柔性測(cè)斜儀在水利工程安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用綜述

摘要：為研究柔性測(cè)斜儀在水利工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的應(yīng)用情況與前景，從工作原理、技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用方面進(jìn)行了綜合性敘述。結(jié)果表明：柔性測(cè)斜儀已被廣泛用于國(guó)內(nèi)水利工程的變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，且應(yīng)用效果良好，具有滿足3D測(cè)量、大量程、高精度、高穩(wěn)定性、使用廣泛、自動(dòng)實(shí)時(shí)采集等優(yōu)點(diǎn)；尤其是其關(guān)鍵技術(shù)的突破，填補(bǔ)了高壩部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的空白。但是，柔性測(cè)斜儀在水利工程的應(yīng)用中也表現(xiàn)出一定局限性，需進(jìn)一步優(yōu)化與完善。研究成果可為水利工程中進(jìn)一步拓寬柔性測(cè)斜儀的應(yīng)用前景提供參考。

關(guān)鍵詞：柔性測(cè)斜儀； 安全監(jiān)測(cè)； 水利工程； 雙江口水電站； 兩河口水電站

中圖法分類號(hào)：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S1.010

文章編號(hào)：1006-0081（2024）S1-0031-04

0 引 言

2010年后開(kāi)始在水利工程各方面應(yīng)用柔性測(cè)斜儀，如沉降監(jiān)測(cè)、大壩混凝土面板撓度監(jiān)測(cè)、邊坡及深基坑位移監(jiān)測(cè)、滑坡體監(jiān)測(cè)、盾構(gòu)法施工水工隧洞收斂監(jiān)測(cè)等。本文通過(guò)對(duì)柔性測(cè)斜儀在雙江口300 m級(jí)超高土石壩心墻變形監(jiān)測(cè)、兩河口300 m級(jí)超高礫石土壩心墻沉降監(jiān)測(cè)、阿爾塔什工程面板撓度監(jiān)測(cè)、大華橋水電站蓄水區(qū)滑坡異常監(jiān)測(cè)等［1-4］應(yīng)用情況進(jìn)行研究分析，進(jìn)一步闡明了柔性測(cè)斜儀應(yīng)用在中國(guó)水利工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、效果及前景；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)柔性測(cè)斜儀在應(yīng)用中暴露出一定局限性，需要進(jìn)一步優(yōu)化與完善。

1 柔性測(cè)斜儀工作原理和技術(shù)特點(diǎn)

1.1 工作原理

柔性測(cè)斜儀是一種用于測(cè)量變形的裝置，它由多個(gè)長(zhǎng)度為0.3 m（或0.5，1.0 m）的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)傳感器組成。每個(gè)傳感器之間使用柔性連接，形成了一個(gè)傳感器陣列。這樣的設(shè)計(jì)可以適應(yīng)監(jiān)測(cè)界面發(fā)生大范圍變形時(shí)傳感器失效的情況。柔性測(cè)斜儀通過(guò)感知角度變化量來(lái)計(jì)算

各段測(cè)量節(jié)之間的彎曲角度θ，然后利用已知規(guī)格的各段測(cè)量節(jié)長(zhǎng)度L和三角函數(shù)計(jì)算每段測(cè)量節(jié)點(diǎn)的變形量Δ x，將各段的變形量進(jìn)行算術(shù)求和，得到距固定端點(diǎn)任意長(zhǎng)度的變形量x=∑θL。基本測(cè)量原理見(jiàn)圖1～2［4］。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

柔性測(cè)斜儀可以連續(xù)分布在節(jié)點(diǎn)上，并且節(jié)點(diǎn)之間的距離較小，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。作為一種新的壩體沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)，它可以解決傳統(tǒng)的點(diǎn)式監(jiān)測(cè)設(shè)備（如電磁式沉降環(huán)、水管沉降儀、橫梁式沉降儀等）無(wú)法連續(xù)線性監(jiān)測(cè)壩體的問(wèn)題。

對(duì)柔性測(cè)斜儀在水利工程中的應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)分析，得出以下結(jié)論：柔性測(cè)斜儀具有3D測(cè)量能力、具備大量程測(cè)量功能、精確度高、穩(wěn)定性好、可以重復(fù)使用、能夠很好地抵抗干擾、無(wú)需維護(hù)、適用范圍廣泛，并且能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)［5］。

土石壩發(fā)生大幅變形且水壓較高條件下所需柔性測(cè)斜儀的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：① 可適應(yīng)大變形、不規(guī)則變形。傳感器節(jié)點(diǎn)之間使用柔性萬(wàn)向節(jié)連接，這樣可以確保傳感器在大變形和不均勻沉降變形的情況下仍然能正常工作。如美國(guó)明尼蘇達(dá)州的克魯士頓路發(fā)生了近2 m的沉降，盡管如此，監(jiān)測(cè)儀器仍然能正常工作。② 高耐水性。目前柔性測(cè)斜儀的最大標(biāo)稱耐水壓為2 MPa，但個(gè)別測(cè)斜儀的耐水壓試驗(yàn)結(jié)果可達(dá)到4 MPa。③ 測(cè)斜儀可達(dá)更長(zhǎng)的最大長(zhǎng)度。一套實(shí)際安裝電流的監(jiān)測(cè)工具最大長(zhǎng)度可達(dá)150 m。個(gè)別可定制的柔性測(cè)斜儀可以增加長(zhǎng)度至300 m，適用于水平安裝，并且不推薦在傾角超過(guò)35°的情況下使用。④ 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)。當(dāng)使用柔性測(cè)斜儀替代測(cè)斜管時(shí)，將顯著降低支出成本，使柔性測(cè)斜儀的成本優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超過(guò)測(cè)斜管。目前的1 m 間距柔性測(cè)斜儀可以滿足工程需求，并且顯著降低成本［2］。

2 柔性測(cè)斜儀應(yīng)用實(shí)例

2.1 海外應(yīng)用

柔性測(cè)斜儀在國(guó)外使用了近20 a，主要應(yīng)用于水庫(kù)大壩、混凝土結(jié)構(gòu)以及隧道掘進(jìn)等領(lǐng)域的變形監(jiān)測(cè)。它主要用于監(jiān)測(cè)水平位移。以加拿大新不倫瑞克大壩為例，其由于混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，為了維護(hù)、修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)用安裝在結(jié)構(gòu)中的柔性測(cè)斜儀準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的水平位移，并提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。海外使用示例見(jiàn)表1［2］。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)對(duì)柔性測(cè)斜儀的應(yīng)用稍晚于國(guó)外，最早在2012年貴州省威紅鐵路魯木山隧道進(jìn)口路塹邊坡上進(jìn)行初次嘗試。現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用柔性測(cè)斜儀于各類水利工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

2.2.1 雙江水電站口300 m級(jí)超高土石壩心墻變形監(jiān)測(cè)

雙江口水電站的礫石土心墻堆石壩，壩高312 m，最大壩高斷面的心墻水平位移監(jiān)測(cè)測(cè)線深度達(dá)308 m，因此無(wú)法繼續(xù)使用傳統(tǒng)的活動(dòng)式測(cè)斜孔來(lái)監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部的水平位移。上游堆石區(qū)在蓄水后長(zhǎng)期位于水下，也無(wú)法使用傳統(tǒng)的水管式沉降計(jì)和引張線式位移計(jì)監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部變形。

雙江口水電站對(duì)高土石壩心墻及上游堆石區(qū)的垂直和水平位移變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)，提出了柔性測(cè)斜儀的試驗(yàn)方案：① 利用柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)大壩心墻和上游堆石區(qū)的水平位移以及垂直位移。測(cè)線分層施工，最終串聯(lián)成為一條整體測(cè)線。② 設(shè)計(jì)1條心墻水平位移測(cè)量線，總長(zhǎng)度308 m，搭接3段；3條垂直位移測(cè)量線中，1/3大壩高度2段串聯(lián)、1/2大壩高度3段串聯(lián)、2/3大壩高度3串聯(lián)、每條總長(zhǎng)度分別為284，360，434 m。③ 在水壩上游的堆石區(qū)域，布設(shè)2條垂直的位移測(cè)線。其中，位于水壩高度1/2的位置并列連接兩段測(cè)線，而位于水壩高度 2/3處布設(shè)一條完整測(cè)線。在過(guò)渡層與反濾層結(jié)合的部分設(shè)置測(cè)線的端點(diǎn)。④ 每個(gè)部分的柔性測(cè)斜儀，一套的搭接長(zhǎng)度為5 m［1］。

2.2.2 兩河口水電站300 m級(jí)超高礫石土壩心墻沉降監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)兩河口水電站擋水建筑物心墻的沉降情況，在高程2 641.0 m心墻的左右岸各布設(shè)1套長(zhǎng)度為40 m的柔性測(cè)斜儀，在高程2 775.0，2 742.0，2 675.0 m心墻的左右岸各布設(shè)1套長(zhǎng)度為50 m的柔性測(cè)斜儀，測(cè)點(diǎn)間距為1 m。這8套柔性測(cè)斜儀的端點(diǎn)設(shè)置在左右岸壩肩混凝土與心墻結(jié)合部位，用于監(jiān)測(cè)不同高程心墻的沉降情況。

以高程2 641.0 m左右岸心墻柔性測(cè)斜儀為例，監(jiān)測(cè)分析結(jié)果表明，心墻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，該監(jiān)測(cè)結(jié)果較好地展示了位于兩河口的礫石土心墻壩心墻的沉降和變形規(guī)律。進(jìn)一步驗(yàn)證了采用接觸黏土或高塑性黏土來(lái)協(xié)調(diào)高土石壩心墻變形的有效性，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)關(guān)于沿壩軸線心墻沉降分布及變化規(guī)律的研究空白［2］。

2.2.3 阿爾塔什水利樞紐工程面板撓度監(jiān)測(cè)

新疆阿爾塔什水利樞紐工程的攔河壩是由混凝土面板和砂礫石堆砌而成的堆石壩，攔截河水的最高高度為164.8 m。混凝土面板內(nèi)布置了一條SAA（巖土工程不穩(wěn)定塊體深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)）柔性測(cè)斜儀，該位移計(jì)位于河床覆蓋層最深處（最大深度94 m）以及最大壩高處的斷面。混凝土面板被分成3個(gè)階段來(lái)進(jìn)行施工，分別是一期105 m、二期123 m和三期92 m，總長(zhǎng)度為320 m。每個(gè)階段的面板內(nèi)都布置了一段SAA柔性測(cè)斜儀。相鄰兩個(gè)階段面板內(nèi)的SAA柔性測(cè)斜儀采用了專用夾扣搭接處理，搭接長(zhǎng)度為2 m，最終形成了一條完整的撓度測(cè)線。測(cè)線分為2個(gè)部分：第一部分為測(cè)線1-1，它包括防滲墻、連接板和趾板，同時(shí)使用節(jié)長(zhǎng)為50 cm的柔性測(cè)斜儀；第二部分使用節(jié)長(zhǎng)100 cm的位移計(jì)對(duì)趾板、混凝土面板和防浪墻進(jìn)行測(cè)線1-2的測(cè)量。

研究表明，通過(guò)對(duì)阿爾塔什水利樞紐工程進(jìn)行4 a多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和資料整理，發(fā)現(xiàn)柔性測(cè)斜儀可以準(zhǔn)確記錄混凝土面板在各個(gè)階段的撓度變形情況，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性很好。通過(guò)及時(shí)對(duì)施工期柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一期混凝土面板中部出現(xiàn)了一條水平方向的混凝土裂縫。監(jiān)測(cè)成果可為后期大壩混凝土質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支撐［3］。

2.2.4 大華橋水電站蓄水區(qū)滑坡異常監(jiān)測(cè)

大華滑坡體是一座大型滑坡，位于瀾滄江干流上游大華橋水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)，它是典型的縱橫等長(zhǎng)式滑坡。在滑坡體上選取3個(gè)剖面來(lái)布設(shè)柔性測(cè)斜儀和測(cè)斜孔，而有1個(gè)剖面僅設(shè)置測(cè)斜孔。具體布設(shè)如下：① 1-1剖面包括1個(gè)柔性測(cè)斜儀和3個(gè)傾斜測(cè)量孔；② 2-2剖面包括2個(gè)柔性測(cè)斜儀，2個(gè)傾斜測(cè)量孔；③ 3-3剖面包括1個(gè)柔性測(cè)斜儀，3個(gè)傾斜測(cè)量孔；④ 4-4剖面包括3個(gè)傾斜測(cè)量孔。

分析大華滑坡體的1-1剖面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，得出以下結(jié)論：① 與測(cè)斜孔監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，柔性測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)與測(cè)斜孔監(jiān)測(cè)結(jié)果相近，都顯示了滑動(dòng)面的存在，說(shuō)明了柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在空間位置分布上與測(cè)斜孔相符，從某種程度上驗(yàn)證了柔性測(cè)斜儀數(shù)據(jù)的可靠性。② 柔性測(cè)斜儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)與通過(guò)鉆孔取樣結(jié)果進(jìn)行的地質(zhì)分析結(jié)論基本一致。③ 蠕動(dòng)變形是滑坡體的一個(gè)階段，研究人員通過(guò)柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，滑坡體處于這個(gè)階段時(shí)，柔性測(cè)斜儀數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好，符合滑坡體的變形規(guī)律。大華橋水電站庫(kù)區(qū)滑坡體安全監(jiān)測(cè)中的柔性測(cè)斜儀在邊坡安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中展示出可靠穩(wěn)定的性能，值得推廣和運(yùn)用［4］。

2.2.5 盾構(gòu)法水工隧洞收斂變形監(jiān)測(cè)

新疆一座無(wú)壓引水輸水隧洞工程總長(zhǎng)度為92.35 km，開(kāi)挖隧洞直徑為5.5 m，采用3臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)來(lái)挖掘極軟巖地層。在隧洞的樁號(hào)SD69+530～SD75+955段（弱膨脹巖）上，使用C50平板型預(yù)制鋼筋混凝土管片進(jìn)行襯墊，并布置了7組柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。每組位移計(jì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面之間距離為20 m。這些位移計(jì)主要用于測(cè)量管片結(jié)構(gòu)的豎向位移和凈空收斂情況。

項(xiàng)目中首次使用了柔性測(cè)斜儀來(lái)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)隧道施工收斂，并且取得了良好的結(jié)果。在盾構(gòu)施工收斂監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，通過(guò)對(duì)柔性測(cè)斜儀的監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，它能夠準(zhǔn)確反映襯砌管片結(jié)構(gòu)的收斂變形規(guī)律。監(jiān)測(cè)結(jié)果為后續(xù)工程設(shè)計(jì)調(diào)整和土建施工提供了可靠依據(jù)，進(jìn)一步發(fā)揮了優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的作用［6］。

2.2.6 其他應(yīng)用實(shí)例

上述工程之外，玉龍喀什水利樞紐233.5 m超高混凝土面板堆石壩的初步設(shè)計(jì)方案在最長(zhǎng)面板處增加了SAA柔性測(cè)斜儀和光纖陀螺（FOG），用于監(jiān)測(cè)面板的撓度情況［7］。 一座高164.2 m的瀝青心墻壩，在最大壩高斷面和瀝青心墻下游側(cè)安裝了SAA柔性測(cè)斜儀，用于監(jiān)測(cè)心墻的變形［8］。安裝在蘇洼龍瀝青心墻堆石壩中心墻變形柔性測(cè)斜儀進(jìn)一步規(guī)范了陣列位移計(jì)的施工安裝方法，并減少了土建施工對(duì)儀器布置的破壞［9］。某抽水蓄能電站在上水庫(kù)進(jìn)出口130 m高的邊坡上設(shè)置了2個(gè)斷面，進(jìn)行開(kāi)挖和蓄水運(yùn)行后邊坡的深部位移的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，SAA在邊坡變形監(jiān)測(cè)和預(yù)警中具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且在邊坡變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［10］。

此外，柔性測(cè)斜儀除了在煤礦、地下空間和海洋工程等位移監(jiān)測(cè)方面得到良好效果，在其他領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛［11-13］。

3 柔性測(cè)斜儀局限性

柔性測(cè)斜儀通常由多個(gè)測(cè)量節(jié)串聯(lián)而成，若其中一個(gè)測(cè)量節(jié)出現(xiàn)故障，將會(huì)影響整個(gè)測(cè)斜儀的測(cè)量準(zhǔn)確性，且修復(fù)過(guò)程相對(duì)困難，獨(dú)立性較差。豎直埋設(shè)的柔性測(cè)斜儀受到圍壓作用后會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，并且無(wú)法確定扭轉(zhuǎn)后的方向。柔性測(cè)斜儀在試驗(yàn)時(shí)只能承受最高4 MPa的水壓力，因此在高達(dá)300 m以上的土石壩1/3壩高范圍內(nèi)使用會(huì)受到一定限制。目前在300 m級(jí)高土石壩心墻內(nèi)，對(duì)于高耐土壓方面的要求，需要進(jìn)行柔性測(cè)斜儀的相關(guān)性能測(cè)試試驗(yàn)。該試驗(yàn)要求柔性測(cè)斜儀的最大耐土壓力超過(guò)6 MPa。然而，中國(guó)現(xiàn)有的柔性測(cè)斜儀尚未明確該參數(shù)。因此，需要進(jìn)一步探索并測(cè)試柔性測(cè)斜儀的耐土壓能力［3］。

在2.2.5節(jié)涉及的工程中，除了用于盾構(gòu)施工隧洞襯砌管片收斂監(jiān)測(cè)外，柔性測(cè)斜儀還被用于開(kāi)敞式或單護(hù)盾式TBM施工隧洞圍巖收斂監(jiān)測(cè)，然而這種監(jiān)測(cè)方法的效果并不明顯。主要原因是由于TBM施工對(duì)工程產(chǎn)生的影響，安裝布設(shè)柔性測(cè)斜儀需要考慮多個(gè)因素，包括TBM護(hù)盾長(zhǎng)度、噴混段長(zhǎng)度、噴射混凝土硬化時(shí)間、施工進(jìn)度和TBM機(jī)械化施工操作等。因此，在進(jìn)行收斂監(jiān)測(cè)時(shí)，無(wú)法將位移計(jì)布設(shè)得更加靠近掌子面，以滿足各項(xiàng)要求。TBM段的所有位移計(jì)都布設(shè)在Ⅳ、Ⅴ類圍巖部位，而隧道斷面的成型條件不佳，一次襯砌的噴射平整度也較差，這也是影響圍巖收斂監(jiān)測(cè)效果的原因之一。

4 結(jié) 語(yǔ)

柔性測(cè)斜儀已被廣泛用于國(guó)內(nèi)外水利工程的變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并且應(yīng)用效果良好。它具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括可滿足3D測(cè)量、大量程、高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)利用、強(qiáng)抗干擾能力、免維護(hù)、廣泛應(yīng)用、自動(dòng)實(shí)時(shí)采集等。該儀器能準(zhǔn)確地反映水利工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位移變形情況，為工程結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，在填補(bǔ)國(guó)內(nèi)土石壩心墻沉降分布及變化規(guī)律盲區(qū)方面發(fā)揮了重要作用。柔性測(cè)斜儀在國(guó)內(nèi)水利工程應(yīng)用中暴露出一定局限性，需要進(jìn)一步優(yōu)化與完善。未來(lái)，隨著中國(guó)水利工程的持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程的加速推進(jìn)，柔性測(cè)斜儀在水利工程中的應(yīng)用前景將變得更加廣泛。

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