邊坡變形柔性測斜儀自動化監測系統在水利工程中的應用

李國儒 康建峰

摘要：

為能夠準確、實時掌握邊坡內部變形監測數據，及時應對邊坡變形、垮塌風險，通過柔性測斜儀自動化監測系統，在監測孔內安裝柔性測斜儀，實現對邊坡深層變化數據24 h自動監測，將數據傳輸至數據采集器及自動化監測云平臺，及時分析監測數據并預警。自動化監測系統克服了以往人工監測的局限性，研究成果可為工程安全施工、運營管理及創新管理提供有力的技術保障。

關鍵詞：

邊坡變形； 柔性測斜儀； 自動化監測云平臺； 信息預警

中圖法分類號： TU449

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.019

文章編號：1006-0081（2023）03-0107-04

0 引 言

水利工程邊坡地質災害具有種類多、范圍廣、級別大、頻次高的特點，特別是高邊坡開挖施工過程中，巖體卸荷強烈，地質結構復雜，邊坡穩定性差，如不能及時掌握邊坡內部的變化數據，將可能導致整個邊坡變形、失穩、破壞及倒塌等嚴重后果，影響和制約水資源開發和水電工程建設［1］，因此對邊坡內部變形數據進行監測尤為重要。而在以往水利工程建設過程中，特別是中小型水利工程建設，測斜儀作為一種傳統的監測滑坡體錯動變形的手段，技術比較成熟，是現在最常用的滑坡監測儀器之一［2］。邊坡深層內部人工監測主要是通過測斜儀把記錄器中取出的這些原始數據輸入到Excel，計算出各高程處的實際合成水平位移，最后生成圖像和監測報告［3］。而人工監測過程中，受地形條件、天氣變化以及人工觀測誤差等因素影響，不能及時準確地監測邊坡變化數據，特別是惡劣極端天氣情況下，不易及時發現邊坡內部變形及應力變化并采取預防及處理措施，存在較大事故隱患。在貴州夾巖水利工程建設過程中，邊坡內部變形監測采用柔性測斜儀自動化監測系統，該系統能夠實現邊坡內部數據自動監測，可將監測數據實時獲取、傳輸、分析、預警，實現了遠程、自動、全過程監控，解決了人工監測的局限性，并實現了24 h邊坡內部變形實時監測，為邊坡開挖施工以及后續工程運營提供了有力的技術保障。

1 邊坡人工安全監測局限性

由于人工監測地形條件、天氣變化以及人工觀測誤差等因素影響，往往不能及時準確地監測邊坡變化情況，不易及時發現和有效預防邊坡內部變形及應力變化，致使在工程施工建設過程和運行管理階段出現因山體變形滑坡而導致工程項目產生生命財產損失。2010年4月25日，新疆柳樹溝水電站導流洞邊坡開挖過程中，安全人員在巡視邊坡時偶然發現導流洞口頂部邊坡出現寬約2 cm的裂縫，并且已經下沉約3 cm，隨后出現山體局部邊坡大面積垮塌。此次事故中，工程項目部及時組織施工人員及設備緊急撤離，雖未造成人員傷亡，但仍造成了約800萬元的經濟損失。2016年6月20日14∶05，安徽績溪抽水蓄能電站上水庫左壩肩趾板的上部邊坡在施工過程中發生巖體滑塌，造成3人死亡、3人輕傷，造成經濟損失超過100萬元。以上的案例中，因為受地形交通及觀測頻率等影響，人工監測傳統技術手段未能及時監測到邊坡內部變形的數據并預警，導致后續邊坡失穩而出現安全事故。由此可以看出，傳統人工采用測斜儀監測邊坡內部變形主要存在以下5個方面的局限性。

（1） 觀測點的位置不同、人工操作記錄數據量大以及讀數誤差等原因導致觀測數據穩定性和精確性較低［4］。

（2） 邊坡深層監測點通常設置在地形條件較為復雜的區域，道路交通不便，人員觀測時工作難度大、效率低，觀測頻次也不足，往往導致邊坡內部已出現形變卻不能及時監測的情況。

（3） 監測受惡劣天氣變化影響嚴重，特別是長時間暴雨容易引發山體滑坡或垮塌，在這種惡劣天氣下，人工監測往往不能及時跟進觀測，尤其在洞室施工作業時段，人員、機械進出通行很容易出現安全事故。

（4） 傳統監測方式難以實現全部監測點實時監測、全部監測項目的完整綜合統一和水利工程邊坡24 h連續監測，預報預警難度大，防范難度大［5］。

（5） 在惡劣天氣和復雜地形環境下，人工監測人員安全危險系數高且難以得到保障，極易出現安全事故，造成人員生命及財產損失。

2 柔性測斜儀自動化監測系統工藝原理

2.1 柔性測斜儀系統構成

柔性測斜儀主要由MEMS加速度計、溫度傳感器以及微處理器組成剛性測量節，各測量節之間采用柔性接頭進行連接（圖1）。邊坡測量放線定位及鉆孔后，在孔內安裝測斜管［6］，將柔性測斜儀安裝到測斜孔管內并固定（圖2），按照規范要求，測斜孔應該深入穩定巖層0.5 m的位置固定［7］。通過有線或無線傳輸，及時將監測數據傳輸至綜合采集器后，再傳輸至自動化監測云平臺。

柔性測斜儀ADMV陣列位移計（圖3）使用一組密實的微電子機械系統加速度計陣列和經過驗證的計算程序測量2D，3D變形值，測斜儀安裝完成后，通過校準取得初始狀態下每一節加速器X，Y，Z三個方向的初始值，在后續邊坡內部監測過程中，邊坡內部應力變化通過測量加速度計在不同軸向上的加速度變化量來反應出對應軸與重力方向的角度變化量，通過角度的變化量從而推算相應節點的位移變化量［8］，實現對工程邊坡X，Y，Z三維變形量的實時監測，其工作原理如圖4所示。

2.2 綜合數據自動采集系統

綜合數據采集系統主要由控制模塊、接線模塊、電源、蓄電池、太陽能板、通訊模塊、保護箱等組成，其最大的優勢在于實現了野外無人值守、全天候實時監測、監測數據自動傳輸、分析、整理等功能。數據采集分有線連接包括直接與電腦、有線網絡連接和有SIM卡傳輸無線數據流量連接。在距離較遠、現場交通不便、障礙物阻擋時采用無線連接，其他情況均采用有線連接。

目前該系統已經在貴州省夾巖水利樞紐工程中得到廣泛應用，通過幾年來的使用證實在水利工程邊坡內部變形監測可靠穩定，可以與市場上的傳感器及有線、無線數據采集單元模塊實現兼容。

2.3 自動化監測云平臺

自動化監測云平臺是集通訊和數據采集于一體的應用軟件，可以正常運用于電腦和手機終端，其主要界面如圖5所示。用戶可通過該軟件完成監測數據實時獲取、云端綜合處理、多樣化圖標展示［9］、專業相關性分析、報表統計上報等功能，可同時管理項目多臺監測設備，提供全面可靠的信息服務，且具有維護、擴充、監測信息數據自動備份及安全恢復功能，保障了監測系統的穩定運行。

3 邊坡柔性測斜儀自動化監測系統的適應性

受自然環境和人為因素的影響，傳統的邊坡內部應力變形監測手段不能快速進行災前預警和災后信息收集，不能為邊坡開挖施工和災后救援提供技術保障，難以滿足邊坡變型數據實時監測，因此自動化柔性測斜儀監測技術成為工程建設、運行管理中一種新的監測手段，這一技術主要包括硬件和軟件兩方面：① 硬件方面包含柔性測斜儀、數據收集和傳輸模塊以及太陽能供電模塊；② 軟件方面開發了邊坡深層位移監測系統，并在電腦或手機終端通過小程序等進行操控［8］，監測人員可以不受地形條件和天氣影響隨時進行數據監測，并能夠自動對數據實時獲取、傳輸、分析、預警，實現了遠程、自動、全過程監控，各層管理人員都能夠通過電腦、手機等及時觀察、了解邊坡變形情況。具體優勢為以下5點。

（1） 24 h全天候對邊坡變形受力、坡體傾斜等因素進行遠程自動在線監測，避免人工讀數和記錄引起的人為誤差，實現邊坡監測數據實時獲取、云端綜合處理、監測數據自動分析、多樣化圖標展示、專業性分析、災害預警、快速形成報表等功能［10］。

（2） 邊坡監測數據不受惡劣天氣、復雜地質環境限制，滿足觀測頻次和精度要求，且觀測精度得到了極大的提高，可以實時讀取監測數據。

（3） 通過云計算、大數據系統建立邊坡變形模式，對系統各項監測內容進行趨勢分析、過程分析、對比分析、智能篩選等，從而實現項目智能分析、趨勢研究、歸納演繹，為同類邊坡施工提供支撐依據。

（4） 實現了多級閾值預警，數據變化超過閾值范圍會自動預警，并可以通過微信、qq、短信等各種通訊方式及時通知相關人員。

（5） 提高了邊坡的應急預案管理水平，當潛在邊坡發生變形預警情況時，能及時通知建設、設計、監理、施工單位及其他相關單位，從而及時采取應對措施，進而加快變形邊坡的處理效率。

4 柔性測斜儀自動化監測系統應用成果

隨著安全標準化施工越來越被重視，各類自動化監測技術的應用也越來越廣泛，諸多大型項目建設施工期已經開始在永久邊坡使用自動化監測技術，水利工程邊坡安全穩定性直接影響到主體工程安全，因此根據現場地質情況制定監測設計方案尤為重要［10］。

貴州夾巖工程泄洪洞進口邊坡主要布置在大壩左岸潘家巖部位，該邊坡為順向夾泥邊坡，邊坡穩定性較差，特別是在發生暴雨后，層狀巖石夾泥就會產生滑動。在工程建設初期，柔性測斜儀監測施工尚未投入應用。2016年6月5～9日，工程區域出現連續強降雨，受強降雨影響，人工測斜儀不能及時觀測發現邊坡內部變形情況，導致現場局部出現噴混凝土表面裂縫、框格梁局部變形拉裂、部分錨索監測值不斷增大等異常情況時才被發現，因此錯過了錨索張拉鎖定的施工最佳時機，后續施工被迫停滯，后期在變形邊坡部位重新進行二次邊坡開挖并增加邊坡加強支護措施后才得以解決。該事件發生后，經參建各方討論研究，決定在工程邊坡內采用柔性測斜儀系統進行自動化監測，如圖6所示。該系統安裝投入使用后，實現了第一時間數據采集、傳輸、整理和分析，并將監測數據傳送至工程建設各方人員，實現了遠程、自動、全過程監控和災害預警（微信、qq、手機短信提醒）綜合功能，為夾巖工程精細化管理和創新管理提供了技術保障，取得了明顯的效果。

中鐵第四勘察設計院集團有限公司在金麗溫鐵路青田縣禎埠鄉下個寮山體滑坡體中采用了3套柔性測斜儀自動監測系統，見圖7，對3個已有測斜孔進行自動化監測及預警。2019年3月3～15日，通過柔性測斜儀自動監測系統監測到位于滑坡體前緣鐵路線路外側的深層水平位移自動化監測點CX2-1和CX3-2發生了持續性加速變形，12 d累計變形量約50 mm；位于滑坡體區后緣的CX3-5測斜孔累計變形約10 mm，初步認定滑坡體內部滑帶斷層正處于加速滑動失穩狀態。監測單位第一時間將該情況上報，為后期滑坡體的綜合整治施工提供了科學有效的數據支持。

5 結 語

柔性測斜儀監測作為一種新興的邊坡內部變形監測的技術手段，改變了傳統人工監測的局限性，通過精密監測儀器能夠及時取得監測數據，并將監測數據及時傳輸、分析、預警、預報，增強了監測的準確性和及時性，簡化了傳統人工監測工作量，為工程邊坡施工及運行管理提供了大數據信息化技術服務安全保障，也為后續工程建設領域地質深層監測提供了重要的借鑒依據，值得在水利工程等建設領域進行推廣使用。

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（編輯：李 晗）

Application of automatic monitoring system of slope deformation flexible inclinometer in hydraulic engineering

LI Guoru，KANG Jianfeng

（Engineering Construction Supervision Center of Changjiang Water Resources Commission，Yangtze River Water Conservancy and Hydropower Development Group （Hubei） Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to accurately and real-time grasp the slope internal deformation monitoring data，and to responsethe risk of slope deformation and collapse timely，the automatic monitoring system of flexible inclinometer was introduced.By installing flexible inclinometer in the monitoring hole，the 24 h automatic monitoring of deep-seated slope change data was realized.The data to the data collector and automatic monitoring cloud platform was transfered，and the monitoring data was analyzed in time and given early warning.The results solved the limitation of manual monitoring，and provided a strong technical guarantee for the safe and stable construction，operation and innovation management of the project.

Key words：

slope deformation； flexible inclinometer； automatic monitoring cloud platform； information early warning

收稿日期：

2022-10-08

作者簡介：

李國儒，男，高級工程師，主要從事水利工程現場建設管理工作。E-mail：312371115@qq.com