鉆孔測斜儀在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究*

彭紀(jì)超，王松林，張運(yùn)勛，岳 婷，宋 揚(yáng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083;2.六枝工礦(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 六盤水553400)

0 引 言

鉆孔監(jiān)測儀是一種測定鉆孔水平位移的原位監(jiān)測儀器，使用鉆孔測斜儀進(jìn)行巖土體內(nèi)部位移監(jiān)測是滑坡勘察中一種最基本也最有效的方法。國外自20 世紀(jì)60 年代就大量使用鉆孔測斜儀，中國也應(yīng)用了近30 a.1985 年新灘滑坡、二灘庫首金龍山谷坡、三峽高邊坡的變形監(jiān)測等都是中國較早應(yīng)用了鉆孔測斜儀來監(jiān)測的工程［1］。90 年代后，巖土工程飛速發(fā)展，鉆孔測斜儀在滑坡、邊坡上的成功應(yīng)用案例比比皆是。例如:三峽庫岸黃臘石滑坡和清江庫岸墓坪滑坡［2］、甫臺(tái)溫高速公路平蒼段［3］、廣懷高速王家山隧道西側(cè)滑坡［4］、成(都)-南(充)高速公路K73 段高邊坡［5］、西南部某縣城南側(cè)滑坡［6］等等。可見，鉆孔測斜儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于滑坡及邊坡的監(jiān)測。許多學(xué)者提出保持監(jiān)測精度的必要措施，如:黃志德(1998)等［7］以CX 系列測斜儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合分析保證監(jiān)測綜合精度的必要措施。靳曉光(2002)等［8］主要研究了鉆孔傾斜測量與數(shù)據(jù)處理。喬紅兵(2003)［9］和陳國勝(2008)等［10］主要通過研究測斜資料誤差，提出了相關(guān)解決方案。文獻(xiàn)主要是研究鉆孔測斜儀在滑坡、邊坡中的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)處理、誤差控制方面，很少涉及到具體的施工過程。

通常在正確安裝測斜管后，需要使用鉆孔測斜儀測量測斜管中相互垂直方向的2 組數(shù)據(jù)，每個(gè)方向需要正反各測一次，需要花費(fèi)施工人員大量的時(shí)間。例如:采集一個(gè)深度為30 m 的測斜孔數(shù)據(jù)，深度間隔0.5 m，每個(gè)方向正反各測60 個(gè)點(diǎn)，2組垂直數(shù)據(jù)共有240 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。按照測斜管精度要求，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)大約得至少需要3 min 等讀數(shù)穩(wěn)定，因此需要施工人員不間斷工作12 h. 因此，如果監(jiān)測孔監(jiān)測較多，這樣的監(jiān)測方式需要大量的人力物力。在對(duì)貴州華隆煤業(yè)化樂煤礦三井區(qū)的滑坡帶進(jìn)行監(jiān)測過程中，通過使用RQBF -698B型鉆孔測斜儀對(duì)該滑坡進(jìn)行監(jiān)測，通過房屋變形、開裂等情況，對(duì)滑坡滑動(dòng)方向的預(yù)判［11-12］，安裝測斜管時(shí)設(shè)置主方向，每次監(jiān)測只測量了一個(gè)方向的滑動(dòng)數(shù)據(jù)。并結(jié)合鉆探和坑探結(jié)果驗(yàn)證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 鉆孔測斜儀原理

測斜儀的原理是一個(gè)力平衡式的伺服系統(tǒng)，當(dāng)傳感器探頭相對(duì)于鉛錘方向產(chǎn)生傾角時(shí)，由于重力作用，傳感器中敏感元件相對(duì)于鉛錘方向擺動(dòng)一個(gè)角度，通過高靈敏的微電子換能器將此角度轉(zhuǎn)換成信號(hào)，經(jīng)過分析處理，直接在液晶顯示屏上顯示被測點(diǎn)的水平位移量ΔX 值［13-15］。

當(dāng)巖土體產(chǎn)生位移時(shí)，埋入巖土體的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為土體的位移量。放人測斜管內(nèi)的傳感器測出的量是各個(gè)不同測段上測斜管的傾角θ，而該分段兩端點(diǎn)的水平偏差可由測得的傾角θ 用下式表示式中 Xi為第i 量測段的水平偏差值，mm;Li為第i 量測段的長度，通常取為0.5，1 m 等整數(shù)，m;θi為第i 量測段的傾角值，(°)。

水平位移總量

在測斜儀觀測時(shí)，為了消除和減少儀器的零漂及裝配誤差等，應(yīng)在位移的的正方向及測頭掉轉(zhuǎn)180°以后的反方向各測讀一次數(shù)。對(duì)于伺服加速度計(jì)式測斜儀而言，其測斜是通過探頭內(nèi)加速度計(jì)測量重力失量g 在傳感器軸線垂直面上的分量大小來實(shí)現(xiàn)的，其位移增量Xi可表示為

式中 U1i為第i 量測段正測的電壓輸出信號(hào);U2i為第i 量測段反測(相差180°)的電壓輸出信號(hào);C為儀器參數(shù);Li為第i 量測段的長度，通常取為0.5，1 m 等整數(shù)，m.

這樣，根據(jù)每次觀測結(jié)果可以繪制鉆孔位移隨時(shí)間、孔深變化的關(guān)系曲線，進(jìn)而獲得巖土體深部發(fā)生位移的部位、方向等參數(shù)，為滑坡治理提供有效參數(shù)。

圖1 測斜工作原理示意圖Fig.1 Principle of the borehole inclinometer

2 測斜管安裝與測量

在安裝測斜管及測量過程中需要采取一定措施和遵循一定原則來減小測量誤差和保證測斜儀監(jiān)測的精度。

2.1 測斜管的安裝

1)安裝測斜管時(shí)，底部必須裝有護(hù)蓋，鏈接部位用螺絲鏈接后再密封，防止泥砂滲入測斜管內(nèi)部，導(dǎo)致堵塞測斜管凹槽，引起測量誤差。頂部必須有頂蓋，防治有石砂落入測斜管而導(dǎo)致堵塞測斜管。測斜管內(nèi)有兩對(duì)相互垂直的導(dǎo)槽，為了節(jié)約監(jiān)測時(shí)使用時(shí)間，將一對(duì)導(dǎo)槽的方向與滑坡滑動(dòng)方向一致，測量時(shí)即可只測量該對(duì)導(dǎo)槽，就能達(dá)到監(jiān)測的目的;

2)填埋測斜管外壁與鉆孔壁之間的空隙使用材料根據(jù)巖土體不同而選擇不同的填充物。在土體中最好是用細(xì)沙填充;堅(jiān)硬巖體適合使用水泥砂漿填充。充填之后，應(yīng)該等待一周左右，使測斜管和周圍巖土體成為一體后再進(jìn)行測量;

3)由于不同材質(zhì)的測斜管的扭轉(zhuǎn)角不同，塑料管最大，PVC 管次之，最小的是鋁合金管。為減小扭轉(zhuǎn)角對(duì)監(jiān)測結(jié)果的影響，在項(xiàng)目資金充足的情況下，應(yīng)盡量選擇鋁合金管，如選擇塑料管或者PVC 管，應(yīng)該用測扭儀對(duì)測斜管進(jìn)行檢測。對(duì)基于輕微性扭轉(zhuǎn)的測斜管得到的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行修正，而對(duì)扭轉(zhuǎn)較為嚴(yán)重的塑料管應(yīng)重新埋設(shè)或增設(shè)鉆孔重新測量，盡量減少導(dǎo)向槽扭轉(zhuǎn)帶來的不良影響。

2.2 測量

1)每次測量時(shí)將側(cè)頭放入測斜管底部時(shí)，應(yīng)該等待5 ～10 min 之后再開始測量，等測頭溫度與圍巖溫度一致，避免溫差干擾。在測量時(shí)，應(yīng)該等讀數(shù)穩(wěn)定以后再讀取參數(shù);

2)導(dǎo)線上的標(biāo)尺必須固定，并且需要每一次提拉測量的是同一個(gè)點(diǎn)，否則會(huì)導(dǎo)致每次測量Li不一致，從而產(chǎn)生誤差。因此，盡量不要調(diào)換測量人員。

3 觀測資料整理

滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移地質(zhì)現(xiàn)象，其機(jī)制是某一滑移面上剪應(yīng)力超過了該面的抗剪強(qiáng)度所致?；鲁３＝o工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失、有的甚至是毀滅性的災(zāi)難。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并消除危害，有效而經(jīng)濟(jì)的采取滑坡防治措施，就必須對(duì)具有滑坡可能性的巖土體進(jìn)行監(jiān)測［16-18］。

本次使用RQBF-698B 型鉆孔測斜儀對(duì)該滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測。為了研究滑坡體各部位的滑動(dòng)特征，考慮到監(jiān)測時(shí)間和安裝費(fèi)用，本次監(jiān)測選擇了2 條測線，布設(shè)了5 個(gè)監(jiān)測孔。測線1 在滑坡導(dǎo)致房屋變形比較嚴(yán)重的部位，分別在滑坡前緣、滑坡腹部及滑坡后緣各布設(shè)一個(gè)測斜孔(JC -01，JC-02，JC -03)，用于監(jiān)測其滑動(dòng)速率及定位滑動(dòng)面，該側(cè)線前端土體被破壞;測線2 設(shè)置在滑坡地帶的邊緣設(shè)立了2 個(gè)孔(JC -11，JC -12)，該側(cè)線前端土體未被破壞。

圖2 滑坡與監(jiān)測孔布設(shè)示意圖Fig.2 Landslide and the distribution of monitoring borehole

2012 年上半年，對(duì)布設(shè)的5 個(gè)監(jiān)測孔進(jìn)行4次測量，然后對(duì)測斜結(jié)果進(jìn)行整理，生成累加位移與孔深曲線圖(圖3 和圖4)。測線1:測斜孔JC -01 在深度13 ～15 m 深度存在一個(gè)滑動(dòng)面。測斜孔JC-02 在12 ～15 m 深度明顯存在一個(gè)滑動(dòng)面，監(jiān)測孔JC-03 在深度13 ～16 m 明顯存在一個(gè)滑動(dòng)面。根據(jù)鉆孔資料和坑探資料，相應(yīng)位置為一層淤泥質(zhì)粘土并且存在明顯的滑動(dòng)面，從而驗(yàn)證了測斜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。測線2:監(jiān)測孔JC -11 和JC-12 未出現(xiàn)明顯滑動(dòng)面，處于剪切蠕變階段。不過由于此地位于滑坡帶邊緣，隨著時(shí)間的推移或由于施工、降水等方面的原因，可能會(huì)在薄弱面產(chǎn)生滑動(dòng)。由于在滑坡體后緣形成裂縫，為地表水和大氣降水下滲提供了滲透途徑，為防止滑坡災(zāi)害的發(fā)生，需要采取相應(yīng)措施［19-20］。

圖3 累計(jì)位移與深度曲線圖(測線1)Fig.3 Curve of accumulative displacement and the depth(Survey1)

圖4 累計(jì)位移與深度曲線圖(測線2)Fig.4 Curve of accumulative displacement and the depth(Survey 2)

4 結(jié) 論

1)測線1 中監(jiān)測孔JC-01，JC-02 和JC-03都存在明顯的滑動(dòng)面，分別在深度13 ～15 m ，12 ～15 m 和13 ～16 m. 測線2 中監(jiān)測孔JC -11 和JC-12 未出現(xiàn)明顯滑動(dòng)面，處于剪切蠕變階段。不過由于此地位于滑坡帶邊緣，隨著時(shí)間的推移或由于施工、降水等方面的原因，也存在會(huì)在薄弱面產(chǎn)生滑動(dòng)的可能;

2)在本次監(jiān)測采取的定向埋設(shè)測斜管，只監(jiān)測其中一個(gè)方向的方法，其監(jiān)測結(jié)果與鉆孔、坑探結(jié)果一致。得到很好的驗(yàn)證。因此該方法能夠有效節(jié)約監(jiān)測時(shí)間，提高工作效率;

3)這樣的方法適用于滑坡體滑動(dòng)方向可以準(zhǔn)確預(yù)判的情況。如果滑坡滑動(dòng)方向預(yù)判不準(zhǔn)確，得到的監(jiān)測結(jié)果將與事實(shí)相差甚遠(yuǎn)。

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