钻孔测斜仪在滑坡变形监测中的应用研究*

彭纪超，王松林，张运勋，岳 婷，宋 扬

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083;2.六枝工矿(集团)有限责任公司，贵州 六盘水553400)

0 引 言

钻孔监测仪是一种测定钻孔水平位移的原位监测仪器，使用钻孔测斜仪进行岩土体内部位移监测是滑坡勘察中一种最基本也最有效的方法。国外自20 世纪60 年代就大量使用钻孔测斜仪，中国也应用了近30 a.1985 年新滩滑坡、二滩库首金龙山谷坡、三峡高边坡的变形监测等都是中国较早应用了钻孔测斜仪来监测的工程［1］。90 年代后，岩土工程飞速发展，钻孔测斜仪在滑坡、边坡上的成功应用案例比比皆是。例如:三峡库岸黄腊石滑坡和清江库岸墓坪滑坡［2］、甫台温高速公路平苍段［3］、广怀高速王家山隧道西侧滑坡［4］、成(都)-南(充)高速公路K73 段高边坡［5］、西南部某县城南侧滑坡［6］等等。可见，钻孔测斜仪已经广泛应用于滑坡及边坡的监测。许多学者提出保持监测精度的必要措施，如:黄志德(1998)等［7］以CX 系列测斜仪的结构特点，综合分析保证监测综合精度的必要措施。靳晓光(2002)等［8］主要研究了钻孔倾斜测量与数据处理。乔红兵(2003)［9］和陈国胜(2008)等［10］主要通过研究测斜资料误差，提出了相关解决方案。文献主要是研究钻孔测斜仪在滑坡、边坡中的应用以及数据处理、误差控制方面，很少涉及到具体的施工过程。

通常在正确安装测斜管后，需要使用钻孔测斜仪测量测斜管中相互垂直方向的2 组数据，每个方向需要正反各测一次，需要花费施工人员大量的时间。例如:采集一个深度为30 m 的测斜孔数据，深度间隔0.5 m，每个方向正反各测60 个点，2组垂直数据共有240 个监测点。按照测斜管精度要求，每个监测点大约得至少需要3 min 等读数稳定，因此需要施工人员不间断工作12 h. 因此，如果监测孔监测较多，这样的监测方式需要大量的人力物力。在对贵州华隆煤业化乐煤矿三井区的滑坡带进行监测过程中，通过使用RQBF -698B型钻孔测斜仪对该滑坡进行监测，通过房屋变形、开裂等情况，对滑坡滑动方向的预判［11-12］，安装测斜管时设置主方向，每次监测只测量了一个方向的滑动数据。并结合钻探和坑探结果验证监测结果的准确性。

1 钻孔测斜仪原理

测斜仪的原理是一个力平衡式的伺服系统，当传感器探头相对于铅锤方向产生倾角时，由于重力作用，传感器中敏感元件相对于铅锤方向摆动一个角度，通过高灵敏的微电子换能器将此角度转换成信号，经过分析处理，直接在液晶显示屏上显示被测点的水平位移量ΔX 值［13-15］。

当岩土体产生位移时，埋入岩土体的测斜管随土体同步位移，测斜管的位移量即为土体的位移量。放人测斜管内的传感器测出的量是各个不同测段上测斜管的倾角θ，而该分段两端点的水平偏差可由测得的倾角θ 用下式表示式中 Xi为第i 量测段的水平偏差值，mm;Li为第i 量测段的长度，通常取为0.5，1 m 等整数，m;θi为第i 量测段的倾角值，(°)。

水平位移总量

在测斜仪观测时，为了消除和减少仪器的零漂及装配误差等，应在位移的的正方向及测头掉转180°以后的反方向各测读一次数。对于伺服加速度计式测斜仪而言，其测斜是通过探头内加速度计测量重力失量g 在传感器轴线垂直面上的分量大小来实现的，其位移增量Xi可表示为

式中 U1i为第i 量测段正测的电压输出信号;U2i为第i 量测段反测(相差180°)的电压输出信号;C为仪器参数;Li为第i 量测段的长度，通常取为0.5，1 m 等整数，m.

这样，根据每次观测结果可以绘制钻孔位移随时间、孔深变化的关系曲线，进而获得岩土体深部发生位移的部位、方向等参数，为滑坡治理提供有效参数。

图1 测斜工作原理示意图Fig.1 Principle of the borehole inclinometer

2 测斜管安装与测量

在安装测斜管及测量过程中需要采取一定措施和遵循一定原则来减小测量误差和保证测斜仪监测的精度。

2.1 测斜管的安装

1)安装测斜管时，底部必须装有护盖，链接部位用螺丝链接后再密封，防止泥砂渗入测斜管内部，导致堵塞测斜管凹槽，引起测量误差。顶部必须有顶盖，防治有石砂落入测斜管而导致堵塞测斜管。测斜管内有两对相互垂直的导槽，为了节约监测时使用时间，将一对导槽的方向与滑坡滑动方向一致，测量时即可只测量该对导槽，就能达到监测的目的;

2)填埋测斜管外壁与钻孔壁之间的空隙使用材料根据岩土体不同而选择不同的填充物。在土体中最好是用细沙填充;坚硬岩体适合使用水泥砂浆填充。充填之后，应该等待一周左右，使测斜管和周围岩土体成为一体后再进行测量;

3)由于不同材质的测斜管的扭转角不同，塑料管最大，PVC 管次之，最小的是铝合金管。为减小扭转角对监测结果的影响，在项目资金充足的情况下，应尽量选择铝合金管，如选择塑料管或者PVC 管，应该用测扭仪对测斜管进行检测。对基于轻微性扭转的测斜管得到的监测结果进行修正，而对扭转较为严重的塑料管应重新埋设或增设钻孔重新测量，尽量减少导向槽扭转带来的不良影响。

2.2 测量

1)每次测量时将侧头放入测斜管底部时，应该等待5 ～10 min 之后再开始测量，等测头温度与围岩温度一致，避免温差干扰。在测量时，应该等读数稳定以后再读取参数;

2)导线上的标尺必须固定，并且需要每一次提拉测量的是同一个点，否则会导致每次测量Li不一致，从而产生误差。因此，尽量不要调换测量人员。

3 观测资料整理

滑坡是斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移地质现象，其机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。滑坡常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失、有的甚至是毁灭性的灾难。为了及时发现隐患并消除危害，有效而经济的采取滑坡防治措施，就必须对具有滑坡可能性的岩土体进行监测［16-18］。

本次使用RQBF-698B 型钻孔测斜仪对该滑坡进行变形监测。为了研究滑坡体各部位的滑动特征，考虑到监测时间和安装费用，本次监测选择了2 条测线，布设了5 个监测孔。测线1 在滑坡导致房屋变形比较严重的部位，分别在滑坡前缘、滑坡腹部及滑坡后缘各布设一个测斜孔(JC -01，JC-02，JC -03)，用于监测其滑动速率及定位滑动面，该侧线前端土体被破坏;测线2 设置在滑坡地带的边缘设立了2 个孔(JC -11，JC -12)，该侧线前端土体未被破坏。

图2 滑坡与监测孔布设示意图Fig.2 Landslide and the distribution of monitoring borehole

2012 年上半年，对布设的5 个监测孔进行4次测量，然后对测斜结果进行整理，生成累加位移与孔深曲线图(图3 和图4)。测线1:测斜孔JC -01 在深度13 ～15 m 深度存在一个滑动面。测斜孔JC-02 在12 ～15 m 深度明显存在一个滑动面，监测孔JC-03 在深度13 ～16 m 明显存在一个滑动面。根据钻孔资料和坑探资料，相应位置为一层淤泥质粘土并且存在明显的滑动面，从而验证了测斜数据的准确性。测线2:监测孔JC -11 和JC-12 未出现明显滑动面，处于剪切蠕变阶段。不过由于此地位于滑坡带边缘，随着时间的推移或由于施工、降水等方面的原因，可能会在薄弱面产生滑动。由于在滑坡体后缘形成裂缝，为地表水和大气降水下渗提供了渗透途径，为防止滑坡灾害的发生，需要采取相应措施［19-20］。

图3 累计位移与深度曲线图(测线1)Fig.3 Curve of accumulative displacement and the depth(Survey1)

图4 累计位移与深度曲线图(测线2)Fig.4 Curve of accumulative displacement and the depth(Survey 2)

4 结 论

1)测线1 中监测孔JC-01，JC-02 和JC-03都存在明显的滑动面，分别在深度13 ～15 m ，12 ～15 m 和13 ～16 m. 测线2 中监测孔JC -11 和JC-12 未出现明显滑动面，处于剪切蠕变阶段。不过由于此地位于滑坡带边缘，随着时间的推移或由于施工、降水等方面的原因，也存在会在薄弱面产生滑动的可能;

2)在本次监测采取的定向埋设测斜管，只监测其中一个方向的方法，其监测结果与钻孔、坑探结果一致。得到很好的验证。因此该方法能够有效节约监测时间，提高工作效率;

3)这样的方法适用于滑坡体滑动方向可以准确预判的情况。如果滑坡滑动方向预判不准确，得到的监测结果将与事实相差甚远。

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