邊坡變形柔性測(cè)斜儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用

李國(guó)儒 康建峰

摘要：

為能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)掌握邊坡內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)應(yīng)對(duì)邊坡變形、垮塌風(fēng)險(xiǎn)，通過柔性測(cè)斜儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在監(jiān)測(cè)孔內(nèi)安裝柔性測(cè)斜儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡深層變化數(shù)據(jù)24 h自動(dòng)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集器及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，及時(shí)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并預(yù)警。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)克服了以往人工監(jiān)測(cè)的局限性，研究成果可為工程安全施工、運(yùn)營(yíng)管理及創(chuàng)新管理提供有力的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：

邊坡變形； 柔性測(cè)斜儀； 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)； 信息預(yù)警

中圖法分類號(hào)： TU449

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.019

文章編號(hào)：1006-0081（2023）03-0107-04

0 引 言

水利工程邊坡地質(zhì)災(zāi)害具有種類多、范圍廣、級(jí)別大、頻次高的特點(diǎn)，特別是高邊坡開挖施工過程中，巖體卸荷強(qiáng)烈，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性差，如不能及時(shí)掌握邊坡內(nèi)部的變化數(shù)據(jù)，將可能導(dǎo)致整個(gè)邊坡變形、失穩(wěn)、破壞及倒塌等嚴(yán)重后果，影響和制約水資源開發(fā)和水電工程建設(shè)［1］，因此對(duì)邊坡內(nèi)部變形數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)尤為重要。而在以往水利工程建設(shè)過程中，特別是中小型水利工程建設(shè)，測(cè)斜儀作為一種傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)滑坡體錯(cuò)動(dòng)變形的手段，技術(shù)比較成熟，是現(xiàn)在最常用的滑坡監(jiān)測(cè)儀器之一［2］。邊坡深層內(nèi)部人工監(jiān)測(cè)主要是通過測(cè)斜儀把記錄器中取出的這些原始數(shù)據(jù)輸入到Excel，計(jì)算出各高程處的實(shí)際合成水平位移，最后生成圖像和監(jiān)測(cè)報(bào)告［3］。而人工監(jiān)測(cè)過程中，受地形條件、天氣變化以及人工觀測(cè)誤差等因素影響，不能及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)邊坡變化數(shù)據(jù)，特別是惡劣極端天氣情況下，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡內(nèi)部變形及應(yīng)力變化并采取預(yù)防及處理措施，存在較大事故隱患。在貴州夾巖水利工程建設(shè)過程中，邊坡內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)采用柔性測(cè)斜儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡內(nèi)部數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、傳輸、分析、預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程、自動(dòng)、全過程監(jiān)控，解決了人工監(jiān)測(cè)的局限性，并實(shí)現(xiàn)了24 h邊坡內(nèi)部變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為邊坡開挖施工以及后續(xù)工程運(yùn)營(yíng)提供了有力的技術(shù)保障。

1 邊坡人工安全監(jiān)測(cè)局限性

由于人工監(jiān)測(cè)地形條件、天氣變化以及人工觀測(cè)誤差等因素影響，往往不能及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)邊坡變化情況，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效預(yù)防邊坡內(nèi)部變形及應(yīng)力變化，致使在工程施工建設(shè)過程和運(yùn)行管理階段出現(xiàn)因山體變形滑坡而導(dǎo)致工程項(xiàng)目產(chǎn)生生命財(cái)產(chǎn)損失。2010年4月25日，新疆柳樹溝水電站導(dǎo)流洞邊坡開挖過程中，安全人員在巡視邊坡時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流洞口頂部邊坡出現(xiàn)寬約2 cm的裂縫，并且已經(jīng)下沉約3 cm，隨后出現(xiàn)山體局部邊坡大面積垮塌。此次事故中，工程項(xiàng)目部及時(shí)組織施工人員及設(shè)備緊急撤離，雖未造成人員傷亡，但仍造成了約800萬元的經(jīng)濟(jì)損失。2016年6月20日14∶05，安徽績(jī)溪抽水蓄能電站上水庫左壩肩趾板的上部邊坡在施工過程中發(fā)生巖體滑塌，造成3人死亡、3人輕傷，造成經(jīng)濟(jì)損失超過100萬元。以上的案例中，因?yàn)槭艿匦谓煌坝^測(cè)頻率等影響，人工監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)技術(shù)手段未能及時(shí)監(jiān)測(cè)到邊坡內(nèi)部變形的數(shù)據(jù)并預(yù)警，導(dǎo)致后續(xù)邊坡失穩(wěn)而出現(xiàn)安全事故。由此可以看出，傳統(tǒng)人工采用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部變形主要存在以下5個(gè)方面的局限性。

（1） 觀測(cè)點(diǎn)的位置不同、人工操作記錄數(shù)據(jù)量大以及讀數(shù)誤差等原因?qū)е掠^測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和精確性較低［4］。

（2） 邊坡深層監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常設(shè)置在地形條件較為復(fù)雜的區(qū)域，道路交通不便，人員觀測(cè)時(shí)工作難度大、效率低，觀測(cè)頻次也不足，往往導(dǎo)致邊坡內(nèi)部已出現(xiàn)形變卻不能及時(shí)監(jiān)測(cè)的情況。

（3） 監(jiān)測(cè)受惡劣天氣變化影響嚴(yán)重，特別是長(zhǎng)時(shí)間暴雨容易引發(fā)山體滑坡或垮塌，在這種惡劣天氣下，人工監(jiān)測(cè)往往不能及時(shí)跟進(jìn)觀測(cè)，尤其在洞室施工作業(yè)時(shí)段，人員、機(jī)械進(jìn)出通行很容易出現(xiàn)安全事故。

（4） 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式難以實(shí)現(xiàn)全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、全部監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的完整綜合統(tǒng)一和水利工程邊坡24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，預(yù)報(bào)預(yù)警難度大，防范難度大［5］。

（5） 在惡劣天氣和復(fù)雜地形環(huán)境下，人工監(jiān)測(cè)人員安全危險(xiǎn)系數(shù)高且難以得到保障，極易出現(xiàn)安全事故，造成人員生命及財(cái)產(chǎn)損失。

2 柔性測(cè)斜儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工藝原理

2.1 柔性測(cè)斜儀系統(tǒng)構(gòu)成

柔性測(cè)斜儀主要由MEMS加速度計(jì)、溫度傳感器以及微處理器組成剛性測(cè)量節(jié)，各測(cè)量節(jié)之間采用柔性接頭進(jìn)行連接（圖1）。邊坡測(cè)量放線定位及鉆孔后，在孔內(nèi)安裝測(cè)斜管［6］，將柔性測(cè)斜儀安裝到測(cè)斜孔管內(nèi)并固定（圖2），按照規(guī)范要求，測(cè)斜孔應(yīng)該深入穩(wěn)定巖層0.5 m的位置固定［7］。通過有線或無線傳輸，及時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至綜合采集器后，再傳輸至自動(dòng)化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。

柔性測(cè)斜儀ADMV陣列位移計(jì)（圖3）使用一組密實(shí)的微電子機(jī)械系統(tǒng)加速度計(jì)陣列和經(jīng)過驗(yàn)證的計(jì)算程序測(cè)量2D，3D變形值，測(cè)斜儀安裝完成后，通過校準(zhǔn)取得初始狀態(tài)下每一節(jié)加速器X，Y，Z三個(gè)方向的初始值，在后續(xù)邊坡內(nèi)部監(jiān)測(cè)過程中，邊坡內(nèi)部應(yīng)力變化通過測(cè)量加速度計(jì)在不同軸向上的加速度變化量來反應(yīng)出對(duì)應(yīng)軸與重力方向的角度變化量，通過角度的變化量從而推算相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移變化量［8］，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程邊坡X，Y，Z三維變形量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其工作原理如圖4所示。

2.2 綜合數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)

綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由控制模塊、接線模塊、電源、蓄電池、太陽能板、通訊模塊、保護(hù)箱等組成，其最大的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了野外無人值守、全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸、分析、整理等功能。數(shù)據(jù)采集分有線連接包括直接與電腦、有線網(wǎng)絡(luò)連接和有SIM卡傳輸無線數(shù)據(jù)流量連接。在距離較遠(yuǎn)、現(xiàn)場(chǎng)交通不便、障礙物阻擋時(shí)采用無線連接，其他情況均采用有線連接。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在貴州省夾巖水利樞紐工程中得到廣泛應(yīng)用，通過幾年來的使用證實(shí)在水利工程邊坡內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)可靠穩(wěn)定，可以與市場(chǎng)上的傳感器及有線、無線數(shù)據(jù)采集單元模塊實(shí)現(xiàn)兼容。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)是集通訊和數(shù)據(jù)采集于一體的應(yīng)用軟件，可以正常運(yùn)用于電腦和手機(jī)終端，其主要界面如圖5所示。用戶可通過該軟件完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、云端綜合處理、多樣化圖標(biāo)展示［9］、專業(yè)相關(guān)性分析、報(bào)表統(tǒng)計(jì)上報(bào)等功能，可同時(shí)管理項(xiàng)目多臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，提供全面可靠的信息服務(wù)，且具有維護(hù)、擴(kuò)充、監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)自動(dòng)備份及安全恢復(fù)功能，保障了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 邊坡柔性測(cè)斜儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性

受自然環(huán)境和人為因素的影響，傳統(tǒng)的邊坡內(nèi)部應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)手段不能快速進(jìn)行災(zāi)前預(yù)警和災(zāi)后信息收集，不能為邊坡開挖施工和災(zāi)后救援提供技術(shù)保障，難以滿足邊坡變型數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此自動(dòng)化柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)技術(shù)成為工程建設(shè)、運(yùn)行管理中一種新的監(jiān)測(cè)手段，這一技術(shù)主要包括硬件和軟件兩方面：① 硬件方面包含柔性測(cè)斜儀、數(shù)據(jù)收集和傳輸模塊以及太陽能供電模塊；② 軟件方面開發(fā)了邊坡深層位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在電腦或手機(jī)終端通過小程序等進(jìn)行操控［8］，監(jiān)測(cè)人員可以不受地形條件和天氣影響隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并能夠自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、傳輸、分析、預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程、自動(dòng)、全過程監(jiān)控，各層管理人員都能夠通過電腦、手機(jī)等及時(shí)觀察、了解邊坡變形情況。具體優(yōu)勢(shì)為以下5點(diǎn)。

（1） 24 h全天候?qū)吰伦冃问芰?、坡體傾斜等因素進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，避免人工讀數(shù)和記錄引起的人為誤差，實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、云端綜合處理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、多樣化圖標(biāo)展示、專業(yè)性分析、災(zāi)害預(yù)警、快速形成報(bào)表等功能［10］。

（2） 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不受惡劣天氣、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境限制，滿足觀測(cè)頻次和精度要求，且觀測(cè)精度得到了極大的提高，可以實(shí)時(shí)讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（3） 通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建立邊坡變形模式，對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行趨勢(shì)分析、過程分析、對(duì)比分析、智能篩選等，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目智能分析、趨勢(shì)研究、歸納演繹，為同類邊坡施工提供支撐依據(jù)。

（4） 實(shí)現(xiàn)了多級(jí)閾值預(yù)警，數(shù)據(jù)變化超過閾值范圍會(huì)自動(dòng)預(yù)警，并可以通過微信、qq、短信等各種通訊方式及時(shí)通知相關(guān)人員。

（5） 提高了邊坡的應(yīng)急預(yù)案管理水平，當(dāng)潛在邊坡發(fā)生變形預(yù)警情況時(shí)，能及時(shí)通知建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位及其他相關(guān)單位，從而及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而加快變形邊坡的處理效率。

4 柔性測(cè)斜儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用成果

隨著安全標(biāo)準(zhǔn)化施工越來越被重視，各類自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，諸多大型項(xiàng)目建設(shè)施工期已經(jīng)開始在永久邊坡使用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，水利工程邊坡安全穩(wěn)定性直接影響到主體工程安全，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況制定監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案尤為重要［10］。

貴州夾巖工程泄洪洞進(jìn)口邊坡主要布置在大壩左岸潘家?guī)r部位，該邊坡為順向夾泥邊坡，邊坡穩(wěn)定性較差，特別是在發(fā)生暴雨后，層狀巖石夾泥就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。在工程建設(shè)初期，柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)施工尚未投入應(yīng)用。2016年6月5～9日，工程區(qū)域出現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)降雨，受強(qiáng)降雨影響，人工測(cè)斜儀不能及時(shí)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)邊坡內(nèi)部變形情況，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)局部出現(xiàn)噴混凝土表面裂縫、框格梁局部變形拉裂、部分錨索監(jiān)測(cè)值不斷增大等異常情況時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，因此錯(cuò)過了錨索張拉鎖定的施工最佳時(shí)機(jī)，后續(xù)施工被迫停滯，后期在變形邊坡部位重新進(jìn)行二次邊坡開挖并增加邊坡加強(qiáng)支護(hù)措施后才得以解決。該事件發(fā)生后，經(jīng)參建各方討論研究，決定在工程邊坡內(nèi)采用柔性測(cè)斜儀系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，如圖6所示。該系統(tǒng)安裝投入使用后，實(shí)現(xiàn)了第一時(shí)間數(shù)據(jù)采集、傳輸、整理和分析，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至工程建設(shè)各方人員，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程、自動(dòng)、全過程監(jiān)控和災(zāi)害預(yù)警（微信、qq、手機(jī)短信提醒）綜合功能，為夾巖工程精細(xì)化管理和創(chuàng)新管理提供了技術(shù)保障，取得了明顯的效果。

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司在金麗溫鐵路青田縣禎埠鄉(xiāng)下個(gè)寮山體滑坡體中采用了3套柔性測(cè)斜儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見圖7，對(duì)3個(gè)已有測(cè)斜孔進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及預(yù)警。2019年3月3～15日，通過柔性測(cè)斜儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到位于滑坡體前緣鐵路線路外側(cè)的深層水平位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX2-1和CX3-2發(fā)生了持續(xù)性加速變形，12 d累計(jì)變形量約50 mm；位于滑坡體區(qū)后緣的CX3-5測(cè)斜孔累計(jì)變形約10 mm，初步認(rèn)定滑坡體內(nèi)部滑帶斷層正處于加速滑動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)。監(jiān)測(cè)單位第一時(shí)間將該情況上報(bào)，為后期滑坡體的綜合整治施工提供了科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié) 語

柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)作為一種新興的邊坡內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段，改變了傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的局限性，通過精密監(jiān)測(cè)儀器能夠及時(shí)取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸、分析、預(yù)警、預(yù)報(bào)，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)工作量，為工程邊坡施工及運(yùn)行管理提供了大數(shù)據(jù)信息化技術(shù)服務(wù)安全保障，也為后續(xù)工程建設(shè)領(lǐng)域地質(zhì)深層監(jiān)測(cè)提供了重要的借鑒依據(jù)，值得在水利工程等建設(shè)領(lǐng)域進(jìn)行推廣使用。

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（編輯：李 晗）

Application of automatic monitoring system of slope deformation flexible inclinometer in hydraulic engineering

LI Guoru，KANG Jianfeng

（Engineering Construction Supervision Center of Changjiang Water Resources Commission，Yangtze River Water Conservancy and Hydropower Development Group （Hubei） Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to accurately and real-time grasp the slope internal deformation monitoring data，and to responsethe risk of slope deformation and collapse timely，the automatic monitoring system of flexible inclinometer was introduced.By installing flexible inclinometer in the monitoring hole，the 24 h automatic monitoring of deep-seated slope change data was realized.The data to the data collector and automatic monitoring cloud platform was transfered，and the monitoring data was analyzed in time and given early warning.The results solved the limitation of manual monitoring，and provided a strong technical guarantee for the safe and stable construction，operation and innovation management of the project.

Key words：

slope deformation； flexible inclinometer； automatic monitoring cloud platform； information early warning

收稿日期：

2022-10-08

作者簡(jiǎn)介：

李國(guó)儒，男，高級(jí)工程師，主要從事水利工程現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)管理工作。E-mail：312371115@qq.com