浅析沥青混凝土心墙坝超长阵列式位移计变形监测施工技术

刘 媛

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610000）

0 前 言

目前，国内变形监测常用方法有大地测量、钻孔位移监测法等，典型监测仪器有全站仪、经纬仪、水准仪、测斜仪、多点位移计等，虽然常用变形监测方法在实际应用中取得了可靠的监测效果，但仍然存在设备自动化程度低、监测时效性较差、数据采集与传输方式智能化不充分等缺点。如今，变形监测方法出现了大量新技术，如时域反射测试（TDR）、地面激光扫描（TLS）、合成孔径干涉雷达测量（SAR）、数字近景摄影测量、分布式光纤传感及全球导航卫星系统（GNSS）技术等。其中，SAA阵列式位移计测试技术就是近年发展起来的、被有效应用于岩土工程变形监测的一种新型传感测试技术。

SAA阵列式位移计（Shape Accel Array，以下简称SAA）又称柔性测斜仪，是一种可以被放置在一个钻孔或嵌入结构内、由多段连续节串接而成、基于微电子机械系统（MEMS）测试原理测试加速度和位移的监测传感器。SAA与传统的位移监测方法相比，具有自动实时采集、3D测量、高精度、可重复利用、运输储存方便、水平及垂直或介于两者之间安装、易于实现远程监测等特点。

在高沥青混凝土心墙坝中安装与埋设阵列式位移计具有很大技术挑战性，本论文从大坝沥青混凝土心墙部位测斜管（后期SAA安装孔）的安装及保护，到后期SAA入孔安装过程的细节均分别进行了阐述，为此类传感器在安装施工技术方面积累了宝贵的经验，具有推广意义。

1 SAA陈列式位移计监测技术特点

SAA陈列式位移计监测技术克服了传统监测测斜管在管孔保护、维护及观测便捷性方面的诸多弊端。施工时，测点区域保护装置是整体埋入式（可单独对测斜管管孔用盖帽进行保护，避免外力对管孔的碰撞及异物落入孔内产生卡孔等事件），土建施工时摊铺设备和碾压设备可直接在仪器安装部位上方通行，直接摊铺、直接碾压，监测作业完全穿插在土建作业间隙进行，不干扰土建施工作业。

一方面，SAA的安装孔有效利用了施工期的测斜孔，无需额外钻孔，避免了超深钻孔（百米级深度）对心墙（尤其是厚度只有0.6～1.2 m的沥青混凝土心墙）可能造成的损害；另一方面，SAA还可作为二次监测设备被重复使用在不同受测部位。

2 工作原理

SAA由多段连续节串接而成，内部由微电子机械系统加速度计组成，每段节有一个已知的长度，一般为30 cm、50 cm，如图1所示。因此，SAA的体型与测斜管管孔体型是可以完全匹配的，保证了埋管（孔）质量，也就保证了后期SAA的安装质量。

图1 SAA结构

SAA通过检测各部分的重力场，计算出各段轴之间的弯曲角度θ，利用计算得到的弯曲角度和已知各段轴长度L（30 cm或50 cm），每段SAA的变形Δx便可以完全确定出来，即：Δx=θ·L，再对各段进行求和，可得到距固定端点任意长度的变形量。通俗来讲，SAA是由若干个滑动式或若干个固定式测斜仪串接成的测斜仪阵列，其工作原理见图2。

图2 SAA基本原理

SAA技术核心内容主要分为两个部分，第一部分为测斜管埋管，第二部分为SAA的入孔安装及观测。保证测斜管埋管质量也就保证了PE管入孔的可靠性，PE管一旦安全入孔，则SAA的入孔安装可靠性就有了充分保证。

3 施工工艺流程及操作

3.1 SAA施工简述

SAA技术实施案例工程大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高164.2 m，心墙高132.0 m，为了实现对大坝心墙挠曲变形的实时监测，结合三维有限元计算结果，选择了坝体最大坝高断面（1号孔坝横0+70.00 m），在沥青混凝土心墙下游侧布设阵列式位移计。另外，选择两个辅助监测断面（3号孔坝横0+040.00 m、2号孔坝横0+140.00 m），同样在心墙下游侧设置阵列式位移计，监测沥青混凝土心墙变形，其中1号孔的安装深度达到了132 m。阵列式位移计安装工艺流程见图3。

图3 SAA施工工艺流程

3.2 安装操作

3.2.1 埋 管

（1）现场埋管情况。结合沥青混凝土心墙施工工艺，沥青混凝土浇筑和心墙上下游侧的过渡料Ⅰ的摊铺均采用摊铺机械一次同步完成。心墙宽度为0.6～1.2 m，摊铺机固定宽度3.8 m，摊铺机摊铺作业也需要不断往返进行铺料。铺料之后，碾压设备对心墙及过渡料进行震动碾压，沥青混凝土入仓温度控制在140～160℃。与此同时，SAA安装在距离心墙下游侧仅30 cm的过渡料内，平面布置见图4。因此，大坝在填筑过程中很难实现阵列式位移计随大坝填筑即时安装的要求。

图4 埋管部位与心墙平面布置

施工时，在大坝填筑阶段用测斜管及电磁沉降仪进行变形观测，即在阵列式位移计安装埋设位置预埋测斜管，坝体填筑上升阶段采用活动式测斜仪和电磁式沉降仪监测心墙施工期水平和垂直位移。当大坝填筑至坝顶高程后，再将SAA安装至测斜管孔内并回填固定，通过SAA测读系统观测心墙变形情况。

（2）测斜管及沉降磁环的安装。倾斜和沉降测量可以集合到同一个孔中进行，该孔包括：测斜管（Φ70 mm JTM-G7600C型铝合金管）、伸缩接头和磁环。施工过程中，测斜管和沉降磁环是同步安装的，随着坝体填筑高程升高而同步向上安装，直至设计高程。

测斜管在基座混凝土上初始安装时，首先在设计部位钻测斜管安装孔，钻孔深入基座混凝土1.5 m，钻孔孔径为Φ130 mm，孔斜不大于1°，钻孔完成后进行清洗。然后，将管座套在测量管底端，用粘合剂做连接间隙密封，用铆钉锚固，距孔口1 m位置布置1个星型沉降环，在孔口位置布置1个板式沉降环，放入测斜管时一并将灌浆管放入孔内，测量管校正铅直后固定并灌浆，待水泥浆固化后再进行下一步施工。

基座以上的测斜管随坝体填筑进度逐步接长。测量管连接时，先将接头套于测斜管管口，两节之间预留5 cm间隔，导槽校正后用铆钉锚固，接头处涂防水胶并缠绕防水胶带，外包2层无纺布，用铅丝固定，并按设计间隔布置板式沉降环。

在坝体填筑过程中，测斜管及沉降磁环安装时，由于心墙及过渡料Ⅰ区是同步填筑，每次填筑厚度仅为25 cm。鉴于此，在测斜管安装过程中，为了配合心墙填筑工艺，测斜管每节段安装长度调整为50 cm，在安装部位埋设保护箱（保护箱无底，带活动盖板，四周设置吊环，吊环上绑牵拉钢绳）。第一层集料摊铺碾压完成后，用人工将测斜管周围集料挖开，再将保护箱安置在测斜管部位，盖上盖板，然后周边回填集料并人工夯实。

第一层测斜管和沉降磁环安装及保护工作完成后，即可进行第二层的集料摊铺和碾压工作。第二层集料的碾压工作完成后，清出吊绳，采用牵拉机械将保护箱向上提升至填筑面高程，清除保护箱表面集料，打开保护箱盖板，接长测斜管。测斜管接长工作完成后，盖上孔口保护盖帽，相应地将沉降磁环安装在设计指定高程处。在测斜管与保护箱之间回填粒径不大于30 mm的原坝料，人工夯实至设计要求的压实标准。测斜管接长时应充分预留下一步碾压时保护箱的沉降，严格保证集料碾压过程中不对测斜管产生挤压破坏。安装流程见图5。

图5 测斜管及沉降磁环的安装流程示意

（3）测斜管及沉降磁环的观测。施工期，沉降观测采用传统电磁式沉降仪，水平位移观测采用活动式测斜仪。按照规范及设计要求进行数据采集工作，内业时再进一步做数据处理，并出具相应观测成果。

3.2.2 SAA安装

（1）SAA安装现场。通常情况下，SAA有两种安装方法：①先将SAA穿进PVC导管，再将“SAA+PVC”一并放入孔洞；②先将PVC管组放入孔洞，SAA再穿入PVC中。SAA巧妙地将用于施工期临时监测的测斜管组利用起来，保证了坝体自填筑开始直至后续运行发电过程中监测数据的连续性，还有就是有效规避并减小了SAA随坝体填筑进度安装时的施工干扰和仪器保护问题。

SAA均为垂直安装，而且所预留孔洞为施工期测斜孔，孔深均为百米级。在深孔安装SAA时，即使PVC管组可并行固定助力绳承托其自重，但PVC管组接头的承受能力是否能完全满足管组在入孔过程中不脱离，仍是必须要考虑的风险之一。SAA现场安装时，还特别制定了备选方案，采用PE管和SAA组合安装的模式，即先将PE管组放入孔洞，SAA再穿入PE管中。SAA入孔安装前，需编制安装技术方案、应急预案等，提前对所有参与安装的工人进行技术交底及相关安全教育。

（2）安装工器具及材料准备。准备好安装过程中，需用到的材料及工具主要包括：450 m PE管（150 m／根，整根管路无弯折，无压损）、锯弓或者钢丝锯、雕刻刀或者壁纸刀、切管刀、PE管修边工具、螺丝刀、若干钢管架（制作卷轴架）、1套角磨机、一批干净的干细河砂、一套组合工具箱、2部运输车辆、1根电源线（配电柜）、1套孔内摄像装置、1台焊机、1台发电机（备用）及其他零星材料。安装前要确保材料提前准备就绪，材料及工器具配备齐全并有一定的富余量，机器设备性能稳定可靠。此外，准备回填用的细河砂必须晾晒使其干燥，然后过2.36 mm筛，装袋备用。

（3）工作面准备。提前协调现场土建施工队伍，孔口区域段的心墙及过渡料摊铺工作在SAA安装入孔施工期间需暂停施工。在采用SAA安装时，需临时占用心墙一侧堆石面（整平碾压后），届时该工作面土建作业需停止，工作面临近施工机械需转移停放在其他区域或在该区域两岸坝肩部位集中停放；过程中，工作面应保持干燥平整，无障碍物。

（4）安装。安装时机宜选晴朗温暖的非阴雨天气。

①材料就位。实施安装前，将仪器设备、辅助材料、工器具全部搬运至安装现场，集中存放。

②获取孔内数据。连接好孔内摄像器材，将摄像头自孔口缓慢放入测斜孔内，查看测斜孔内壁状况，并详细记录孔内异常部位及对应高程。查看范围主要为：孔内毛刺、铆钉凸起及孔内变形情况。再用测深仪放入孔内，测量孔深实际值（孔深测量精确到0.1 m），记录备查。

③搭设固定架。先在孔口一侧搭设固定架（两层），固定架尺寸长约4 m，宽约3 m，高度不小于3.5 m，加固扫地杆、四周均设立剪刀撑，在固定架的一端安装爬梯，固定架（作为SAA下放时的卷轮支架）顶端预留SAA卷轮放置空间，其余部位多设立横杆，以便放置踏板，供作业人员在固定架上方作业。

④PE管准备。根据孔深数据，将PE管展开，顺直地摆放于作业区域，多预留0.5～1 m的PE管，然后截断，即PE管管长比孔深长0.5～1 m，在PE管外壁每隔5 m做一明显标记，孔深等长部位也做好标记，然后用壁纸刀去除管端毛边备用，PE管端头应当保持干净，没有尘土、油等污染。在PE管的下端（先入孔端）安装锥堵（便于入孔导向）并密封处理或用热熔枪将PE管下端吹融并加工成锥状，并注意锥头的密封。

⑤PE管入孔。将处理好的PE管入孔端经过固定架上方保持一定弯曲弧度，由测斜管管口缓慢放入测斜管，根据孔内数据与PE管外壁标记，直至PE管下端顺利下至测斜管管底高程，入孔之后的PE管宜比测斜管关口高0.5 m，切除上端超长的PE管，去除端头毛边，盖上盖帽避免异物落入PE管内。

⑥SAA入管。SAA装进PE管之前，检查SAA有无断开或其他损坏。在孔口两侧分别安置卷轴架，卷轴架所使用的材料要足够坚固，能够支撑SAA和卷轴的重量。将轴杆穿进SAA卷轴中心预留的轴孔，将穿入轴杆的SAA卷轴放置在卷轴架上，轴杆两端在卷轴架上固定牢靠，SAA卷轴散开部位切向方向宜位于管孔正上方。

打开PE管管口盖帽，缓慢转动SAA卷轴，将SAA远端（入孔端）自PE管管口缓慢放入，每下放10 m，在SAA外壁与PE管内壁之间的间隙倒入适量润滑油，减少SAA与PE管内壁之间摩擦。此外，在SAA下放过程中，为保证PE管保持顺直状态，宜对PE管施以适当向上的力进行提拉。提拉过程中，不使PE管下端脱离测斜管管底为宜。在SAA远端也顺利下放至孔底安装高程后，撤除SAA卷轴及卷轴架，将SAA端头部位采用无纺布包裹做适当保护，完成SAA入孔操作。

SAA安装过程前后，为把SAA的扭曲减到最低，不论PVC管在地面还是在钻孔中，SAA均应在卷轴上和PVC管内，避免扭曲关节发生任何移动。SAA的节不是唯一被扭转的部分，所以当施加力时，需考虑对整个SAA产生的机械影响；关节弯曲不超过45°（SAA储存回卷轴上时除外）；拉动SAA时，不要拉拽通信电缆，应拉PE管或SAA本身；不要在地面上拖拽SAA，或在锋利的边缘移动SAA，否则会磨损掉其保护层；不需要移动时，不要频繁地移动关节。

⑦SAA测试。SAA入孔完成后，由技术人员用SAA Recorder完成诊断测试，确保SAA在安装过程中未损坏，并尝试采集数据。所采集数据不作为基准值或观测值，只作为各测点完好情况测试时用。测试无误后，将SAA端头部位做好防水密封及初步保护，留出电缆端头便于后期调试和数据采集。

⑧回填。由于测斜管内径为59 mm，PE管及SAA入孔后，不具备注浆管安装条件时，采用过筛的干细砂回填。将提前准备好的干细过筛河砂，从PE管与测斜管之间孔隙放入（见图6）。放入细砂时，适当提拉PE管，使PE管+SAA组合尽量保持顺直状态，直至细砂填充满PE管与测斜管之间的整个间隙。还应注意的是，干细砂必须过筛，以免大粒径沙砾在孔内发生卡阻，影响回填效果。如果安装孔积水较多，则要慢慢使用柔性棒或者电缆勾工具从钻孔底部开始搅动，使砂料能自然沉降固结将管壁间隙填充完全。灌砂充填过程中，应少量、间断地投放，避免出现砂料架空。灌满之后，先用无纺布缠绕保护好孔口处，待孔内砂料自然沉降，再少量多次地进行补灌，直至无需补偿为止。

⑨电缆牵引及保护。由于回填砂料的沉降需要一定时间，在SAA安装完成初期，不宜进行观测电缆牵引，待沉降稳定一段时间后，将一定量的干河砂堆堵在入孔部位，在SAA首端（上端）浇筑保护墩进行保护，观测电缆牵引至观测站，线路保护严格按照设计要求或规范执行。

图6 细河砂回填示意

3.2.3 调试及观测

安装完成后，再次用SAA Recorder对SAA进行诊断测试。测试完成后，保存观测数据，经过连续采集后，确立基准值，然后即可投入观测。

4 结 语

超长阵列式位移计变形监测施工技术，在水电站沥青混凝土心墙坝变形监测工程中成功应用。该技术具有自动实时采集、3D测量、高精度等优点，不仅适用于静态岩土工程的变形监测，也适用于动态的加速度、位移、温度的监测，可广泛应用于桥梁、船闸、边坡、隧道、钢架结构、高速公路、混凝土坝、土石坝及混合坝的变形监测中，应用前景广阔。