鉆孔測斜儀在滑坡變形監測中的應用研究*

彭紀超，王松林，張運勛，岳 婷，宋 揚

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京100083;2.六枝工礦(集團)有限責任公司，貴州 六盤水553400)

0 引 言

鉆孔監測儀是一種測定鉆孔水平位移的原位監測儀器，使用鉆孔測斜儀進行巖土體內部位移監測是滑坡勘察中一種最基本也最有效的方法。國外自20 世紀60 年代就大量使用鉆孔測斜儀，中國也應用了近30 a.1985 年新灘滑坡、二灘庫首金龍山谷坡、三峽高邊坡的變形監測等都是中國較早應用了鉆孔測斜儀來監測的工程［1］。90 年代后，巖土工程飛速發展，鉆孔測斜儀在滑坡、邊坡上的成功應用案例比比皆是。例如:三峽庫岸黃臘石滑坡和清江庫岸墓坪滑坡［2］、甫臺溫高速公路平蒼段［3］、廣懷高速王家山隧道西側滑坡［4］、成(都)-南(充)高速公路K73 段高邊坡［5］、西南部某縣城南側滑坡［6］等等。可見，鉆孔測斜儀已經廣泛應用于滑坡及邊坡的監測。許多學者提出保持監測精度的必要措施，如:黃志德(1998)等［7］以CX 系列測斜儀的結構特點，綜合分析保證監測綜合精度的必要措施。靳曉光(2002)等［8］主要研究了鉆孔傾斜測量與數據處理。喬紅兵(2003)［9］和陳國勝(2008)等［10］主要通過研究測斜資料誤差，提出了相關解決方案。文獻主要是研究鉆孔測斜儀在滑坡、邊坡中的應用以及數據處理、誤差控制方面，很少涉及到具體的施工過程。

通常在正確安裝測斜管后，需要使用鉆孔測斜儀測量測斜管中相互垂直方向的2 組數據，每個方向需要正反各測一次，需要花費施工人員大量的時間。例如:采集一個深度為30 m 的測斜孔數據，深度間隔0.5 m，每個方向正反各測60 個點，2組垂直數據共有240 個監測點。按照測斜管精度要求，每個監測點大約得至少需要3 min 等讀數穩定，因此需要施工人員不間斷工作12 h. 因此，如果監測孔監測較多，這樣的監測方式需要大量的人力物力。在對貴州華隆煤業化樂煤礦三井區的滑坡帶進行監測過程中，通過使用RQBF -698B型鉆孔測斜儀對該滑坡進行監測，通過房屋變形、開裂等情況，對滑坡滑動方向的預判［11-12］，安裝測斜管時設置主方向，每次監測只測量了一個方向的滑動數據。并結合鉆探和坑探結果驗證監測結果的準確性。

1 鉆孔測斜儀原理

測斜儀的原理是一個力平衡式的伺服系統，當傳感器探頭相對于鉛錘方向產生傾角時，由于重力作用，傳感器中敏感元件相對于鉛錘方向擺動一個角度，通過高靈敏的微電子換能器將此角度轉換成信號，經過分析處理，直接在液晶顯示屏上顯示被測點的水平位移量ΔX 值［13-15］。

當巖土體產生位移時，埋入巖土體的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為土體的位移量。放人測斜管內的傳感器測出的量是各個不同測段上測斜管的傾角θ，而該分段兩端點的水平偏差可由測得的傾角θ 用下式表示式中 Xi為第i 量測段的水平偏差值，mm;Li為第i 量測段的長度，通常取為0.5，1 m 等整數，m;θi為第i 量測段的傾角值，(°)。

水平位移總量

在測斜儀觀測時，為了消除和減少儀器的零漂及裝配誤差等，應在位移的的正方向及測頭掉轉180°以后的反方向各測讀一次數。對于伺服加速度計式測斜儀而言，其測斜是通過探頭內加速度計測量重力失量g 在傳感器軸線垂直面上的分量大小來實現的，其位移增量Xi可表示為

式中 U1i為第i 量測段正測的電壓輸出信號;U2i為第i 量測段反測(相差180°)的電壓輸出信號;C為儀器參數;Li為第i 量測段的長度，通常取為0.5，1 m 等整數，m.

這樣，根據每次觀測結果可以繪制鉆孔位移隨時間、孔深變化的關系曲線，進而獲得巖土體深部發生位移的部位、方向等參數，為滑坡治理提供有效參數。

圖1 測斜工作原理示意圖Fig.1 Principle of the borehole inclinometer

2 測斜管安裝與測量

在安裝測斜管及測量過程中需要采取一定措施和遵循一定原則來減小測量誤差和保證測斜儀監測的精度。

2.1 測斜管的安裝

1)安裝測斜管時，底部必須裝有護蓋，鏈接部位用螺絲鏈接后再密封，防止泥砂滲入測斜管內部，導致堵塞測斜管凹槽，引起測量誤差。頂部必須有頂蓋，防治有石砂落入測斜管而導致堵塞測斜管。測斜管內有兩對相互垂直的導槽，為了節約監測時使用時間，將一對導槽的方向與滑坡滑動方向一致，測量時即可只測量該對導槽，就能達到監測的目的;

2)填埋測斜管外壁與鉆孔壁之間的空隙使用材料根據巖土體不同而選擇不同的填充物。在土體中最好是用細沙填充;堅硬巖體適合使用水泥砂漿填充。充填之后，應該等待一周左右，使測斜管和周圍巖土體成為一體后再進行測量;

3)由于不同材質的測斜管的扭轉角不同，塑料管最大，PVC 管次之，最小的是鋁合金管。為減小扭轉角對監測結果的影響，在項目資金充足的情況下，應盡量選擇鋁合金管，如選擇塑料管或者PVC 管，應該用測扭儀對測斜管進行檢測。對基于輕微性扭轉的測斜管得到的監測結果進行修正，而對扭轉較為嚴重的塑料管應重新埋設或增設鉆孔重新測量，盡量減少導向槽扭轉帶來的不良影響。

2.2 測量

1)每次測量時將側頭放入測斜管底部時，應該等待5 ～10 min 之后再開始測量，等測頭溫度與圍巖溫度一致，避免溫差干擾。在測量時，應該等讀數穩定以后再讀取參數;

2)導線上的標尺必須固定，并且需要每一次提拉測量的是同一個點，否則會導致每次測量Li不一致，從而產生誤差。因此，盡量不要調換測量人員。

3 觀測資料整理

滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發生的滑移地質現象，其機制是某一滑移面上剪應力超過了該面的抗剪強度所致?；鲁３＝o工農業生產以及人民生命財產造成巨大損失、有的甚至是毀滅性的災難。為了及時發現隱患并消除危害，有效而經濟的采取滑坡防治措施，就必須對具有滑坡可能性的巖土體進行監測［16-18］。

本次使用RQBF-698B 型鉆孔測斜儀對該滑坡進行變形監測。為了研究滑坡體各部位的滑動特征，考慮到監測時間和安裝費用，本次監測選擇了2 條測線，布設了5 個監測孔。測線1 在滑坡導致房屋變形比較嚴重的部位，分別在滑坡前緣、滑坡腹部及滑坡后緣各布設一個測斜孔(JC -01，JC-02，JC -03)，用于監測其滑動速率及定位滑動面，該側線前端土體被破壞;測線2 設置在滑坡地帶的邊緣設立了2 個孔(JC -11，JC -12)，該側線前端土體未被破壞。

圖2 滑坡與監測孔布設示意圖Fig.2 Landslide and the distribution of monitoring borehole

2012 年上半年，對布設的5 個監測孔進行4次測量，然后對測斜結果進行整理，生成累加位移與孔深曲線圖(圖3 和圖4)。測線1:測斜孔JC -01 在深度13 ～15 m 深度存在一個滑動面。測斜孔JC-02 在12 ～15 m 深度明顯存在一個滑動面，監測孔JC-03 在深度13 ～16 m 明顯存在一個滑動面。根據鉆孔資料和坑探資料，相應位置為一層淤泥質粘土并且存在明顯的滑動面，從而驗證了測斜數據的準確性。測線2:監測孔JC -11 和JC-12 未出現明顯滑動面，處于剪切蠕變階段。不過由于此地位于滑坡帶邊緣，隨著時間的推移或由于施工、降水等方面的原因，可能會在薄弱面產生滑動。由于在滑坡體后緣形成裂縫，為地表水和大氣降水下滲提供了滲透途徑，為防止滑坡災害的發生，需要采取相應措施［19-20］。

圖3 累計位移與深度曲線圖(測線1)Fig.3 Curve of accumulative displacement and the depth(Survey1)

圖4 累計位移與深度曲線圖(測線2)Fig.4 Curve of accumulative displacement and the depth(Survey 2)

4 結 論

1)測線1 中監測孔JC-01，JC-02 和JC-03都存在明顯的滑動面，分別在深度13 ～15 m ，12 ～15 m 和13 ～16 m. 測線2 中監測孔JC -11 和JC-12 未出現明顯滑動面，處于剪切蠕變階段。不過由于此地位于滑坡帶邊緣，隨著時間的推移或由于施工、降水等方面的原因，也存在會在薄弱面產生滑動的可能;

2)在本次監測采取的定向埋設測斜管，只監測其中一個方向的方法，其監測結果與鉆孔、坑探結果一致。得到很好的驗證。因此該方法能夠有效節約監測時間，提高工作效率;

3)這樣的方法適用于滑坡體滑動方向可以準確預判的情況。如果滑坡滑動方向預判不準確，得到的監測結果將與事實相差甚遠。

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