垂直型固定式測斜儀在安徽省陽臺滑坡監測中的應用

蔡志川，向 釩

（安徽省地質調查院，安徽·合肥 230001）

滑坡是巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發生的滑移地質現象。在美國，每年滑坡帶來約10～20億美元的經濟損失和25～50人死亡。意大利在1279～1999年期間840次滑坡中的死亡人數超過1萬人。我國是滑坡災害多發國家，據統計，1949～2011年期間，由滑坡造成的經濟損失平均每年約為5000萬美元[1]。2012～2017年我國共發生滑坡地質災害約35000起，占總體災害的68.62%。

為發現隱患，消除災害，須對各種山體滑坡進行有效而經濟的監測。滑坡變形是滑坡地質結構及內外影響因素的綜合反映，滑坡變形監測是分析滑坡地質結構、變形動態的依據，是滑坡整治工程信息化設計及災害預測預報的可靠技術保障。其中滑坡深部位移監測是滑坡變形監測的重要內容，對準確確定滑面位置，研究滑坡目前性狀與發展趨勢，以及整治工程設計可提供重要信息[2]。測斜儀監測的原理是根據鉛垂受重力影響的結果，測試測管軸線與鉛垂線之間的夾角，從而計算出鉆孔內各個測點的水平位移與傾斜曲線[3]。本文以基康公司BGK-6150MEMS垂直型固定式測斜儀系統為例，介紹該儀器的傳感原理及測量原理，并結合安徽省休寧縣陽臺滑坡實時安全監測預警的應用，說明其在變形監測中的實際效果。

1 測斜儀工作原理及布置

1.1 BGK-6150垂直型固定式測斜儀系統簡介

基康儀器（北京）有限公司BGK-6150MEMS垂直型固定式測斜儀系統，可用于長期監測大壩、基礎墻、邊坡、擋墻等類似建筑的分層水平位移變形，或者單獨安裝時用于測量建筑物或結構的傾斜變化。

監測采用鉆孔方式并安裝測斜管，并在測斜管內不同高程安裝傾斜傳感器，可獲取滑坡內部不同高程的水平位移狀態，并通過無線數據傳輸至客戶端接收。這種應用可方便地實現遠程遙測，并可準確而連續地監測滑坡內部及剖面的變形情況。

1.2 BGK-6150垂直型固定式測斜儀系統工作原理

（1）監測儀器數據處理轉換傾角變化測量按照下式計算：Δθ=arcsin(G×(R1-R0))

式中：G-儀器系數，由率定表給出；R1-當前讀數；R0-初始讀數

設一測斜儀的安裝長度為L（圖1），當相對于O點產生角度為θ的傾斜（轉動）后，A點位移到A′，則有D=L×sinθ。

圖1 水平位移換算原理Fig.1 Conversion principle of horizontal displacement

多支測斜儀串聯后，將這些儀器產生的位移變化量進行累加即可獲取整個剖面的垂直位移變形曲線。以鉛直向安裝的5測點固定式測斜儀為例（見圖2），假定以L1端為基準，則L5端在垂直方向產生的總位移量：

D=D1+D2+D3+D4+D5

圖2 傾斜到沉降轉換示意圖Fig.2 Schematic diagram of inclination to settlement transformation

（2）監測數據接收

數據自動監測的基礎上人工自定義監測，自動監測設定時間靈活，可設置為每小時一次、兩小時一次等，通過GPRS網絡實現異地接收數據（圖3）。

圖3 數據實時監測系統Fig.3 Actual time data monitoring system

1.3 測斜儀系統儀器布置

監測儀器平面上布置安置選取的位置應兼顧變形最大區域及高威脅區域（圖4）。

鉆孔施工可知滑坡基巖埋深35～46m，儀器垂向安置定位原則為：鉆孔中取芯率低區域及鉆孔內碎石與黏土交界區域（表1）。

表1 監測孔儀器安置情況Table 1 Instrument placement for monitoring hole

2 測斜儀數據采集及分析

2.1 監測數據分析

結合工程實踐研究發現，對研究滑坡變形有意義的曲線主要有以下幾種：累積位移-深度曲線，即累積位移隨深度的變化；相對位移-深度曲線，即相對位移隨深度的變化；位移矢量-時間曲線，即同一測點在不同時刻的位移矢量變化；位移-時間曲線，即位移過程曲線，又可分為累計位移或相對位移過程曲線；位移矢量-深度曲線，即同一時刻不同深度的位移矢量變化。

本次工作對于滑坡數據分析采用累積位移-深度曲線、位移矢量-時間曲線、相對位移-時間曲線三種進行分析。

（1）累積位移-深度曲線

滑坡深部累積位移-深度曲線位移變形有“V”形、“D”形、“B”形、“r”形、“鐘擺”形及復合型等幾種曲線形態，每種曲線形態可反映滑動面 (或潛在滑動面 )的位置和滑坡變形發展過程，同時可反映滑坡的滑動性質。當形態呈“鐘擺”形時,滑坡處于相對穩定階段；呈“V”形、“B”形時，滑坡處于潛在滑動階段；呈“D”形、“r”形，且位移速率較大時 ,滑坡處于失穩破壞階段[4]。

圖4 監測儀器布置圖Fig.4 Arrangement diagram of monitoring instruments

根據圖形分析（圖5）可知：監測孔1、監測孔3屬于“V”型，曲線特點表現為，底部位移很小，而上部位移較大，中間沒有較明顯的波峰和波谷 (滑動面)， 表明滑坡該部位還沒有形成明顯的滑動面，處于剪切蠕變階段，但隨著時間的推移，有可在最薄弱的地方形成滑動面。

監測孔2屬于“鐘擺”型，即不同時刻的位移-深度曲線在初測值兩側作小幅度擺動，擺動幅度一般＜0.4mm，在量測綜合誤差影響范圍之內，表明監測孔2附近滑體處于相對穩定狀態。

（2）位移矢量—時間曲線

選取監測孔3，數據時間為2012年3月至2014年3月，根據位移矢量-時間曲線可知，在2012年10月31日位移矢量時間曲線曲率明顯變小，意味著在這個時間之后，儀器不再發生明顯的位移，儀器附近滑體處于相對穩定狀態（圖6）。

（3）相對位移—時間曲線

選取監測孔3，數據時間為2012年3月至2014年3月，由相對位移-時間曲線圖可知，2012年3月至2012年10月，位移值從0.34mm降至0.0004mm，逐漸趨于穩定。儀器在2012年 10月31日左右位移趨于穩定。而后一直在正負0.001之間振動，未發生明顯位移（圖7）。

2.2 監測數據分析結論

通過對第一種曲線的分析判定各監測孔附近坡體堆積物的穩定性，初步可知監測孔1、監測孔3兩孔累計位移和深度呈反比，兩孔附近坡體堆積物處于相對不穩定狀態，有發生蠕滑變形的可能性，監測孔2監測孔附近坡體堆積物處于相對穩定狀態。通過對第三種及第四種曲線的分析可判定監測孔附近坡體堆積物的穩定性現狀，分析可知儀器安裝至自2012年10月，監測孔3最大累計位移位置位于地表，發生的累積位移量為0.46mm，其中2012年7月—2012年9月儀器附近的位移量變化最為明顯，表現為累計位移—時間曲線斜率增大。2012年9月—2012年10月底，儀器附近位移增加速度變緩，表現為累計位移—時間曲線斜率變小直至近水平以及相對位移—時間曲線縱坐標區域0附近振動。

圖5 累積位移—深度曲線Fig.5 Accumulate displacement-depth curve

圖6 位移矢量—時間曲線Fig.6 Displacement vector-time curve

圖7 相對位移—時間曲線Fig.7 Relative displacement-time curve

通過分析認為儀器安裝初期，由于鉆機成孔及儀器套管安放，對坡體地應力產生了影響，儀器成孔直徑為89-127mm，套管為直徑75mm的ABS管，安放結束對儀器套管周圍進行回填，回填材料為碎石土。初期由于鉆孔內地應力變化以及回填土內碎石的重力壓實作用，儀器位移變化較明顯，尤其在雨季2012年7月—2012年9月，由于地表降水入滲，導致坡體堆積物及回填土內應力發生變化，直接表現為該時間段累計位移-時間曲線斜率變大。直至2012年10月底，儀器已安裝約7個月，填層已密實，內部地應力趨于穩定，因此10月31日后監測孔地表累計位移趨于平緩，直接表現為相對位移在0附近振動。說明儀器附近滑體一直處于相對穩定狀態。

3 結論

本文通過對滑坡的內部變形監測成果進行分析，結合滑坡的地質勘查情況，得出如下認識：

（1）通過對垂直型固定式測斜儀數據成果的分析，可以有效判定地表下最危險滑動面的范圍，有利于分析邊坡的變形機制，能夠為治理設計提供可靠依據。

（2）通過數據的長期監測，能夠預測邊坡滑動變形的趨勢，結合邊坡穩定性分析成果，可為防災預報和應急治理提供信息。

（3）監測數據可在自動監測的基礎上人工自定義監測，并通過GPRS網絡實現異地接收數據，實現了災害點的動態監測。實踐證明，垂直型固定式測斜儀的使用是滑坡深部位移監測研究行之有效的手段。