基于陣列式位移計的滑坡體監測成果分析

李 媛

（深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518008）

0 前言

滑坡是指斜坡巖土體在重力作用下沿慣通的剪切破壞面發生滑移的地質現象。滑坡深部位移監測是研究滑坡體內部位移變形的有效手段之一，主要監測內容為沿著豎直鉆孔進行位移矢量剖面的量測[1]。

鉆孔測斜儀是一種測定鉆孔水平位移的監測儀器，可直觀地獲得鉆孔整個深度范圍內水平位移變化情況，并能準確地確定其變化深度、位移大小和方向[2]，為施工和設計單位提供可靠的數據支撐。國外已有應用SAA陣列式位移計的新型監測技術對滑坡進行深部的位移監測的案例[3]。但國內對于這種監測技術和儀器還處于初級探索階段，大華橋水電站首次引進加拿大Measurand公司生產的SAA陣列式位移計用于滑坡體的深部位移監測。本文針對大華橋水電站陣列式位移計的滑坡體監測成果進行分析。

1 研究區概況

1.1 工程概況

大華橋水電站位于云南省怒江州蘭坪縣兔峨鄉境內的瀾滄江干流上，采用堤壩式開發，是瀾滄江上游河段規劃推薦開發方案的第六級電站，上、下游梯級分別為黃登和苗尾水電站。電站壩址上游約20 km范圍庫區內分布著大華、拉古和滄江橋3個較大的庫區滑坡體。

大華滑坡體距下壩址約5.1 km，其分布高程在1410 m～1870 m之間，滑坡堆積物體積約為4840×104m3，從滑動規模上屬于特大型滑坡。滑坡物質主要由表層10 m～50 m左右崩積土夾碎塊石及下部20 m～50 m左右傾倒變形的全、強風化紫紅色板巖（J3b）組成。

滑體外圍基巖相對完整，主要巖性為侏羅系壩注路組（J3b）的板巖夾粉質砂巖等，其中板巖所占比例較大，約95%左右。正常巖層產狀為NE∠10°～15°和NW∠65°～85°，傾向岸內，巖層表部傾角上部35°～45°左右，隨著深度的增加，巖層傾角逐漸變陡，趨于正常。周邊基巖未發現較大斷層分布，小斷層多為層間擠壓而成，陡傾角發育，未見緩傾角斷層發育，但外圍基巖普遍存在不同程度的傾倒變形現象。

1.2 監測布點

表1 大華滑坡體監測儀器布置統計表

大華滑坡體上分別埋設有SAA陣列式位移計和測斜孔（表1），以便在實際監測過程中和后期數據處理時能對兩種監測儀器進行系統全面地分析和對比。

圖1 大華滑坡體分區及剖面圖

2 儀器原理

2.1 SAA陣列式位移計

SAA是一種靈活的、已率定的3D測量系統，由多段子陣列式串聯而成，通過柔性的連接頭分隔，每個子陣列（測量段）長50 cm，安裝有3個MEMS加速度計，同時每8個測量段一組，稱為“八段組”，每個八段組中還包含有微處理器和數字溫度傳感器，見圖2[4]。

圖2 SAA構造圖

SAA通過緊湊的MEMS加速度計陣列與可靠的Shape Tape/Shape Rope（帶型/繩型）算法來測量2D、3D形態。MEMS加速度計[5]可以感知每段相對于重力的傾角變化量，經過換算得出每段陣列式的變形量，后將位移計中所有陣列式的變形量相加得到總的變形量，見圖3。監測時使用SAA232轉換器和12V的蓄電池進行數據轉換和供電，用SAARecorder軟件進行數據采集。后期數據處理軟件幫助MEMS加速度計軸對齊，根據已經生成的率定文件相互確定垂直的X、Y和Z軸的位移量。

圖3 總變形量示意圖

根據加拿大Measurand公司提供的測試結果，每段子陣列式的最大彎曲角度為60°；對于64個子陣列式（32 m）連在一起的位移計，測量變形精度可以達到1.5 mm，而SAA的精度與SAA長度的平方根有關，并不是線性變化，例如：64 m長的精度為2.1 mm，而不是3.0 mm。

2.2 鉆孔測斜儀

測斜管是預先埋入被監測的滑坡體內部，活動式的鉆孔測斜儀是使用同一個探頭在測斜管內移動。整套測斜儀裝置包括：測斜儀探頭（圖4）、電纜、測斜管和讀數儀[6]。

圖4 測斜儀探頭構造圖

圖5 測斜管圖

測斜時將測斜儀的導輪納入測斜管待測方向的一對導槽中，即A平面（導輪在自由狀態下處于翹起稍高位置——高輪一側為+A方向），如圖5所示，以測出發生位移后的各固定間隔段測斜管軸線與初始狀態的夾角（θ），通過換算得出該段位移量，再經累計得出孔口位移量和沿管軸線整個孔深位移的變化情況。如圖6所示，開始測量時先將活動測斜儀探頭放至孔底，測量時不斷上提。

圖6 測斜儀的計算原理圖

實際上測斜管并不一定向一個方向偏移，也有可能呈“S”形彎曲，所測的夾角θ也會有正有負。當這些遞增的水平偏差累加起來，繪成孔深——位移分布曲線圖，即初次觀測與后來的任意一次觀測之間的水平偏移變化曲線，代表此觀測期間土體發生的變形，即水平位移[7]。

3 結果與分析

大華滑坡體2-2剖面分布著兩套SAA陣列式位移計和兩個測斜孔（圖7），通過對這個剖面上的深部位移監測儀器監測成果進行分析，可以很好地對兩種監測儀器進行比對。

圖7 大華滑坡體2-2剖面監測儀器

后期數據處理中，常選第1次觀測值作為初始值，通過后期觀測值與該次觀測數據的對比反映滑坡體的位移變化情況，即采用相對位移變化反映滑坡的動態變化情況。SAA的數據處理中，x方向為順坡向，y方向為上游向。

圖8 IN2-1孔深——位移分布曲線圖

IN2-1觀測孔位于大華滑坡體下部，由圖8可看出，IN2-1觀測孔在觀測期間的位移主要表現在距孔口68.5 m以上的部位，總體呈D形包絡狀發展。68.5 m以下變形不明顯，鉆探結果顯示該深度為強風化的崩積土夾碎塊石，其巖石破碎，巖質軟，為相對軟弱帶,易發生剪切突變。圖8中曲線跳蕩回復，不穩定，說明測點處位移仍處于發展狀態，并有進一步擴大滑動面的趨勢。2016年8月13日滑坡體數據采集時測斜儀探頭在第二個測回只能放到68.4 m處，探頭不能繼續下放而只能對滑動面上半段進行觀測，數據顯示此時該滑動面的位移量達到195.5 mm，已經達到測斜管的失效變形量。

圖9 SAA2-1孔深——位移分布曲線圖

如圖9所示，長期的觀測數據發現，SAA2-1陣列式位移計隨著時間的推移不斷發生位移變形，82.5 m～83.5 m位置處為大華滑坡體的滑動面。2016年9月23日數據顯示其滑動面相對水平位移量已經達到98.3 mm。按這種變化速率和趨勢，其位移量還會不斷擴大，后期需加強觀測頻次。

圖10 IN2-2孔深——位移分布曲線圖

圖11 SAA2-2孔深——位移分布曲線圖

如圖10和圖11所示，并未發現明顯的滑動面，但可以看出滑坡在不斷的蠕動變形，主要表現為深層巖土體蠕動。目前，滑坡仍處于蠕動變形階段，但隨著其不斷發展擴大，最終可能在相對軟弱帶形成滑動面。

各觀測孔孔滑動面位置及變化情況見表2。度大，相對于傳統的鉆孔測斜儀，SAA陣列式位移計能夠通過Measurand公司生產的數據采集器進行數據自動采集，可以與GNSS等表面位移監測儀器相結合，實施全方位、自動化地滑坡體安全監測，極大地節約了時間和勞動力[8]。

表2 大華滑坡體2-2剖面滑動面

綜合分析，陣列式位移計是一種應用于滑坡體監測的新興技術，雖然目前國內還沒有較多的應用實例，加之儀器購買造價高，尚缺乏維護經驗，但其監測精度高，適應性強，能實現深部位移的自動化監測，特別是對于滑坡體的大變形監測非常適用。

分析認為，2-2剖面在Ⅳ區有一條明顯的連續滑動面，滑動面位置見圖1，滑動面傾角約28°。Ⅳ區的SAA2-1陣列式位移計和IN2-1測斜孔均有滑動面，變形趨勢總體呈緩慢遞增變化。Ⅰ區的SAA2-1陣列式位移計和IN2-1測斜孔并沒有滑動面，變形呈現蠕變現象。根據圖1可看出，實測滑動面位置與覆蓋層分界線十分接近，Ⅳ區覆蓋層有可能沿Ⅰ區和Ⅳ區分界線及覆蓋層分界線滑移，Ⅰ區只產生蠕變變形，沒有明顯的滑動存在。

4 結論

（1）SAA變形適應性強，量程大。目前大華橋水電站的庫區滑坡體中有個別點位變形已經達到1000 mm，變形仍在發展，變形量級已超出鉆孔測斜儀的測量范圍。

（2）SAA相比于傳統測斜管具備更高的精度，數據的相對誤差較小。作為新興的監測儀器，其觀測成果與測斜儀成果吻合度較高。

（3）庫區滑坡體的地質條件較差，監測和數據采集工作難