测斜仪在山区公路路堑边坡位移监测中的应用

2014-12-01葛宝

长江大学学报(自科版) 2014年25期

葛宝

（四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都610072）

近年来，随着我国西部大开发战略的实施和基础设施建设力度的加大，山区高速公路的建设已经成为我国公路建设的主要内容，在施工期间因开挖造成的人工高边坡比比皆是。这些路堑边坡打破了岩土体原有的地质平衡，在环境与工程因素双重影响下，坡体极易产生位移形变，随着形变的积累，可能诱发坍塌、滑坡、泥石流等地质灾害，严重威胁现场施工人员的人身安全、影响施工进度、造成经济损失。路堑边坡坡体产生的位移形变，主要包括地表位移和深部位移2个方面，而深部位移监测是边坡变形监测的重要内容，对确定滑面位置，研究边坡现状、发展趋势及整治工程设计提供重要信息［1］。

传统的深部位移监测方法是通过边坡坡脚处的路桩来测量边坡的位移变化量，但是该方案只能反映边坡某一点处的地表位移值，不能反映边坡不同深度的位移量［2］；而测斜仪直接测量路堑边坡不同深度的位移量，反映病害边坡的变形趋势和滑动面位置［3］。运用测斜仪对施工期间的病害边坡进行深部位移监测，得出累计偏移量及偏移速率，及时对病害边坡的不同深度存在的滑动面进行预测，指导路堑边坡的修建和工程设计情况，保证山区公路的施工安全与稳定［4］。同时测斜仪检测路堑边坡的变形不受天气和施工的影响，还有具有操作简便、精度高、灵活性强等优点，为及时、准确地确定边坡的滑动面和变化趋势提供了保障。

1 测斜仪工作原理

测斜仪是一种可以精确测量岩土层内部横向位移的工程监测仪器，在边坡工程的原位监测中应用广泛。测斜仪由探头、电缆、数字式读数仪组成，探头由传感器、壳体、导轮、底座、电缆卡等组成，目前使用最多的是伺服式测斜仪。测斜管在监测前埋设于岩土层内，测斜仪导向滚轮卡在测斜管的对称分布式凹槽中上下滑行。测量时，将测斜仪的感应方向对准坡面滑动方向，使传感器滑入测斜管底部稳定后，提起测量管底到管口距离，每隔0.5 m测读一次，直至管口，然后同样进行反向测量，读取相应的数据值。

测斜仪的工作原理是通过摆锤受重力作用测量传感器与铅垂线的夹角（见图1），进而计算出垂直位置各点的水平位移量。当探头在测斜管中滑动测量时，探头内的传感器反映出每一深度处的倾斜度变化，按照测量分段原理，分别求出不同深度的位移Δdi，即：

由测斜仪的测点的逐渐增加，可以得出测斜仪的工作原理公式为：

式中，Δdi为测点的位移量；L 为测点的长度，取0.5 m；αi为测点处的夹角；Sn为测斜管测点以上的位移；n为测点的数目。

测斜仪测量时，为了减少仪器自身和环境因素带来的误差，对边坡的深部位移采用正测和反测的方式各测读一次数据，取2种方式代数差的平均值作为测量值［5－7］。

2 应用

2.1 监测工程概况

当前正在贵州省建设的某高速公路，该路段是贵州省西北部的重要快速通道。地质环境复杂，顺层、软土、崩塌、隧道涌突水等问题严重，特别是2011年3月以来高边坡众多，边坡土质松散，岩体破碎，节理发育，风化卸荷严重，对边坡的稳定性产生了极大的影响。K103＋780～920段路堑边坡坡体地表植被较发育，以灌木丛林为主，属暖温带季风湿润气候区。滑坡边界变形明显，变形较强烈，公路以上部分具有整体滑动的趋势，滑体厚度30～40 m，总体积约140×104m3。受2011年6月中旬以来的暴雨与公路开挖影响，边坡局部坡面发生塌滑，上方坡体出现多处开裂和下错。

图1 测斜仪工作原理图

图2 深部位移监测设备布置图

2.2 监测布防

K103＋780～920路堑边坡深部位移监测点布置如图2所示，ZK001测孔位于坡体中部监测断面；ZK002测孔距离中部开挖处坡顶约10 m的监测断面；ZK003测孔位于坡体左侧的监测断面。监测点的深度、方位等如表1所示。针对K103＋780～920段边坡的实际情况，施工初期，监测组一般2～3d观测一次；待抗滑桩修建时，监测组8～9d观测一次；修建完毕后，减小观测频率，14～15d观测一次。

表1 边坡深部位移监测孔参数表

2.3 监测结果与分析

采用北京基康仪器有限公司生产的BGK－6150型测斜仪对路堑边坡进行深部位移监测。3个监测点ZK001、ZK002和ZK003的测斜管均于2011年9月埋设，取得了大量实际监测数据，通过测斜仪自身携带软件分析获得深部位移的曲线图，如图3～图5所示。

1）ZK001监测点图3为ZK001监测点深部位移监测曲线，由图3可以看出，在深度12～14 m之间位移量最大，累计位移量高达127mm，位移方向即为滑动方向；深度在14 m以下土体的位移量几乎为0；深度在12 m以上土体位移量也发生较大规模的横向移动，合计位移量为60mm；累计位移－深度曲线近似呈现 “V”型，判定深度12～14 m之间存在滑动面。2011年9月24日之前的日均位移量较之2011年9月24日之后偏大，主要原因是2011年9月24日之前，边坡的抗滑桩尚未修建，对滑面以上滑体无法阻挡，造成滑体整体运动较大；抗滑桩修建完毕，边坡处于相对稳定阶段。

2）ZK002监测点图4为ZK002处深部位移曲线显示坡顶不同深度的横向位移情况，深度10～12 m、17～20 m、20～22 m、22～25 m之间存在偏移，其中深度10～12 m之间位移量最大。10～12m、17～20m和22～25m为正向凸起，20～22 m为负向凸起，累计位移-深度曲线近似为波浪型。因此，推断该边坡沿岩土体多层滑动，但以其中一个滑面的相对运动为主，且各滑块的运动速率不一致，处于蠕变-滑移状态。

图3 ZK001监测点深部位移监测曲线图

图4 ZK002监测点深部位移监测曲线图

图5 ZK003监测点深部位移监测曲线图

3）ZK003监测点 ZK003处深部位移曲线如图5所示，整个曲线呈波浪状，在深度为8、15.5、19 m处形成凸起形态，有较大的位移量，最大位移在8 m深处，累积位移量为60mm。初步判断该边坡在不同深度存在多处滑动，其中深度8 m和深度15.5 m两处的滑动比较明显，边坡深度20 m以上的岩土体呈整体运动趋势，且各滑块的运动速率不一致。

为了验证深部位移监测成果的准确性，进行了工程地质钻探，结果发现两者测定的各滑动面的位置比较吻合，说明应用测斜仪在山区公路路堑边坡开展深部位移监测是可行的。