滑动测微计在水电站工程安全监测中的应用实践

王为胜，刘 闯

（国电南京自动化股份有限公司，江苏南京，210032）

0 引言

滑动测微计在20世纪80年代初期由瑞士联邦苏黎世科技大学岩石及隧道工程系K.Kovari教授等发明，由瑞士Solexperts AG公司生产销售。仪器采用线法监测原理测量整条测线上的变形分布，以其测点多、精度高等优势在桩基试验、隧道开挖、边坡滑动等领域有所应用。近年来，国内大坝安全监测行业也有引进应用，例如小湾、溪洛渡等大型水电站工程。

结合某抽水蓄能电站的应用实践，笔者总结了安全监测工程中滑动测微计安装应用的一些经验，供同行参考。该电站采用滑动测微计监测地下厂房围岩变形：在厂房顶部地质探洞布设滑动测微计钻孔，钻孔位于主厂房拱顶，要求孔底距离厂房顶拱开挖面1 m。钻孔为垂直孔，深度56.2 m，偏斜要求不超过1°。

1 基本原理

滑动测微计位移测量设施包括：滑动测微计探头（Measuring probe）、导向链（Probe guide）、测量电缆（Measuring cable）、测杆（Measuring rods）、测读仪表（Digital Readout Unit）、标定设备（Calibration de⁃vice）及测管（Measuring tube）等。

滑动测微计测量位移时，在待测测线上钻孔安装塑性测管，测管每米设置1个测量标志，通过测量相邻测量标志之间的位移量得到整个测线上的轴向位移分布。其实质是将整个测线按1 m分成若干段，利用高精度的探头测得自测线底端至顶端每米的位移量，线法位移测量原理示意见图1。为保证高精度地测得位移量，滑动测微计探头工作时，利用球锥定位原理使探头球状顶端与锥状测量标志紧密接触。

图1 线法位移测量示意图Fig.1 Displacement measurement by method of lines

滑动测微计的探头主要由两个球形测量头、数字位移传感器及伸缩的连接管组成，两个球形测量头通过克服弹簧的张力在轴向可以相互产生位移，一个测量头通过导向杆同位移传感器的滑动部件相连，另一个测量头则牢固地连接在传感器的外壳上。球形测量头内装有两套高精度的线圈系统，当被测岩体（结构物）发生轴向变形时，测量头内的两套线圈系统在测量位置上通过两个测量标志感应产生一个与两测量标志实际间距成比例的电信号，并由测读仪表读出，经换算得到位移量。滑动测微计变形监测系统的组成框图见图2所示。

图2 滑动测微计变形监测系统组成框图Fig.2 Composition of sliding micrometer deformation monitor⁃ing system

滑动测微计探头主要技术指标见表1。

表1 滑动测微计探头主要技术指标Table 1 Main technical indexes of the probe of sliding micrometer

滑动测微计的测线是由若干根测管连接而成的，每根测管由1 m长的ABS连接管、锥状精密测量标志和连接头组成。通常情况下，测管基本要求见表2。

表2 滑动测微计测管基本要求Table 2 Basic requirements of the monitoring tube of sliding mi⁃crometer

2 设备安装

滑动测微计设备安装主要包括测孔钻孔及测管安装，安装空间要求一般要保证（长×宽×高）：4 m×2.5 m×4.5 m。滑动测微计的安装与活动式测斜仪安装过程类似，但技术要求高很多，要求整个测线上所有测量标志的各缺口方向几乎在同一条直线上。

不同倾斜度的测孔、不同厂家的测管，设备安装方法可能略有差异，下文按照本电站的实际情况进行说明。

2.1 钻孔

滑动测微计钻孔要求孔径ϕ100 mm以上，一般孔径为ϕ110 mm，偏斜要求≤1°，钻孔要求取芯并进行岩芯描述，其他与多点位移计钻孔要求一致。

2.2 测管安装准备

安装测管前应检查测孔深度，清洗测孔，将钻孔岩屑和泥沙冲洗干净。

用记号笔将测管按照1-n顺序编号，安装时按照数字顺序连接。

采购套管时，厂家还要提供末端部件，末端部件是一截长约20 cm的套管，一端用管帽密封，另一端加工了与测管连接的部件，下文称为尾管。尾管需要预先准备好可以牢固拴住绳索的结构，绳索一般采用细钢丝绳。本项目采用一个适合于测管尺寸的ABS管节加工了附件组成：在管节的一头安装带螺纹的金属堵头，堵头的底部焊接了“十”字型钢筋，以便钢丝绳固定，管节的另一头与尾管用胶水牢固粘接。

除了计划好安装人员及准备好下管的工具、灌浆设备外，安装测管前还需要准备必要的辅助材料及工具，各类材料的数量根据测孔深度而定，本项目孔深56 m，主要辅助材料及工具见表3。

2.3 测管安装

一般情况下测管出厂时每支长度1 m，且已经在测管的一端装好管间连接头，测量标志同时已安装在连接头中间，单支测管出厂外形结构参见图3。

图3 两支单根测管连接示意图Fig.3 Connection of two monitoring tubes

安装前要保证测管及连接头干净，必要时先进行清洗，测管主要安装步骤如下：

第一步，在干净的场地将1 m的测管相互连接，装配成每根2～3 m长。测管间连接方法如下：在一根测管连接头内壁抹上适量的凡士林，小心不要涂到测量标志上，同时检查连接头内壁是否光滑（若有瑕疵必须剔除该测管）；再在另一根测管A端的“O”型密封圈上抹适量的凡士林，同时检查密封圈是否完好；按照测管连接头内销键与第二根测管A端销槽的方向将两根管对接，对接要紧密，连接过程中注意不要错位，必要时用记号笔做好标记，连接方向示意见图3；上紧连接头四个方向上的止紧螺丝，螺丝必须上到位（测管上已预留对应的止紧槽）但注意不要上得太紧，防止螺丝挤压测管使之变形或破坏，影响接头的密封；用防水胶带将连接头除测量标志以外的部分裹扎严密，尤其是测管与连接头之间的两侧接缝位置。连接好的接长测管放置在干净位置待用，注意测管连接装配过程也应保持测管及连接头干净。

第二步，安装灌浆管。灌浆一般采用边灌浆边提起灌浆管的方法，本项目采用6分的铝塑管灌浆，铝塑管表面自带长度标记，应用比较方便。沿测孔壁将灌浆管放入测孔，确认灌浆管到达测孔底部，并可以正常工作。

表3 测管安装所需辅助材料及工具Table 3 Tools needed in installation of monitoring tubes

第三步，将测管安装进测孔。

首先在尾管拴绑钢丝绳。将准备好的细钢丝绳穿过吊起设备，牢固固定在经过准备的具有拴住钢丝结构的尾管底部对称两侧，形成类似“吊篮”形式，以施工过程中可以方便地吊起测管为宜。

取一根接长的测管与尾管连接，尾管与测管之间的连接头处理方式同第一步测管间连接方法。连接好后，尾管在下放入测孔，拉紧钢丝绳吊住测管，此时起安装过程中始终要用钢丝绳吊住测管，保证管间连接头不要受大的力量牵拉。另外在测孔口做好测管进入测孔的方向标志，以后每节测管均按同方向连接安装。

按照同样的方法顺序连接测管，逐步将测管安装入测孔，安装过程中不要用力扭转测管。在测管接长到约总长度的1/3时，用尼龙绳将模拟探头放入测管，从上到下对测管试通，确保模拟探头在测管内移动顺畅；在测管接长到约总长度的2/3时，再用模拟探头对已经接好的全部测管试通；全部测管连接完成后，再次用模拟探头对整个测管试通。试通过程中，如果模拟探头在哪个位置有一点不顺畅，一定要将相邻的2根测管换掉，直到顺畅无阻。换测管时，参考测管编号，用钢丝绳慢慢将连接好的测管从测孔吊出到需要更换的位置，去除防水胶带、卸下止紧螺丝，按照管间连接的工艺换上新的测管，再继续安装。

测管安装时，如果测孔内有水，那么事先要准备清水及注水工具。若安装前整个测孔充满水，在测管安装到大约6 m时，孔内的水浮力就可以将测管浮起了，此时细钢丝已经没有吊重的作用了，随后的安装过程只要把它理顺。在测管安装到大约10 m时，孔内浮力已经比较大，应该开始向测管内注入清水，管内外的力量平衡时，继续安装测管。

第四步，安装管口扶正设备并固定管口。

整个测管安装入孔后，核实安装测管的总长度，调整测管的深度（应考虑尾管的长度约20 cm）使测量标志到达设计要求位置。安装管口扶正器，使测管在测孔的中央，在孔口外用钢丝将管口牢固地固定，保证测管不会被灌浆浆液浮起。

截去测管顶部多余的部分，保留长度一般从孔口平面起高20 cm。给测管盖上管帽，用防水胶带将接头部分密封，若原来测管里灌有清水，此时将清水灌满再盖管帽。

以上是测管安装的主要过程，也是整个滑动测微计系统安装施工的最重要过程，有条件时可以做图片或图像记录。

2.4 灌浆回填

滑动测微计钻孔回填灌浆浆液配比一般为水80 kg∶水泥50 kg∶膨润土7 kg。灌浆前需要计算好需要的水泥浆量，制定好灌浆的工艺，特别是注入浆液的速度，以减缓浆液对测管的浮力。灌浆前注意检查测管管帽是否盖好，其他过程与活动式测斜仪测斜管灌浆回填要求一致，灌浆后给测管装上保护罩。

灌浆结束3 h后，及时用模拟探头或滑动测微计试通整个测管，以确认测管是否安装成功。

灌浆工作顺利完成后要及时浇筑孔口保护墩或安装孔口保护装置。

3 观测与资料整理

3.1 观测频次

滑动测微计为预先安装到位的仪器，一般在安装完7～10 d后开始监测。开始两天监测1次，待仪器读数达到初始稳定状态并取得初始值后，再与附近多点位移计及锚筋应力计同步进行观测，一般每周1次。

3.2 探头标定

滑动测微计在每次现场测量前和测量后都需要做标定，以补偿温度漂移和机械影响。标定工作要求在温度相对稳定的环境下进行，标定通过厂家提供的标定设备完成。

标定设备提供两个高稳定的标定位置E1、E2，标定位置由铟钢结构控制，长度在997.5～1 002.5 mm之间分别输出，Δe=5 mm。标定方法如下：

（1）探头标定前，连接好所有测量设备，保持测读仪表打开约20～30 min，记录标定时的环境温度；

（2）安置探头在标定设备的E1位置，测量并记录结果。从标定设备取出探头，在同一位置按第一次的方法重复测量2次。计算3次读数的平均值，得到标定的e1值；

（3）在E2的位置按E1位置的方法重复测量，得到标定的e2值。下面以某抽水蓄能电站一次标定的数据为例，用“Digit”表示测读仪表读数：

e1测量结果：-2505、-2506、-2505，平均值e1=-2505 Digit；

e2测量结果：2 361、2 361、2 361，平均值e2＝2361 Digit。

（4）用e1、e2的平均数计算出Δe和Z-Zero（零位值）。

（5）用Δe与标定设备给出的标定值比较（出厂时提供，本台设备的值为4.866 mm），给出的标定值除以Δe得到的比值是Z-Factor（修正系数），即：

Z-Factor=（given calibration value）/Δe=4.866 mm/4 866 Digit=0.001 mm/Digit

测量前后两次标定方法相同，数据整理时Z-Factor和Z-Zero取两次结果的平均值，修正系数Z-Factor平均值设为K，零位值Z-Zero平均值设为D0。

为保证滑动测微计的测量精度，除了现场测量外，平时还需要定期对其进行标定。

3.3 观测操作

每次观测先从孔口测到孔底，再从孔底测到孔口，共2遍。第一次观测时在测管管口做好探头进入测管方向的标记，以后每次观测，探头均从同一方向放入测管。

滑动测微计探头在测管内有滑动和测量位置两种，位置之间的角度差为45°，如图4所示，探头位置的调整转换由测杆和导向链实现。

图4 滑动测微计在测管内位置示意图Fig.4 Place of the sliding micrometer inside the monitoring tube

一次观测操作的主要步骤如下：

（1）按顺序连接探头与测量电缆、导向链及测杆，转动测杆将探头按标记的方向沿滑动位置放入测管。

（2）逐一连接测杆，将探头送至测管10～15 m以下，等待20～30 min，使探头充分适应测管内的温度。若测管充满水，则探头必须放至水面以下，多等待5～10 min。

（3）通过测量电缆或测杆向上提拉探头，使探头顶部处于最上面一个测量标志以下几厘米位置，顺时针旋转测杆45°，将探头从滑动位置旋转到测量位置。继续向上提升探头，使探头到达测量标志位置，再适当加力提拉，克服探头内部弹簧拉力，会明显感觉到探头又有了几毫米的提升，此时表明探头已经与测量标志接触好，保持住此时的状态，记录测读仪表显示的温度及位移数据。然后在原测量位置放松探头，再次提拉探头使之与测量标志接触好，如此共3次，记录每次测读仪表的数据。三次测读完成后，放松探头，逆时针旋转测杆45°，使探头回转到滑动位置，连接测杆放送探头到达下一个测量位置（间隔1 m），重复上述操作方法，顺序测得整个测线从孔口到孔底各测点的数据。

（4）按照与第3步类似的操作方法，顺序测得从孔底到孔口各测点的数据。

（5）观测完成后对探头等进行必要的清洗与保养。

观测时需要注意以下几点：

（1）每次观测均应保持探头、测量电缆及测杆等设备干净，避免弄脏测管，影响测量精度。

（2）观测前，在球形测量头的照准槽涂抹一层薄薄的凡士林。

（3）观测过程中，如果同一个测段3次测量值之间差值大于5 um，需要多测几次；如果多个测段误差大于5 um，应该考虑清洗测孔。

（4）观测记录最好在仪表自动记录的同时也人工纸质记录一份，以便复核。

（5）在测量位置提拉探头时不要用力过大，只要保证探头能够很好地与测量标志接触就可以了。

（6）测量电缆的连接插头一定要与探头连接牢固，插头上的螺帽与探头上的螺母一定要拧紧，探头、导向链、测杆及测杆之间的卡扣接头一定要卡插到位。

（7）观测过程中要理顺测量电缆，必要时每隔一段距离用胶带等将电缆绑扎到测杆上。

（8）室外观测时，避免在雷电发生时或温度场变化较大的环境下操作。

3.4 资料整理

（1）进行数据整理前首先定义测段编号，一般以孔口为1号测段，顺序编至孔底。

（2）计算滑动测微计各测段上下各3次读数值（Digit）的平均值，作为本次观测该测段的原始测值。

（3）原始测值经过修正计算得到本次观测的成果测值，修正计算的参数由每一次观测前后标定而得到，数据修正计算方法如下：

式中：i为 测次序数（i=1，2，…，n）；

Zi为第i次测量某测段成果测值，单位mm；

Ki为第i次测量探头标定修正系数平均值；

Ai为第i次测量某测段原始测值；

D0i为第i次测量探头标定零位值平均值。

按式（1）对各测段原始测值进行修正计算，得到成果测值。

（4）选定某次观测作为整个测线的基准值，基准值必须是经过式（1）修正计算后的结果，例如厂房洞室开挖前，以后的测值均以基准值为参考。

若某次测值减去基准值的结果为正，表示测量标志间距离比基准时减小，为负表示测量标志间距离比基准时增大。按照工程资料整编的习惯，位移或接缝变化增大为正值，所以资料整理时一般用基准值减去当前测值。

计算各测段相对于基准值的位移变化量：

式中：i为测次序数（i=1，2，…，n）；

ΔZi为第i次测量某测段相对其基准值位移变化量，单位mm；

Z0为某测段基准值，单位mm；

Zi为第i次测量某测段成果测值，单位mm。

（5）计算各测段累积位移量，计算方法如下：

式中：j为测段序数（j=1，2，…，n）；

Mj为第j测段累积位移量，单位mm；

ΔZj为各测段相对基准值位移变化量，单位mm；

n为最后一个测段序号。

根据上述计算结果，可以绘制某时刻深度-位移差曲线及深度-累积位移曲线，还可以绘制不同深度位移-时间变化曲线，图5～图7是某抽水蓄能电站近期测值成果曲线。

图5 位移差-深度曲线Fig.5 Curve of displacement difference and depth

图6 累积位移-深度曲线Fig.6 Curve of accumulated displacement and depth

图7 位移-时间曲线Fig.7 Curve of displacement and time

4 运行维护

为了保持滑动测微计良好的工作性能，最好形成日常运行维护的工作制度，日常运行维护的主要事项如下：

（1）每次现场测量后，必须将探头、测杆、导向链、测量电缆等擦洗干净并晾干，在干净干燥的场地放置整齐。

（2）探头可伸缩管间的连接部件也必须保持干净，完全拉开探头使其处于打开状态，将拉出的连接部位擦拭干净，并涂抹石墨润滑剂。

（3）探头放入收藏匣前，检查连接部件（底部球形测量头向上约10 mm位置）的密封环是否完好，若有破损及时更换，并涂抹一层薄薄的凡士林。

（4）保持测读仪表的各接插头干燥，若工作时不小心弄脏或潮湿了要及时清理与擦干。

（5）搬运仪器及仪表的过程中应小心轻放，避免过大的惯性损坏设备。

（6）应该定期对测管进行清洗，以保证系统的测量精度。

（7）如果长期不用测读仪表，至少保证每月开机一次，并让其连续工作30 min左右，同时每3个月至少给其充电一次。

5 总结

滑动测微计测管的安装应该一次成功，一旦失败，修复极度困难，绝大部分情况下只能重新安装：重新采购测管等材料、重新打孔或扫孔、重新安装测管，不仅需要花费大量的人力物力，还会影响工期。为了提高测管安装成功率，笔者总结了安装过程中的几点重要经验：

（1）安装前需要编制严谨可行的安装计划。安装前准备工作要做细，否则一点疏漏将影响整体安装效率。

（2）因安装过程不可逆，从测管连接到送入测孔，每个工序最好都有人检验。

（3）安装过程中必须要用钢丝或其他绳索将入孔的测管吊住，一方面保证测管不会因为自重过大导致测管间接头脱节或变形，超出探头的测量范围；另一方面万一安装过程中发现测管有问题，还可以利用钢丝绳将测管吊出测孔进行更换。

（4）测管送入测孔过程中，千万不要用力扭转测管，尤其在测管接到较长的长度时，防止测管间接头松动错位。

（5）安装过程中、灌浆前后必须要用模拟探头对测管进行测试，及时发现、解决问题。

（6）灌浆前必须将测管管口拴牢，固定好，否则浆液的浮力可能将测管浮起而导致安装失败。

（7）测管间接头必须密封严密，保证浆液不会渗入测管，否则浆液将会污染测量标志，影响测量精度。

（8）控制灌浆的压力和速度，尤其在测孔超过30 m时，考虑分段灌浆，每段之间做适当的延时，避免浆液对测管产生过大的浮力导致测管变形。

滑动测微计在测量原理、测量精度等方面具有一定的优势，对于在水电站工程安全监测中的应用，结合笔者的实践，提出几点应用建议和思考与同行探讨。

6 建议

（1）滑动测微计安装应用技术要求高，建议选择专业可靠的合作单位。专业的工作需要专业的人员来做，滑动测微计的现场安装及应用需要真正有技术和经验的专家指导，技术上的一点不慎将造成重大损失，因此对合作单位要做深入调研，多考察对方的工程案例及人员实践经验。

（2）滑动测微计为原装进口产品，工程案例还不太多，建议应用前仔细研读仪器厂家提供的原版技术资料。因为专业原因，从代理商或网上得到的中文资料可能翻译得不太准确，容易引起误解，甚至误导。

（3）建议垂直监测深度不要超过30 m，因为随着测量电缆及测杆自重的不断增加，测量人员的操作明显越来越吃力，甚至难以把握提升探头的力量，影响仪器的测量精度。同时测管安装难度显著增大。

（4）建议做比对设计，例如在监测断面附近布设多点位移计等，综合分析、相互验证。

（5）建议测量标志及测管等附件也采用原装进口的产品。若要长期保证较高的测量精度，滑动测微计的相关附件质量要求也很高，尤其是测量标志要求耐磨、耐腐蚀、不变形。目前国内厂家生产的这些附件的质量还缺少实践的验证。

7 实际应用中的问题思考

（1）一套滑动测微计监测系统总投资需要百万元，投入是不是太高？

（2）仪器设备发生故障时，大多数情况下需要返回原厂维修，费用较高、周期较长，可能会影响测量数据的连续性，怎么处理？

（3）系统无法实现自动化，人工测量尤其在测点较多时，做一次测量费时、费力，是否适合长期监测？

（4）测量标志与探头间四方向定位，尺寸配合非常紧密，对安装要求极高，同时测量时稍有不慎探头就有卡在测孔内的风险，取出相当困难，操作要求是不是太高？

（5）DL/T5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》要求观测仪表每月进行一次准确度检验，滑动测微计除了用厂家提供的标定设备标定外，怎么检验其准确度呢？

[1]Trivec/Sliding Micrometer/Sliding Deformeter-Digital mea⁃suring instruments for linewise measurements Manual[M].Solexperts A G.2009.

[2]Solexperts Universal Read-out Device(URD)Manual[M].Solexperts A G.2009.

[3]DL/T5178-2003，混凝土坝安全监测技术规范[S].2003.