浅析多维度变形测量系统技术的应用与推广

陈 岑，聂成良，张骥骋，徐正林

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650000）

1 多维度变形测量系统简介

多维度变形测量装置是测量系统的核心敏感元件，是一款基于连续测斜原理设计的高精度一体式测量装置，它数个长度为0.5 m或1 m的刚性传感器节点、首尾连接而组成的一个传感器阵列，传感器节点之间采用可自由弯曲的柔性节连接，以适应监测界面的较大变形（见图1）。

图1 多维度变形测量装置示意图

多维度变形测量系统通过测量装置、数据采集和物联网云平台的集合，实现观测、传输、数据管理及成果展示的功能。采用锂电池、太阳能电池等形式供电，适应野外作业，满足全天候不限次观测需求，大大提高了监测管理水平。

2 多维度变形测量系统的适用范围及其特点

多维度变形测量系统是基于物联网系统架构研制一套以MEMS传感器为核心敏感元件的多维度变形测量系统。主要适用于土体水平位移及剖面分层沉降监测，特别适合边坡等内部变形较大的深层位移监测，以及堆石坝混凝土面板挠度、路基沉降等挠度监测。该装置具有较大幅度的任意角度柔性适应能力（轴向±90°范围内任意弯折），以充分适应土体在发生较大剪切变形时仍能持续可靠地工作，并真实反映整个型面的位移变化状态。装置采用细直径设计，现场安装简单方便，即埋即测，获得初始数据及时。

这套系统可以为大跨度建筑物结构体的连续变形规律监测提供高精度、高可靠性的自动化监测方案。多维度变形测量系统可以观测X、Y、Z三个方向变形；角度测量范围在0～360°，角度分辨力10″；位移分辨力0.1 mm@500 mm；传感器直径35 mm；量程大于1000 mm；工作温度在-20 ℃～+60 ℃之间。

多维度变形测量装置具有结构简单，安装方便；较传统活动或固定式测斜仪安装更加灵活，应用范围更广；具有活动式测斜仪相同的测量精度及更好的重复性；做为剖面分层沉降监测装置，无需设置反坡、无需观测房，施工简单迅速。安装完毕即可获取完善监测数据，与传统的水管式沉降仪相比数据更加可靠完善。

3 安装埋设方法

1）钻孔安装多维度变形测量装置，钻孔须取芯，芯样按次序统一编号，填牌装箱，绘制钻孔柱状图和进行岩心描述，钻孔倾斜率应小于±3°。为防止钻孔塌孔影响传感器在钻孔内安装PVC护管（直径小于钻孔孔径）。PVC护管应安装至设计高程，随后安装多维度变形测量装置。

2）多维度变形测量装置安装就位后，在基岩钻孔段PVC护管与孔壁间自孔底灌注水泥与膨润土的混合砂浆。水泥应采用42.5 级普通硅酸盐水泥，灰砂比为1∶1 ～1∶2，水灰比为0.38 ～0.45（宜加早凝剂），水泥与膨润土的混合比为2∶1。灌浆应一次性完成，确保浆液饱满，浆液固化前应防止人为扰动。基岩面以上覆盖层内PVC护管与孔壁间采用粗砂进行回填，砂料需进行风干处理。

3）采用测试软件对多维度变形测量装置进行测量，确定传感器处于正常运行状态，然后完成孔口保护装置施工。同时在钻孔旁边安装立柱，固定多维度变形测量装置自动化数据采集仪以及配套的供电系统并连接多维度变形测量装置，实现系统的自动运行。

4 应用案例

大华桥水电站位于云南怒江州兰坪县兔峨乡境内的澜沧江干流上本工程为大（2）型二等工程，最大坝高106 m，坝顶长度231.5 m，坝顶宽17.5 m。水库正常蓄水位为1477 m，相应库容为2.62 亿m3。大华桥水电站坝址上游约20 km范围的库区内分布着大华、拉古、沧江桥三个较大的库区滑坡体。

三大滑坡体由于范围大、有居民和耕地、距离坝趾枢纽区较近等特点，是影响工程建设和安全运行的重要因素，因此对这三大滑坡体进行施工期、蓄水期和运行期的安全监测，特别是滑坡体分层位移、超大量程位移监测是非常重要的。本文选取大华滑坡体、沧江桥滑坡体安装埋设的2 套多维度变形测量系统监测成果进行论述，多维度变形测量系统安装埋设情况见表1。

表1 多维度变形测量系统安装埋设情况统计

大华滑坡体多维度变形测量系统SAA1-1*于2017 年8月开始采集数据，监测成果显示在该孔37 m处存在一滑动面，2019 年3 月28 日滑动面合位移达457.66 mm，监测成果见图2；沧江桥滑坡体多维度变形测量系统SAA2-2*于2017 年12月17日开始观测，监测成果显示在该孔21.5 m处存在一滑动面，2019 年3 月28 日滑动面合位移达31.01 mm，监测成果见图3。该监测成果很好地反映了滑坡体的深层变形情况，可为电站蓄水过程中滑坡体稳定状态研判提供科学依据和数据支撑。

图2 SAA1-1＊累计合位移分布曲线

图3 SAA2-2＊累计合位移分布曲线

5 推广应用

多维度变形测量系统在大华桥水电站库区滑坡体变形监测项目中的大规模推广应用，及时、有效的反映了大华桥水电站库区滑坡体在电站蓄水后的变化情况，经济及社会效益显著。多维度变形测量系统已在多个滑坡体工程中开展应用，将来有希望大范围应用于高土石坝，替代传统水管式沉降仪、引张线等，对提高土石坝监测施工管理水平有极大提升，应用前景广阔，推广价值巨大。

1）由于库区滑坡体由于较分散，分布范围广，目前多采用GNSS自动化监测方式（表面变形监测），很少采用深层位移监测或采用传统深层位移监测（测斜仪，固定测斜仪），难以实现自动化。鉴于多维度变形测量系统在精度、量程、适应性、稳定性等方面全面优于传统测斜仪，且实现滑坡体深层位移监测自动化对于确保其安全稳定及人民生命财产安全意义重大。多维度变形测量系统已在大华桥水电站库区滑坡体、双江口水电站地下厂房、红石岩水电站、构皮滩电站通航建筑物、贵州大坝中心松柏山水库滑坡监测中大力推广应用。

2）目前国内外已兴建了一批200 m～300 m级的高土石坝，高土石坝内水平、垂直位移监测长期以来一直依赖传统的引张线式水平位移计、水管式沉降仪、沉降兼测斜管，存在易损坏，难维护，数据精度低等缺点。多维度变形测量系统的出现解决了以上难题。根据多维度变形测量系统在土石坝内相关应用研究，已在两河口水电站、双江口水电站、吉林敦化抽水蓄能电站、山东沂蒙抽水蓄能电站大坝监测中大力推广应用。

6 结语

多维度变形测量系统研发于2014 年，国内滑坡体深层位移监测大多使用测斜仪、固定测斜仪、多点位移计等监测手段，但存在量程小、精度低、观测工作费时费力、难以实现自动化等缺点。多维度变形测量系统具有变形适应性强、量程大、精度高、稳定性好等特点，监测成果真实可靠，满足现行规范和设计要求。实现了监测数据的自动采集，满足滑坡体监测实时性需要，是滑坡体深层位移监测的划时代产品。

大华桥水电站首次将多维度变形测量系统大规模成功应用于滑坡体，实现深层位移监测自动化，为滑坡体监测建立完善的智能监控系统填补了国内滑坡体分层位移、超大量程位移监测的技术空白。多维度变形测量系统在构皮滩、两河口、双江口、红石岩等多个水电工程开展应用。实践表明：多维度变形测量系统精度、量程、适应性、稳定性等方面全面优于传统测斜仪，实现滑坡体深层位移监测自动化，对于确保滑坡体安全稳定及人民生命财产安全意义重大。应用于高土石坝替代水管式沉降仪、引张线等传统监测仪器，对提高土石坝监测施工管理和筑坝水平具有划时代意义，应用前景广阔，推广价值和社会效益巨大。