數(shù)字活動(dòng)測斜儀在上博迪克西工程高邊坡位移監(jiān)測中的應(yīng)用

厙銀生

（中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001）

1 項(xiàng)目背景

尼泊爾上博迪克西水電站于2001 年1 月投產(chǎn)發(fā)電,2016 年7 月5 日,大壩上游25 km處的冰川湖潰湖沖毀了右壩肩、相鄰的中尼公路以及上壩路,2018 年7 月,右壩肩處的邊坡又發(fā)生了大面積滑塌,臨時(shí)道路路基全部坍塌,道路中斷。在右壩肩邊坡進(jìn)行永久防護(hù)設(shè)計(jì)前進(jìn)行地質(zhì)勘測,其探孔芯樣和實(shí)驗(yàn)成果表明,邊坡地層以碎石土為主、含有少量漂石和巨石的崩積層,厚度35.0 m~55.0 m,中等透水性,穩(wěn)定性差。右岸邊坡永久防護(hù)設(shè)計(jì)為：土石方回填,回填壓實(shí)度不小于95%,回填坡面用混凝土網(wǎng)格梁+20 cm厚混凝土板或80 cm厚鋼筋混凝土板防護(hù),坡面安裝?100 mm的pvc排水管,間排距2 m。其中回填區(qū)域最大回填高度17.5 m,最大深度34.5 m。為了監(jiān)測邊坡深層的側(cè)向位移活動(dòng),在坡頂和中尼公路路肩處分別安裝了一個(gè)測斜孔,孔深分別為49.5 m和32.0 m,同時(shí)在測斜孔口處安裝了位移觀測點(diǎn),用于監(jiān)測孔口處地表的位移活動(dòng)情況。

發(fā)電廠房戶外開關(guān)站院內(nèi)和第二級(jí)邊坡馬道布置有位移觀測點(diǎn),在電站運(yùn)行期間一直進(jìn)行監(jiān)測。從業(yè)主提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,開關(guān)站及邊坡未出現(xiàn)位移活動(dòng),但邊坡局部出現(xiàn)坡面漿砌石鼓包、隆起,馬道內(nèi)側(cè)局部漿砌石排水溝因受邊坡漿砌石位移擠壓而變窄,為了監(jiān)測邊坡深層的側(cè)向位移活動(dòng)和查明邊坡漿砌石鼓包的原因,在開關(guān)站大門口坡頂處和進(jìn)廠路路肩處分別安裝一個(gè)測斜孔,孔深為38.0 m和44.5 m,在孔口處安裝位移觀測點(diǎn),用于監(jiān)測孔口處地表的位移活動(dòng)情況[1]。

2 測斜管安裝

2.1 鉆孔

測量完成測斜孔中心位置放樣,鉆機(jī)就位后,用水平尺校正機(jī)身,使鉆桿軸線垂直對(duì)準(zhǔn)測斜孔中心位置,以確保鉆孔的垂直度。鉆孔采用型號(hào)為MD-135 鉆機(jī)用跟管法鉆進(jìn),邊鉆孔邊下入跟管,防止塌孔卡鉆,孔徑150 mm,最終成孔的孔底高程低于設(shè)計(jì)高程50 cm。在鉆孔的過程中不定時(shí)檢查機(jī)身水平度,如有傾斜,應(yīng)及時(shí)調(diào)整,以確保成孔的垂直度。鉆孔底端一般要求鉆入穩(wěn)定的基巖內(nèi),如地質(zhì)勘測結(jié)果表明地層內(nèi)沒有基巖,則按照設(shè)計(jì)要求的深度進(jìn)行鉆孔。

2.2 測斜管安裝

（1）底托制作

為防止測斜管安裝過程中,管節(jié)接頭處受力發(fā)生折斷或扭轉(zhuǎn),需制作一個(gè)底托,底托用直徑100 mm、長50 cm的鍍鋅鋼管制作,鋼管一端封閉,另一端的兩側(cè)制作兩個(gè)吊耳,用于測斜管安裝時(shí)掛鋼絲繩。增加底托還可以增大測斜管的重量,可以減小鉆孔內(nèi)地下水對(duì)測斜管的浮力,便于測斜管安裝。

（2）測斜管安裝

測斜管采用直徑76 mm的ABS管,管內(nèi)壁有4 個(gè)互成90°的導(dǎo)槽,單節(jié)管長2 m,管長可以根據(jù)實(shí)際需求定制,測斜管一端有一個(gè)U型缺口,另一端有一個(gè)U型楔體。測斜管安裝前,在孔口測量放樣出與邊坡控制線平行或垂直的方向線,便于測斜管安裝時(shí)控制導(dǎo)槽的方向。

將第一節(jié)測斜管底部安裝管帽封堵后,放入制作好的底托內(nèi),測斜管與底托之間的空隙用水泥漿填充密實(shí),之后依次將測斜管連接放入孔內(nèi)。安裝時(shí)相鄰兩節(jié)管的導(dǎo)槽需要對(duì)齊,U型楔體要完全嵌入U(xiǎn)型缺口,防止測斜管安裝過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn),兩節(jié)測斜管連接的接縫處用PVC膠水填充,并用防水膠帶包裹。測斜管安裝時(shí),在底托的吊耳上掛3 mm的鋼絲繩,由人工拉住鋼絲繩,邊接管邊下放。連接測斜管時(shí)要檢查導(dǎo)槽內(nèi)是否有雜物堵塞,確保導(dǎo)槽暢通[2]。安裝過程中,及時(shí)檢查、調(diào)整導(dǎo)槽方向與孔口的方向線平行或垂直。測斜管安裝完成后,安裝管帽,用拔管機(jī)拔出套管,孔底1 m高范圍回填膨潤土泥球,其它范圍用粗砂回填。粗砂應(yīng)沿著鉆孔周邊均勻回填,防止測斜管接頭處不均勻受力而變形或扭斷。在回填粗砂過程中,可在鉆孔內(nèi)灌水,以確保測斜管周邊回填密實(shí),回填完成后,按設(shè)計(jì)圖紙的要求做好孔口的防護(hù)罩。測斜管安裝見圖1、圖2。

圖1 測斜管安裝立面圖

圖2 測斜管安裝斷面

3 數(shù)據(jù)讀取

3.1 工作原理

項(xiàng)目上采用的數(shù)字活動(dòng)測斜儀由探頭、傳輸電纜、數(shù)據(jù)采集儀（平板電腦）和電纜絞盤組成。探頭內(nèi)部有兩個(gè)MEMS傾斜傳感器,其中A軸的傳感器測量導(dǎo)向輪平面的傾斜,B軸的傳感器測量垂直于導(dǎo)向輪平面的傾斜。當(dāng)探頭在測斜管內(nèi)從下往上逐段測量時(shí),探頭內(nèi)的傳感器測量出每一高程處的傾角（探頭軸線與鉛垂線之間夾角）變化,從而計(jì)算出該高程處位移值,從而形成一條位移曲線圖。通過對(duì)比當(dāng)前與上一次和初始的觀測數(shù)據(jù),可以確定該處地層位移的變化量,顯示出地層所發(fā)生的側(cè)向活動(dòng)位移值。測斜儀工作原理見圖3。

圖3 測斜儀工作原理

3.2 數(shù)據(jù)讀取

測斜管安裝完成7 天后開始初始數(shù)據(jù)的讀取,初始數(shù)據(jù)讀取分3 次進(jìn)行,每次間隔2~3 天,當(dāng)3 次數(shù)據(jù)無變化或者變化非常小時(shí),則可用最后一次的數(shù)據(jù)當(dāng)作初始值,否則應(yīng)再增加讀取次數(shù),直到數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。在進(jìn)行初始數(shù)據(jù)讀取時(shí),還應(yīng)對(duì)孔口的位移監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行觀測,將測斜儀的數(shù)據(jù)和位移監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)合分析,以確定測斜儀不同的數(shù)據(jù)是否是由邊坡發(fā)生位移引起。

數(shù)據(jù)讀取前,先將數(shù)據(jù)采集儀與測斜儀用藍(lán)牙連接,在數(shù)據(jù)采集儀上完成基本參數(shù)設(shè)置,包括測斜孔的編號(hào)、孔深、每次提升高度。數(shù)據(jù)采集時(shí),將探頭的導(dǎo)向輪放入測斜管的導(dǎo)槽內(nèi),先將測斜儀探頭放入孔底靜置約5 分鐘,使探頭的溫度與孔內(nèi)溫度一致,再根據(jù)數(shù)據(jù)采集儀的提示自下而上提升探頭,每提升0.5 m或1 m讀取一次數(shù)據(jù)（一般0.5 m讀取一次）,測孔一個(gè)方向數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后,在數(shù)據(jù)采集儀上點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù),完成測量。為消除測量誤差,當(dāng)一個(gè)方向數(shù)據(jù)讀取完成后,取出探頭旋轉(zhuǎn)180°,放入同一組導(dǎo)槽中,再次讀取數(shù)據(jù)。兩次數(shù)據(jù)讀取完成,數(shù)據(jù)采集儀自帶的數(shù)據(jù)讀取軟件自動(dòng)計(jì)算測量誤差,生成位移曲線,可以直接在數(shù)據(jù)采集儀上查看當(dāng)前測次的位移曲線,并可與初始曲線和上次位移曲線進(jìn)行對(duì)比。

在測量過程中,下放和提升探頭時(shí)應(yīng)勻速操作,防止急速的下放、拉升造成探頭劇烈震動(dòng)而損壞。大部分的測斜孔內(nèi)都會(huì)有地下水,數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后,用抹布將電纜和探頭上的水漬擦干后,將測斜儀放置在陰涼干燥處。

3.3 數(shù)據(jù)處理、分析

將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X后,用配套的數(shù)據(jù)處理軟件處理數(shù)據(jù),自動(dòng)生成位移表格和位移曲線圖,可以查看每一測次和每一高程的誤差值和位移量。當(dāng)同一高程處不同測次的曲線不重合或者不重合值大于測斜儀的精度,表明在該高程的土層發(fā)生位移活動(dòng)。

測斜儀在初次讀數(shù)時(shí)會(huì)自動(dòng)計(jì)算累計(jì)位移和各測點(diǎn)相對(duì)位移,但累計(jì)位移和各測點(diǎn)的相對(duì)位移值不代表地層的位移情況,因?yàn)闇y斜管安裝時(shí)無法做到絕對(duì)垂直,初始數(shù)據(jù)只是反應(yīng)了測斜管安裝的真實(shí)傾斜度,不反應(yīng)邊坡地層位移。當(dāng)需要查看測孔當(dāng)前的累計(jì)位移時(shí),需要用當(dāng)前的累計(jì)位移值減去初始數(shù)據(jù)的累計(jì)位移。

4 應(yīng)用成果分析

通過對(duì)布置在開關(guān)站邊坡測斜孔在工程施工期正常讀數(shù)和地震后（2020 年兩次地震,均為4.1 級(jí)）加密數(shù)據(jù)讀取,對(duì)比分析表明開關(guān)站邊坡下部地層在工程施工期間未出現(xiàn)位移活動(dòng)。邊坡漿砌石鼓包和排水溝擠壓的主要原因是由于邊坡排水孔堵塞,開關(guān)站內(nèi)排水不暢,雨水滲漏浸泡邊坡土體,造成坡面局部漿砌石下滑擠壓形成鼓包和隆起[3]。

通過對(duì)布置在大壩右壩肩邊坡測斜孔的數(shù)據(jù)讀取、對(duì)比分析表明,壩肩邊坡在汛期和地震后未出現(xiàn)位移活動(dòng),整個(gè)壩肩邊坡的土石回填質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求,邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)合理、滿足規(guī)范要求。

5 測斜儀使用前景

測斜儀大多應(yīng)用于工程、水文測井以及油田、煤田、地質(zhì)等測井領(lǐng)域,在水利工程中主要用于地下防滲墻的垂直度監(jiān)測,在高邊坡深層位移監(jiān)測中應(yīng)用比較少見。在水利工程中大多采用安裝位移觀測點(diǎn)進(jìn)行邊坡的位移監(jiān)測,幾乎不用測斜儀,主要是因?yàn)闇y斜孔施工造價(jià)比較高。但是在穩(wěn)定性差的永久高邊坡、深基坑等邊坡的位移監(jiān)測中,推薦使用測斜儀進(jìn)行位移監(jiān)測,因?yàn)闇y量簡單、快捷、精度高,可以監(jiān)測地層的深層位移。數(shù)據(jù)采集儀還可以用手機(jī)代替,在手機(jī)安裝儀器廠家提供的數(shù)據(jù)讀取處理的APP即可,攜帶更加便捷。

同時(shí)測斜孔還可以一孔多用,測斜儀和滲壓計(jì)可以使用同一個(gè)孔,在測斜管的末端連接包裹無紡?fù)凉げ嫉腻冧\花管,可以在花管內(nèi)安裝滲壓計(jì),從而監(jiān)測深層土體內(nèi)部的滲透水壓力；將末端一定長度的測斜管鉆孔加工成花管,再外包無紡?fù)凉げ?還可以用作地下水位觀測孔,從而觀測地下水位的變化情況。這樣的測孔可以根據(jù)工程實(shí)際需要進(jìn)行組合,可以減少單獨(dú)鉆孔和安裝管路等施工和材料費(fèi)。

6 結(jié)語

因本工程是遭受冰川湖潰壩的特大洪水受損后而進(jìn)行修復(fù)的項(xiàng)目,具有特殊的項(xiàng)目背景,在本項(xiàng)目成功的應(yīng)用數(shù)字活動(dòng)測斜儀監(jiān)測邊坡深層位移活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn),可以為其它工程使用測斜儀提供借鑒和參考。