基于陣列式位移計的滑坡體監(jiān)測成果分析

李 媛

（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518008）

0 前言

滑坡是指斜坡巖土體在重力作用下沿慣通的剪切破壞面發(fā)生滑移的地質(zhì)現(xiàn)象。滑坡深部位移監(jiān)測是研究滑坡體內(nèi)部位移變形的有效手段之一，主要監(jiān)測內(nèi)容為沿著豎直鉆孔進行位移矢量剖面的量測[1]。

鉆孔測斜儀是一種測定鉆孔水平位移的監(jiān)測儀器，可直觀地獲得鉆孔整個深度范圍內(nèi)水平位移變化情況，并能準(zhǔn)確地確定其變化深度、位移大小和方向[2]，為施工和設(shè)計單位提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。國外已有應(yīng)用SAA陣列式位移計的新型監(jiān)測技術(shù)對滑坡進行深部的位移監(jiān)測的案例[3]。但國內(nèi)對于這種監(jiān)測技術(shù)和儀器還處于初級探索階段，大華橋水電站首次引進加拿大Measurand公司生產(chǎn)的SAA陣列式位移計用于滑坡體的深部位移監(jiān)測。本文針對大華橋水電站陣列式位移計的滑坡體監(jiān)測成果進行分析。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

大華橋水電站位于云南省怒江州蘭坪縣兔峨鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江干流上，采用堤壩式開發(fā)，是瀾滄江上游河段規(guī)劃推薦開發(fā)方案的第六級電站，上、下游梯級分別為黃登和苗尾水電站。電站壩址上游約20 km范圍庫區(qū)內(nèi)分布著大華、拉古和滄江橋3個較大的庫區(qū)滑坡體。

大華滑坡體距下壩址約5.1 km，其分布高程在1410 m～1870 m之間，滑坡堆積物體積約為4840×104m3，從滑動規(guī)模上屬于特大型滑坡。滑坡物質(zhì)主要由表層10 m～50 m左右崩積土夾碎塊石及下部20 m～50 m左右傾倒變形的全、強風(fēng)化紫紅色板巖（J3b）組成。

滑體外圍基巖相對完整，主要巖性為侏羅系壩注路組（J3b）的板巖夾粉質(zhì)砂巖等，其中板巖所占比例較大，約95%左右。正常巖層產(chǎn)狀為NE∠10°～15°和NW∠65°～85°，傾向岸內(nèi)，巖層表部傾角上部35°～45°左右，隨著深度的增加，巖層傾角逐漸變陡，趨于正常。周邊基巖未發(fā)現(xiàn)較大斷層分布，小斷層多為層間擠壓而成，陡傾角發(fā)育，未見緩傾角斷層發(fā)育，但外圍基巖普遍存在不同程度的傾倒變形現(xiàn)象。

1.2 監(jiān)測布點

表1 大華滑坡體監(jiān)測儀器布置統(tǒng)計表

大華滑坡體上分別埋設(shè)有SAA陣列式位移計和測斜孔（表1），以便在實際監(jiān)測過程中和后期數(shù)據(jù)處理時能對兩種監(jiān)測儀器進行系統(tǒng)全面地分析和對比。

圖1 大華滑坡體分區(qū)及剖面圖

2 儀器原理

2.1 SAA陣列式位移計

SAA是一種靈活的、已率定的3D測量系統(tǒng)，由多段子陣列式串聯(lián)而成，通過柔性的連接頭分隔，每個子陣列（測量段）長50 cm，安裝有3個MEMS加速度計，同時每8個測量段一組，稱為“八段組”，每個八段組中還包含有微處理器和數(shù)字溫度傳感器，見圖2[4]。

圖2 SAA構(gòu)造圖

SAA通過緊湊的MEMS加速度計陣列與可靠的Shape Tape/Shape Rope（帶型/繩型）算法來測量2D、3D形態(tài)。MEMS加速度計[5]可以感知每段相對于重力的傾角變化量，經(jīng)過換算得出每段陣列式的變形量，后將位移計中所有陣列式的變形量相加得到總的變形量，見圖3。監(jiān)測時使用SAA232轉(zhuǎn)換器和12V的蓄電池進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和供電，用SAARecorder軟件進行數(shù)據(jù)采集。后期數(shù)據(jù)處理軟件幫助MEMS加速度計軸對齊，根據(jù)已經(jīng)生成的率定文件相互確定垂直的X、Y和Z軸的位移量。

圖3 總變形量示意圖

根據(jù)加拿大Measurand公司提供的測試結(jié)果，每段子陣列式的最大彎曲角度為60°；對于64個子陣列式（32 m）連在一起的位移計，測量變形精度可以達到1.5 mm，而SAA的精度與SAA長度的平方根有關(guān)，并不是線性變化，例如：64 m長的精度為2.1 mm，而不是3.0 mm。

2.2 鉆孔測斜儀

測斜管是預(yù)先埋入被監(jiān)測的滑坡體內(nèi)部，活動式的鉆孔測斜儀是使用同一個探頭在測斜管內(nèi)移動。整套測斜儀裝置包括：測斜儀探頭（圖4）、電纜、測斜管和讀數(shù)儀[6]。

圖4 測斜儀探頭構(gòu)造圖

圖5 測斜管圖

測斜時將測斜儀的導(dǎo)輪納入測斜管待測方向的一對導(dǎo)槽中，即A平面（導(dǎo)輪在自由狀態(tài)下處于翹起稍高位置——高輪一側(cè)為+A方向），如圖5所示，以測出發(fā)生位移后的各固定間隔段測斜管軸線與初始狀態(tài)的夾角（θ），通過換算得出該段位移量，再經(jīng)累計得出孔口位移量和沿管軸線整個孔深位移的變化情況。如圖6所示，開始測量時先將活動測斜儀探頭放至孔底，測量時不斷上提。

圖6 測斜儀的計算原理圖

實際上測斜管并不一定向一個方向偏移，也有可能呈“S”形彎曲，所測的夾角θ也會有正有負。當(dāng)這些遞增的水平偏差累加起來，繪成孔深——位移分布曲線圖，即初次觀測與后來的任意一次觀測之間的水平偏移變化曲線，代表此觀測期間土體發(fā)生的變形，即水平位移[7]。

3 結(jié)果與分析

大華滑坡體2-2剖面分布著兩套SAA陣列式位移計和兩個測斜孔（圖7），通過對這個剖面上的深部位移監(jiān)測儀器監(jiān)測成果進行分析，可以很好地對兩種監(jiān)測儀器進行比對。

圖7 大華滑坡體2-2剖面監(jiān)測儀器

后期數(shù)據(jù)處理中，常選第1次觀測值作為初始值，通過后期觀測值與該次觀測數(shù)據(jù)的對比反映滑坡體的位移變化情況，即采用相對位移變化反映滑坡的動態(tài)變化情況。SAA的數(shù)據(jù)處理中，x方向為順坡向，y方向為上游向。

圖8 IN2-1孔深——位移分布曲線圖

IN2-1觀測孔位于大華滑坡體下部，由圖8可看出，IN2-1觀測孔在觀測期間的位移主要表現(xiàn)在距孔口68.5 m以上的部位，總體呈D形包絡(luò)狀發(fā)展。68.5 m以下變形不明顯，鉆探結(jié)果顯示該深度為強風(fēng)化的崩積土夾碎塊石，其巖石破碎，巖質(zhì)軟，為相對軟弱帶,易發(fā)生剪切突變。圖8中曲線跳蕩回復(fù)，不穩(wěn)定，說明測點處位移仍處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并有進一步擴大滑動面的趨勢。2016年8月13日滑坡體數(shù)據(jù)采集時測斜儀探頭在第二個測回只能放到68.4 m處，探頭不能繼續(xù)下放而只能對滑動面上半段進行觀測，數(shù)據(jù)顯示此時該滑動面的位移量達到195.5 mm，已經(jīng)達到測斜管的失效變形量。

圖9 SAA2-1孔深——位移分布曲線圖

如圖9所示，長期的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，SAA2-1陣列式位移計隨著時間的推移不斷發(fā)生位移變形，82.5 m～83.5 m位置處為大華滑坡體的滑動面。2016年9月23日數(shù)據(jù)顯示其滑動面相對水平位移量已經(jīng)達到98.3 mm。按這種變化速率和趨勢，其位移量還會不斷擴大，后期需加強觀測頻次。

圖10 IN2-2孔深——位移分布曲線圖

圖11 SAA2-2孔深——位移分布曲線圖

如圖10和圖11所示，并未發(fā)現(xiàn)明顯的滑動面，但可以看出滑坡在不斷的蠕動變形，主要表現(xiàn)為深層巖土體蠕動。目前，滑坡仍處于蠕動變形階段，但隨著其不斷發(fā)展擴大，最終可能在相對軟弱帶形成滑動面。

各觀測孔孔滑動面位置及變化情況見表2。度大，相對于傳統(tǒng)的鉆孔測斜儀，SAA陣列式位移計能夠通過Measurand公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)自動采集，可以與GNSS等表面位移監(jiān)測儀器相結(jié)合，實施全方位、自動化地滑坡體安全監(jiān)測，極大地節(jié)約了時間和勞動力[8]。

表2 大華滑坡體2-2剖面滑動面

綜合分析，陣列式位移計是一種應(yīng)用于滑坡體監(jiān)測的新興技術(shù)，雖然目前國內(nèi)還沒有較多的應(yīng)用實例，加之儀器購買造價高，尚缺乏維護經(jīng)驗，但其監(jiān)測精度高，適應(yīng)性強，能實現(xiàn)深部位移的自動化監(jiān)測，特別是對于滑坡體的大變形監(jiān)測非常適用。

分析認為，2-2剖面在Ⅳ區(qū)有一條明顯的連續(xù)滑動面，滑動面位置見圖1，滑動面傾角約28°。Ⅳ區(qū)的SAA2-1陣列式位移計和IN2-1測斜孔均有滑動面，變形趨勢總體呈緩慢遞增變化。Ⅰ區(qū)的SAA2-1陣列式位移計和IN2-1測斜孔并沒有滑動面，變形呈現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。根據(jù)圖1可看出，實測滑動面位置與覆蓋層分界線十分接近，Ⅳ區(qū)覆蓋層有可能沿Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)分界線及覆蓋層分界線滑移，Ⅰ區(qū)只產(chǎn)生蠕變變形，沒有明顯的滑動存在。

4 結(jié)論

（1）SAA變形適應(yīng)性強，量程大。目前大華橋水電站的庫區(qū)滑坡體中有個別點位變形已經(jīng)達到1000 mm，變形仍在發(fā)展，變形量級已超出鉆孔測斜儀的測量范圍。

（2）SAA相比于傳統(tǒng)測斜管具備更高的精度，數(shù)據(jù)的相對誤差較小。作為新興的監(jiān)測儀器，其觀測成果與測斜儀成果吻合度較高。

（3）庫區(qū)滑坡體的地質(zhì)條件較差，監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集工作難