武博強(qiáng) 張衛(wèi)東 楊永健

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

2013年我國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害15 403起，造成人員傷亡慘重，且直接經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，其中近2/3為滑坡災(zāi)害［1］。

為了減少滑坡災(zāi)害造成的損失，工程界普遍采用邊坡位移監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。邊坡深部位移監(jiān)測(cè)是邊坡監(jiān)測(cè)體系的重要環(huán)節(jié)，主要內(nèi)容為對(duì)邊坡體上所布設(shè)鉆孔的軸向(垂向)和側(cè)向(水平向)位移進(jìn)行量測(cè)，以查明邊坡體內(nèi)不同部位的位移大小、方向以及滑移面［2］。

目前常用的邊坡深部水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有鉆孔測(cè)斜儀、拉線(xiàn)式深部位移計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)和時(shí)域反射技術(shù)(Time Domain Reflectometry，以下簡(jiǎn)稱(chēng) TDR 技術(shù))等［3，4］。本文以這幾種邊坡深部水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)為對(duì)象，簡(jiǎn)述其原理、適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行比較，為制定邊坡監(jiān)測(cè)實(shí)施方案提供參考。

圖1 測(cè)斜儀的組成及工作原理示意圖

1 鉆孔測(cè)斜儀

鉆孔測(cè)斜儀的原理一般是根據(jù)擺錘受重力影響為基礎(chǔ)測(cè)定以垂線(xiàn)為基準(zhǔn)的弧角變化。按使用方式，可分為滑動(dòng)式測(cè)斜儀和固定式測(cè)斜儀。

其工作原理如圖1所示。

1．1 滑動(dòng)式測(cè)斜儀

滑動(dòng)式測(cè)斜儀的工作原理是在鉆孔中埋設(shè)測(cè)斜管并在其內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)槽，將帶有傾角傳感器的活動(dòng)探頭在測(cè)斜管內(nèi)自下而上劃過(guò)，再逐點(diǎn)記錄鉆孔沿線(xiàn)傾角的變化，根據(jù)傾角計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的側(cè)向位移?；瑒?dòng)式測(cè)斜儀通過(guò)探頭在測(cè)斜管內(nèi)的滑動(dòng)，可精確探測(cè)沿線(xiàn)每一測(cè)點(diǎn)的傾角變化，但由于其每次測(cè)量過(guò)程需要沿測(cè)斜管上下移動(dòng)探頭，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

1．2 固定式測(cè)斜儀

固定式測(cè)斜儀的工作原理是在鉆孔中埋設(shè)測(cè)斜管并在其內(nèi)部不同位置埋設(shè)傾角傳感器，邊坡發(fā)生側(cè)向位移時(shí)，傳感器之間傾角將會(huì)發(fā)生改變，據(jù)此結(jié)合其布設(shè)距離計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位移。固定式測(cè)斜儀的傳感器價(jià)格相對(duì)較為昂貴且儀器安裝需要一定間距，只能根據(jù)需要在鉆孔內(nèi)安裝數(shù)量有限的傳感器，測(cè)得各測(cè)點(diǎn)間相對(duì)位移的變化，故其判定滑面位置可能存在偏差，但此種測(cè)斜儀能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。當(dāng)測(cè)斜管變形較大時(shí)，滑動(dòng)式測(cè)斜儀的探頭會(huì)被卡住不能上下劃動(dòng)而無(wú)法進(jìn)行測(cè)量;固定式測(cè)斜儀的傾角傳感器精度較高，量程一般為±10°，當(dāng)邊坡變形超出其量程時(shí)，固定測(cè)斜儀無(wú)法繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

2 拉線(xiàn)式深部位移計(jì)

拉線(xiàn)式深部位移計(jì)的工作原理是在鉆孔內(nèi)的測(cè)管的不同部位錨固鋼絞線(xiàn)，令鋼絞線(xiàn)另一端可在測(cè)管內(nèi)自由滑動(dòng)，并拉出至地表，在外部與角位移傳感器相連接。當(dāng)發(fā)生邊坡深部位移或滑面錯(cuò)動(dòng)，將使測(cè)管發(fā)生傾斜變形，固定在測(cè)管內(nèi)的鋼絞線(xiàn)隨之發(fā)生位移，通過(guò)角位移傳感器記錄位移量。由此則對(duì)兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)位移進(jìn)行捕捉，并可判斷出滑面的位置(見(jiàn)圖2)。

圖2 拉線(xiàn)式深部位移計(jì)組成及工作原理示意圖

與固定式測(cè)斜儀相比，拉線(xiàn)式深部位移計(jì)無(wú)需使用傾角傳感器，成本較低;可在測(cè)管內(nèi)設(shè)置較多的鋼線(xiàn)，進(jìn)而提高監(jiān)測(cè)精度;拉線(xiàn)式深部位移計(jì)量程與鋼絞線(xiàn)長(zhǎng)度有關(guān)，可至十幾米，當(dāng)邊坡深部出現(xiàn)大位移或者滑面錯(cuò)動(dòng)較大距離，乃至測(cè)管錯(cuò)斷，仍然可準(zhǔn)確測(cè)得邊坡內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的位移。拉線(xiàn)式深部位移計(jì)使用鋼絞線(xiàn)傳遞位移，因其材料性質(zhì)監(jiān)測(cè)精度會(huì)受到影響。同時(shí)其只能測(cè)得相對(duì)位移量，無(wú)法確定邊坡變形方向，且不能預(yù)先為其設(shè)定監(jiān)測(cè)方向。

3 多點(diǎn)位移計(jì)

多點(diǎn)位移計(jì)工作原理與拉線(xiàn)式位移計(jì)相似，不同之處在于其使用剛性較大的測(cè)桿連接錨頭與傳感器。將布設(shè)于鉆孔不同深度的錨頭與周?chē)鷰r土體錨固為一體，其位移通過(guò)與錨頭聯(lián)結(jié)在一起的測(cè)桿傳遞到孔口的位移傳感器(見(jiàn)圖3)。

圖3 多點(diǎn)位移計(jì)組成及工作原理示意圖

多點(diǎn)位移計(jì)可沿鉆孔軸向來(lái)監(jiān)測(cè)邊坡臨空面至內(nèi)部水平方向多個(gè)部位的變形，具有靈敏度較高、穩(wěn)定性強(qiáng)、溫度影響很小、防腐蝕性能好、防水性能好、可同時(shí)測(cè)量溫度等優(yōu)點(diǎn)。

采用多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)邊坡水平位移只能將其水平布置，如需監(jiān)測(cè)豎直方向不同深度的變形則要增設(shè)監(jiān)測(cè)鉆孔。

4 TDR技術(shù)

TDR技術(shù)是一種電子測(cè)量技術(shù)，20世紀(jì)90年代以前應(yīng)用于物體形態(tài)特征測(cè)量和空間定位［5］。TDR技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)的原理為:受巖土體擠壓變形位置電纜的阻抗特性將會(huì)發(fā)生變化，從地表電纜端頭向垂直埋設(shè)于滑坡體內(nèi)部的同軸測(cè)試電纜內(nèi)發(fā)射高頻脈沖測(cè)試信號(hào)，通過(guò)地表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到反射信號(hào)的時(shí)間與振幅來(lái)計(jì)算邊坡位移及滑動(dòng)面(見(jiàn)圖4)。

圖4 TDR技術(shù)工作原理示意圖

TDR技術(shù)幾秒鐘內(nèi)即可測(cè)量整個(gè)鉆孔的變形，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè);與鉆孔傾斜儀相比所用的測(cè)試電纜成本較低;同時(shí)，能準(zhǔn)確給出滑移面的位置，定位精度較高。TDR技術(shù)脈沖信號(hào)傳播過(guò)程中易受干擾，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生異常數(shù)據(jù);且與拉線(xiàn)式深部位移計(jì)相同，無(wú)法準(zhǔn)確確定邊坡變形方向，也不能令其按照預(yù)先設(shè)定的方向進(jìn)行監(jiān)測(cè);TDR技術(shù)以測(cè)量電纜變形造成的阻抗特性變化來(lái)進(jìn)行邊坡變形的監(jiān)測(cè)，因此當(dāng)邊坡位移較小時(shí)，電纜變形也較小，可能難以得到準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)論

結(jié)合以上幾種常用的邊坡深部水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)原理及特點(diǎn)，各種技術(shù)方法對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 常用的邊坡深部水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)比較

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)目標(biāo)，選擇適宜的監(jiān)測(cè)方法能夠有效降低成本、提高監(jiān)測(cè)結(jié)果精度，最終為科學(xué)地進(jìn)行滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供依據(jù)，以減少滑坡災(zāi)害造成的損失。

［1］國(guó)土資源部．全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)(2013年)．http://www．cigem．gov．cn/auto/db/detail．a(chǎn)spx? db = 1006＆rid =45932＆md=15＆pd=210＆msd=11＆psd=5＆mdd=11＆pdd=5＆count=20．

［2］沙曉軍．深部位移監(jiān)測(cè)技術(shù)在滑坡治理中的應(yīng)用［J］．工程技術(shù)，2012，3(2):182-183．

［3］馮 春，張 軍．滑坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展［J］．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(1):11-16．

［4］衛(wèi)建東．現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］．測(cè)繪科學(xué)，2007，32(6):182-183．

［5］史彥新，張 青．TDR技術(shù)在雅安峽口滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．勘察科學(xué)技術(shù)，2005(1):55-57．