淺析瀝青混凝土心墻壩超長陣列式位移計變形監測施工技術

劉 媛

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610000）

0 前 言

目前，國內變形監測常用方法有大地測量、鉆孔位移監測法等，典型監測儀器有全站儀、經緯儀、水準儀、測斜儀、多點位移計等，雖然常用變形監測方法在實際應用中取得了可靠的監測效果，但仍然存在設備自動化程度低、監測時效性較差、數據采集與傳輸方式智能化不充分等缺點。如今，變形監測方法出現了大量新技術，如時域反射測試（TDR）、地面激光掃描（TLS）、合成孔徑干涉雷達測量（SAR）、數字近景攝影測量、分布式光纖傳感及全球導航衛星系統（GNSS）技術等。其中，SAA陣列式位移計測試技術就是近年發展起來的、被有效應用于巖土工程變形監測的一種新型傳感測試技術。

SAA陣列式位移計（Shape Accel Array，以下簡稱SAA）又稱柔性測斜儀，是一種可以被放置在一個鉆孔或嵌入結構內、由多段連續節串接而成、基于微電子機械系統（MEMS）測試原理測試加速度和位移的監測傳感器。SAA與傳統的位移監測方法相比，具有自動實時采集、3D測量、高精度、可重復利用、運輸儲存方便、水平及垂直或介于兩者之間安裝、易于實現遠程監測等特點。

在高瀝青混凝土心墻壩中安裝與埋設陣列式位移計具有很大技術挑戰性，本論文從大壩瀝青混凝土心墻部位測斜管（后期SAA安裝孔）的安裝及保護，到后期SAA入孔安裝過程的細節均分別進行了闡述，為此類傳感器在安裝施工技術方面積累了寶貴的經驗，具有推廣意義。

1 SAA陳列式位移計監測技術特點

SAA陳列式位移計監測技術克服了傳統監測測斜管在管孔保護、維護及觀測便捷性方面的諸多弊端。施工時，測點區域保護裝置是整體埋入式（可單獨對測斜管管孔用蓋帽進行保護，避免外力對管孔的碰撞及異物落入孔內產生卡孔等事件），土建施工時攤鋪設備和碾壓設備可直接在儀器安裝部位上方通行，直接攤鋪、直接碾壓，監測作業完全穿插在土建作業間隙進行，不干擾土建施工作業。

一方面，SAA的安裝孔有效利用了施工期的測斜孔，無需額外鉆孔，避免了超深鉆孔（百米級深度）對心墻（尤其是厚度只有0.6～1.2 m的瀝青混凝土心墻）可能造成的損害；另一方面，SAA還可作為二次監測設備被重復使用在不同受測部位。

2 工作原理

SAA由多段連續節串接而成，內部由微電子機械系統加速度計組成，每段節有一個已知的長度，一般為30 cm、50 cm，如圖1所示。因此，SAA的體型與測斜管管孔體型是可以完全匹配的，保證了埋管（孔）質量，也就保證了后期SAA的安裝質量。

圖1 SAA結構

SAA通過檢測各部分的重力場，計算出各段軸之間的彎曲角度θ，利用計算得到的彎曲角度和已知各段軸長度L（30 cm或50 cm），每段SAA的變形Δx便可以完全確定出來，即：Δx=θ·L，再對各段進行求和，可得到距固定端點任意長度的變形量。通俗來講，SAA是由若干個滑動式或若干個固定式測斜儀串接成的測斜儀陣列，其工作原理見圖2。

圖2 SAA基本原理

SAA技術核心內容主要分為兩個部分，第一部分為測斜管埋管，第二部分為SAA的入孔安裝及觀測。保證測斜管埋管質量也就保證了PE管入孔的可靠性，PE管一旦安全入孔，則SAA的入孔安裝可靠性就有了充分保證。

3 施工工藝流程及操作

3.1 SAA施工簡述

SAA技術實施案例工程大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高164.2 m，心墻高132.0 m，為了實現對大壩心墻撓曲變形的實時監測，結合三維有限元計算結果，選擇了壩體最大壩高斷面（1號孔壩橫0+70.00 m），在瀝青混凝土心墻下游側布設陣列式位移計。另外，選擇兩個輔助監測斷面（3號孔壩橫0+040.00 m、2號孔壩橫0+140.00 m），同樣在心墻下游側設置陣列式位移計，監測瀝青混凝土心墻變形，其中1號孔的安裝深度達到了132 m。陣列式位移計安裝工藝流程見圖3。

圖3 SAA施工工藝流程

3.2 安裝操作

3.2.1 埋 管

（1）現場埋管情況。結合瀝青混凝土心墻施工工藝，瀝青混凝土澆筑和心墻上下游側的過渡料Ⅰ的攤鋪均采用攤鋪機械一次同步完成。心墻寬度為0.6～1.2 m，攤鋪機固定寬度3.8 m，攤鋪機攤鋪作業也需要不斷往返進行鋪料。鋪料之后，碾壓設備對心墻及過渡料進行震動碾壓，瀝青混凝土入倉溫度控制在140～160℃。與此同時，SAA安裝在距離心墻下游側僅30 cm的過渡料內，平面布置見圖4。因此，大壩在填筑過程中很難實現陣列式位移計隨大壩填筑即時安裝的要求。

圖4 埋管部位與心墻平面布置

施工時，在大壩填筑階段用測斜管及電磁沉降儀進行變形觀測，即在陣列式位移計安裝埋設位置預埋測斜管，壩體填筑上升階段采用活動式測斜儀和電磁式沉降儀監測心墻施工期水平和垂直位移。當大壩填筑至壩頂高程后，再將SAA安裝至測斜管孔內并回填固定，通過SAA測讀系統觀測心墻變形情況。

（2）測斜管及沉降磁環的安裝。傾斜和沉降測量可以集合到同一個孔中進行，該孔包括：測斜管（Φ70 mm JTM-G7600C型鋁合金管）、伸縮接頭和磁環。施工過程中，測斜管和沉降磁環是同步安裝的，隨著壩體填筑高程升高而同步向上安裝，直至設計高程。

測斜管在基座混凝土上初始安裝時，首先在設計部位鉆測斜管安裝孔，鉆孔深入基座混凝土1.5 m，鉆孔孔徑為Φ130 mm，孔斜不大于1°，鉆孔完成后進行清洗。然后，將管座套在測量管底端，用粘合劑做連接間隙密封，用鉚釘錨固，距孔口1 m位置布置1個星型沉降環，在孔口位置布置1個板式沉降環，放入測斜管時一并將灌漿管放入孔內，測量管校正鉛直后固定并灌漿，待水泥漿固化后再進行下一步施工。

基座以上的測斜管隨壩體填筑進度逐步接長。測量管連接時，先將接頭套于測斜管管口，兩節之間預留5 cm間隔，導槽校正后用鉚釘錨固，接頭處涂防水膠并纏繞防水膠帶，外包2層無紡布，用鉛絲固定，并按設計間隔布置板式沉降環。

在壩體填筑過程中，測斜管及沉降磁環安裝時，由于心墻及過渡料Ⅰ區是同步填筑，每次填筑厚度僅為25 cm。鑒于此，在測斜管安裝過程中，為了配合心墻填筑工藝，測斜管每節段安裝長度調整為50 cm，在安裝部位埋設保護箱（保護箱無底，帶活動蓋板，四周設置吊環，吊環上綁牽拉鋼繩）。第一層集料攤鋪碾壓完成后，用人工將測斜管周圍集料挖開，再將保護箱安置在測斜管部位，蓋上蓋板，然后周邊回填集料并人工夯實。

第一層測斜管和沉降磁環安裝及保護工作完成后，即可進行第二層的集料攤鋪和碾壓工作。第二層集料的碾壓工作完成后，清出吊繩，采用牽拉機械將保護箱向上提升至填筑面高程，清除保護箱表面集料，打開保護箱蓋板，接長測斜管。測斜管接長工作完成后，蓋上孔口保護蓋帽，相應地將沉降磁環安裝在設計指定高程處。在測斜管與保護箱之間回填粒徑不大于30 mm的原壩料，人工夯實至設計要求的壓實標準。測斜管接長時應充分預留下一步碾壓時保護箱的沉降，嚴格保證集料碾壓過程中不對測斜管產生擠壓破壞。安裝流程見圖5。

圖5 測斜管及沉降磁環的安裝流程示意

（3）測斜管及沉降磁環的觀測。施工期，沉降觀測采用傳統電磁式沉降儀，水平位移觀測采用活動式測斜儀。按照規范及設計要求進行數據采集工作，內業時再進一步做數據處理，并出具相應觀測成果。

3.2.2 SAA安裝

（1）SAA安裝現場。通常情況下，SAA有兩種安裝方法：①先將SAA穿進PVC導管，再將“SAA+PVC”一并放入孔洞；②先將PVC管組放入孔洞，SAA再穿入PVC中。SAA巧妙地將用于施工期臨時監測的測斜管組利用起來，保證了壩體自填筑開始直至后續運行發電過程中監測數據的連續性，還有就是有效規避并減小了SAA隨壩體填筑進度安裝時的施工干擾和儀器保護問題。

SAA均為垂直安裝，而且所預留孔洞為施工期測斜孔，孔深均為百米級。在深孔安裝SAA時，即使PVC管組可并行固定助力繩承托其自重，但PVC管組接頭的承受能力是否能完全滿足管組在入孔過程中不脫離，仍是必須要考慮的風險之一。SAA現場安裝時，還特別制定了備選方案，采用PE管和SAA組合安裝的模式，即先將PE管組放入孔洞，SAA再穿入PE管中。SAA入孔安裝前，需編制安裝技術方案、應急預案等，提前對所有參與安裝的工人進行技術交底及相關安全教育。

（2）安裝工器具及材料準備。準備好安裝過程中，需用到的材料及工具主要包括：450 m PE管（150 m／根，整根管路無彎折，無壓損）、鋸弓或者鋼絲鋸、雕刻刀或者壁紙刀、切管刀、PE管修邊工具、螺絲刀、若干鋼管架（制作卷軸架）、1套角磨機、一批干凈的干細河砂、一套組合工具箱、2部運輸車輛、1根電源線（配電柜）、1套孔內攝像裝置、1臺焊機、1臺發電機（備用）及其他零星材料。安裝前要確保材料提前準備就緒，材料及工器具配備齊全并有一定的富余量，機器設備性能穩定可靠。此外，準備回填用的細河砂必須晾曬使其干燥，然后過2.36 mm篩，裝袋備用。

（3）工作面準備。提前協調現場土建施工隊伍，孔口區域段的心墻及過渡料攤鋪工作在SAA安裝入孔施工期間需暫停施工。在采用SAA安裝時，需臨時占用心墻一側堆石面（整平碾壓后），屆時該工作面土建作業需停止，工作面臨近施工機械需轉移停放在其他區域或在該區域兩岸壩肩部位集中停放；過程中，工作面應保持干燥平整，無障礙物。

（4）安裝。安裝時機宜選晴朗溫暖的非陰雨天氣。

①材料就位。實施安裝前，將儀器設備、輔助材料、工器具全部搬運至安裝現場，集中存放。

②獲取孔內數據。連接好孔內攝像器材，將攝像頭自孔口緩慢放入測斜孔內，查看測斜孔內壁狀況，并詳細記錄孔內異常部位及對應高程。查看范圍主要為：孔內毛刺、鉚釘凸起及孔內變形情況。再用測深儀放入孔內，測量孔深實際值（孔深測量精確到0.1 m），記錄備查。

③搭設固定架。先在孔口一側搭設固定架（兩層），固定架尺寸長約4 m，寬約3 m，高度不小于3.5 m，加固掃地桿、四周均設立剪刀撐，在固定架的一端安裝爬梯，固定架（作為SAA下放時的卷輪支架）頂端預留SAA卷輪放置空間，其余部位多設立橫桿，以便放置踏板，供作業人員在固定架上方作業。

④PE管準備。根據孔深數據，將PE管展開，順直地擺放于作業區域，多預留0.5～1 m的PE管，然后截斷，即PE管管長比孔深長0.5～1 m，在PE管外壁每隔5 m做一明顯標記，孔深等長部位也做好標記，然后用壁紙刀去除管端毛邊備用，PE管端頭應當保持干凈，沒有塵土、油等污染。在PE管的下端（先入孔端）安裝錐堵（便于入孔導向）并密封處理或用熱熔槍將PE管下端吹融并加工成錐狀，并注意錐頭的密封。

⑤PE管入孔。將處理好的PE管入孔端經過固定架上方保持一定彎曲弧度，由測斜管管口緩慢放入測斜管，根據孔內數據與PE管外壁標記，直至PE管下端順利下至測斜管管底高程，入孔之后的PE管宜比測斜管關口高0.5 m，切除上端超長的PE管，去除端頭毛邊，蓋上蓋帽避免異物落入PE管內。

⑥SAA入管。SAA裝進PE管之前，檢查SAA有無斷開或其他損壞。在孔口兩側分別安置卷軸架，卷軸架所使用的材料要足夠堅固，能夠支撐SAA和卷軸的重量。將軸桿穿進SAA卷軸中心預留的軸孔，將穿入軸桿的SAA卷軸放置在卷軸架上，軸桿兩端在卷軸架上固定牢靠，SAA卷軸散開部位切向方向宜位于管孔正上方。

打開PE管管口蓋帽，緩慢轉動SAA卷軸，將SAA遠端（入孔端）自PE管管口緩慢放入，每下放10 m，在SAA外壁與PE管內壁之間的間隙倒入適量潤滑油，減少SAA與PE管內壁之間摩擦。此外，在SAA下放過程中，為保證PE管保持順直狀態，宜對PE管施以適當向上的力進行提拉。提拉過程中，不使PE管下端脫離測斜管管底為宜。在SAA遠端也順利下放至孔底安裝高程后，撤除SAA卷軸及卷軸架，將SAA端頭部位采用無紡布包裹做適當保護，完成SAA入孔操作。

SAA安裝過程前后，為把SAA的扭曲減到最低，不論PVC管在地面還是在鉆孔中，SAA均應在卷軸上和PVC管內，避免扭曲關節發生任何移動。SAA的節不是唯一被扭轉的部分，所以當施加力時，需考慮對整個SAA產生的機械影響；關節彎曲不超過45°（SAA儲存回卷軸上時除外）；拉動SAA時，不要拉拽通信電纜，應拉PE管或SAA本身；不要在地面上拖拽SAA，或在鋒利的邊緣移動SAA，否則會磨損掉其保護層；不需要移動時，不要頻繁地移動關節。

⑦SAA測試。SAA入孔完成后，由技術人員用SAA Recorder完成診斷測試，確保SAA在安裝過程中未損壞，并嘗試采集數據。所采集數據不作為基準值或觀測值，只作為各測點完好情況測試時用。測試無誤后，將SAA端頭部位做好防水密封及初步保護，留出電纜端頭便于后期調試和數據采集。

⑧回填。由于測斜管內徑為59 mm，PE管及SAA入孔后，不具備注漿管安裝條件時，采用過篩的干細砂回填。將提前準備好的干細過篩河砂，從PE管與測斜管之間孔隙放入（見圖6）。放入細砂時，適當提拉PE管，使PE管+SAA組合盡量保持順直狀態，直至細砂填充滿PE管與測斜管之間的整個間隙。還應注意的是，干細砂必須過篩，以免大粒徑沙礫在孔內發生卡阻，影響回填效果。如果安裝孔積水較多，則要慢慢使用柔性棒或者電纜勾工具從鉆孔底部開始攪動，使砂料能自然沉降固結將管壁間隙填充完全。灌砂充填過程中，應少量、間斷地投放，避免出現砂料架空。灌滿之后，先用無紡布纏繞保護好孔口處，待孔內砂料自然沉降，再少量多次地進行補灌，直至無需補償為止。

⑨電纜牽引及保護。由于回填砂料的沉降需要一定時間，在SAA安裝完成初期，不宜進行觀測電纜牽引，待沉降穩定一段時間后，將一定量的干河砂堆堵在入孔部位，在SAA首端（上端）澆筑保護墩進行保護，觀測電纜牽引至觀測站，線路保護嚴格按照設計要求或規范執行。

圖6 細河砂回填示意

3.2.3 調試及觀測

安裝完成后，再次用SAA Recorder對SAA進行診斷測試。測試完成后，保存觀測數據，經過連續采集后，確立基準值，然后即可投入觀測。

4 結 語

超長陣列式位移計變形監測施工技術，在水電站瀝青混凝土心墻壩變形監測工程中成功應用。該技術具有自動實時采集、3D測量、高精度等優點，不僅適用于靜態巖土工程的變形監測，也適用于動態的加速度、位移、溫度的監測，可廣泛應用于橋梁、船閘、邊坡、隧道、鋼架結構、高速公路、混凝土壩、土石壩及混合壩的變形監測中，應用前景廣闊。