膨脹土（巖）渠坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

劉 鳴，龔壁衛(wèi)，劉 軍，宋建平

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 概 述

膨脹巖（土）是一種在自然地質(zhì)過程中形成的多裂隙性、脹縮性地質(zhì)體，其黏粒成分具有強(qiáng)親水性，導(dǎo)致膨脹巖（土）體反復(fù)變形、裂隙發(fā)育，對(duì)渠道工程具有嚴(yán)重破壞作用。南水北調(diào)中線一期工程在南陽、新鄉(xiāng)進(jìn)行膨脹巖（土）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究膨脹巖（土）渠坡破壞機(jī)理及非換填處理方案的處理效果，其中一項(xiàng)重要工作是建立合理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及監(jiān)測(cè)儀器選型、埋設(shè)技術(shù)等。該項(xiàng)研究直接關(guān)系到渠坡監(jiān)測(cè)成果的真實(shí)性和有效性，使現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果能真正起到優(yōu)化設(shè)計(jì)、保證工程安全、減少工程投資等作用。

本文根據(jù)南水北調(diào)中線一期工程南陽、新鄉(xiāng)膨脹土、巖試驗(yàn)段的現(xiàn)場(chǎng)工作，從監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、系統(tǒng)組成、儀器布置、儀器選型、埋設(shè)技術(shù)等方面，系統(tǒng)地總結(jié)了膨脹土（巖）渠坡監(jiān)測(cè)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2．1 膨脹巖（土）渠坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

膨脹巖（土）渠道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括以下4方面：

（1）大氣環(huán)境量：建立氣象站，對(duì)降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、相對(duì)濕度、凈輻射量、風(fēng)速、風(fēng)向等因素監(jiān)測(cè)。

（2）渠坡變形量：埋設(shè)表面標(biāo)、測(cè)斜管，監(jiān)測(cè)渠坡表面和內(nèi)部變形。

（3）膨脹因素量：主要包括含水量、吸力、土體溫度等項(xiàng)目。

（4）渠坡土體應(yīng)力：主要包括土壓力和孔隙水壓力兩方面。

2．2 監(jiān)測(cè)布置和埋設(shè)深度

針對(duì)膨脹巖（土）渠坡，監(jiān)測(cè)儀器布置［1］要求如下：

（1）在渠坡無遮擋處，建立氣象站，以降雨量和蒸發(fā)量為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

（2）渠坡內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)應(yīng)重點(diǎn)在渠坡坡頂和渠坡中部，測(cè)斜管埋設(shè)深度不低于20 m。

（3）含水率、吸力、溫度傳感器探頭重點(diǎn)布置在渠坡中部、設(shè)計(jì)水位、渠坡坡腳。渠坡坡面設(shè)有結(jié)構(gòu)處理層，渠坡基面與結(jié)構(gòu)處理層結(jié)合部應(yīng)布置有探頭。探頭最大埋設(shè)深度應(yīng)超過本地區(qū)大氣影響深度和降雨最大入滲深度。

含水量探頭埋深0．5 m間隔，最大深度不低于3 m；吸力可采用張力計(jì)和熱傳導(dǎo)監(jiān)測(cè)：張力計(jì)可監(jiān)測(cè)最深吸力1．5 m，吸力值不超過90 kPa；熱傳導(dǎo)可監(jiān)測(cè)高吸力值和深部吸力。

（4）土壓力盒主要布置在結(jié)構(gòu)處理層與基面結(jié)構(gòu)部；孔隙水壓力探頭主要布置在渠坡坡腳處基面以下3～4 m。

3 監(jiān)測(cè)儀器選型

3．1 氣象站

氣象站也叫多通道氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，如圖1，應(yīng)具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)能力。其主要技術(shù)參數(shù)：3．5 mm連接端口或防雨外部連接器通訊設(shè)備；512 k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；1 s～18 h由用戶設(shè)定時(shí)間間隔采集；時(shí)間精度 2 s；25℃時(shí)每周誤差不超過 ±5 s；存儲(chǔ)時(shí)讀取、存儲(chǔ)時(shí)下載或停止時(shí)下載均可。

圖1 氣象站Fig．1 A weather station

3．2 含水率探頭

土壤含水率野外測(cè)試有很多種方法，歸納起來主要有以下幾種：

（1）中子水分儀。將探頭放入預(yù)先埋設(shè)好的導(dǎo)管內(nèi)，測(cè)量土壤含水量過程不用取樣，不受水分物理狀態(tài)的影響，屬容積含水量，工作環(huán)境 －20℃ ～＋45℃。其主要缺點(diǎn)有放射性危害。

（2）阻抗式土壤水分傳感器。運(yùn)用土壤和土質(zhì)中水分含量與電阻成反比的原理，通過測(cè)量土壤中的電阻來間接測(cè)量土壤含水量。

（3）壓阻式土壤濕度計(jì)。運(yùn)用土壤吸力平衡原理進(jìn)行土壤濕度測(cè)試的儀器。土壤中的水分受土壤孔隙的毛管引力和土粒的分子引力的作用，使土壤水處于負(fù)壓（吸力）狀態(tài)，土壤吸力愈大，土壤孔隙中的水分愈少，土壤含水量也就愈低；反之，土壤吸力愈小，土壤孔隙中的水分愈多，則土壤含水量愈高。壓阻式土壤濕度計(jì)由陶土頭、集氣管和壓力傳感器等部件組成。測(cè)量范圍為0～100 kPa，精度為±0．05%，其主要缺點(diǎn)測(cè)量精度不夠高。

（4）土壤水分探頭。通過探頭發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達(dá)底部反射。由于土的介電常數(shù)取決于土壤濕度，即輸出電壓與土體含水率有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，通過檢測(cè)探頭的輸出電壓，由輸出電壓和含水率的率定曲線，可得到土中的體積含水率。該技術(shù)已較為成熟，目前廣泛用于農(nóng)田灌溉、園林等領(lǐng)域。在德國、法國、英國、澳大利亞等國均有生產(chǎn)，其中以英國DELTA－T公司和澳大利亞ICT公司生產(chǎn)的體積含水量探頭技術(shù)較為成熟，國內(nèi)農(nóng)科院也多引進(jìn)這2個(gè)國家的技術(shù)。

綜合比較，膨脹巖（土）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)含水量探頭選用探頭如圖2所示。該探頭測(cè)定的體積含水量，與原位測(cè)試重量含水率有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系，

式中：θv為體積含水率；θG為重量含水率；Vw為水體積；Vs為干土體積；Mw為水重量；Ms為干土重量；ρw為水密度；ρs為土體干密度。

圖2 體積含水率探頭Fig．2 A volumetricmoisture probe

土壤水分探頭為圓柱形，并防水，前端有4根不銹鋼探針，中間鋼針為感應(yīng)元，其余起保護(hù)作用，主要技術(shù)指標(biāo)為精度：±1%（特殊標(biāo)定后）；工作溫度：－10～ ＋70℃；尺寸：探針60 mm長，總長：207mm。

3．3 吸 力

吸力分基質(zhì)吸力、滲透吸力、總吸力，基質(zhì)吸力和滲透吸力構(gòu)成總吸力?；|(zhì)吸力為土中水自由能的毛細(xì)部分，滲透吸力為土中水自由能的溶質(zhì)部分，總吸力為土中水的自由能。由于環(huán)境及外荷的改變會(huì)使土的含水量發(fā)生變化，壓實(shí)土的初始含水量同基質(zhì)吸力有直接關(guān)系，而滲透吸力對(duì)含水量的變化不很敏感。因此，總吸力的變化主要反映基質(zhì)吸力的變化。

總吸力量測(cè)有直接與間接方法，可根據(jù)測(cè)得的土中水的蒸氣壓或土中的相對(duì)濕度來確定。用濕度計(jì)直接量測(cè)土中的相對(duì)濕度，而濾紙作為量測(cè)傳感器，可間接測(cè)定土中相對(duì)濕度。

根據(jù)膨脹巖（土）地質(zhì)特性，吸力量測(cè)應(yīng)以基質(zhì)吸力為主，可采用直接和間接方法量測(cè)。

直接量測(cè)基質(zhì)吸力的裝置有2種，即張力計(jì)和軸平移裝置。張力計(jì)由高進(jìn)氣值多孔陶瓷頭與負(fù)孔隙水壓力量作為量測(cè)系統(tǒng)，二者用塑料管連接。張力計(jì)可在室內(nèi)及野外使用，而軸平移裝置僅能用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定。

間接量測(cè)是利用標(biāo)準(zhǔn)多孔材料制作傳感器量測(cè)土的基質(zhì)吸力，將多孔材料傳感器放入土中，使其同土中基質(zhì)吸力達(dá)到平衡，多孔材料中的基質(zhì)吸力可以從多孔材料的含水量推知。多孔材料的含水量可以通過量測(cè)其導(dǎo)電或?qū)崽匦詠砑右源_定。導(dǎo)電或?qū)崽匦允呛康暮瘮?shù)，可預(yù)先率定。熱傳導(dǎo)傳感器是間接量測(cè)基質(zhì)吸力比較成熟的方法。土的熱傳導(dǎo)隨含水量的增加而增加，含水量變化與飽和度變化緊密相聯(lián)系。

熱傳導(dǎo)吸力探頭的優(yōu)點(diǎn)在于其測(cè)量范圍大（一般為0～1 500 kPa），長時(shí)間使用不需特別的維護(hù)，但與張力計(jì)相比，這種探頭與周圍土體吸力平衡時(shí)間比較長。另外，其量測(cè)精度會(huì)受陶土頭的滯后特性、土體溫度變化、凍融循環(huán)等因素影響，若精度要求較高時(shí)，應(yīng)對(duì)這些影響因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

目前國產(chǎn)張力計(jì)尚無定型產(chǎn)品，一般均由有關(guān)土壤研究機(jī)構(gòu)自制，熱傳導(dǎo)探頭目前僅在國外生產(chǎn)?；緟?shù)如下：① 張力計(jì)管徑20 mm；長度0．6，1．2，1．6 m；量程0～－90 kPa（見圖 3）。② 熱傳導(dǎo)探頭量程 －1～－1 500 kPa；精度 ±5%；吸力分辨 ＜1．0 kPa；探頭尺寸長65 mm，直徑28 mm，陶瓷頭長度38 mm（見圖3）。

圖3 張力計(jì)、熱傳導(dǎo)探頭Fig．3 A tonometer and a thermal conductivity probe

3．4 土壓力和孔隙水壓力

土壓力盒和孔隙水壓力計(jì)多為鋼弦式儀器，少數(shù)為差動(dòng)電阻式。鋼弦式土壓力計(jì)和孔隙水壓力計(jì)以北京基康BGK－4800，BGK－4500AL指標(biāo)較高。分辨 率 0．05%FS；精 度 ±0．1%FS；非 直 線 度≤0．5%F·S。

3．5 水平位移

邊坡的水平向變形觀測(cè)主要采用設(shè)備有測(cè)斜儀、固定測(cè)斜儀。

3．5．1 測(cè)斜儀

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇測(cè)斜儀應(yīng)具如下功能：數(shù)字式測(cè)斜儀探頭、電線電纜收放系統(tǒng)、線滾（含電池）和掌上電腦。掌上電腦使用windows操作系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，不僅可作為讀數(shù)器使用，而且內(nèi)帶的RST分析軟件還可以對(duì)讀數(shù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。

3．5．2 固定測(cè)斜儀

固定測(cè)斜儀是在建筑物內(nèi)部鉆孔，鉆孔內(nèi)安裝多只傾斜儀傳感器，兩兩傳感器之間用連接桿連接，信號(hào)線引至測(cè)斜管口。固定測(cè)斜儀可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，如基康儀器（北京）有限公司固定測(cè)斜儀GK－6150MEMS型，為微電子機(jī)械式（MEMS）垂直向測(cè)斜儀，可用于長期監(jiān)測(cè)大壩、基礎(chǔ)墻等類似建筑的變形，見圖4。其主要技術(shù)參數(shù)如下：量程±15°；靈敏度±12弧秒，（±0．06 mm／m）；精度0．01%FS；直線0．2%FS（在 ±5度時(shí)），0．5%FS（在 ±10度時(shí)）；溫度飄移 －0．5弧秒／℃。

圖4 BGK6150MEMS型固定測(cè)斜儀探頭Fig．4 BGK6150MEMStype fixedinclinometer probe

4 監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)技術(shù)

4．1 埋設(shè)設(shè)備研發(fā)

膨脹巖（土）這類結(jié)構(gòu)性極強(qiáng)的中強(qiáng)風(fēng)化軟巖（或高塑性黏土）監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)難點(diǎn)如下：含水量探頭有60 mm長探針，插入埋設(shè)部位后要求原狀土密度保持不變；張力計(jì)和熱傳導(dǎo)陶瓷頭長40 mm、外徑25～30 mm，埋設(shè)時(shí)應(yīng)嵌入土中，與原狀土接觸不得有縫隙［2］。針對(duì)上述情況，為保證含水量和張力計(jì)、熱傳導(dǎo)儀器埋設(shè)質(zhì)量，加工了一套埋設(shè)專用設(shè)備，主要由微型洛陽鏟、擴(kuò)孔器、成孔器、定位器、埋設(shè)套件等組成。

4．2 儀器埋設(shè)成孔要求

測(cè)斜管鉆孔：采用150型地質(zhì)鉆機(jī)鉆進(jìn)，開孔、終孔直徑不小于110 mm。

體積含水率探頭、張力計(jì)、熱傳導(dǎo)探頭鉆孔：采用空壓機(jī)帶風(fēng)鉆，并結(jié)合洛陽鏟，孔徑要求Ф60 mm。

鉆孔要求全程干鉆，嚴(yán)禁用泥漿固壁或清水循環(huán)鉆進(jìn)，為防止塌孔，可采用套管固壁，并且孔斜率＜1．5%。同時(shí)做好地質(zhì)編錄和取芯工作。

4．3 儀器埋設(shè)要求

4．3．1 體積含水率、張力計(jì)、熱傳導(dǎo)探頭埋設(shè)

體積含水率、張力計(jì)、熱傳導(dǎo)等傳感器采用一個(gè)探頭一個(gè)鉆孔不同孔徑套鉆的埋設(shè)方式。具體埋設(shè)步驟如下：先用手搖鉆或洛陽鏟和擴(kuò)孔器形成60 cm鉆孔；在探頭與膨脹巖（土）體接觸部位，采用定位器、成孔器開出陶瓷探頭小孔；再使用定位器、埋設(shè)套件通過手搖鉆鉆桿將探頭嵌入小孔，使陶瓷探頭與巖（土）體很好接觸。成孔后取孔底原狀土樣，測(cè)試重量含水量和自由膨脹率作為基本資料，并根據(jù)測(cè)試含水率配備回填巖（土）料。張力計(jì)、熱傳導(dǎo)探頭埋設(shè)過程如圖5。

圖5 張力計(jì)、熱傳導(dǎo)探頭埋設(shè)過程示意圖Fig．5 A tonometer and a thermal conductivity probe imbedding process diagram

儀器埋設(shè)完成后，用已配備回填原狀巖（土）料回填，孔口應(yīng)回填膨潤土和水泥砂漿，防止地表水或雨水直接滲入孔內(nèi)。上述儀器埋設(shè)要點(diǎn)如下：

（1）體積含水量探頭。通過手搖鉆桿，用含水率探頭埋設(shè)套件將探頭壓入時(shí)，應(yīng)同時(shí)用讀數(shù)儀表監(jiān)控探頭數(shù)據(jù)變化幅度，確定探頭插入深度是否達(dá)到埋設(shè)要求。成孔后取孔底原狀土樣，測(cè)試重量含水量很重要，作為體積含水量換算重量含水量的基本資料。

（2）張力計(jì)。張力計(jì)埋設(shè)前排氣工作很重要，應(yīng)注意的問題。①張力計(jì)排氣工作：在管子上施加80 kPa左右的真空度30～60 s，并用手持真空泵將陶瓷頭、壓力表和管壁不規(guī)則處的氣泡抽除。真空解除后，向管內(nèi)重新注滿蒸餾水，并擰緊蓋帽。讓水從陶瓷頭蒸發(fā)，便會(huì)在管內(nèi)水中產(chǎn)生80 kPa左右的負(fù)壓。在此負(fù)壓作用下，管中可能又出現(xiàn)氣泡。應(yīng)重復(fù)進(jìn)行上述步驟直至管中氣泡基本消失為止。②檢查張力計(jì)的反應(yīng)時(shí)間。將產(chǎn)生80 kPa負(fù)壓后的陶瓷頭浸入水中，5 min內(nèi)增加到等于大氣壓，遲緩于此反應(yīng)表明，陶瓷帽可能有堵塞或量測(cè)系統(tǒng)中有氣泡或壓力表有問題，需要重新對(duì)零。

陶瓷頭必須浸在水中以防止由于蒸發(fā)面造成欠飽和。

（3）熱傳導(dǎo)吸力探頭。熱傳導(dǎo)陶瓷頭不同張力計(jì)陶瓷頭，埋設(shè)前保持陶瓷頭干燥，因干燥陶瓷頭與土體達(dá)到濕度平衡的時(shí)間更短。

4．3．2 固定測(cè)斜儀埋設(shè)

①固定測(cè)斜儀連接桿件長度一定要精確，這決定了各傳感器埋設(shè)的準(zhǔn)確深度；②確保頂部輪件指向A＋方向，通常A＋方向與預(yù)期的位移方向一致，也就是被監(jiān)測(cè)的開挖方向；③測(cè)斜管上端組件固定的同時(shí)，將另一組傳感器、滑輪組件和萬向節(jié)連接并調(diào)整同一方向，以此類推安裝下一組件，直至最后一個(gè)傳感器；④注意傳感器就位后，連接電纜至讀數(shù)位置，并進(jìn)行終端連接或固定。固定測(cè)斜儀探頭埋設(shè)如圖6。

圖6 固定測(cè)斜儀探頭埋設(shè)示意圖Fig．6 A fixed inclinometer probe imbedding process

4．3．3 土壓力盒埋設(shè)

對(duì)于膨脹巖（土）土壓力主要監(jiān)測(cè)渠坡膨脹力和結(jié)構(gòu)面上覆荷載。土壓力盒埋設(shè)如何固定是一個(gè)關(guān)鍵?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用框架來固定土壓力盒，框架用槽鋼和鏍紋鋼制做，鏍紋鋼長度約3 m起到錨桿作用，槽鋼用于固定土壓盒。埋設(shè)時(shí)將框架鏍紋鋼放入3 m深孔內(nèi)，并灌注水泥砂漿固定；固定在槽鋼下土壓力盒與土體一側(cè)緊密接觸，并回填高黏性的快凝材料進(jìn)行找平，使土壓力盒與周圍土體形成一體。

4．3．4 孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)要點(diǎn)

孔隙水壓力計(jì)透水石應(yīng)浸泡24 h，并用標(biāo)準(zhǔn)砂包裹。儀器埋設(shè)時(shí)應(yīng)緩慢放入預(yù)先已鉆孔中，就位后應(yīng)先回填標(biāo)準(zhǔn)砂，后回填膨潤土球并搗實(shí)，切忌大批量?jī)A倒，以防架空，如圖7所示。

5 問題及建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于膨脹土（巖）渠坡監(jiān)測(cè)儀器的使用與埋設(shè)有以下幾點(diǎn)值得注意：

（1）張力計(jì)。常規(guī)張力計(jì)最大問題是有氣蝕和通過陶瓷頭的空氣擴(kuò)散問題［3］，通常解決的辦法是可以用真空泵按檢定張力計(jì)同樣的步驟進(jìn)行抽除。這種方法在野外操作是不便的，難以抽至檢定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)壓，易造成張力計(jì)陶瓷頭與土體擾動(dòng)。使用改進(jìn)型張力計(jì)可以解決氣蝕問題，如噴射注入張力計(jì)原劑、小插頭張力計(jì)、滲透張力計(jì)。

（2）熱傳導(dǎo)。土的導(dǎo)熱特性與土中含水量直接相關(guān)，水的導(dǎo)熱性比空氣好。熱傳導(dǎo)傳感器對(duì)土樣浸濕過程和干燥過程均較敏感，在使用過程中遇到水壓力為正值時(shí)，傳感器容易失效，同時(shí)反映時(shí)間滯后，有待進(jìn)一步解決。因此對(duì)于含水量變化較大土層，不易用熱傳導(dǎo)測(cè)吸力值。

（3）體積含水率。體積含水率與重量含水率間轉(zhuǎn)換要借助土體密度，該密度目前用埋設(shè)時(shí)重量含水率和體積含水率間接得到的初始密度替代。假定土體密度在監(jiān)測(cè)期間不變，這種方法是可行的。由于原位土體膨脹變形、裂隙發(fā)育密度會(huì)因此發(fā)生變化，所以在監(jiān)測(cè)期間用初始密度替代是存在一定誤差的。

圖7 孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)示意圖Fig．7 A pore water pressure gauge buried process diagram

6 結(jié) 語

（1）建立膨脹巖（土）渠坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、內(nèi)容，建立氣象站。

（2）監(jiān)測(cè)儀器選型應(yīng)保證監(jiān)測(cè)儀器精度滿足監(jiān)測(cè)項(xiàng)目深度要求。監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)的部位與渠坡變形、大氣影響深度密切相關(guān)。

（3）膨脹巖（土）渠坡監(jiān)測(cè)儀器，即體積含水率探頭、張力計(jì)、熱傳導(dǎo)埋設(shè)時(shí)，應(yīng)確保探頭與原位土體緊密結(jié)合，埋設(shè)部位應(yīng)測(cè)試重量含水率和自由膨脹率，為孔底基礎(chǔ)資料。

［1］ 孔令偉．大氣作用下膨脹土邊坡響應(yīng)試驗(yàn)［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（7）：1065－1072．

［2］ 龔壁衛(wèi)，宋建平，周武華．非飽和土的吸力測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2（6）：1019－1025．

［3］ 龔壁衛(wèi)，包承綱．非飽和膨脹土的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)［J］．南水北調(diào)與水利科技，2008，2（1）：291－294．