数字活动测斜仪在上博迪克西工程高边坡位移监测中的应用

厍银生

（中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450001）

1 项目背景

尼泊尔上博迪克西水电站于2001 年1 月投产发电,2016 年7 月5 日,大坝上游25 km处的冰川湖溃湖冲毁了右坝肩、相邻的中尼公路以及上坝路,2018 年7 月,右坝肩处的边坡又发生了大面积滑塌,临时道路路基全部坍塌,道路中断。在右坝肩边坡进行永久防护设计前进行地质勘测,其探孔芯样和实验成果表明,边坡地层以碎石土为主、含有少量漂石和巨石的崩积层,厚度35.0 m~55.0 m,中等透水性,稳定性差。右岸边坡永久防护设计为：土石方回填,回填压实度不小于95%,回填坡面用混凝土网格梁+20 cm厚混凝土板或80 cm厚钢筋混凝土板防护,坡面安装ø100 mm的pvc排水管,间排距2 m。其中回填区域最大回填高度17.5 m,最大深度34.5 m。为了监测边坡深层的侧向位移活动,在坡顶和中尼公路路肩处分别安装了一个测斜孔,孔深分别为49.5 m和32.0 m,同时在测斜孔口处安装了位移观测点,用于监测孔口处地表的位移活动情况。

发电厂房户外开关站院内和第二级边坡马道布置有位移观测点,在电站运行期间一直进行监测。从业主提供的监测数据分析,开关站及边坡未出现位移活动,但边坡局部出现坡面浆砌石鼓包、隆起,马道内侧局部浆砌石排水沟因受边坡浆砌石位移挤压而变窄,为了监测边坡深层的侧向位移活动和查明边坡浆砌石鼓包的原因,在开关站大门口坡顶处和进厂路路肩处分别安装一个测斜孔,孔深为38.0 m和44.5 m,在孔口处安装位移观测点,用于监测孔口处地表的位移活动情况[1]。

2 测斜管安装

2.1 钻孔

测量完成测斜孔中心位置放样,钻机就位后,用水平尺校正机身,使钻杆轴线垂直对准测斜孔中心位置,以确保钻孔的垂直度。钻孔采用型号为MD-135 钻机用跟管法钻进,边钻孔边下入跟管,防止塌孔卡钻,孔径150 mm,最终成孔的孔底高程低于设计高程50 cm。在钻孔的过程中不定时检查机身水平度,如有倾斜,应及时调整,以确保成孔的垂直度。钻孔底端一般要求钻入稳定的基岩内,如地质勘测结果表明地层内没有基岩,则按照设计要求的深度进行钻孔。

2.2 测斜管安装

（1）底托制作

为防止测斜管安装过程中,管节接头处受力发生折断或扭转,需制作一个底托,底托用直径100 mm、长50 cm的镀锌钢管制作,钢管一端封闭,另一端的两侧制作两个吊耳,用于测斜管安装时挂钢丝绳。增加底托还可以增大测斜管的重量,可以减小钻孔内地下水对测斜管的浮力,便于测斜管安装。

（2）测斜管安装

测斜管采用直径76 mm的ABS管,管内壁有4 个互成90°的导槽,单节管长2 m,管长可以根据实际需求定制,测斜管一端有一个U型缺口,另一端有一个U型楔体。测斜管安装前,在孔口测量放样出与边坡控制线平行或垂直的方向线,便于测斜管安装时控制导槽的方向。

将第一节测斜管底部安装管帽封堵后,放入制作好的底托内,测斜管与底托之间的空隙用水泥浆填充密实,之后依次将测斜管连接放入孔内。安装时相邻两节管的导槽需要对齐,U型楔体要完全嵌入U型缺口,防止测斜管安装过程中发生扭转,两节测斜管连接的接缝处用PVC胶水填充,并用防水胶带包裹。测斜管安装时,在底托的吊耳上挂3 mm的钢丝绳,由人工拉住钢丝绳,边接管边下放。连接测斜管时要检查导槽内是否有杂物堵塞,确保导槽畅通[2]。安装过程中,及时检查、调整导槽方向与孔口的方向线平行或垂直。测斜管安装完成后,安装管帽,用拔管机拔出套管,孔底1 m高范围回填膨润土泥球,其它范围用粗砂回填。粗砂应沿着钻孔周边均匀回填,防止测斜管接头处不均匀受力而变形或扭断。在回填粗砂过程中,可在钻孔内灌水,以确保测斜管周边回填密实,回填完成后,按设计图纸的要求做好孔口的防护罩。测斜管安装见图1、图2。

图1 测斜管安装立面图

图2 测斜管安装断面

3 数据读取

3.1 工作原理

项目上采用的数字活动测斜仪由探头、传输电缆、数据采集仪（平板电脑）和电缆绞盘组成。探头内部有两个MEMS倾斜传感器,其中A轴的传感器测量导向轮平面的倾斜,B轴的传感器测量垂直于导向轮平面的倾斜。当探头在测斜管内从下往上逐段测量时,探头内的传感器测量出每一高程处的倾角（探头轴线与铅垂线之间夹角）变化,从而计算出该高程处位移值,从而形成一条位移曲线图。通过对比当前与上一次和初始的观测数据,可以确定该处地层位移的变化量,显示出地层所发生的侧向活动位移值。测斜仪工作原理见图3。

图3 测斜仪工作原理

3.2 数据读取

测斜管安装完成7 天后开始初始数据的读取,初始数据读取分3 次进行,每次间隔2~3 天,当3 次数据无变化或者变化非常小时,则可用最后一次的数据当作初始值,否则应再增加读取次数,直到数据稳定为止。在进行初始数据读取时,还应对孔口的位移监测点进行观测,将测斜仪的数据和位移监测点的数据结合分析,以确定测斜仪不同的数据是否是由边坡发生位移引起。

数据读取前,先将数据采集仪与测斜仪用蓝牙连接,在数据采集仪上完成基本参数设置,包括测斜孔的编号、孔深、每次提升高度。数据采集时,将探头的导向轮放入测斜管的导槽内,先将测斜仪探头放入孔底静置约5 分钟,使探头的温度与孔内温度一致,再根据数据采集仪的提示自下而上提升探头,每提升0.5 m或1 m读取一次数据（一般0.5 m读取一次）,测孔一个方向数据读取结束后,在数据采集仪上点击保存数据,完成测量。为消除测量误差,当一个方向数据读取完成后,取出探头旋转180°,放入同一组导槽中,再次读取数据。两次数据读取完成,数据采集仪自带的数据读取软件自动计算测量误差,生成位移曲线,可以直接在数据采集仪上查看当前测次的位移曲线,并可与初始曲线和上次位移曲线进行对比。

在测量过程中,下放和提升探头时应匀速操作,防止急速的下放、拉升造成探头剧烈震动而损坏。大部分的测斜孔内都会有地下水,数据读取结束后,用抹布将电缆和探头上的水渍擦干后,将测斜仪放置在阴凉干燥处。

3.3 数据处理、分析

将测量数据传输到电脑后,用配套的数据处理软件处理数据,自动生成位移表格和位移曲线图,可以查看每一测次和每一高程的误差值和位移量。当同一高程处不同测次的曲线不重合或者不重合值大于测斜仪的精度,表明在该高程的土层发生位移活动。

测斜仪在初次读数时会自动计算累计位移和各测点相对位移,但累计位移和各测点的相对位移值不代表地层的位移情况,因为测斜管安装时无法做到绝对垂直,初始数据只是反应了测斜管安装的真实倾斜度,不反应边坡地层位移。当需要查看测孔当前的累计位移时,需要用当前的累计位移值减去初始数据的累计位移。

4 应用成果分析

通过对布置在开关站边坡测斜孔在工程施工期正常读数和地震后（2020 年两次地震,均为4.1 级）加密数据读取,对比分析表明开关站边坡下部地层在工程施工期间未出现位移活动。边坡浆砌石鼓包和排水沟挤压的主要原因是由于边坡排水孔堵塞,开关站内排水不畅,雨水渗漏浸泡边坡土体,造成坡面局部浆砌石下滑挤压形成鼓包和隆起[3]。

通过对布置在大坝右坝肩边坡测斜孔的数据读取、对比分析表明,坝肩边坡在汛期和地震后未出现位移活动,整个坝肩边坡的土石回填质量满足设计要求,边坡防护设计合理、满足规范要求。

5 测斜仪使用前景

测斜仪大多应用于工程、水文测井以及油田、煤田、地质等测井领域,在水利工程中主要用于地下防渗墙的垂直度监测,在高边坡深层位移监测中应用比较少见。在水利工程中大多采用安装位移观测点进行边坡的位移监测,几乎不用测斜仪,主要是因为测斜孔施工造价比较高。但是在稳定性差的永久高边坡、深基坑等边坡的位移监测中,推荐使用测斜仪进行位移监测,因为测量简单、快捷、精度高,可以监测地层的深层位移。数据采集仪还可以用手机代替,在手机安装仪器厂家提供的数据读取处理的APP即可,携带更加便捷。

同时测斜孔还可以一孔多用,测斜仪和渗压计可以使用同一个孔,在测斜管的末端连接包裹无纺土工布的镀锌花管,可以在花管内安装渗压计,从而监测深层土体内部的渗透水压力；将末端一定长度的测斜管钻孔加工成花管,再外包无纺土工布,还可以用作地下水位观测孔,从而观测地下水位的变化情况。这样的测孔可以根据工程实际需要进行组合,可以减少单独钻孔和安装管路等施工和材料费。

6 结语

因本工程是遭受冰川湖溃坝的特大洪水受损后而进行修复的项目,具有特殊的项目背景,在本项目成功的应用数字活动测斜仪监测边坡深层位移活动的经验,可以为其它工程使用测斜仪提供借鉴和参考。