鉆孔測(cè)斜儀在小灣左砂系統(tǒng)邊坡監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

1、鉆孔測(cè)斜儀在小灣左砂系統(tǒng)邊坡監(jiān)測(cè)中應(yīng)用譚洋摘要：鉆孔測(cè)斜儀是一種測(cè)定鉆孔橫向位移的原位監(jiān)測(cè)儀器，在邊坡監(jiān)測(cè)中應(yīng)用十分廣泛。通過(guò)觀測(cè)可以確定巖（土）體內(nèi)滑動(dòng)面的具體位置、滑動(dòng)位移大小及滑動(dòng)方向，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析、查明滑坡性態(tài)具有重要意義。本文介紹了鉆孔測(cè)斜儀的組成、工作原理及測(cè)斜管埋設(shè)技術(shù)，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析說(shuō)明。關(guān)鍵詞：鉆孔測(cè)斜儀 測(cè)斜管 滑動(dòng)位移 監(jiān)測(cè)1、前言鉆孔測(cè)斜儀是一種測(cè)定鉆孔橫向位移的原位監(jiān)測(cè)儀器，通過(guò)對(duì)鉆孔的逐段測(cè)量，獲得測(cè)孔在整個(gè)范圍內(nèi)水平位移變位的全貌，從而可以準(zhǔn)確的判斷邊坡滑動(dòng)面的具體部位、深度、位移大小及方位等特征。本文結(jié)合美國(guó)SINCO活動(dòng)式測(cè)斜儀在小灣電站左砂系統(tǒng)邊

2、坡監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其工作原理、結(jié)構(gòu)組成、埋設(shè)技術(shù)等進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并對(duì)實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行初步滑動(dòng)位移分析。2、儀器組成結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 儀器組成結(jié)構(gòu)一套SINCO活動(dòng)式測(cè)斜儀的基本配置包括測(cè)斜儀套管、測(cè)斜儀探頭、控制電纜及測(cè)斜讀數(shù)儀。測(cè)斜儀套管一般安裝在近似垂直的鉆孔內(nèi)，鉆孔穿過(guò)預(yù)測(cè)可能發(fā)生位移的區(qū)域，套管的底部嵌入穩(wěn)定的基巖內(nèi)作為基準(zhǔn)。套管內(nèi)有四條十字型對(duì)稱分別的凹形導(dǎo)槽，作為測(cè)斜儀滑輪上下滑行的軌道。圖1探頭結(jié)構(gòu)組成測(cè)斜儀探頭由不銹鋼外殼、控制電纜接頭和兩組軸輪裝置組成?？刂齐娎|完好時(shí)，探頭是防水的，在超過(guò)300m的深度下仍然可以正常使用。測(cè)斜儀探頭采用兩受力平衡的伺服加速度計(jì)測(cè)量?jī)A斜，一

3、個(gè)加速度計(jì)測(cè)量滑輪所在平面的傾斜，為“A”軸；另一個(gè)加速度計(jì)測(cè)量與滑輪所在平面相垂直的平面的傾斜，為“B”軸，當(dāng)探頭向“A0”或“B0”方向傾斜時(shí)讀數(shù)為正，反之為負(fù)，測(cè)斜儀探頭組成結(jié)構(gòu)及軸輪方向參考圖1、圖2示意。控制電纜用來(lái)控制測(cè)斜儀探頭的深度，負(fù)責(zé)給探頭供電及將信號(hào)傳給讀數(shù)儀。公制控制電纜每隔0.5m用黃色標(biāo)志顯示刻度，每隔1m用紅色標(biāo)志顯示刻度，每隔5m有數(shù)字標(biāo)識(shí)。圖2 探頭軸輪方向示意讀數(shù)儀（DataMate）用來(lái)接收探頭傳送回來(lái)的信號(hào)并顯示在屏幕上，讀數(shù)穩(wěn)定在兩個(gè)單位內(nèi)時(shí)，讀數(shù)儀（DataMate）顯示3個(gè)菱形標(biāo)志，這個(gè)時(shí)候就可以手工確定記錄了。該讀數(shù)儀還具有觀測(cè)數(shù)據(jù)與上次觀測(cè)對(duì)比的

4、功能，方便現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)誤差或錯(cuò)誤及時(shí)重測(cè)。2.2、工作原理測(cè)斜儀的工作原理是量測(cè)儀器軸線與鉛垂線之間的夾角變化量，進(jìn)而根據(jù)步長(zhǎng)計(jì)算出巖體、土體不同深度處的水平位移及方位角，用相同深度測(cè)點(diǎn)上不同時(shí)段各期讀數(shù)即可計(jì)算得到相對(duì)位移及變化速率。測(cè)斜儀探頭測(cè)量?jī)A斜，主要是側(cè)向位移，那么傾斜如何換算成側(cè)向位移呢？基本原理是通過(guò)三角函數(shù)，如圖3所示，直角三角形的斜邊是測(cè)量間距，在SINCO活動(dòng)測(cè)斜儀力是0.5m，傾角的對(duì)邊為偏移量，用傾角的正弦值和測(cè)量間距的乘積求得。偏移量變化情況說(shuō)明套管已經(jīng)移動(dòng)離開(kāi)初始位置，將位移累積相加并繪制成圖形，可得到表現(xiàn)套管移動(dòng)的高分辨率數(shù)據(jù)。圖3 測(cè)斜儀位移計(jì)算原理SINCO活動(dòng)式

5、測(cè)斜儀采用的是兩個(gè)伺服加速度計(jì)來(lái)測(cè)量?jī)A斜，其中一個(gè)用來(lái)測(cè)量滑動(dòng)面A方向數(shù)據(jù)，另一個(gè)用來(lái)測(cè)量滑動(dòng)面B方向數(shù)據(jù)，根據(jù)這兩個(gè)方向的位移數(shù)值，結(jié)合A0凹槽的方位角，可以計(jì)算出滑坡面位移的方向。3、測(cè)斜管安裝埋設(shè)鉆孔測(cè)斜儀觀測(cè)的成功與否，很大程度取決于導(dǎo)管的安裝埋設(shè)質(zhì)量。導(dǎo)管的安裝主要包括3個(gè)步驟：1、 鉆孔鉆孔測(cè)斜儀的套管是埋設(shè)在所需觀測(cè)部位的巖體力的，在選定鉆孔部位后，由地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔并做巖芯素描，要求鉆孔盡可能垂直，孔徑應(yīng)大于測(cè)斜管外徑50mm為宜，鉆孔鉛直度偏差在50m以內(nèi)應(yīng)小于±3°，鉆孔深度應(yīng)超過(guò)最深位移帶5m，深入穩(wěn)定基巖內(nèi)，鉆孔完畢后驗(yàn)收合格才能埋設(shè)導(dǎo)管。在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)

6、按以下地質(zhì)調(diào)查要求編制鉆孔柱狀圖，在鉆孔的地質(zhì)編錄中應(yīng)注意： 對(duì)軟弱夾層（尤其是可能產(chǎn)生滑動(dòng)的軟弱夾層）的產(chǎn)狀、分布特點(diǎn)、厚度以及物理力學(xué)性質(zhì)應(yīng)當(dāng)查明； 每一測(cè)孔的巖芯應(yīng)盡量取全，特別是軟弱夾層（帶），并按工程地質(zhì)規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)描述，做出鉆孔巖芯柱狀圖，圖中標(biāo)出軟弱層的層位、深度、厚度，并對(duì)其性狀做詳細(xì)描述； 對(duì)于巖芯難以取出的鉆孔，應(yīng)采用地球物理測(cè)井、鉆孔電視等手段以了解孔內(nèi)地質(zhì)情況。2、 測(cè)斜管的安裝與埋設(shè)準(zhǔn)備工作： 檢查測(cè)斜管是否平直，兩端是否平整，不合格的測(cè)斜管應(yīng)棄用； 將測(cè)斜管一端套上管接頭，在其兩導(dǎo)槽間對(duì)稱鉆四個(gè)孔，用鉚釘（鋁合金管）或自攻螺絲（ABS管）將管接頭與測(cè)斜管固定，然后在

7、管接頭和測(cè)斜管接縫處用橡皮泥或防水膠、塑料膠帶將其纏緊，以防止回填灌漿漿液滲入管內(nèi)； 將一端帶有管接頭的測(cè)斜管進(jìn)行預(yù)接，預(yù)接時(shí)管內(nèi)導(dǎo)槽必須對(duì)準(zhǔn)，以確保測(cè)斜儀側(cè)頭暢通無(wú)阻及保持導(dǎo)槽方向不變。預(yù)接好以后按步驟2要求打孔，并在對(duì)接處做好對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記及編號(hào)。經(jīng)過(guò)逐根對(duì)接后的測(cè)斜管可運(yùn)往工地使用。現(xiàn)場(chǎng)安裝埋設(shè)： 測(cè)斜管全場(chǎng)超過(guò)40m時(shí)需用起吊設(shè)備將測(cè)斜管吊起，逐根按照預(yù)先做好的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和編號(hào)對(duì)接固定密封后，并始終保持其中一組導(dǎo)槽方向?qū)?zhǔn)預(yù)計(jì)巖（土）體位移方向緩慢下入鉆孔內(nèi)； 深度較大的干孔內(nèi)下管時(shí)，應(yīng)由一根鋼繩來(lái)承擔(dān)測(cè)斜管的重量，即將鋼繩綁扎在測(cè)斜管末端，并每隔一段距離與測(cè)斜管綁在一起。鉆孔內(nèi)有地下水位時(shí)，

8、宜在測(cè)斜管內(nèi)注入清水，避免測(cè)斜管浮起； 測(cè)斜管按要求的總長(zhǎng)全部下入孔內(nèi)后，必須檢查其中一對(duì)導(dǎo)槽方向是否與預(yù)計(jì)的巖體位移方向相近，并進(jìn)行必要的調(diào)整。確定導(dǎo)槽方位符合要求后，將測(cè)斜管頂端在鉆孔孔口固定，然后將測(cè)斜儀探頭（或模擬探頭）下入鉆孔中的測(cè)斜管內(nèi)沿導(dǎo)槽上下滑行一遍，以了解導(dǎo)槽是否通暢無(wú)阻； 裝配好的測(cè)斜管導(dǎo)槽轉(zhuǎn)角每3m應(yīng)不超過(guò)1°，全長(zhǎng)范圍內(nèi)不超過(guò)10°。3、 灌漿與回填 將灌漿管系在測(cè)斜管外側(cè)距測(cè)斜管底端1m處，隨測(cè)斜管一同下入孔底為止； 按照預(yù)先要求的水灰比漿液自下而上進(jìn)行灌漿，為防止在灌漿時(shí)測(cè)斜管浮起，預(yù)先在測(cè)斜管內(nèi)注入清水。水泥漿凝固后的彈性模量應(yīng)與鉆孔周圍巖體的

9、彈性模量相近，為此應(yīng)事先在試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)確定配比； 對(duì)于在土體鉆孔中埋設(shè)測(cè)斜管時(shí)可采用回填粗砂密實(shí)，填砂時(shí)須邊填砂邊沖水； 待灌漿完畢拔管或回填砂后，測(cè)斜管內(nèi)要用清水沖洗干凈，做好孔口保護(hù)設(shè)施，防止碎石或其他異物掉入管內(nèi)，以保證測(cè)斜管不受損壞； 待水泥漿凝固或填砂密實(shí)穩(wěn)定后，量測(cè)測(cè)斜管導(dǎo)槽的方位角，管口坐標(biāo)即高程，對(duì)安裝埋設(shè)過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題做詳細(xì)記載；4、 觀測(cè)及資料整理4.1 儀器觀測(cè)基準(zhǔn)值觀測(cè)時(shí)間，一般在鉆孔回填灌漿或填砂密實(shí)穩(wěn)定一周后進(jìn)行。SINCO活動(dòng)式測(cè)斜儀采用的雙伺服加速度計(jì)，因此只要觀測(cè)一對(duì)導(dǎo)槽就可以得出兩個(gè)方向（A方向、B方向）的傾斜角。觀測(cè)時(shí)，將高輪朝向A0方向（即預(yù)測(cè)滑動(dòng)方

10、向）下入孔內(nèi)，放時(shí)速度要慢且均勻，不能突然加速。將測(cè)斜儀放入測(cè)斜孔底部，并稍微提起，不要讓儀器碰撞測(cè)斜管底部。待穩(wěn)定510分鐘左右后，開(kāi)始讀數(shù)（消除溫度影響），這時(shí)記錄儀的A0、B0數(shù)據(jù)旁出現(xiàn)標(biāo)識(shí)，表示數(shù)據(jù)已基本穩(wěn)定，按回車或手動(dòng)測(cè)量按鈕，記錄此數(shù)據(jù)，如此類推，測(cè)量至孔口完畢。每測(cè)量5m測(cè)斜儀探頭深度與記錄儀顯示深度必須對(duì)照校核，如發(fā)現(xiàn)不符，應(yīng)將探頭下降至上個(gè)5m倍數(shù)深處重測(cè)。A0、B0方向測(cè)量完畢后，記錄儀提示測(cè)量A180、B180方向，將探頭高輪朝向A180方向進(jìn)行第二測(cè)回的測(cè)量。測(cè)完后，可以將數(shù)據(jù)與上次觀測(cè)進(jìn)行比較，如相差很大，應(yīng)重新觀測(cè)。4.2 數(shù)據(jù)處理通常處理測(cè)量數(shù)據(jù)要用計(jì)算機(jī)軟件，

11、這里介紹怎樣人工處理測(cè)量數(shù)據(jù) 讀數(shù)顯示SINCO的讀數(shù)儀顯示“讀數(shù)單位”，而不是角度或偏移量。讀數(shù)單位根據(jù)下式確定： 讀數(shù)單位= sin ×儀器常數(shù) 讀數(shù)（公制）= sin ×25000 讀數(shù)合并標(biāo)準(zhǔn)的兩次測(cè)量在每測(cè)量間距的每個(gè)軸均有兩個(gè)讀數(shù)，探頭朝“0”方向讀取第一個(gè)讀數(shù)，朝“180”方向時(shí)讀取第二個(gè)讀數(shù)。這種兩次測(cè)量方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先可以消除傳感器不同測(cè)量時(shí)的偏差變化；其次提供一種通過(guò)檢查和及其他常規(guī)方法檢測(cè)錯(cuò)誤的方式；其三可消除隨機(jī)誤差的影響。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，兩個(gè)讀數(shù)相結(jié)合取平均值。 偏移量計(jì)算為計(jì)算側(cè)向偏移量，取A0和A180的讀數(shù)平均值，再除以儀表常數(shù)并乘以測(cè)量

12、間距，如下式：側(cè)向偏移量 = 測(cè)量間距× sin =0.5×（A0-A180）/2/25000=（A0-A180）/100000 位移計(jì)算側(cè)向偏移量的變化表示套管的移動(dòng)變化，用當(dāng)期各測(cè)點(diǎn)的偏移量減去原始相同深度測(cè)點(diǎn)的偏移量，就可以得出在A、B兩個(gè)方向上的位移，并可以計(jì)算出合位移及位移方向。 校核累計(jì)值計(jì)算校核累計(jì)值是同一深度“0”向讀數(shù)和“180”向讀數(shù)之和 零漂若測(cè)斜儀探頭絕對(duì)垂直并檢查讀數(shù)，每個(gè)軸會(huì)出現(xiàn)非零值，這個(gè)非零值是加速度計(jì)輕微偏移的輸出結(jié)果。這個(gè)偏移（或零漂）可能為負(fù)也可能為正，并因探頭使用壽命而變化。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的兩測(cè)回?cái)?shù)據(jù)處理，零漂能被有效消除。5、技術(shù)要點(diǎn) 測(cè)

13、斜管垂直埋設(shè)測(cè)斜管鉆孔必須呈鉛直向，且全孔孔斜在30以內(nèi)才能保證儀器的測(cè)試精度。另外，鉆孔終孔直徑應(yīng)以大于測(cè)斜管外徑30mm以上為宜，否則無(wú)法下入灌漿管實(shí)施灌漿工序。 測(cè)斜管與管接頭的選擇測(cè)斜管主要由鋁合金、ABS工程塑料及普通塑料等材料制成，內(nèi)有兩對(duì)互相垂直的縱向?qū)Р?，測(cè)斜管直徑應(yīng)與選用的測(cè)頭相匹配。測(cè)斜管的正確選擇與否對(duì)測(cè)斜管系統(tǒng)精度影響極大，在永久性觀測(cè)中，一般宜選用鋁合金管；在腐蝕性較強(qiáng)的低端宜選用ABS工程塑料管。 觀測(cè)數(shù)據(jù)正確與否的快速判斷方法在觀測(cè)過(guò)程中，除要保證每次對(duì)準(zhǔn)電纜深度標(biāo)記外，可用“和值檢驗(yàn)”方法快速判斷觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。一般情況下，同一組觀測(cè)方向每個(gè)觀測(cè)深度的正反讀數(shù)

14、（A0、A180或B0、B180）的和值應(yīng)為一個(gè)變幅較小的常數(shù)，如果差別較大或無(wú)變化規(guī)律，通常是觀測(cè)深度的錯(cuò)位引起，否則儀器本身性能不穩(wěn)定，需送回廠家檢修標(biāo)定。對(duì)于雙向傳感器探頭，通常A向“和值”較小，觀測(cè)精度也較高；而B(niǎo)向“和值”即波動(dòng)范圍相對(duì)較大，測(cè)試精度明顯低于A向。通過(guò)“和值檢驗(yàn)”的直方圖概率分布即離差分析，可定量的判斷出儀器測(cè)試精度及工作狀態(tài)正常與否。“和值”越小，變幅越小，則測(cè)試精度越高，該和值通常稱為“零點(diǎn)偏值”。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)“和值”進(jìn)行評(píng)價(jià)，一般情況符合正態(tài)分布規(guī)律，均值反映“和值”大小，離差反映“和值”離散程度。利用“和值檢驗(yàn)”評(píng)價(jià)儀器精度及性能，前提是必須采用質(zhì)量較

15、好測(cè)斜管，因?yàn)闇y(cè)斜管的質(zhì)量好壞對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)影響極大。 測(cè)斜儀綜合精度測(cè)斜儀觀測(cè)精度是一個(gè)系統(tǒng)綜合精度，任何的傳感器性能不穩(wěn)定、測(cè)頭導(dǎo)輪磨損（軸承間隙大）、測(cè)斜管質(zhì)量低劣、安裝埋設(shè)質(zhì)量差（灌漿回填不密實(shí)）、導(dǎo)槽內(nèi)壁不清潔、導(dǎo)槽紐角偏大、觀測(cè)人員不精心等都將降低觀測(cè)精度。正常情況下，B向測(cè)值誤差是A向誤差的兩倍以上。按Sinco公司伺服加速度計(jì)式測(cè)斜儀說(shuō)明書，在孔斜不超過(guò)±30時(shí)，其綜合精度為±6mm/25m左右。這意味著觀測(cè)時(shí)，在沒(méi)有任何位移情況下，對(duì)于25m測(cè)孔累計(jì)到孔口的最大可能誤差可達(dá)到±6mm，如果測(cè)孔更深，則累計(jì)到孔口的誤差更大。6、工程實(shí)際應(yīng)用小灣電站左岸

16、砂石料加工系統(tǒng)位于在8#山梁下游側(cè)至瓦斜路溝支溝地段，系統(tǒng)處于1280m1430m高程邊坡之間（包括塌滑體邊坡），所處地段地形不完整，場(chǎng)地狹窄，地勢(shì)陡竣，坡度一般為35°55°，局部直立。該地段地質(zhì)情況復(fù)雜，斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，堆積層較厚，主要表現(xiàn)為斷層、小斷層、擠壓面及節(jié)理，物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為風(fēng)化、卸荷。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在左砂邊坡1380馬道安裝埋設(shè)了3組測(cè)斜管，利用測(cè)斜儀測(cè)量測(cè)斜管的位移變化情況。該3套測(cè)斜孔裝置目前的觀測(cè)特征值見(jiàn)下表1：表1 小灣電站左砂系統(tǒng)邊坡測(cè)斜孔位移統(tǒng)計(jì)表儀器編號(hào)累積時(shí)間A向位移(mm)B向位移(mm)孔口合位移(mm)位移方位角(°)

17、C2A-1-IN-01268611.68-37.9539.71219.2C2A-1-IN-02204439.566.2640.05237.4C2A-1-IN-03249487.0676.06115.61206.2以C2A-1-IN-01為例分析該孔的位移變化規(guī)律，下圖4是根據(jù)該孔近幾次觀測(cè)數(shù)值分別繪制的各測(cè)點(diǎn)累積位移曲線圖、各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移曲線圖、各測(cè)點(diǎn)位移方位角曲線圖，圖5為投入監(jiān)測(cè)以來(lái)該孔孔口位移與方向變化過(guò)程圖。圖4、C2A-1-IN-01測(cè)斜孔近期各測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)成果曲線圖5 C2A-1-IN-01測(cè)斜孔孔口位移及方向變化曲線圖根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看到，C2A-1-IN-01測(cè)斜孔滑移主要集中

18、在B方向，而且是負(fù)的，A方向也存在較小的位移。而當(dāng)初埋設(shè)測(cè)斜管的時(shí)候，A方向是順坡向設(shè)計(jì)的，由此可以看出，該孔在順坡方向并沒(méi)有大的滑動(dòng)位移。那么為什么在B方向出現(xiàn)明顯負(fù)傾斜位移呢，結(jié)合另外2套測(cè)斜孔孔口位移方位角我們發(fā)現(xiàn)，這3套測(cè)斜孔孔口位移方位角大致一樣，在206°237°之間。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該方向正是系統(tǒng)邊坡主要開(kāi)挖坡面所在的方位角區(qū)域范圍，也就是說(shuō)，由于在這個(gè)方向上的邊坡大面積開(kāi)挖爆破施工，人為形成了臨空面，造成巖體擴(kuò)容并引起內(nèi)部地應(yīng)力釋放，巖體向臨空方向發(fā)生滑動(dòng)變形，加上雨季降水的滲透影響，進(jìn)一步加速了巖體向臨空面的流變，這就是為什么C2A-1-IN-01測(cè)斜孔孔口位移主要為集中在B方向的負(fù)傾斜的原因了。由圖5我們可以清晰的看出，2006年前該孔孔口位移變化速率明顯比2006年以后的要快，這是因?yàn)?006年前左砂系統(tǒng)邊坡的開(kāi)挖工作尚沒(méi)有完全結(jié)束，邊坡的錨固支護(hù)工作還在進(jìn)行，06年后隨著邊坡開(kāi)挖作業(yè)的減少及支護(hù)進(jìn)度、支護(hù)強(qiáng)度的跟上，邊坡巖體向臨空面的滑動(dòng)位移得到有效控制，在大量預(yù)應(yīng)力錨索的錨固力作用下，巖體應(yīng)力達(dá)到新的平衡，邊坡慢慢趨于穩(wěn)定，從圖4可以判斷出，近期該部位邊坡側(cè)向滑動(dòng)位移趨于平穩(wěn)。7、結(jié)語(yǔ)鉆孔測(cè)斜儀是一種精度高、量程大、穩(wěn)