基于多維度變形測(cè)量裝置的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

鄧衛(wèi)衛(wèi) ，趙初林 ，任海鋒

（1. 貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院（貴州省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心），貴州 貴陽(yáng) 550001；2. 基康儀器股份有限公司，北京 102488）

0 引言

隨著社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的增大及需要，近些年來在水電及其他行業(yè)出現(xiàn)了越來越多的高陡邊坡及地質(zhì)環(huán)境較差的自然高邊坡，這些邊坡的穩(wěn)定性直接制約了工程經(jīng)濟(jì)的合理性和建設(shè)的可行性[1]。邊坡產(chǎn)生滑坡時(shí)，不僅會(huì)造成一定范圍內(nèi)的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)對(duì)四周道路交通造成嚴(yán)重威脅。因此，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)，必須對(duì)周邊高陡邊坡穩(wěn)定性給予足夠的重視，必要時(shí)進(jìn)行深入研究[2-6]。

近年來針對(duì)高陡邊坡、自然高邊坡的監(jiān)測(cè)技術(shù)層出不窮[7-10]。其中，攝像法具有快速、直觀、全面的特點(diǎn)，但精度較差；GPS 技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)，精度也可以達(dá)到毫米級(jí)別[11-18]，但只是對(duì)邊坡表面進(jìn)行測(cè)量，難以反映邊坡內(nèi)部的位移變化。鑒于邊坡滑坡的形式和特點(diǎn)，專門用于監(jiān)測(cè)滑坡體內(nèi)部位移的測(cè)斜儀應(yīng)運(yùn)而生，包括固定式、滑動(dòng)式測(cè)斜儀，以及新型監(jiān)測(cè)技術(shù)——多維度變形測(cè)量裝置。

相對(duì)而言，固定式測(cè)斜儀屬于傳統(tǒng)的測(cè)斜設(shè)備，造價(jià)較低，但僅適用于測(cè)量小變形，同時(shí)測(cè)點(diǎn)間距較大帶來的傳遞桿撓曲會(huì)導(dǎo)致位移變化傳遞失真，且安裝方法過于復(fù)雜，難以在同一個(gè)測(cè)斜孔中布局多個(gè)測(cè)點(diǎn)；滑動(dòng)式測(cè)斜儀雖使用方便，設(shè)備也可重復(fù)使用，但重復(fù)性差，累積誤差大，易于磨損，人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。多維度變形測(cè)量裝置雖然設(shè)備造價(jià)較高，但由于沒有固定式和滑動(dòng)式2種測(cè)斜儀的缺點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)可得到更好的監(jiān)測(cè)效果，為此應(yīng)用多維度變形測(cè)量裝置對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 多維度變形測(cè)量裝置安裝及計(jì)算原理

多維度變形測(cè)量裝置是測(cè)量系統(tǒng)的核心敏感元件，是一款基于連續(xù)測(cè)斜原理設(shè)計(jì)的高精度一體式測(cè)量裝置，是由數(shù)個(gè)長(zhǎng)度為 0.5 或 1.0 m 的剛性傳感器節(jié)點(diǎn)首尾連接而組成的一個(gè)傳感器陣列，傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用可自由彎曲的柔性節(jié)連接，以適應(yīng)監(jiān)測(cè)界面有較大變形時(shí)導(dǎo)致的傳感器失效。具體裝置如圖1所示。

圖1 多維度變形測(cè)量裝置

1.1 安裝方式

與傳統(tǒng)的固定式或滑動(dòng)式測(cè)斜儀不同的是，多維度變形測(cè)量裝置的安裝不需要專用的測(cè)斜管，安裝方式非常靈活，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，不僅可以垂直安裝，還可以沿結(jié)構(gòu)物傾斜安裝，甚至可以隨著被監(jiān)測(cè)物的形狀進(jìn)行曲面安裝。但多維度變形測(cè)量裝置安裝時(shí)仍然要選擇相對(duì)固定的點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，例如當(dāng)鉆孔安裝時(shí)，鉆孔到達(dá)基巖，則以孔底為基準(zhǔn)點(diǎn)；若鉆孔未到達(dá)基巖，則選擇孔口表面位移監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)孔口位移進(jìn)行校正。

1.2 計(jì)算原理

多維度變形測(cè)量裝置用于滑坡體監(jiān)測(cè)時(shí)，頂部偏移量等于各段偏移量的總和，計(jì)算原理圖如圖 2所示。每一段的偏移量可通過公式Lsinθ計(jì)算得出，這里L(fēng)0，L1，L2，…，Li分別是傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離，θ00，θ10，θ20，…，θi0是各段傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)得的水平面方向的初始偏移角度（θ值的正負(fù)表示傳感器偏移的方向），θ0t，θ1t，θ2t，…，θi t是各段傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)得的水平面方向的變化后偏移角度。將每段的偏移量累加，得出孔口的偏移量。

圖2 多維度變形測(cè)量裝置位移計(jì)算原理

各傳感器節(jié)點(diǎn)連接點(diǎn)的初始偏移量計(jì)算如下：P0點(diǎn)，D00=L0sinθ00；P1點(diǎn)，D10=L0sinθ00+L1sinθ10；Pi點(diǎn)，Di0=L0sinθ00+L1sinθ10+ … +Lisinθi0。發(fā)生位移后，各傳感器節(jié)點(diǎn)連接點(diǎn)的偏移量計(jì)算如下：P0點(diǎn)，D0t=L0sinθ0t；P1點(diǎn)，D1t=L0sinθ0t+L1sinθ1t；Pi點(diǎn)，Dit=L0sinθ0t+L1sinθ1t+ … +Lisinθi t。則Pi點(diǎn)的偏移變化量（即位移）ΔDi=Dit-Di0。即在多維度變形測(cè)量裝置的應(yīng)用過程中，采用上述計(jì)算原理可得到滑坡體不同深度的水平位移。

2 多維度變形測(cè)量裝置應(yīng)用實(shí)例

2.1 監(jiān)測(cè)裝置安裝

某庫(kù)區(qū)地貌上形似扇狀，前寬后窄，近N—S方向展布，地勢(shì)西高東低，局部呈階梯狀斜坡地貌，上陡下緩，總體坡度為 30° 左右?；虑熬壱堰_(dá)臨江的江邊，形成 50～60° 的陡坡，局部存在失穩(wěn)滑動(dòng)。該庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處已經(jīng)形成明顯的滑坡后壁。

根據(jù)前期地質(zhì)勘查報(bào)告，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在剖面在深度 34～61 m 位置處存在1個(gè)滑移面，為確定滑移面的準(zhǔn)確位置，并對(duì)滑坡體實(shí)施長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處鉆1個(gè)深度為68m 的孔，在孔中垂直安裝68m長(zhǎng)的多維度變形測(cè)量裝置，鉆孔底部到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處基巖，故選擇孔底為基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)期從2017年8月19 日開始。多維度變形測(cè)量裝置安裝位置及傳感器指向示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器安裝位置及指向示意圖

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1X方向位移分析

2017 年8月19日—10 月21日監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向位移隨鉆孔深度分布曲線如圖4所示。

圖4 X 方向位移隨深度分布曲線

從圖4可以看出：1）位移值在孔深 36.8 m 位置處發(fā)生突變，最大位移接近120mm。鉆孔深度在0～36.8 m 和 36.8～68.0 m 之間位移相對(duì)較小，孔口相對(duì)于 36.8 m 位置處僅產(chǎn)生8mm 左右的位移，并且該孔段處位移朝向滑坡體的臨空面；2）不同時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的曲線變化規(guī)律基本相同。由X方向上位移分布曲線可以得到初步結(jié)論：在孔深 36.8 m 位置處存在地質(zhì)滑移面。

孔深 36.8 m 位置處，X方向位移隨時(shí)間變化過程曲線如圖5所示。

圖5 孔深 36.8 m 處 X 方向位移隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)X方向位移增長(zhǎng)速率的變化，2017 年8月中旬—10月下旬的觀測(cè)期基本可以分為以下2個(gè)階段：1）8 月中旬至9月底的位移為急速增長(zhǎng)時(shí)期；2）10 月初至22日的位移為緩慢增長(zhǎng)時(shí)期，但各階段內(nèi)的位移基本呈線性增長(zhǎng)。

由于2017年 8—9 月為該水電站的主汛期，降雨量較大，而10月之后降雨量減小，由此造成滑坡體位移增長(zhǎng)速率的變化。

2.2.2Y方向位移分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)處Y方向位移隨鉆孔深度分布曲線如圖6 所示。

圖6 Y 方向位移隨深度分布曲線

由圖6可以看出：1）位移值在孔深 36.8 m 位置處發(fā)生突變，最大位移達(dá)到25mm，小于X方向位移值；2）孔深在 0～36.8 m 之間，Y方向位移較小，且該區(qū)間內(nèi)滑坡體位移朝向臨江的下游方向；3）不同時(shí)間監(jiān)測(cè)的位移分布曲線規(guī)律基本相同。

Y方向上位移監(jiān)測(cè)結(jié)果再次印證了在孔深 36.8 m位置處存在地質(zhì)滑移面的結(jié)論。

孔深 36.8 m 位置處，Y方向位移隨時(shí)間變化過程曲線如圖7所示。從圖7可以看出，Y方向位移增長(zhǎng)速率的變化規(guī)律與X方向變化規(guī)律相同。分析原因，同樣是由于降雨量的不同造成了Y方向位移增長(zhǎng)速率的變化。

2.2.3 位移速率突變?cè)蚍治?/p>

36.8 m 孔深位置處，X和Y方向位移隨時(shí)間變化過程曲線如圖8所示。

圖7 孔深 36.8 m 處 Y 方向位移隨時(shí)間變化曲線

圖8 位移過程曲線

觀測(cè)期內(nèi)2017年8月31日—9 月6日，孔深36.8 m 處X和Y方向位移速率均出現(xiàn)急速變化的現(xiàn)象（見圖8中紅色圈標(biāo)識(shí)），結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤隊(duì)顩r，該地8月26日—9 月4日連續(xù)強(qiáng)降雨10d，由于某些滑坡發(fā)生在誘發(fā)作用因素之后，因此可以認(rèn)為降雨極有可能是導(dǎo)致滑坡體在該段時(shí)間內(nèi)位移增長(zhǎng)速率增大的主要原因。

2.2.4 Z 方向位移分析

孔深分別為 37.8，37.3，36.8，36.3 m 位置處，Z方向位移隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

由圖9可以看出，在8月19日—10 月22日觀測(cè)期內(nèi)，孔深 37.8，37.3 m 位置處Z方向基本沒有產(chǎn)生位移，即未發(fā)生沉降；孔深 36.8，36.3 m 位置處，均產(chǎn)生接近20mm 的沉降。Z方向監(jiān)測(cè)結(jié)果再次證明在孔深 36.8 m 位置處存在滑移面。

Z方向沉降位移隨孔深的分布曲線如圖10所示。由圖10可知：監(jiān)測(cè)點(diǎn)在孔深 -36.8～0 m 處均產(chǎn)生 15～20 mm 的沉降，并且僅在該孔段處產(chǎn)生沉降，結(jié)合X及Y方向上位移隨孔深分布曲線，可以得到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處滑坡體厚度為 36.8 m。

圖9 不同孔深位置 Z 方向位移隨時(shí)間變化曲線

圖10 Z 方向沉降位移隨孔深分布曲線

2.2.5 地質(zhì)取芯分析

根據(jù)測(cè)點(diǎn)處地質(zhì)取芯情況分析， 36.8 m 處進(jìn)入紅色中風(fēng)化巖層，這個(gè)位置在地質(zhì)上存在一個(gè)分界面，與觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合，從而佐證了監(jiān)測(cè)結(jié)果的正確性。

2.2.6 水平合位移方位角分析

由于該段滑坡體僅在 36.8 m 以上產(chǎn)生較大位移，因此重點(diǎn)關(guān)注該段滑坡體的滑坡傾向與位移即可。水平合位移與X軸正方向的夾角分析及滑坡體滑移方向如圖11所示，由圖11可知，0～36.8 m 滑坡段的滑坡傾向與X軸正方向的夾角基本為 10° 左右，朝向滑坡體臨江的下游。

圖11 水平合位移方位角及滑坡體滑移方向

2.2.7 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)性分析

2017 年10月18日40min 內(nèi)重復(fù)測(cè)量5次后得到的X和Y方向位移隨孔深分布的曲線如圖12所示。由圖12可以得到：該時(shí)間段內(nèi)位移分布曲線基本重合，多維度變形測(cè)量裝置重復(fù)性較高，測(cè)量誤差小于 ±2mm/32 m，可以認(rèn)為在該時(shí)段內(nèi)滑坡體并未產(chǎn)生位移。

圖12 短時(shí)段內(nèi) X 和 Y 方向位移隨深度分布曲線

2.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備優(yōu)越性

多維度變形測(cè)量裝置在應(yīng)用中具有以下優(yōu)越性：

1）安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。滑坡體監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集方式要考慮數(shù)據(jù)采集的便捷性和數(shù)據(jù)獲得后反饋的及時(shí)性2個(gè)重要方面。

滑坡災(zāi)害往往是瞬間發(fā)生的，人工采集往往具有一定的滯后性，不能及時(shí)反映滑坡體的實(shí)時(shí)狀態(tài)。應(yīng)用多維度變形測(cè)量裝置，配套的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以定時(shí)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，無需人工干涉，同時(shí)自動(dòng)化采集的數(shù)據(jù)可以通過無線方式實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶。軟件根據(jù)自動(dòng)化傳回的數(shù)據(jù)，可以自動(dòng)形成數(shù)據(jù)報(bào)表，給用戶更直觀的體驗(yàn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定的預(yù)警閥值時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間通知用戶，以便決策者在最短的時(shí)間內(nèi)做出應(yīng)對(duì)措施。

2）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠。多維度變形測(cè)量裝置采用結(jié)構(gòu)防水，耐水壓指標(biāo)可以達(dá)到3MPa，提高耐水壓指標(biāo)的同時(shí)，避免了由于采用環(huán)氧樹脂在溫度交替變化時(shí)變成粉狀而造成密封失效的現(xiàn)象。

多維度變形測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)可靠，溫度變化不會(huì)導(dǎo)致傳感器結(jié)構(gòu)變形，從而消除了溫度補(bǔ)償無法修正的結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的零漂帶來的測(cè)量誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

多維度變形測(cè)量裝置傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用可自由彎曲的柔性節(jié)連接，具有變形適應(yīng)性強(qiáng)、量程大、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，多維度變形測(cè)量裝置不僅可以確定滑坡體滑移面的準(zhǔn)確位置，而且可用于滑坡體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效果相對(duì)更好。

多維度變形測(cè)量裝置采用機(jī)械防扭、結(jié)構(gòu)防水等設(shè)計(jì)，相比采用電子元件測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度，無二次率定，消除了電子元件受地磁、設(shè)備本身電場(chǎng)等干擾帶來的測(cè)量誤差，但會(huì)造成設(shè)備偏重，因此，今后針對(duì)裝置在安裝過程中的扭轉(zhuǎn)及在保證設(shè)備耐水壓和耐用程度的條件下減小設(shè)備重量等問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究將具有一定的實(shí)際意義。