基于阵列式位移计的滑坡体监测成果分析

2019-08-27李媛

陕西水利 2019年7期

李媛

（深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东深圳 518008）

0 前言

滑坡是指斜坡岩土体在重力作用下沿惯通的剪切破坏面发生滑移的地质现象。滑坡深部位移监测是研究滑坡体内部位移变形的有效手段之一，主要监测内容为沿着竖直钻孔进行位移矢量剖面的量测[1]。

钻孔测斜仪是一种测定钻孔水平位移的监测仪器，可直观地获得钻孔整个深度范围内水平位移变化情况，并能准确地确定其变化深度、位移大小和方向[2]，为施工和设计单位提供可靠的数据支撑。国外已有应用SAA阵列式位移计的新型监测技术对滑坡进行深部的位移监测的案例[3]。但国内对于这种监测技术和仪器还处于初级探索阶段，大华桥水电站首次引进加拿大Measurand公司生产的SAA阵列式位移计用于滑坡体的深部位移监测。本文针对大华桥水电站阵列式位移计的滑坡体监测成果进行分析。

1 研究区概况

1.1 工程概况

大华桥水电站位于云南省怒江州兰坪县兔峨乡境内的澜沧江干流上，采用堤坝式开发，是澜沧江上游河段规划推荐开发方案的第六级电站，上、下游梯级分别为黄登和苗尾水电站。电站坝址上游约20 km范围库区内分布着大华、拉古和沧江桥3个较大的库区滑坡体。

大华滑坡体距下坝址约5.1 km，其分布高程在1410 m～1870 m之间，滑坡堆积物体积约为4840×104m3，从滑动规模上属于特大型滑坡。滑坡物质主要由表层10 m～50 m左右崩积土夹碎块石及下部20 m～50 m左右倾倒变形的全、强风化紫红色板岩（J3b）组成。

滑体外围基岩相对完整，主要岩性为侏罗系坝注路组（J3b）的板岩夹粉质砂岩等，其中板岩所占比例较大，约95%左右。正常岩层产状为NE∠10°～15°和NW∠65°～85°，倾向岸内，岩层表部倾角上部35°～45°左右，随着深度的增加，岩层倾角逐渐变陡，趋于正常。周边基岩未发现较大断层分布，小断层多为层间挤压而成，陡倾角发育，未见缓倾角断层发育，但外围基岩普遍存在不同程度的倾倒变形现象。

1.2 监测布点

表1 大华滑坡体监测仪器布置统计表

大华滑坡体上分别埋设有SAA阵列式位移计和测斜孔（表1），以便在实际监测过程中和后期数据处理时能对两种监测仪器进行系统全面地分析和对比。

图1 大华滑坡体分区及剖面图

2 仪器原理

2.1 SAA阵列式位移计

SAA是一种灵活的、已率定的3D测量系统，由多段子阵列式串联而成，通过柔性的连接头分隔，每个子阵列（测量段）长50 cm，安装有3个MEMS加速度计，同时每8个测量段一组，称为“八段组”，每个八段组中还包含有微处理器和数字温度传感器，见图2[4]。

图2 SAA构造图

SAA通过紧凑的MEMS加速度计阵列与可靠的Shape Tape/Shape Rope（带型/绳型）算法来测量2D、3D形态。MEMS加速度计[5]可以感知每段相对于重力的倾角变化量，经过换算得出每段阵列式的变形量，后将位移计中所有阵列式的变形量相加得到总的变形量，见图3。监测时使用SAA232转换器和12V的蓄电池进行数据转换和供电，用SAARecorder软件进行数据采集。后期数据处理软件帮助MEMS加速度计轴对齐，根据已经生成的率定文件相互确定垂直的X、Y和Z轴的位移量。

图3 总变形量示意图

根据加拿大Measurand公司提供的测试结果，每段子阵列式的最大弯曲角度为60°；对于64个子阵列式（32 m）连在一起的位移计，测量变形精度可以达到1.5 mm，而SAA的精度与SAA长度的平方根有关，并不是线性变化，例如：64 m长的精度为2.1 mm，而不是3.0 mm。

2.2 钻孔测斜仪

测斜管是预先埋入被监测的滑坡体内部，活动式的钻孔测斜仪是使用同一个探头在测斜管内移动。整套测斜仪装置包括：测斜仪探头（图4）、电缆、测斜管和读数仪[6]。

图4 测斜仪探头构造图

图5 测斜管图

测斜时将测斜仪的导轮纳入测斜管待测方向的一对导槽中，即A平面（导轮在自由状态下处于翘起稍高位置——高轮一侧为+A方向），如图5所示，以测出发生位移后的各固定间隔段测斜管轴线与初始状态的夹角（θ），通过换算得出该段位移量，再经累计得出孔口位移量和沿管轴线整个孔深位移的变化情况。如图6所示，开始测量时先将活动测斜仪探头放至孔底，测量时不断上提。

图6 测斜仪的计算原理图

实际上测斜管并不一定向一个方向偏移，也有可能呈“S”形弯曲，所测的夹角θ也会有正有负。当这些递增的水平偏差累加起来，绘成孔深——位移分布曲线图，即初次观测与后来的任意一次观测之间的水平偏移变化曲线，代表此观测期间土体发生的变形，即水平位移[7]。

3 结果与分析

大华滑坡体2-2剖面分布着两套SAA阵列式位移计和两个测斜孔（图7），通过对这个剖面上的深部位移监测仪器监测成果进行分析，可以很好地对两种监测仪器进行比对。

图7 大华滑坡体2-2剖面监测仪器

后期数据处理中，常选第1次观测值作为初始值，通过后期观测值与该次观测数据的对比反映滑坡体的位移变化情况，即采用相对位移变化反映滑坡的动态变化情况。SAA的数据处理中，x方向为顺坡向，y方向为上游向。

图8 IN2-1孔深——位移分布曲线图

IN2-1观测孔位于大华滑坡体下部，由图8可看出，IN2-1观测孔在观测期间的位移主要表现在距孔口68.5 m以上的部位，总体呈D形包络状发展。68.5 m以下变形不明显，钻探结果显示该深度为强风化的崩积土夹碎块石，其岩石破碎，岩质软，为相对软弱带,易发生剪切突变。图8中曲线跳荡回复，不稳定，说明测点处位移仍处于发展状态，并有进一步扩大滑动面的趋势。2016年8月13日滑坡体数据采集时测斜仪探头在第二个测回只能放到68.4 m处，探头不能继续下放而只能对滑动面上半段进行观测，数据显示此时该滑动面的位移量达到195.5 mm，已经达到测斜管的失效变形量。

图9 SAA2-1孔深——位移分布曲线图

如图9所示，长期的观测数据发现，SAA2-1阵列式位移计随着时间的推移不断发生位移变形，82.5 m～83.5 m位置处为大华滑坡体的滑动面。2016年9月23日数据显示其滑动面相对水平位移量已经达到98.3 mm。按这种变化速率和趋势，其位移量还会不断扩大，后期需加强观测频次。

图10 IN2-2孔深——位移分布曲线图

图11 SAA2-2孔深——位移分布曲线图

如图10和图11所示，并未发现明显的滑动面，但可以看出滑坡在不断的蠕动变形，主要表现为深层岩土体蠕动。目前，滑坡仍处于蠕动变形阶段，但随着其不断发展扩大，最终可能在相对软弱带形成滑动面。

各观测孔孔滑动面位置及变化情况见表2。度大，相对于传统的钻孔测斜仪，SAA阵列式位移计能够通过Measurand公司生产的数据采集器进行数据自动采集，可以与GNSS等表面位移监测仪器相结合，实施全方位、自动化地滑坡体安全监测，极大地节约了时间和劳动力[8]。

表2 大华滑坡体2-2剖面滑动面

综合分析，阵列式位移计是一种应用于滑坡体监测的新兴技术，虽然目前国内还没有较多的应用实例，加之仪器购买造价高，尚缺乏维护经验，但其监测精度高，适应性强，能实现深部位移的自动化监测，特别是对于滑坡体的大变形监测非常适用。

分析认为，2-2剖面在Ⅳ区有一条明显的连续滑动面，滑动面位置见图1，滑动面倾角约28°。Ⅳ区的SAA2-1阵列式位移计和IN2-1测斜孔均有滑动面，变形趋势总体呈缓慢递增变化。Ⅰ区的SAA2-1阵列式位移计和IN2-1测斜孔并没有滑动面，变形呈现蠕变现象。根据图1可看出，实测滑动面位置与覆盖层分界线十分接近，Ⅳ区覆盖层有可能沿Ⅰ区和Ⅳ区分界线及覆盖层分界线滑移，Ⅰ区只产生蠕变变形，没有明显的滑动存在。