测斜仪在高边坡位移测量中的应用

李期森

(深圳市水务工程检测有限公司,广东 深圳 518000)

1 概述

高边坡是水电工程建设过程及后期运行过程中需要重点研究的问题[1-2]。为了提高水电的蓄水、发电效益，水电站往往修建于高山峡谷区域，在长期的地质构造活动、降水、暴晒、生物风化等作用下，山区岩土体力学参数较低，结构面发育，对水电站边坡的稳定性具有极大的影响。水电站高边坡的稳定性对工程的安全及效益发挥具有重大的影响。由于边坡岩土体参数具有一定的不确定性，结构发育受地质构造等因素影响较大，边坡稳定性可能出现与计算结果不一致的情况。因此，水电站建设完成后，加强对高边坡的监测工作是十分重要的[3-4]。提供准确的变形监测数据，可为高边坡稳定性分析提供基础参数。测斜仪是工程中较为常用的位移监测仪器，具有监测精度高等优势[5-6]。本文结合某水电站工程，研究测斜仪在高边坡工程监测工作中的应用。

2 工程概况

某水电站于2001年1月投产发电，2016年7月5日，大坝上游25 km处的冰川湖溃湖冲毁了右坝肩、相邻公路以及上坝路，2018年7月，右岸边坡又发生了大面积滑塌。右岸边坡进行永久防护设计前进行了补充地质勘测，其探孔芯样和实验成果表明，边坡地层以碎石土为主、含有少量漂石和巨石的崩积层，厚度为35.0～55.0 m，透水性中等，稳定性差。右岸边坡永久防护设计为：土石方回填，回填最大高度为17.5 m，最大宽度为34.5 m，回填压实度不小于95%，回填坡面用混凝土网格梁+20 cm厚混凝土板或80 cm厚钢筋混凝土板防护，坡面安装∅100 mm的PVC排水管，间排距为2 m。

根据原边坡支护方案，管理厂房下部边坡主要采用30 cm厚浆砌石防护，并在边坡坡面布置∅100 mm的PVC排水管，排水管排距为2 m。管理厂房院内铺设厚为0.1 m碎石地面，为避免降水、生活用水对边坡的影响，在厂房周边布置排水沟。在电站运行期间，管理厂房下部边坡局部出现坡面浆砌石鼓包、隆起，马道内侧局部排水沟因受边坡位移挤压而变窄。

3 项目监测方案设计

为了监测大坝右岸边坡深层的侧向位移活动，分析某水电站高边坡在开挖支护后的变形特征和稳定性情况，结合边坡具体情况以及场地的实际条件，在某水电站高边坡坡顶位置和公路路肩处分别安装了1个数字活动测斜仪。为了保证测量结果可以反映边坡深处位移，分析边坡是否会发生整体性的破坏，测斜孔孔深应穿越覆盖层进入稳定分布的基岩地层，因此，设计测斜仪孔深为49.5 m和32.0 m，在孔口处安装了位移观测点，用于监测边坡表层位移(测斜孔孔位见图1)。

图1 右岸边坡测斜孔布置示意

户外管理厂房院内布置有4个变形观测点，在电站运行期间一直进行监测，根据户外管理厂房的监测数据分析，管理厂房边坡尚未出现较为显著的位移现象，整体稳定性较好。为分析管理厂房边坡浆砌石隆起鼓包的原因和为边坡防护设计提供依据，在管理厂房门口坡顶处和进厂路路肩处分别安装了1个测斜孔，孔深为44.5 m和38.0 m，在孔口处安装了位移观测点，用于监测边坡表层位移，测斜孔孔位见图2。

图2 管理厂房边坡测斜孔布置示意

4 测斜管安装

测斜仪大多应用于工程、水文测井以及油田、煤田、地质等测井领域，在水利工程中主要用于地下防渗墙的垂直度监测，如：魏小平等[7]利用测斜仪获取坝基沉降数据，为大坝稳定性分析提供参考；张玉龙等[8]利用测斜仪对堆石坝面板的变形数据进行测量，测量结果较为可靠；解红星[9]研究了测斜仪在水库大坝安全中的使用方法，认为可靠的施工质量是保证监测精度前提。虽然测斜仪在水利等工程中使用较多，但是在高边坡深层位移监测中应用比较少见，如此深度的测斜管安装也没有经验可借鉴。根据相关测斜仪位移监测工程，测斜管一般采用ABS管，单管长为2 m，在安装的过程中连接成整体。测斜管安装的重点就是保证测斜管接头在安装过程中不发生扭转或折断，并保证在回填钻孔时，不会让测斜管接头处发生扭断。

4.1 钻孔

钻孔的成孔质量是保证测斜仪安装质量和测量精度的基本条件。因此，钻孔孔位测量需要准确，钻孔施工精度需满足相关规范要求。钻孔成孔供需如下：测量完成测斜孔位置放样，钻机就位后，用水平尺校正机身，使钻杆轴线垂直对准测斜孔中心位置，以确保钻孔的垂直度。钻孔钻机型号为MD-135采用跟管法钻进，边钻孔边下入跟管，防止塌孔卡钻，孔径为150 mm，最终成孔的孔底高程应低于设计高程50 cm。

4.2 测斜管安装

1) 底托制作

为防止测斜管安装过程中，管节接头处受力发生折断或扭转，需制作一个底托，底托质量对测斜管的安装质量有较大的影响。综合考虑，底托用∅100 mm、长50 cm的镀锌钢管制作，钢管一端封闭，另一端的两侧制作两个吊耳，用于测斜管安装时挂钢丝绳。

2) 测斜管安装

测斜管采用∅76 mm的ABS管，管内壁有4个互成90°的导槽，单节管长为2 m，一端有一个U型缺口，另一端有一个U型楔体。测斜管安装前，在孔口放样出与边坡控制线平行或垂直的方向线，便于测斜管安装时控制导槽的方向(见图3)。

图3 测斜管安装示意

将第1节测斜管底部安装管帽封堵后，放入制作好的底托，测斜管与底托之间的空隙用水泥浆填充密实，之后依次将测斜管连接放入孔内。安装时相邻两节管的导槽需要对齐，U型楔体要完全嵌入U型缺口，防止测斜管安装过程中发生扭转，测斜管连接的接缝处用PVC胶水填充，并用防水胶带包裹。测斜管安装时，在底托的吊耳上挂3 mm的钢丝绳，由人工拉住钢丝绳，边接管边下放。连接测斜管时要检查导槽内是否有杂物堵塞，确保导槽畅通。安装过程中，及时调整导槽方向与孔口的方向线平行或垂直。测斜管安装完成后，安装管帽，拔出套管，孔底1 m高范围回填膨润土泥球，其他范围用水泥砂浆回填。水泥砂浆应沿着钻孔周边均匀回填，确保回填密实，待孔口砂浆不再下沉时，按设计图纸的要求做好孔口的防护罩[10-12]。

5 数据读取

5.1 工作原理

某水电站高边坡工程采用的数字活动PRO测斜仪由探头、传输电缆和数据读取仪(平板电脑)组成。探头内部有2个MEMS倾斜传感器，其中A轴的传感器测量导向轮平面的倾斜，B轴的传感器测量垂直于导向轮平面的倾斜。当探头在测斜管内从下往上逐段测量时，探头内的传感器测量出每一高程处的倾角(探头轴线与铅垂线之间夹角)变化，计算该高程处位移值，从而形成1条位移曲线图。通过对比当前与上一次和初始的观测数据，可以确定侧向位移的变化量，显示出地层所发生的运动位移。工作原理见图4所示。

图4 测斜仪工作原理示意

5.2 数据读取

测斜管安装完成后，初期变形较不稳定，为了获取较为准确的位移数据，测斜管需要静置一段时间后方可开始工作。一般情况下，测斜管安装完成7 d后开始初始数据的读取，初始数据读取分3次进行，每次间隔3 d，当3次数据无变化或者变化非常小时，则可用最后一次的数据当作初始值，否则应再增加读取次数，直到数据稳定为止。

数据读取前，首先需要在数据读取仪上完成参数设置，主要参数包括测斜孔的编号、孔深、每次提升高度等。读取变形监测数据时，首先将探头放入孔底静置约5 min，使探头的温度与孔内温度一致，再根据数据读取仪的提示自下而上提升探头，每提升0.5 m或1 m读取1次数据(一般0.5 m读取1次)。为消除测量误差，当一个方向测量完成后，取出探头旋转180°，放入同一组导槽中，再次读取数据。2次数据读取完成，数据采集仪自动计算测量误差，生成位移曲线，可以直接对当前位移曲线与初始曲线和上次位移曲线进行对比查看。

5.3 数据处理、分析

将现场测量数据传输到电脑后，使用配套的数据处理软件对获取的数据进行处理，该配套软件可以自动生成位移表格和位移曲线图，同时可以查看每一测次和每一高程的误差值和位移量。

测斜仪在初次读数时会自动计算累计位移和各测点相对位移，但累计位移和各测点的相对位移值不能代表地层的位移情况，因为测斜管安装无法做到绝对垂直，初始数据只是真实的反应了测斜管安装的倾斜度，不能反应边坡位移。当需要查看测孔当前的累计位移时，需要用当前的累计位移值减去初始数据的累计位移。

通过2020年汛期和2次地震后对布置在管理厂房边坡的测斜孔数据(数据为当前累计位移值，尚未减去初始数据的累计位移，正值表示位移方向向坡外)读取、对比分析表明，某水电站管理厂房下部地层未出现明显的位移活动。根据数字活动测斜仪监测结果可知，管理厂房边坡累计最大位移处高埋深约为16.5 m，最大位移量约为18.0 m，位移方向向坡外，监测数据表明：管理厂房边坡整体稳定性较好，边坡暂未出现大规模的变形破坏迹象。因此，可初步认为管理厂房边坡浆砌石鼓包和排水沟挤压现象并不是由于管理厂房边坡变形破坏造成的。根据管理厂房边坡浆砌石鼓包和排水沟挤压现象发生于降水后的一段时间内，通过初步分析，降雨条件下雨水入渗，但管理厂房边坡排水孔堵塞限制了降水的排泄，在雨水的浸泡作用下，部分岩土体软化，造成浅表层坡面局部下滑，导致浆砌块石出现鼓包现象，建议清除堵塞的排水孔，提高管理厂房边坡的排水能力，必要时可结合截水措施，避免长期降水汇集，导致边坡出现较大规模的破坏。

通过对大坝右岸边坡测斜孔的数据读取、对比分析表明，右岸边坡在汛期和地震后未出现位移活动，整个右岸边坡的土石回填质量满足设计要求，边坡防护工程设计合理、满足规范要求(见图5)。

图5 测斜仪自动生成位移曲线示意

6 结论及建议

6.1 结论

结合某水电站开关房高边坡工程，对测斜仪在水电边坡监测中的应用进行研究。采用测斜仪可获取较为精确的监测数据，监测结果表明：开关房边坡整体较为稳定，边坡支护结构出现的鼓胀现象主要是由于排水不畅造成，在后期工作中需加强排水工作，以保证边坡的稳定。

6.2 建议

测斜仪大多应用于工程、水文测井以及油田、煤田、地质等测井领域，在水利工程中主要用于地下防渗墙的垂直度监测，在高边坡深层位移监测中应用比较少见。在水利工程中大多采用变形观测点进行边坡的位移观测，几乎不用测斜仪，主要是因为造价比较高。但是在稳定性差的永久高边坡、深基坑等边坡的变形监测中，强烈推荐使用测斜仪进行位移监测，因为测量方便、快捷、精度高，可以监测地层的深层位移，同时测斜孔还可以一孔两用，测斜仪和渗压计可以使用同一个孔或者测斜仪和地下水位观测使用同一个孔，可减少施工费用。

测斜管测量精度多，适用范围广泛，但是受施工质量影响较大，在施工过程中需要严格控制施工质量，保证测斜管安装精度，从而保证最终测量结果的准确性。