库区滑坡体变形阵列位移传感监测技术

杨春旭

（华能澜沧江水电股份有限公司，云南怒江，671406）

0 引言

大华滑坡体位于澜沧江干流上游大华桥水电站库区内，分布高程在1 410～1 870 m，后缘至前缘长度约1 000 m，顺河向宽度约1 060 m，周边为基岩陡壁，呈“圈椅”状，形成后缘和上下游侧缘被基岩陡坡围限、前缘临空的态势，属于典型的纵横等长式滑坡。目前边坡前缘已达澜沧江边（枯水期澜沧江水位为1 410～1 411 m），滑坡堆积物体积约为4 800万m3，滑动规模上属于大型滑坡。水库正常蓄水位时，滑坡体前缘约有67 m位于水位以下，在长期水流浸泡和冲刷作用下，滑坡体是否能维持目前状态不得而知，因此加强对该滑坡体的监测意义重大。

目前，边坡监测内容主要包括变形、地下水、应力应变等，变形作为边坡稳定的直接判定条件，是监测的重点。边坡监测方法中，除常用的大地测量方法和测斜管法外，出现了大量新技术，如全球定位系统（GPS）、测量机器人、三维激光扫描监测、地面数字摄影测量、遥感监测、地表裂缝张合监测、合成孔径干涉雷达、时域反射测试（TDR）、光纤传感器监测等。这些方法结合具体工程特点及环境条件，在工程中发挥了重要作用，但也有各自的适用范围，并不完全适用于边坡变形监测。使用最普遍的测斜管法可以获取边坡坡体内部变形情况，操作简单，但测试精度和效率较低，无法实时获取数据。阵列位移传感器是一种可以放置在一个钻孔或嵌入结构内的变形监测传感器，测试方法与测斜管法类似，由若干个分阵列单元依次连接组成。该方法基于微电子机械系统测试原理，具有精度高、功耗低、自动实时采集等特点。

1 阵列式位移计的原理

阵列式位移计是一种基于微电子机械系统测试原理的测试加速度和位移的新型传感器，具有精度高、可重复利用、自动实时采集等特点，技术参数见表1。

表1 阵列式位移计技术参数Table 1 Technical parameters of shape acceleration array

每个测试单元即为一节，长度一般为30～50 cm。变形测试方法如图1所示，每节设置一个微型加速度传感器，可测试得到传感器在三个方向上与重力加速度方向的夹角θ（x，y，z方向的角度分别为θx、θy、θz）。如在x方向上，可得到测试单元在该方向上传感器末端相对于基点端的相对位移△x，在θx发生变化时，相对位移之差即为角度变化引起的变形量。对于多节传感器，前一节的末端即为后一节的基点端，进行变形累加后得到多节单元的变形总量。

图1 变形测试示意图Fig.1 Diagram of deformation measuring

每个测试传感器近端均有用于连接电缆的固定节，远端有用于基点固定的固定点，每个节点采用复合式接头进行连接。每个分阵列安装有微处理器和数字式温度传感器，温度测试主要是为了补偿地温对传感器的影响。通过试验和验证，传感器每32 m 的测试精度为±1.5 mm，温度适宜范围-30 ℃～50 ℃，可以承受100 m 深度的水压，可水平或竖直布置，也可任意角度埋设。该仪器装置可满足静态中岩土工程的变形监测要求，如边坡滑移、隧道、路基沉陷、桥梁挠度等变形监测，也适用于动态中加速度、位移、温度测试，具有实时动态监测的功能。

2 阵列式位移计应用情况

国内外部分应用实例如表2 所示。国外在十多年前开始使用该测试技术，主要用于大坝变形监测、混凝土开裂引起的结构变形监测、隧道掘进过程变形监测等。国内应用较晚，首次使用是在2012年威红铁路鲁木山隧道进口路堑边坡上，在水电工程上应用较少。

表2 阵列式位移传感计应用情况Table 2 Application of shape acceleration array

3 大华滑坡体应用实例

3.1 仪器布置

根据大华滑坡体地表形态特征布置监测仪器，分别埋设有阵列式位移计（SAA）和测斜孔，具体如下：（1）1-1剖面：1阵列式位移计，3测斜孔；（2）2-2剖面：2 阵列式位移计，2 测斜孔；（3）3-3 剖面：1 阵列式位移计，3 测斜孔；（4）4-4 剖面：3 测斜孔。在实际监测过程和后期数据处理时，对两种监测仪器进行系统全面的分析对比。

3.2 数据处理

本工程所采用的阵列式位移计每50 cm为一个测点。起算基准点与活动测斜一样，以孔底为相对不动点，其余测点位移由孔底至孔口依次累加。当把递增的水平（垂直）位移累加起来，从测孔底开始绘制曲线，即初次观测与后来任一次观测的水平（垂直）偏移变化曲线，见图2。从该位移曲线上很容易看出某深度处正在产生的位移及位移的幅度。

图2 钻孔位移曲线Fig.2 Displacement curve of the drill hole

3.3 结果分析

选取大华滑坡体的1-1 剖面进行分析，1-1 监测剖面布置有3 个测斜孔和1 套阵列式位移计，见图3和表3。

表3 大华滑坡体1-1剖面监测仪器Table 3 Monitoring instruments on profile 1-1

图3 1-1监测剖面Fig.3 Monitoring profile 1-1

1-1 剖面阵列式位移计SAA1-1 和IN1-2 测点的孔深水平合位移分布曲线见图4～5，孔口及滑动面位移变化过程曲线见图6～7。

图4 SAA1-1孔深水平合位移分布曲线Fig. 4 Distribution of horizontal displacement varying with hole depth of SAA1-1

监测结果显示：大华滑坡体阵列式位移计安装初期累计位移曲线平稳，无明显滑动面；2016 年6月后，阵列式位移计SAA1-1、测斜孔IN1-2均出现滑动面，在孔深36.5～38.5 m间存在较明显的滑动面，且孔深37 m处测点在一个月内累计增加55.67 mm，目前该滑动带仍有滑移趋势。分析原因主要是：自6 月开始，大华进入主汛期，降雨量充足，导致地下水水位抬升，在地下水的作用下，该滑动面滑移变化明显。

3.4 数据可靠性分析

（1）与测斜仪监测结果对比。从监测结果分析，对于1-1 剖面，由图6～7 可以看出：阵列式位移计SAA1-1 与测斜孔IN1-2 监测结果接近，均出现滑动面，符合监测仪器的空间位置分布，从一定程度上说明了阵列式位移计监测数据的可靠性。综合分析可知，阵列式位移计SAA1-1 观测结果在孔深36.5～38.5 m 处存在滑移面是真实、可靠的。

图5 IN1-2孔深水平合位移分布曲线Fig. 5 Distribution of horizontal displacement varying with hole depth of IN1-2

图6 SAA1-1孔口及滑动面水平合位移变化过程曲线Fig. 6 Horizontal resultant displacement of hole SAA1-1 and sliding surface

（2）与钻孔取样结果对比。地质钻探结果显示：该孔深度处为强风化的崩积土夹碎块石，岩石破碎，岩质软，为相对软弱带，易发生剪切突变，说明阵列式位移计的观测数据与地质分析结论基本吻合。

3.5 数据稳定性分析

由孔口及滑动面水平合位移变化过程曲线可知：滑移面以下的位移是缓慢增长的，未出现突变与异常点，滑坡体仍处于蠕动变形阶段，符合滑坡体的变形规律，证明阵列式位移计监测数据稳定性较好。

图7 IN1-2孔口及滑动面水平合位移变化过程曲线Fig. 7 Horizontal resultant displacement of hole IN1-2 and slid⁃ing surface

4 结语

（1）通过阵列式位移计在本工程的应用可知：阵列式位移传感器测试边坡变形的方法具有精度高、可靠性好的优点，且该设备采用国际上先进的微电子机械系统技术，传感器体积小、功耗低、抗干扰性强、性能稳定、环境适用能力强。

（2）阵列式位移计安装简单，且实现了自动化实时采集和无线传输，不仅可以对滑坡体进行24 h动态监测，还可以避免人工现场采集存在的安全隐患。

（3）阵列式位移传感器在国内外已有不少工程应用实例，展示了良好的性能和广泛的适应性。从本工程的使用情况看，阵列式位移计性能可靠、稳定，在边坡安全监测等众多领域具有很高的推广价值和运用前景。■