垂直型固定式測斜儀在安徽省陽臺滑坡監(jiān)測中的應用

蔡志川，向 釩

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽·合肥 230001）

滑坡是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。在美國，每年滑坡帶來約10～20億美元的經(jīng)濟損失和25～50人死亡。意大利在1279～1999年期間840次滑坡中的死亡人數(shù)超過1萬人。我國是滑坡災害多發(fā)國家，據(jù)統(tǒng)計，1949～2011年期間，由滑坡造成的經(jīng)濟損失平均每年約為5000萬美元[1]。2012～2017年我國共發(fā)生滑坡地質(zhì)災害約35000起，占總體災害的68.62%。

為發(fā)現(xiàn)隱患，消除災害，須對各種山體滑坡進行有效而經(jīng)濟的監(jiān)測?；伦冃问腔碌刭|(zhì)結(jié)構(gòu)及內(nèi)外影響因素的綜合反映，滑坡變形監(jiān)測是分析滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、變形動態(tài)的依據(jù)，是滑坡整治工程信息化設計及災害預測預報的可靠技術(shù)保障。其中滑坡深部位移監(jiān)測是滑坡變形監(jiān)測的重要內(nèi)容，對準確確定滑面位置，研究滑坡目前性狀與發(fā)展趨勢，以及整治工程設計可提供重要信息[2]。測斜儀監(jiān)測的原理是根據(jù)鉛垂受重力影響的結(jié)果，測試測管軸線與鉛垂線之間的夾角，從而計算出鉆孔內(nèi)各個測點的水平位移與傾斜曲線[3]。本文以基康公司BGK-6150MEMS垂直型固定式測斜儀系統(tǒng)為例，介紹該儀器的傳感原理及測量原理，并結(jié)合安徽省休寧縣陽臺滑坡實時安全監(jiān)測預警的應用，說明其在變形監(jiān)測中的實際效果。

1 測斜儀工作原理及布置

1.1 BGK-6150垂直型固定式測斜儀系統(tǒng)簡介

基康儀器（北京）有限公司BGK-6150MEMS垂直型固定式測斜儀系統(tǒng)，可用于長期監(jiān)測大壩、基礎墻、邊坡、擋墻等類似建筑的分層水平位移變形，或者單獨安裝時用于測量建筑物或結(jié)構(gòu)的傾斜變化。

監(jiān)測采用鉆孔方式并安裝測斜管，并在測斜管內(nèi)不同高程安裝傾斜傳感器，可獲取滑坡內(nèi)部不同高程的水平位移狀態(tài)，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸至客戶端接收。這種應用可方便地實現(xiàn)遠程遙測，并可準確而連續(xù)地監(jiān)測滑坡內(nèi)部及剖面的變形情況。

1.2 BGK-6150垂直型固定式測斜儀系統(tǒng)工作原理

（1）監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換傾角變化測量按照下式計算：Δθ=arcsin(G×(R1-R0))

式中：G-儀器系數(shù)，由率定表給出；R1-當前讀數(shù)；R0-初始讀數(shù)

設一測斜儀的安裝長度為L（圖1），當相對于O點產(chǎn)生角度為θ的傾斜（轉(zhuǎn)動）后，A點位移到A′，則有D=L×sinθ。

圖1 水平位移換算原理Fig.1 Conversion principle of horizontal displacement

多支測斜儀串聯(lián)后，將這些儀器產(chǎn)生的位移變化量進行累加即可獲取整個剖面的垂直位移變形曲線。以鉛直向安裝的5測點固定式測斜儀為例（見圖2），假定以L1端為基準，則L5端在垂直方向產(chǎn)生的總位移量：

D=D1+D2+D3+D4+D5

圖2 傾斜到沉降轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Schematic diagram of inclination to settlement transformation

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)自動監(jiān)測的基礎上人工自定義監(jiān)測，自動監(jiān)測設定時間靈活，可設置為每小時一次、兩小時一次等，通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)異地接收數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Actual time data monitoring system

1.3 測斜儀系統(tǒng)儀器布置

監(jiān)測儀器平面上布置安置選取的位置應兼顧變形最大區(qū)域及高威脅區(qū)域（圖4）。

鉆孔施工可知滑坡基巖埋深35～46m，儀器垂向安置定位原則為：鉆孔中取芯率低區(qū)域及鉆孔內(nèi)碎石與黏土交界區(qū)域（表1）。

表1 監(jiān)測孔儀器安置情況Table 1 Instrument placement for monitoring hole

2 測斜儀數(shù)據(jù)采集及分析

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

結(jié)合工程實踐研究發(fā)現(xiàn)，對研究滑坡變形有意義的曲線主要有以下幾種：累積位移-深度曲線，即累積位移隨深度的變化；相對位移-深度曲線，即相對位移隨深度的變化；位移矢量-時間曲線，即同一測點在不同時刻的位移矢量變化；位移-時間曲線，即位移過程曲線，又可分為累計位移或相對位移過程曲線；位移矢量-深度曲線，即同一時刻不同深度的位移矢量變化。

本次工作對于滑坡數(shù)據(jù)分析采用累積位移-深度曲線、位移矢量-時間曲線、相對位移-時間曲線三種進行分析。

（1）累積位移-深度曲線

滑坡深部累積位移-深度曲線位移變形有“V”形、“D”形、“B”形、“r”形、“鐘擺”形及復合型等幾種曲線形態(tài)，每種曲線形態(tài)可反映滑動面 (或潛在滑動面 )的位置和滑坡變形發(fā)展過程，同時可反映滑坡的滑動性質(zhì)。當形態(tài)呈“鐘擺”形時,滑坡處于相對穩(wěn)定階段；呈“V”形、“B”形時，滑坡處于潛在滑動階段；呈“D”形、“r”形，且位移速率較大時 ,滑坡處于失穩(wěn)破壞階段[4]。

圖4 監(jiān)測儀器布置圖Fig.4 Arrangement diagram of monitoring instruments

根據(jù)圖形分析（圖5）可知：監(jiān)測孔1、監(jiān)測孔3屬于“V”型，曲線特點表現(xiàn)為，底部位移很小，而上部位移較大，中間沒有較明顯的波峰和波谷 (滑動面)， 表明滑坡該部位還沒有形成明顯的滑動面，處于剪切蠕變階段，但隨著時間的推移，有可在最薄弱的地方形成滑動面。

監(jiān)測孔2屬于“鐘擺”型，即不同時刻的位移-深度曲線在初測值兩側(cè)作小幅度擺動，擺動幅度一般＜0.4mm，在量測綜合誤差影響范圍之內(nèi)，表明監(jiān)測孔2附近滑體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）位移矢量—時間曲線

選取監(jiān)測孔3，數(shù)據(jù)時間為2012年3月至2014年3月，根據(jù)位移矢量-時間曲線可知，在2012年10月31日位移矢量時間曲線曲率明顯變小，意味著在這個時間之后，儀器不再發(fā)生明顯的位移，儀器附近滑體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)（圖6）。

（3）相對位移—時間曲線

選取監(jiān)測孔3，數(shù)據(jù)時間為2012年3月至2014年3月，由相對位移-時間曲線圖可知，2012年3月至2012年10月，位移值從0.34mm降至0.0004mm，逐漸趨于穩(wěn)定。儀器在2012年 10月31日左右位移趨于穩(wěn)定。而后一直在正負0.001之間振動，未發(fā)生明顯位移（圖7）。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)論

通過對第一種曲線的分析判定各監(jiān)測孔附近坡體堆積物的穩(wěn)定性，初步可知監(jiān)測孔1、監(jiān)測孔3兩孔累計位移和深度呈反比，兩孔附近坡體堆積物處于相對不穩(wěn)定狀態(tài)，有發(fā)生蠕滑變形的可能性，監(jiān)測孔2監(jiān)測孔附近坡體堆積物處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。通過對第三種及第四種曲線的分析可判定監(jiān)測孔附近坡體堆積物的穩(wěn)定性現(xiàn)狀，分析可知儀器安裝至自2012年10月，監(jiān)測孔3最大累計位移位置位于地表，發(fā)生的累積位移量為0.46mm，其中2012年7月—2012年9月儀器附近的位移量變化最為明顯，表現(xiàn)為累計位移—時間曲線斜率增大。2012年9月—2012年10月底，儀器附近位移增加速度變緩，表現(xiàn)為累計位移—時間曲線斜率變小直至近水平以及相對位移—時間曲線縱坐標區(qū)域0附近振動。

圖5 累積位移—深度曲線Fig.5 Accumulate displacement-depth curve

圖6 位移矢量—時間曲線Fig.6 Displacement vector-time curve

圖7 相對位移—時間曲線Fig.7 Relative displacement-time curve

通過分析認為儀器安裝初期，由于鉆機成孔及儀器套管安放，對坡體地應力產(chǎn)生了影響，儀器成孔直徑為89-127mm，套管為直徑75mm的ABS管，安放結(jié)束對儀器套管周圍進行回填，回填材料為碎石土。初期由于鉆孔內(nèi)地應力變化以及回填土內(nèi)碎石的重力壓實作用，儀器位移變化較明顯，尤其在雨季2012年7月—2012年9月，由于地表降水入滲，導致坡體堆積物及回填土內(nèi)應力發(fā)生變化，直接表現(xiàn)為該時間段累計位移-時間曲線斜率變大。直至2012年10月底，儀器已安裝約7個月，填層已密實，內(nèi)部地應力趨于穩(wěn)定，因此10月31日后監(jiān)測孔地表累計位移趨于平緩，直接表現(xiàn)為相對位移在0附近振動。說明儀器附近滑體一直處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文通過對滑坡的內(nèi)部變形監(jiān)測成果進行分析，結(jié)合滑坡的地質(zhì)勘查情況，得出如下認識：

（1）通過對垂直型固定式測斜儀數(shù)據(jù)成果的分析，可以有效判定地表下最危險滑動面的范圍，有利于分析邊坡的變形機制，能夠為治理設計提供可靠依據(jù)。

（2）通過數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測，能夠預測邊坡滑動變形的趨勢，結(jié)合邊坡穩(wěn)定性分析成果，可為防災預報和應急治理提供信息。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)可在自動監(jiān)測的基礎上人工自定義監(jiān)測，并通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)異地接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了災害點的動態(tài)監(jiān)測。實踐證明，垂直型固定式測斜儀的使用是滑坡深部位移監(jiān)測研究行之有效的手段。