新疆KMS平原水庫測斜管數據修正與分析

云磊

摘要：新疆KMS平原水庫測斜管安裝過程中，因地下水豐富、水壓較大，導致部分測斜管導槽測量方向發生扭轉，存在測量誤差的問題。需對該水庫測斜管安裝角度進行重新修正。進行了測斜管方位角測量、測斜管扭角測量與測斜管扭角修正數據初處理，對以往的監測數據逐期進行角度修正。結果表明：得到的數據能真實反映實際的測斜孔變形情況，可為了解大壩壩體及基礎水平位移的真實狀況，提高測斜成果質量提供一定參考。

關鍵詞：測斜管； 修正分析； KMS平原水庫； 測扭測斜

中圖法分類號：TU753

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.019

文章編號：1006-0081（2023）S2-0071-05

0 引 言

測斜管現已廣泛應用于監測地基、邊坡、大壩等工程撓度變形測量［1-4］。測斜管安裝質量的優劣直接關系到測斜儀的測試精度與測試成果的可靠性。測斜管導槽扭轉的大小是衡量測斜管質量的重要內容。國際巖石力學學會巖石力學建議方法和中國巖石力學試驗規程都規定，在裝配好的測斜管內，每3 m長度的扭轉角不得超過1°，在全長范圍內建議不超過5°［5］。

新疆KMS平原水庫測斜管安裝過程中，因地下水較豐富，水壓力較大，部分測斜管導槽測量方向發生扭轉，存在測量誤差。由于當前水利工程安全監測項目測斜管安裝更側重初期安裝埋設，易忽略對測斜管安裝埋設后是否仍處于安裝時位置的查驗校正，因此需對測斜數據是否能真實反映大壩撓度問題進行進一步探究。本文具體介紹了測斜管扭角誤差修正的步驟、數據處理、成果分析計算方法，進一步規范測斜管安裝埋設及扭腳修正處理程序，為在建及運行中的水利工程測斜管數據修正與分析提供經驗借鑒。

1 工程概況

新疆KMS平原水庫為注入式平原水庫，位于莫欽烏拉山北坡山前洪積扇中部、三塘湖規劃礦區外緣西側的KMS盆地西側，地勢西高東低，庫盤及壩基覆蓋層厚，巖性主要為第四系全新統至上更新統洪積含土角礫和低液限黏土，夾中-粉細砂和粉土層。水庫由上游分水閘、進水建筑物、擋水大壩、供水兼退水建筑物和庫區防洪堤等組成，采用四面筑壩而成，擋水壩壩型為土工膜斜墻壩，全庫盤鋪設土工膜進行防滲，最大壩高18 m，壩體總長6 081.6 m，水庫正常蓄水位685 m，壩頂高程689 m，總庫容2 860萬m3。

2 水庫測斜管布置

在壩體上選定了5個監測斷面，即北壩直線段中部斷面壩1+110.398、東北圓弧段中部斷面壩1+828.097、東壩直線段中部偏北100 m斷面壩2+530.796（最大壩高斷面）、東南圓弧段中部斷面壩3+433.496、南壩直線段中間斷面壩4+151.196，作為水庫壩體主監測斷面。在各主監測斷面上沿壩寬方向均勻布設4套測斜管，共計20根測斜管；供水兼退水閘軸線上（水流向）樁號為壩2+840.796，在軸線南側10 m處壩2+850.796 設置一主監測斷面，布設4套測斜管。建基面以下采用鉆孔布設，鉆孔深度為建基面以下50 m，建基面以上隨壩體填筑采用非坑式埋設。典型監測斷面（以預壓體為例）測斜管埋設布置見圖1。

3 測斜管扭角誤差修正

測斜管扭角誤差修正程序如下：① 使用地質羅盤測量每個測斜管孔口部位垂直于壩軸線的方位角，并計算與設計方位角的偏差角度；② 獲得孔口方位角偏轉角度后，使用測扭儀量測斜管孔口以下各設計測點的偏轉角度；③ 使用內插法，通過對測斜儀極值和角度進行修正計算，消除由于扭轉角度所造成的量測誤差。

3.1 測斜管孔口方位角測量

采用地質羅盤測量測斜管孔口方位角。將地質羅盤水平放置于孔口，測量孔口實際方位角，地質羅盤測量的實際孔口方位角與設計孔口方位角的差值即為孔口偏差角。地質羅盤方位角在實際方位角順時針方向，則偏差為正，反之為負。通過量測，KMS水庫測斜管孔口方位角典型值（角度偏差≥10°）統計見表1和圖2。

3.2 測斜管各測點扭角測量

（1） 測扭儀零漂的測量。握住傳感器底端，旋轉其中一個滑輪，使滑輪抬起約5 mm，其他3個滑輪保持在原來位置上，然后把傳感器放回到原來的水平位置上檢查讀數儀讀數。按照這個步驟重復，直到得到的讀數與上次的讀數相差在1～2個單位（系統誤差）內為止，記錄第一次測量讀數。按照上述步驟依次旋轉另外3個滑輪，分別記錄3次測量讀數，取4次讀數的平均值為測扭儀零漂值。

（2） 現場測量。① 將測扭儀導向A0凹槽處，從測斜底部（預先確定的開始深度）開始測量。記錄開始深度的讀數，并提升測扭儀到下一深度，記錄第2次讀數。繼續提升測扭儀，并記錄讀數直到記錄完頂端讀數。② 把測扭儀拉出測斜管，旋轉測扭儀使高輪插入A180凹槽，把測扭儀放入測斜管中，然后提升測扭儀到開始高度，記錄每一深度讀數。重復A0的測量步驟，記錄完頂部深度讀數時，取出測扭儀，完成2次過程的測量。③ 為了得到更高的準確度，繼續第3和第4次測斜管測量。在第3次測量過程中，傳感器高輪應放置在B0凹槽處，第4次過程中，上端滑輪放置在B180凹槽處。

3.3 測斜管扭角修正數據初處理

測扭數據處理。① 計算出各深度扭角的平均值。② 計算出修正后各深度扭角值，即各深度扭角平均值減測扭儀零漂值。③ 因測扭儀每次測量深度為1.5 m，使用內插法轉換為每一次測點為0.5 m的扭角。④ 計算出調整后的測扭深度的扭轉角度和。⑤ 用各深度扭轉角度減去孔口偏角。

用測扭數據校正測斜數據，將直角坐標A軸和B軸上的變化值轉換為極坐標值。測斜儀在不同深度的極值和角度計算公式如下：

Mag=（a2+b2）0.5（1）

θ＝tan-1 （b/a）（2）

式中：Mag、 a、b為AT系統讀數，系統測量讀數經過相關計算可轉化為位移量。 θ角是指從A0槽開始，沿順時針方向旋轉0～360°。如將180°～360°用負值表示，需記錄的數據位數可以減少。

將修正后角的極坐標值轉換為直角坐標中的A、B軸的值，并記錄在測斜儀扭轉修正表的相應欄中。

修正的A軸值＝極值×cos（修正后的角）（3）

修正的B軸值＝極值×sin（修正后的角）（4）

式中：修正后的變化值可以被轉換為修正后的偏差或位移。

4 測斜數據修正與成果分析

4.1 測斜數據修正

根據SL 551-2012《土石壩安全監測技術規范》要求，當測斜管導槽扭角大于10°時，應對其每次的監測數據進行扭角修正［6］。對水庫6個監測斷面24個測斜管進行了孔口方位角及各測點深度扭角的測量，并對2019年11月至2021年5月的歷史監測數據逐期進行角度修正并分析，測斜管數據修正后位移偏差成果典型值統計見表2。

對24個測斜管歷史數據逐期做角度修正，本次主要針對2021年5月后的數據進行分析，由測斜管數據修正前后成果統計表可得出如下結論。

（1） 24個測斜管中，A向相對位移偏差 0.5～32.2 mm，CX4-3孔深11.5 m處測點相對位移偏差最大；A向孔口累計位移偏差0～132.5 mm，最大累計位移偏差發生在CX4-3孔。

（2） 24個測斜管中，B向相對位移偏差 0.2～23.3 mm，CX3-3孔深62.5 m相對位移偏差最大；B向孔口累計位移偏差0.6～68.3 mm，最大累計位移偏差發生在CX4-3孔。

（3） 24個測斜管中，少數孔受回填碾壓影響，修正后的偏差較大；但測點深度相對位移修正后的偏差大部分在15 mm以內，孔口累計位移偏差大部分在20 mm以內。

4.2 測斜成果分析

壩基開挖線高程為674 m，測斜孔數據修正后成果統計見表3。

對測斜孔數據修正后成果分析如下：

（1） 分監測孔測點在667～675 m之間（壩基開挖線674 m），相對位移測值較大，其中：① CX2-2孔（1+828，壩橫0-25.5）A軸朝迎水面最大相對位移為60.3 mm，出現在高程678 m處；朝背水面方向最大相對位移為62.9 mm，出現在高程672.0 m處。B軸朝順時針（小樁號方向）方向最大相對位移為150.3 mm，發生在高程673.5 m處。② CX4-3孔（3+433，壩橫0+1）A軸朝迎水面最大相對位移為79.8 mm，出現在高程680 m處；朝背水面方向最大相對位移為30.3 mm，出現在高程670 m處。B軸朝順時針（小樁號方向）方向最大相對位移為180.3 mm，發生在高程678 m處。③ CX5-4孔（4+151，壩橫0+33）A軸朝迎水面最大相對位移為26.1 mm，出現在高程675.5 m處；朝庫盤背水面方向最大相對位移為44.5 mm，出現在高程679.0 m處。B軸朝逆時針（大樁號方向）方向最大相對位移為37.3 mm，發生在高程675.5 m處。

（2） 影響上述測斜相對位移變化較大的主要原因是壩體回填碾壓。數據證實，這些孔隨壩體填筑完成及土體不斷碾壓密實，測值已經無明顯增大趨勢。

（3） 大部分孔相對位移均在20 mm以內，無明顯位移錯動現象。在壩基開挖面以下高程622～666 m之間，各測孔相對位移均在12 mm以內。

5 討 論

（1） 由于大壩壩基地下水位高，測斜管在施工安裝過程中產生較大偏角，經統計，在大壩24支測斜管2 802個測點中僅有551個測點安裝角度與設計角度的偏差在10°以內，占總測點數的19.66%。由上述分析可知，在壩基地下水位較高的情況下安裝埋設測斜管，測斜管的實際方位角可能不能滿足設計方位角要求，從而導致在大壩測斜監測數據與實際情況存在較大偏差，進而影響大壩安全狀況評價。為保證監測數據可靠性，有必要及時對大壩測斜管安裝角度偏差進行修正。

（2） 新疆KMS水庫少數測斜管受回填碾壓影響，修正后的偏差較大；但測點深度相對位移修正后的偏差大部分在15 mm以內，孔口累計位移偏差大部分在20 mm以內，實際安裝方位角與設計方位角的角度偏差對大部分測斜管位移量值影響較小。

（3） 受安裝埋設及土建施工影響，大壩測斜管實際孔口方位角不能代表或反映測斜管整體的安裝角度，不同深度測斜監測點的角度偏差基本隨安裝深度線性增大或減?。ㄖ饕艹跏及惭b，即壩基鉆孔安裝時的方位角的影響），故在進行測斜管角度修正時不能通過孔口方位角對測斜管整體進行角度修正。

（4） 現行測斜管安裝規范、標準及方法均適用無水基礎，測斜管安裝埋設方位角容易控制，而在水位較高的地基中安裝埋設測斜管則不能適用。在水

位較高的地基中安裝埋設測斜管時，受水的滲透壓力和浮托力影響，測斜管的安裝方位角不能得到有效保證，需要對現有測斜管安裝規范、標準及方法進行更新，以適應在不同工況下的測斜管安裝埋設。

6 結 語

本文采用的測扭方法可靠、修正公式適用，能有效消除因管身大角度扭轉導致的測斜管水平位移系統誤差。通過測斜管數據修正分析，一方面檢驗了大壩測斜管安裝埋設是否符合標準要求，另一方面保證了測斜數據的準確性，能真實反映實際的測斜孔變形情況，為大壩水平位移的分析提供數據基礎保障，提高測斜成果質量。

參考文獻：

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