邊坡連桿法位移監(jiān)測偏差校驗(yàn)計(jì)算和減少偏差方法研究

柳蕾 傅長榮

摘 要：邊坡位移測量是判斷邊坡變形趨勢和邊坡穩(wěn)定性的重要前提，出于經(jīng)濟(jì)和適用性方面考慮，連接桿測量法仍是目前應(yīng)用較廣的一種方法，但在連接桿測法中，監(jiān)測點(diǎn)在水平和垂直方向并不一定是一條直線，傳感器所測得的數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確代表水平和垂直位移。本文通過對現(xiàn)場安裝方法加以規(guī)范調(diào)整，以提高連接桿測法的精確性。

關(guān)鍵詞：邊坡位移;連桿法;偏差校驗(yàn)

中圖分類號：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0151-02

0 概述

我國70%的國土面積為山地，是一個山地災(zāi)害頻發(fā)的國家。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的迅猛發(fā)展，各種土木工程和采礦工業(yè)方興未艾，在許多工程建設(shè)中形成一些臨時(shí)或永久的工程邊坡。為了預(yù)防和減輕自然邊坡滑坡災(zāi)害和人工邊坡事故，需對邊坡位移進(jìn)行監(jiān)測并在達(dá)到設(shè)定的預(yù)警值后進(jìn)行預(yù)警[1-2]。由于邊坡巖土體性質(zhì)復(fù)雜，地質(zhì)分布不均勻性，且易受施工過程、外部環(huán)境、大氣因素的影響，使得邊坡位移監(jiān)測成為一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題[3]。由于邊坡數(shù)量巨大，如果大面積開展GPS定位等現(xiàn)代化監(jiān)測手段，將對國家和社會造成一定的經(jīng)濟(jì)壓力。出于經(jīng)濟(jì)和適用性方面的考慮，本文嘗試對傳統(tǒng)監(jiān)測方法即連桿監(jiān)測方法，進(jìn)行校驗(yàn)，以提高其精確度。

1 連桿法監(jiān)測布置簡述

連桿法是以坡頂外的一點(diǎn)（在滑動范圍外）為固定基準(zhǔn)點(diǎn)A，在滑動范圍內(nèi)的測點(diǎn)為動點(diǎn)B，通過硬桿件連接兩點(diǎn)，并在桿件的端點(diǎn)處加設(shè)位移傳感器，以測定動點(diǎn)B位移的方法。也可以通過連桿順接BC、CD、DE等多點(diǎn)，測得的各點(diǎn)相對位移通過一定的算法確定各點(diǎn)相對A點(diǎn)的位移量。傳統(tǒng)的算法是累加法，即C點(diǎn)的位移等于B點(diǎn)的相對位移加C點(diǎn)相對位移。事實(shí)上，由于B點(diǎn)與C點(diǎn)均有位移，其相對位移的改變使得相應(yīng)的桿件角度發(fā)生變化，會發(fā)生隱性的位移量，再加上現(xiàn)場安裝時(shí)動點(diǎn)之間不可能在一條直線上，其產(chǎn)生隱性位移幾乎是必然的。

2 連桿條件下的位移數(shù)據(jù)特點(diǎn)

通常我們把動點(diǎn)的相對位移計(jì)安裝在上游桿件的延長線上，因此我們實(shí)測得的相對位移是AD、DB的延長線上的變化量（見圖1所示）。傳統(tǒng)的相對位移累加法只有在以下情況中（1）+（2）或（1）+（3）時(shí)才是適用的：

（1）A、D、B在水平面上是一條直線;（2）A、B、D在垂直面上是一條直線;（3）AD、DB的角度測量準(zhǔn)確。

但是我們在實(shí)際應(yīng)用中難以保證上述條件的實(shí)現(xiàn)。首先，動點(diǎn)是依據(jù)設(shè)計(jì)圖確定的，設(shè)計(jì)中只考慮測點(diǎn)能否全面管控住坡面的變形，而不會放在一條直線上;其次固定點(diǎn)需在滑動范圍外，所以監(jiān)測單位是希望越少越好，否則監(jiān)測成本高、安裝很不方便;再次，很多坡面陡峭，安裝測點(diǎn)已非常困難，要測定桿件的角度更為困難，所以很少有監(jiān)測單位測定桿件角度。因此，使用相對位移累加的方法來計(jì)算動點(diǎn)位移較為粗略，換句話說，我們僅僅知道這個測點(diǎn)有位移，其真正位移量不得而知，對于管理者而言，數(shù)據(jù)提供的決策意義要大打折扣。

3 地表變化對監(jiān)測點(diǎn)位移變化的影響分析

以下分析以三點(diǎn)連桿為例。實(shí)際中以連桿檢測法測地表位移時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)在水平和垂直方向并不一定是一條直線，因此，傳感器所測得的數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確代表水平和垂直位移。例如，圖1為某個連接桿觀測法的俯視圖，A點(diǎn)為邊坡頂端固定觀測點(diǎn)，B、D點(diǎn)為觀測點(diǎn)在水平面上的投影，AD，DB之間連接兩根連接桿，當(dāng)?shù)乇砦灰埔餌點(diǎn)的位移至D點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)也將發(fā)生位移至B點(diǎn)（為了計(jì)算方便，假定B點(diǎn)只能沿AB的連線上位移），B點(diǎn)在水平方向上實(shí)際有的位移，那么，實(shí)際上AB的水平位移應(yīng)該在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加。同理，AB的垂直位移也應(yīng)該在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加B點(diǎn)的垂直位移。

4 位移偏差校驗(yàn)計(jì)算

4.1水平位移修正計(jì)算

圖2為俯視圖，AD和DB為AB之間兩根連接桿L1、L2在水平面上的投影（兩根連接桿長度分別記為L1和L2）。θ1為連接桿L1與豎直平面的夾角，即AD與AB的夾角;θ2為連接桿L2與豎直平面的夾角，即DB與AB的夾角;θ為連接桿L1在水平面上的變化角度。同時(shí)，記L1與水平面的夾角為α1，L2與水平面的夾角為α2。那么有：

4.2垂直位移修正計(jì)算

圖3為立面圖，AF和FB為AB之間兩根連接桿在立平面上的投影，兩連接桿的連接點(diǎn)從F變化到F，假設(shè)L2仍經(jīng)過B點(diǎn)，那么BB2即為垂直方向。α為連接桿L1在垂直平面上的角度變化;L1與水平面的夾角為α1，L2與水平面的夾角為α2，前面水平位移修正計(jì)算已有說明;α3為連接桿L2原與水平面的夾角。

5 減少偏差的方法

上述的修正方法顯然需要已知的參數(shù)較多，事實(shí)上我們在現(xiàn)場很難測定各連接桿的角度和方向及其變化值，并且多桿連接后其偏差將更加明顯，因此通過理論計(jì)算修正偏差的方法基本上不可行，只有通過規(guī)范測桿安裝來減少偏差[4]。

保證各桿的連接點(diǎn)處于一個立面內(nèi)，是減少偏差的最有效方法。各連桿處在一個立面內(nèi)，意味著各連桿在水平面上的投影在一條直線上，那么可以認(rèn)為測得的水平位移是沿著該投影線運(yùn)行，此時(shí)只要將傳感器沿投影線方向布置，測得的位移數(shù)據(jù)將接近真實(shí)位移值。測定各連桿結(jié)點(diǎn)的初始高程，將獲得各連桿的初始傾角，粗略計(jì)算時(shí)，可以用最后一根測桿的角度代表位移方向，用以計(jì)算水平位移和垂直位移分量。如需要獲得更加準(zhǔn)確的測量值，建議每隔不多于三根桿放置一個傳感器，形成多級測量體系，逐級校準(zhǔn)修正。但無論如何，這種測量方式獲得的數(shù)據(jù)仍然只能作為一種參考值，而不是精確值，這是由這種測量方式的先天不足造成的。

6 結(jié)語

用連接桿法測邊坡的位移量時(shí)，隨著位移的變化，一般情況下傳感器測得的數(shù)據(jù)比實(shí)際位移要小。由于邊坡位移預(yù)警閥值單位為厘米級，如果不進(jìn)行校驗(yàn)，對邊坡情況的判斷將出現(xiàn)較大誤差。本文提出的位移校驗(yàn)，充分證明了偏差值難以難免，必須規(guī)范現(xiàn)場安裝來提高監(jiān)測的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 宰金珉，王旭東，徐洪鐘.巖土工程測試與監(jiān)測技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[2] 龔曉南，楊仲軒.巖土工程測試技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[3] 邱冬煒，丁克良，黃鶴，等.變形監(jiān)測技術(shù)與工程應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2016.

[4] 建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計(jì)院.GB50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].