩溶不发育，在其接触面上岩溶发育强烈，岩溶泉出露较多。

堆积体边坡下游侧大陡壁为灰岩，属强岩溶化透水层，岩溶发育，陡壁上有局部溶洞发育。堆积体上游侧下伏基岩为厚层块状灰岩，属强岩化透水层，岩溶发育，地表发育落水洞，下伏基岩发育有溶洞，以竖管状为主。厂房下游侧堆积体边坡地下水为主要为基岩裂隙水，其次为岩溶裂隙水，主要贮藏在灰岩溶隙及石英砂岩构造节理裂中，属弱富水地带，区内地下水补给来源主要为大气降水。

2.3边坡监测

2011年8月在滑移区域高程1287m~1198m范围内布设16个表面变形监测点，10月在高程1232m~1177m间增加10个测点，累计25个表面变形监测点；11月在高程1274m~1236m范围内增加测斜孔及地下水位监测孔各3个，各测点具体位置见图4。

图4  边坡监测布置图

Fig. 4 Layout of measuring points

2012年7月工程区遭遇连续强降雨，边坡在短时间内出现明显的下沉与滑移，局部测点被破坏，

边坡出现大面积的滑移后，三个测斜孔及地下水位监测孔均被损坏。2013年5月考虑到边坡治理效果验证，在滑坡区域重新造孔安装一套孔深52m深的柔性测斜系统，并实现自动化监测功能。

2.4监测成果

1）表面变形

堆积体边坡表面变形测点安装后表现出较为明显的变形趋势，随着汛期结束降雨减少，变形趋势减缓；2012年5月汛期到来后，随着降雨增多变形再次出现增大趋势，7月份连续强降雨后，边坡变形突变，7月22日从粗碎平台至河床区域边坡开始出现较大变形，巡检发现从调压井公路至河床区域出现明显开裂、下沉崩塌现象，在进厂公路高程1176.00m平台大量涌水。对比监测数据，在7月4日至22日间平面方面最大变形量1587.05mm，高程方向最大下沉780.77mm。变形较大测点统计见表1~2。

表1典型测点平面方面累计变形（单位：mm）

Table 1 Cumulative deformation of the plane of typical measurement points (unit: mm)

表2  典型测点高程方向累计变形（单位：mm）

Table2 Cumulative deformation in the elevation direction of typical measuring points (unit: mm)

2012年7月27日，堆积体变形再次突变，出现大面积整体滑移，厂房营地严重损坏，进厂公路明显向河床方向出现明显滑移垮塌。局部观测点损坏，8月4日对可观测的测点再次进行观测，进厂公路区域高程1187.00m出现较大位移，平面变形量最大增加7211.25mm，下沉最大2442.18mm。

2012年8月4日至2012年9月22日期间，增设6个测点，对边坡进行连续观测，在强降雨后出变形明显，但较前期明显下降，最大累计位移变化量为42mm，见图5。

图5  新增测点变形过程线

Fig.5New point deformation process lines

2）深部变形

三个测斜孔均因变形较大，无法观测，从前期监测资料看，高程1235.20m

测斜孔IN02在距离孔口13.5m（高程221.70m）位置出现滑移面，高程1204.20m测斜孔IN04在距离孔口15m位置（高程1189.20m）出现滑移面，在高程1236.60m测斜孔IN05在距离孔口20m位置（高程1216.60m）出现滑移面，从各测斜孔滑移面时间位移过程线看，缓慢变形增大趋势，且从5月23日雨后变形有增大趋势出现，典型测点孔口位移变化过程线见图6。

图6测斜孔IN05孔口位移变化过程线

Fig. 6 Process line of displacement change of IN5

考虑到边坡治理效果验证，以及适应大变形能力要求，2013年5月17日在IN04附近重新造孔安装一套孔深52m深的柔性测斜系统，并实现自动化监测功能。

从2013年5月17日~2015年1月21日监测成果表明，柔性测斜仪具有监测精度高、量程大、数据量大、稳定性高、易于实现远程监测等优越性。其分布见图7。

图7 INSAA-1位移-孔深关系曲线

Fig. 7Displacement-depth Relationship Curve of INSAA-1

3  结论与展望

根据某水电站厂房堆积体边坡常规变形监测数据，结合柔性测斜仪新型监测技术应用，较好的反映了边坡变形发展规律，验证了柔性测斜仪良好的应用效果，满足边坡变形监测的需要。柔性测斜仪安装工艺简单，监测数据连续可靠，与前期人工监测成果一致性好，为堆积体的综合治理提供了可靠、有效的监测数据，对同类工程具有较好的借鉴意义。

目前，国内已有部分公司研制推广柔性测斜仪，相信随着技术的不断发展、国产化的提高，设备造价越来越低，加之柔性测斜仪本身的技术优势，柔性测斜仪在边坡监测领域的应用会越来越广泛。

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