庫區滑坡體變形陣列位移傳感監測技術

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內，分布高程在1 410～1 870 m，后緣至前緣長度約1 000 m，順河向寬度約1 060 m，周邊為基巖陡壁，呈“圈椅”狀，形成后緣和上下游側緣被基巖陡坡圍限、前緣臨空的態勢，屬于典型的縱橫等長式滑坡。目前邊坡前緣已達瀾滄江邊（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，滑動規模上屬于大型滑坡。水庫正常蓄水位時，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不得而知，因此加強對該滑坡體的監測意義重大。

目前，邊坡監測內容主要包括變形、地下水、應力應變等，變形作為邊坡穩定的直接判定條件，是監測的重點。邊坡監測方法中，除常用的大地測量方法和測斜管法外，出現了大量新技術，如全球定位系統（GPS）、測量機器人、三維激光掃描監測、地面數字攝影測量、遙感監測、地表裂縫張合監測、合成孔徑干涉雷達、時域反射測試（TDR）、光纖傳感器監測等。這些方法結合具體工程特點及環境條件，在工程中發揮了重要作用，但也有各自的適用范圍，并不完全適用于邊坡變形監測。使用最普遍的測斜管法可以獲取邊坡坡體內部變形情況，操作簡單，但測試精度和效率較低，無法實時獲取數據。陣列位移傳感器是一種可以放置在一個鉆孔或嵌入結構內的變形監測傳感器，測試方法與測斜管法類似，由若干個分陣列單元依次連接組成。該方法基于微電子機械系統測試原理，具有精度高、功耗低、自動實時采集等特點。

1 陣列式位移計的原理

陣列式位移計是一種基于微電子機械系統測試原理的測試加速度和位移的新型傳感器，具有精度高、可重復利用、自動實時采集等特點，技術參數見表1。

表1 陣列式位移計技術參數Table 1 Technical parameters of shape acceleration array

每個測試單元即為一節，長度一般為30～50 cm。變形測試方法如圖1所示，每節設置一個微型加速度傳感器，可測試得到傳感器在三個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，可得到測試單元在該方向上傳感器末端相對于基點端的相對位移△x，在θx發生變化時，相對位移之差即為角度變化引起的變形量。對于多節傳感器，前一節的末端即為后一節的基點端，進行變形累加后得到多節單元的變形總量。

圖1 變形測試示意圖Fig.1 Diagram of deformation measuring

每個測試傳感器近端均有用于連接電纜的固定節，遠端有用于基點固定的固定點，每個節點采用復合式接頭進行連接。每個分陣列安裝有微處理器和數字式溫度傳感器，溫度測試主要是為了補償地溫對傳感器的影響。通過試驗和驗證，傳感器每32 m 的測試精度為±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。該儀器裝置可滿足靜態中巖土工程的變形監測要求，如邊坡滑移、隧道、路基沉陷、橋梁撓度等變形監測，也適用于動態中加速度、位移、溫度測試，具有實時動態監測的功能。

2 陣列式位移計應用情況

國內外部分應用實例如表2 所示。國外在十多年前開始使用該測試技術，主要用于大壩變形監測、混凝土開裂引起的結構變形監測、隧道掘進過程變形監測等。國內應用較晚，首次使用是在2012年威紅鐵路魯木山隧道進口路塹邊坡上，在水電工程上應用較少。

表2 陣列式位移傳感計應用情況Table 2 Application of shape acceleration array

3 大華滑坡體應用實例

3.1 儀器布置

根據大華滑坡體地表形態特征布置監測儀器，分別埋設有陣列式位移計（SAA）和測斜孔，具體如下：（1）1-1剖面：1陣列式位移計，3測斜孔；（2）2-2剖面：2 陣列式位移計，2 測斜孔；（3）3-3 剖面：1 陣列式位移計，3 測斜孔；（4）4-4 剖面：3 測斜孔。在實際監測過程和后期數據處理時，對兩種監測儀器進行系統全面的分析對比。

3.2 數據處理

本工程所采用的陣列式位移計每50 cm為一個測點。起算基準點與活動測斜一樣，以孔底為相對不動點，其余測點位移由孔底至孔口依次累加。當把遞增的水平（垂直）位移累加起來，從測孔底開始繪制曲線，即初次觀測與后來任一次觀測的水平（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 結果分析

選取大華滑坡體的1-1 剖面進行分析，1-1 監測剖面布置有3 個測斜孔和1 套陣列式位移計，見圖3和表3。

表3 大華滑坡體1-1剖面監測儀器Table 3 Monitoring instruments on profile 1-1

圖3 1-1監測剖面Fig.3 Monitoring profile 1-1

1-1 剖面陣列式位移計SAA1-1 和IN1-2 測點的孔深水平合位移分布曲線見圖4～5，孔口及滑動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

監測結果顯示：大華滑坡體陣列式位移計安裝初期累計位移曲線平穩，無明顯滑動面；2016 年6月后，陣列式位移計SAA1-1、測斜孔IN1-2均出現滑動面，在孔深36.5～38.5 m間存在較明顯的滑動面，且孔深37 m處測點在一個月內累計增加55.67 mm，目前該滑動帶仍有滑移趨勢。分析原因主要是：自6 月開始，大華進入主汛期，降雨量充足，導致地下水水位抬升，在地下水的作用下，該滑動面滑移變化明顯。

3.4 數據可靠性分析

（1）與測斜儀監測結果對比。從監測結果分析，對于1-1 剖面，由圖6～7 可以看出：陣列式位移計SAA1-1 與測斜孔IN1-2 監測結果接近，均出現滑動面，符合監測儀器的空間位置分布，從一定程度上說明了陣列式位移計監測數據的可靠性。綜合分析可知，陣列式位移計SAA1-1 觀測結果在孔深36.5～38.5 m 處存在滑移面是真實、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）與鉆孔取樣結果對比。地質鉆探結果顯示：該孔深度處為強風化的崩積土夾碎塊石，巖石破碎，巖質軟，為相對軟弱帶，易發生剪切突變，說明陣列式位移計的觀測數據與地質分析結論基本吻合。

3.5 數據穩定性分析

由孔口及滑動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，未出現突變與異常點，滑坡體仍處于蠕動變形階段，符合滑坡體的變形規律，證明陣列式位移計監測數據穩定性較好。

圖7 IN1-2孔口及滑動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 結語

（1）通過陣列式位移計在本工程的應用可知：陣列式位移傳感器測試邊坡變形的方法具有精度高、可靠性好的優點，且該設備采用國際上先進的微電子機械系統技術，傳感器體積小、功耗低、抗干擾性強、性能穩定、環境適用能力強。

（2）陣列式位移計安裝簡單，且實現了自動化實時采集和無線傳輸，不僅可以對滑坡體進行24 h動態監測，還可以避免人工現場采集存在的安全隱患。

（3）陣列式位移傳感器在國內外已有不少工程應用實例，展示了良好的性能和廣泛的適應性。從本工程的使用情況看，陣列式位移計性能可靠、穩定，在邊坡安全監測等眾多領域具有很高的推廣價值和運用前景?！?/p>