測斜儀在高邊坡位移測量中的應用

李期森

(深圳市水務工程檢測有限公司,廣東 深圳 518000)

1 概述

高邊坡是水電工程建設過程及后期運行過程中需要重點研究的問題[1-2]。為了提高水電的蓄水、發電效益，水電站往往修建于高山峽谷區域，在長期的地質構造活動、降水、暴曬、生物風化等作用下，山區巖土體力學參數較低，結構面發育，對水電站邊坡的穩定性具有極大的影響。水電站高邊坡的穩定性對工程的安全及效益發揮具有重大的影響。由于邊坡巖土體參數具有一定的不確定性，結構發育受地質構造等因素影響較大，邊坡穩定性可能出現與計算結果不一致的情況。因此，水電站建設完成后，加強對高邊坡的監測工作是十分重要的[3-4]。提供準確的變形監測數據，可為高邊坡穩定性分析提供基礎參數。測斜儀是工程中較為常用的位移監測儀器，具有監測精度高等優勢[5-6]。本文結合某水電站工程，研究測斜儀在高邊坡工程監測工作中的應用。

2 工程概況

某水電站于2001年1月投產發電，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、相鄰公路以及上壩路，2018年7月，右岸邊坡又發生了大面積滑塌。右岸邊坡進行永久防護設計前進行了補充地質勘測，其探孔芯樣和實驗成果表明，邊坡地層以碎石土為主、含有少量漂石和巨石的崩積層，厚度為35.0～55.0 m，透水性中等，穩定性差。右岸邊坡永久防護設計為：土石方回填，回填最大高度為17.5 m，最大寬度為34.5 m，回填壓實度不小于95%，回填坡面用混凝土網格梁+20 cm厚混凝土板或80 cm厚鋼筋混凝土板防護，坡面安裝?100 mm的PVC排水管，間排距為2 m。

根據原邊坡支護方案，管理廠房下部邊坡主要采用30 cm厚漿砌石防護，并在邊坡坡面布置?100 mm的PVC排水管，排水管排距為2 m。管理廠房院內鋪設厚為0.1 m碎石地面，為避免降水、生活用水對邊坡的影響，在廠房周邊布置排水溝。在電站運行期間，管理廠房下部邊坡局部出現坡面漿砌石鼓包、隆起，馬道內側局部排水溝因受邊坡位移擠壓而變窄。

3 項目監測方案設計

為了監測大壩右岸邊坡深層的側向位移活動，分析某水電站高邊坡在開挖支護后的變形特征和穩定性情況，結合邊坡具體情況以及場地的實際條件，在某水電站高邊坡坡頂位置和公路路肩處分別安裝了1個數字活動測斜儀。為了保證測量結果可以反映邊坡深處位移，分析邊坡是否會發生整體性的破壞，測斜孔孔深應穿越覆蓋層進入穩定分布的基巖地層，因此，設計測斜儀孔深為49.5 m和32.0 m，在孔口處安裝了位移觀測點，用于監測邊坡表層位移(測斜孔孔位見圖1)。

圖1 右岸邊坡測斜孔布置示意

戶外管理廠房院內布置有4個變形觀測點，在電站運行期間一直進行監測，根據戶外管理廠房的監測數據分析，管理廠房邊坡尚未出現較為顯著的位移現象，整體穩定性較好。為分析管理廠房邊坡漿砌石隆起鼓包的原因和為邊坡防護設計提供依據，在管理廠房門口坡頂處和進廠路路肩處分別安裝了1個測斜孔，孔深為44.5 m和38.0 m，在孔口處安裝了位移觀測點，用于監測邊坡表層位移，測斜孔孔位見圖2。

圖2 管理廠房邊坡測斜孔布置示意

4 測斜管安裝

測斜儀大多應用于工程、水文測井以及油田、煤田、地質等測井領域，在水利工程中主要用于地下防滲墻的垂直度監測，如：魏小平等[7]利用測斜儀獲取壩基沉降數據，為大壩穩定性分析提供參考；張玉龍等[8]利用測斜儀對堆石壩面板的變形數據進行測量，測量結果較為可靠；解紅星[9]研究了測斜儀在水庫大壩安全中的使用方法，認為可靠的施工質量是保證監測精度前提。雖然測斜儀在水利等工程中使用較多，但是在高邊坡深層位移監測中應用比較少見，如此深度的測斜管安裝也沒有經驗可借鑒。根據相關測斜儀位移監測工程，測斜管一般采用ABS管，單管長為2 m，在安裝的過程中連接成整體。測斜管安裝的重點就是保證測斜管接頭在安裝過程中不發生扭轉或折斷，并保證在回填鉆孔時，不會讓測斜管接頭處發生扭斷。

4.1 鉆孔

鉆孔的成孔質量是保證測斜儀安裝質量和測量精度的基本條件。因此，鉆孔孔位測量需要準確，鉆孔施工精度需滿足相關規范要求。鉆孔成孔供需如下：測量完成測斜孔位置放樣，鉆機就位后，用水平尺校正機身，使鉆桿軸線垂直對準測斜孔中心位置，以確保鉆孔的垂直度。鉆孔鉆機型號為MD-135采用跟管法鉆進，邊鉆孔邊下入跟管，防止塌孔卡鉆，孔徑為150 mm，最終成孔的孔底高程應低于設計高程50 cm。

4.2 測斜管安裝

1) 底托制作

為防止測斜管安裝過程中，管節接頭處受力發生折斷或扭轉，需制作一個底托，底托質量對測斜管的安裝質量有較大的影響。綜合考慮，底托用?100 mm、長50 cm的鍍鋅鋼管制作，鋼管一端封閉，另一端的兩側制作兩個吊耳，用于測斜管安裝時掛鋼絲繩。

2) 測斜管安裝

測斜管采用?76 mm的ABS管，管內壁有4個互成90°的導槽，單節管長為2 m，一端有一個U型缺口，另一端有一個U型楔體。測斜管安裝前，在孔口放樣出與邊坡控制線平行或垂直的方向線，便于測斜管安裝時控制導槽的方向(見圖3)。

圖3 測斜管安裝示意

將第1節測斜管底部安裝管帽封堵后，放入制作好的底托，測斜管與底托之間的空隙用水泥漿填充密實，之后依次將測斜管連接放入孔內。安裝時相鄰兩節管的導槽需要對齊，U型楔體要完全嵌入U型缺口，防止測斜管安裝過程中發生扭轉，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，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。連接測斜管時要檢查導槽內是否有雜物堵塞，確保導槽暢通。安裝過程中，及時調整導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，拔出套管，孔底1 m高范圍回填膨潤土泥球，其他范圍用水泥砂漿回填。水泥砂漿應沿著鉆孔周邊均勻回填，確保回填密實，待孔口砂漿不再下沉時，按設計圖紙的要求做好孔口的防護罩[10-12]。

5 數據讀取

5.1 工作原理

某水電站高邊坡工程采用的數字活動PRO測斜儀由探頭、傳輸電纜和數據讀取儀(平板電腦)組成。探頭內部有2個MEMS傾斜傳感器，其中A軸的傳感器測量導向輪平面的傾斜，B軸的傳感器測量垂直于導向輪平面的傾斜。當探頭在測斜管內從下往上逐段測量時，探頭內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，計算該高程處位移值，從而形成1條位移曲線圖。通過對比當前與上一次和初始的觀測數據，可以確定側向位移的變化量，顯示出地層所發生的運動位移。工作原理見圖4所示。

圖4 測斜儀工作原理示意

5.2 數據讀取

測斜管安裝完成后，初期變形較不穩定，為了獲取較為準確的位移數據，測斜管需要靜置一段時間后方可開始工作。一般情況下，測斜管安裝完成7 d后開始初始數據的讀取，初始數據讀取分3次進行，每次間隔3 d，當3次數據無變化或者變化非常小時，則可用最后一次的數據當作初始值，否則應再增加讀取次數，直到數據穩定為止。

數據讀取前，首先需要在數據讀取儀上完成參數設置，主要參數包括測斜孔的編號、孔深、每次提升高度等。讀取變形監測數據時，首先將探頭放入孔底靜置約5 min，使探頭的溫度與孔內溫度一致，再根據數據讀取儀的提示自下而上提升探頭，每提升0.5 m或1 m讀取1次數據(一般0.5 m讀取1次)。為消除測量誤差，當一個方向測量完成后，取出探頭旋轉180°，放入同一組導槽中，再次讀取數據。2次數據讀取完成，數據采集儀自動計算測量誤差，生成位移曲線，可以直接對當前位移曲線與初始曲線和上次位移曲線進行對比查看。

5.3 數據處理、分析

將現場測量數據傳輸到電腦后，使用配套的數據處理軟件對獲取的數據進行處理，該配套軟件可以自動生成位移表格和位移曲線圖，同時可以查看每一測次和每一高程的誤差值和位移量。

測斜儀在初次讀數時會自動計算累計位移和各測點相對位移，但累計位移和各測點的相對位移值不能代表地層的位移情況，因為測斜管安裝無法做到絕對垂直，初始數據只是真實的反應了測斜管安裝的傾斜度，不能反應邊坡位移。當需要查看測孔當前的累計位移時，需要用當前的累計位移值減去初始數據的累計位移。

通過2020年汛期和2次地震后對布置在管理廠房邊坡的測斜孔數據(數據為當前累計位移值，尚未減去初始數據的累計位移，正值表示位移方向向坡外)讀取、對比分析表明，某水電站管理廠房下部地層未出現明顯的位移活動。根據數字活動測斜儀監測結果可知，管理廠房邊坡累計最大位移處高埋深約為16.5 m，最大位移量約為18.0 m，位移方向向坡外，監測數據表明：管理廠房邊坡整體穩定性較好，邊坡暫未出現大規模的變形破壞跡象。因此，可初步認為管理廠房邊坡漿砌石鼓包和排水溝擠壓現象并不是由于管理廠房邊坡變形破壞造成的。根據管理廠房邊坡漿砌石鼓包和排水溝擠壓現象發生于降水后的一段時間內，通過初步分析，降雨條件下雨水入滲，但管理廠房邊坡排水孔堵塞限制了降水的排泄，在雨水的浸泡作用下，部分巖土體軟化，造成淺表層坡面局部下滑，導致漿砌塊石出現鼓包現象，建議清除堵塞的排水孔，提高管理廠房邊坡的排水能力，必要時可結合截水措施，避免長期降水匯集，導致邊坡出現較大規模的破壞。

通過對大壩右岸邊坡測斜孔的數據讀取、對比分析表明，右岸邊坡在汛期和地震后未出現位移活動，整個右岸邊坡的土石回填質量滿足設計要求，邊坡防護工程設計合理、滿足規范要求(見圖5)。

圖5 測斜儀自動生成位移曲線示意

6 結論及建議

6.1 結論

結合某水電站開關房高邊坡工程，對測斜儀在水電邊坡監測中的應用進行研究。采用測斜儀可獲取較為精確的監測數據，監測結果表明：開關房邊坡整體較為穩定，邊坡支護結構出現的鼓脹現象主要是由于排水不暢造成，在后期工作中需加強排水工作，以保證邊坡的穩定。

6.2 建議

測斜儀大多應用于工程、水文測井以及油田、煤田、地質等測井領域，在水利工程中主要用于地下防滲墻的垂直度監測，在高邊坡深層位移監測中應用比較少見。在水利工程中大多采用變形觀測點進行邊坡的位移觀測，幾乎不用測斜儀，主要是因為造價比較高。但是在穩定性差的永久高邊坡、深基坑等邊坡的變形監測中，強烈推薦使用測斜儀進行位移監測，因為測量方便、快捷、精度高，可以監測地層的深層位移，同時測斜孔還可以一孔兩用，測斜儀和滲壓計可以使用同一個孔或者測斜儀和地下水位觀測使用同一個孔，可減少施工費用。

測斜管測量精度多，適用范圍廣泛，但是受施工質量影響較大，在施工過程中需要嚴格控制施工質量，保證測斜管安裝精度，從而保證最終測量結果的準確性。