庫區(qū)滑坡體變形陣列位移傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)

楊春旭

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南怒江，671406）

0 引言

大華滑坡體位于瀾滄江干流上游大華橋水電站庫區(qū)內(nèi)，分布高程在1 410～1 870 m，后緣至前緣長度約1 000 m，順河向?qū)挾燃s1 060 m，周邊為基巖陡壁，呈“圈椅”狀，形成后緣和上下游側(cè)緣被基巖陡坡圍限、前緣臨空的態(tài)勢(shì)，屬于典型的縱橫等長式滑坡。目前邊坡前緣已達(dá)瀾滄江邊（枯水期瀾滄江水位為1 410～1 411 m），滑坡堆積物體積約為4 800萬m3，滑動(dòng)規(guī)模上屬于大型滑坡。水庫正常蓄水位時(shí)，滑坡體前緣約有67 m位于水位以下，在長期水流浸泡和沖刷作用下，滑坡體是否能維持目前狀態(tài)不得而知，因此加強(qiáng)對(duì)該滑坡體的監(jiān)測(cè)意義重大。

目前，邊坡監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括變形、地下水、應(yīng)力應(yīng)變等，變形作為邊坡穩(wěn)定的直接判定條件，是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。邊坡監(jiān)測(cè)方法中，除常用的大地測(cè)量方法和測(cè)斜管法外，出現(xiàn)了大量新技術(shù)，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、測(cè)量機(jī)器人、三維激光掃描監(jiān)測(cè)、地面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、遙感監(jiān)測(cè)、地表裂縫張合監(jiān)測(cè)、合成孔徑干涉雷達(dá)、時(shí)域反射測(cè)試（TDR）、光纖傳感器監(jiān)測(cè)等。這些方法結(jié)合具體工程特點(diǎn)及環(huán)境條件，在工程中發(fā)揮了重要作用，但也有各自的適用范圍，并不完全適用于邊坡變形監(jiān)測(cè)。使用最普遍的測(cè)斜管法可以獲取邊坡坡體內(nèi)部變形情況，操作簡單，但測(cè)試精度和效率較低，無法實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。陣列位移傳感器是一種可以放置在一個(gè)鉆孔或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形監(jiān)測(cè)傳感器，測(cè)試方法與測(cè)斜管法類似，由若干個(gè)分陣列單元依次連接組成。該方法基于微電子機(jī)械系統(tǒng)測(cè)試原理，具有精度高、功耗低、自動(dòng)實(shí)時(shí)采集等特點(diǎn)。

1 陣列式位移計(jì)的原理

陣列式位移計(jì)是一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)測(cè)試原理的測(cè)試加速度和位移的新型傳感器，具有精度高、可重復(fù)利用、自動(dòng)實(shí)時(shí)采集等特點(diǎn)，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 陣列式位移計(jì)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of shape acceleration array

每個(gè)測(cè)試單元即為一節(jié)，長度一般為30～50 cm。變形測(cè)試方法如圖1所示，每節(jié)設(shè)置一個(gè)微型加速度傳感器，可測(cè)試得到傳感器在三個(gè)方向上與重力加速度方向的夾角θ（x，y，z方向的角度分別為θx、θy、θz）。如在x方向上，可得到測(cè)試單元在該方向上傳感器末端相對(duì)于基點(diǎn)端的相對(duì)位移△x，在θx發(fā)生變化時(shí)，相對(duì)位移之差即為角度變化引起的變形量。對(duì)于多節(jié)傳感器，前一節(jié)的末端即為后一節(jié)的基點(diǎn)端，進(jìn)行變形累加后得到多節(jié)單元的變形總量。

圖1 變形測(cè)試示意圖Fig.1 Diagram of deformation measuring

每個(gè)測(cè)試傳感器近端均有用于連接電纜的固定節(jié)，遠(yuǎn)端有用于基點(diǎn)固定的固定點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用復(fù)合式接頭進(jìn)行連接。每個(gè)分陣列安裝有微處理器和數(shù)字式溫度傳感器，溫度測(cè)試主要是為了補(bǔ)償?shù)販貙?duì)傳感器的影響。通過試驗(yàn)和驗(yàn)證，傳感器每32 m 的測(cè)試精度為±1.5 mm，溫度適宜范圍-30 ℃～50 ℃，可以承受100 m 深度的水壓，可水平或豎直布置，也可任意角度埋設(shè)。該儀器裝置可滿足靜態(tài)中巖土工程的變形監(jiān)測(cè)要求，如邊坡滑移、隧道、路基沉陷、橋梁撓度等變形監(jiān)測(cè)，也適用于動(dòng)態(tài)中加速度、位移、溫度測(cè)試，具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的功能。

2 陣列式位移計(jì)應(yīng)用情況

國內(nèi)外部分應(yīng)用實(shí)例如表2 所示。國外在十多年前開始使用該測(cè)試技術(shù)，主要用于大壩變形監(jiān)測(cè)、混凝土開裂引起的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)、隧道掘進(jìn)過程變形監(jiān)測(cè)等。國內(nèi)應(yīng)用較晚，首次使用是在2012年威紅鐵路魯木山隧道進(jìn)口路塹邊坡上，在水電工程上應(yīng)用較少。

表2 陣列式位移傳感計(jì)應(yīng)用情況Table 2 Application of shape acceleration array

3 大華滑坡體應(yīng)用實(shí)例

3.1 儀器布置

根據(jù)大華滑坡體地表形態(tài)特征布置監(jiān)測(cè)儀器，分別埋設(shè)有陣列式位移計(jì)（SAA）和測(cè)斜孔，具體如下：（1）1-1剖面：1陣列式位移計(jì)，3測(cè)斜孔；（2）2-2剖面：2 陣列式位移計(jì)，2 測(cè)斜孔；（3）3-3 剖面：1 陣列式位移計(jì)，3 測(cè)斜孔；（4）4-4 剖面：3 測(cè)斜孔。在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程和后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)兩種監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析對(duì)比。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本工程所采用的陣列式位移計(jì)每50 cm為一個(gè)測(cè)點(diǎn)。起算基準(zhǔn)點(diǎn)與活動(dòng)測(cè)斜一樣，以孔底為相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)位移由孔底至孔口依次累加。當(dāng)把遞增的水平（垂直）位移累加起來，從測(cè)孔底開始繪制曲線，即初次觀測(cè)與后來任一次觀測(cè)的水平（垂直）偏移變化曲線，見圖2。從該位移曲線上很容易看出某深度處正在產(chǎn)生的位移及位移的幅度。

圖2 鉆孔位移曲線Fig.2 Displacement curve of the drill hole

3.3 結(jié)果分析

選取大華滑坡體的1-1 剖面進(jìn)行分析，1-1 監(jiān)測(cè)剖面布置有3 個(gè)測(cè)斜孔和1 套陣列式位移計(jì)，見圖3和表3。

表3 大華滑坡體1-1剖面監(jiān)測(cè)儀器Table 3 Monitoring instruments on profile 1-1

圖3 1-1監(jiān)測(cè)剖面Fig.3 Monitoring profile 1-1

1-1 剖面陣列式位移計(jì)SAA1-1 和IN1-2 測(cè)點(diǎn)的孔深水平合位移分布曲線見圖4～5，孔口及滑動(dòng)面位移變化過程曲線見圖6～7。

圖4 SAA1-1孔深水平合位移分布曲線Fig. 4 Distribution of horizontal displacement varying with hole depth of SAA1-1

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：大華滑坡體陣列式位移計(jì)安裝初期累計(jì)位移曲線平穩(wěn)，無明顯滑動(dòng)面；2016 年6月后，陣列式位移計(jì)SAA1-1、測(cè)斜孔IN1-2均出現(xiàn)滑動(dòng)面，在孔深36.5～38.5 m間存在較明顯的滑動(dòng)面，且孔深37 m處測(cè)點(diǎn)在一個(gè)月內(nèi)累計(jì)增加55.67 mm，目前該滑動(dòng)帶仍有滑移趨勢(shì)。分析原因主要是：自6 月開始，大華進(jìn)入主汛期，降雨量充足，導(dǎo)致地下水水位抬升，在地下水的作用下，該滑動(dòng)面滑移變化明顯。

3.4 數(shù)據(jù)可靠性分析

（1）與測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比。從監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，對(duì)于1-1 剖面，由圖6～7 可以看出：陣列式位移計(jì)SAA1-1 與測(cè)斜孔IN1-2 監(jiān)測(cè)結(jié)果接近，均出現(xiàn)滑動(dòng)面，符合監(jiān)測(cè)儀器的空間位置分布，從一定程度上說明了陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。綜合分析可知，陣列式位移計(jì)SAA1-1 觀測(cè)結(jié)果在孔深36.5～38.5 m 處存在滑移面是真實(shí)、可靠的。

圖5 IN1-2孔深水平合位移分布曲線Fig. 5 Distribution of horizontal displacement varying with hole depth of IN1-2

圖6 SAA1-1孔口及滑動(dòng)面水平合位移變化過程曲線Fig. 6 Horizontal resultant displacement of hole SAA1-1 and sliding surface

（2）與鉆孔取樣結(jié)果對(duì)比。地質(zhì)鉆探結(jié)果顯示：該孔深度處為強(qiáng)風(fēng)化的崩積土夾碎塊石，巖石破碎，巖質(zhì)軟，為相對(duì)軟弱帶，易發(fā)生剪切突變，說明陣列式位移計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)與地質(zhì)分析結(jié)論基本吻合。

3.5 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

由孔口及滑動(dòng)面水平合位移變化過程曲線可知：滑移面以下的位移是緩慢增長的，未出現(xiàn)突變與異常點(diǎn)，滑坡體仍處于蠕動(dòng)變形階段，符合滑坡體的變形規(guī)律，證明陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。

圖7 IN1-2孔口及滑動(dòng)面水平合位移變化過程曲線Fig. 7 Horizontal resultant displacement of hole IN1-2 and slid?ing surface

4 結(jié)語

（1）通過陣列式位移計(jì)在本工程的應(yīng)用可知：陣列式位移傳感器測(cè)試邊坡變形的方法具有精度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，且該設(shè)備采用國際上先進(jìn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)，傳感器體積小、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、環(huán)境適用能力強(qiáng)。

（2）陣列式位移計(jì)安裝簡單，且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化實(shí)時(shí)采集和無線傳輸，不僅可以對(duì)滑坡體進(jìn)行24 h動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還可以避免人工現(xiàn)場采集存在的安全隱患。

（3）陣列式位移傳感器在國內(nèi)外已有不少工程應(yīng)用實(shí)例，展示了良好的性能和廣泛的適應(yīng)性。從本工程的使用情況看，陣列式位移計(jì)性能可靠、穩(wěn)定，在邊坡安全監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域具有很高的推廣價(jià)值和運(yùn)用前景?！?/p>