陳 岑，聶成良，張?bào)K騁，徐正林

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650000）

1 多維度變形測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

多維度變形測(cè)量裝置是測(cè)量系統(tǒng)的核心敏感元件，是一款基于連續(xù)測(cè)斜原理設(shè)計(jì)的高精度一體式測(cè)量裝置，它數(shù)個(gè)長(zhǎng)度為0.5 m或1 m的剛性傳感器節(jié)點(diǎn)、首尾連接而組成的一個(gè)傳感器陣列，傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用可自由彎曲的柔性節(jié)連接，以適應(yīng)監(jiān)測(cè)界面的較大變形（見(jiàn)圖1）。

圖1 多維度變形測(cè)量裝置示意圖

多維度變形測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)采集和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的集合，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)、傳輸、數(shù)據(jù)管理及成果展示的功能。采用鋰電池、太陽(yáng)能電池等形式供電，適應(yīng)野外作業(yè)，滿足全天候不限次觀測(cè)需求，大大提高了監(jiān)測(cè)管理水平。

2 多維度變形測(cè)量系統(tǒng)的適用范圍及其特點(diǎn)

多維度變形測(cè)量系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)研制一套以MEMS傳感器為核心敏感元件的多維度變形測(cè)量系統(tǒng)。主要適用于土體水平位移及剖面分層沉降監(jiān)測(cè)，特別適合邊坡等內(nèi)部變形較大的深層位移監(jiān)測(cè)，以及堆石壩混凝土面板撓度、路基沉降等撓度監(jiān)測(cè)。該裝置具有較大幅度的任意角度柔性適應(yīng)能力（軸向±90°范圍內(nèi)任意彎折），以充分適應(yīng)土體在發(fā)生較大剪切變形時(shí)仍能持續(xù)可靠地工作，并真實(shí)反映整個(gè)型面的位移變化狀態(tài)。裝置采用細(xì)直徑設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單方便，即埋即測(cè)，獲得初始數(shù)據(jù)及時(shí)。

這套系統(tǒng)可以為大跨度建筑物結(jié)構(gòu)體的連續(xù)變形規(guī)律監(jiān)測(cè)提供高精度、高可靠性的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案。多維度變形測(cè)量系統(tǒng)可以觀測(cè)X、Y、Z三個(gè)方向變形；角度測(cè)量范圍在0～360°，角度分辨力10″；位移分辨力0.1 mm@500 mm；傳感器直徑35 mm；量程大于1000 mm；工作溫度在-20 ℃～+60 ℃之間。

多維度變形測(cè)量裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便；較傳統(tǒng)活動(dòng)或固定式測(cè)斜儀安裝更加靈活，應(yīng)用范圍更廣；具有活動(dòng)式測(cè)斜儀相同的測(cè)量精度及更好的重復(fù)性；做為剖面分層沉降監(jiān)測(cè)裝置，無(wú)需設(shè)置反坡、無(wú)需觀測(cè)房，施工簡(jiǎn)單迅速。安裝完畢即可獲取完善監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的水管式沉降儀相比數(shù)據(jù)更加可靠完善。

3 安裝埋設(shè)方法

1）鉆孔安裝多維度變形測(cè)量裝置，鉆孔須取芯，芯樣按次序統(tǒng)一編號(hào)，填牌裝箱，繪制鉆孔柱狀圖和進(jìn)行巖心描述，鉆孔傾斜率應(yīng)小于±3°。為防止鉆孔塌孔影響傳感器在鉆孔內(nèi)安裝PVC護(hù)管（直徑小于鉆孔孔徑）。PVC護(hù)管應(yīng)安裝至設(shè)計(jì)高程，隨后安裝多維度變形測(cè)量裝置。

2）多維度變形測(cè)量裝置安裝就位后，在基巖鉆孔段PVC護(hù)管與孔壁間自孔底灌注水泥與膨潤(rùn)土的混合砂漿。水泥應(yīng)采用42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，灰砂比為1∶1 ～1∶2，水灰比為0.38 ～0.45（宜加早凝劑），水泥與膨潤(rùn)土的混合比為2∶1。灌漿應(yīng)一次性完成，確保漿液飽滿，漿液固化前應(yīng)防止人為擾動(dòng)?；鶐r面以上覆蓋層內(nèi)PVC護(hù)管與孔壁間采用粗砂進(jìn)行回填，砂料需進(jìn)行風(fēng)干處理。

3）采用測(cè)試軟件對(duì)多維度變形測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量，確定傳感器處于正常運(yùn)行狀態(tài)，然后完成孔口保護(hù)裝置施工。同時(shí)在鉆孔旁邊安裝立柱，固定多維度變形測(cè)量裝置自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀以及配套的供電系統(tǒng)并連接多維度變形測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

4 應(yīng)用案例

大華橋水電站位于云南怒江州蘭坪縣兔峨鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江干流上本工程為大（2）型二等工程，最大壩高106 m，壩頂長(zhǎng)度231.5 m，壩頂寬17.5 m。水庫(kù)正常蓄水位為1477 m，相應(yīng)庫(kù)容為2.62 億m3。大華橋水電站壩址上游約20 km范圍的庫(kù)區(qū)內(nèi)分布著大華、拉古、滄江橋三個(gè)較大的庫(kù)區(qū)滑坡體。

三大滑坡體由于范圍大、有居民和耕地、距離壩趾樞紐區(qū)較近等特點(diǎn)，是影響工程建設(shè)和安全運(yùn)行的重要因素，因此對(duì)這三大滑坡體進(jìn)行施工期、蓄水期和運(yùn)行期的安全監(jiān)測(cè)，特別是滑坡體分層位移、超大量程位移監(jiān)測(cè)是非常重要的。本文選取大華滑坡體、滄江橋滑坡體安裝埋設(shè)的2 套多維度變形測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行論述，多維度變形測(cè)量系統(tǒng)安裝埋設(shè)情況見(jiàn)表1。

表1 多維度變形測(cè)量系統(tǒng)安裝埋設(shè)情況統(tǒng)計(jì)

大華滑坡體多維度變形測(cè)量系統(tǒng)SAA1-1*于2017 年8月開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)成果顯示在該孔37 m處存在一滑動(dòng)面，2019 年3 月28 日滑動(dòng)面合位移達(dá)457.66 mm，監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)圖2；滄江橋滑坡體多維度變形測(cè)量系統(tǒng)SAA2-2*于2017 年12月17日開(kāi)始觀測(cè)，監(jiān)測(cè)成果顯示在該孔21.5 m處存在一滑動(dòng)面，2019 年3 月28 日滑動(dòng)面合位移達(dá)31.01 mm，監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)圖3。該監(jiān)測(cè)成果很好地反映了滑坡體的深層變形情況，可為電站蓄水過(guò)程中滑坡體穩(wěn)定狀態(tài)研判提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

圖2 SAA1-1＊累計(jì)合位移分布曲線

圖3 SAA2-2＊累計(jì)合位移分布曲線

5 推廣應(yīng)用

多維度變形測(cè)量系統(tǒng)在大華橋水電站庫(kù)區(qū)滑坡體變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的大規(guī)模推廣應(yīng)用，及時(shí)、有效的反映了大華橋水電站庫(kù)區(qū)滑坡體在電站蓄水后的變化情況，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。多維度變形測(cè)量系統(tǒng)已在多個(gè)滑坡體工程中開(kāi)展應(yīng)用，將來(lái)有希望大范圍應(yīng)用于高土石壩，替代傳統(tǒng)水管式沉降儀、引張線等，對(duì)提高土石壩監(jiān)測(cè)施工管理水平有極大提升，應(yīng)用前景廣闊，推廣價(jià)值巨大。

1）由于庫(kù)區(qū)滑坡體由于較分散，分布范圍廣，目前多采用GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式（表面變形監(jiān)測(cè)），很少采用深層位移監(jiān)測(cè)或采用傳統(tǒng)深層位移監(jiān)測(cè)（測(cè)斜儀，固定測(cè)斜儀），難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。鑒于多維度變形測(cè)量系統(tǒng)在精度、量程、適應(yīng)性、穩(wěn)定性等方面全面優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)斜儀，且實(shí)現(xiàn)滑坡體深層位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)化對(duì)于確保其安全穩(wěn)定及人民生命財(cái)產(chǎn)安全意義重大。多維度變形測(cè)量系統(tǒng)已在大華橋水電站庫(kù)區(qū)滑坡體、雙江口水電站地下廠房、紅石巖水電站、構(gòu)皮灘電站通航建筑物、貴州大壩中心松柏山水庫(kù)滑坡監(jiān)測(cè)中大力推廣應(yīng)用。

2）目前國(guó)內(nèi)外已興建了一批200 m～300 m級(jí)的高土石壩，高土石壩內(nèi)水平、垂直位移監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期以來(lái)一直依賴傳統(tǒng)的引張線式水平位移計(jì)、水管式沉降儀、沉降兼測(cè)斜管，存在易損壞，難維護(hù)，數(shù)據(jù)精度低等缺點(diǎn)。多維度變形測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了以上難題。根據(jù)多維度變形測(cè)量系統(tǒng)在土石壩內(nèi)相關(guān)應(yīng)用研究，已在兩河口水電站、雙江口水電站、吉林敦化抽水蓄能電站、山東沂蒙抽水蓄能電站大壩監(jiān)測(cè)中大力推廣應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

多維度變形測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)于2014 年，國(guó)內(nèi)滑坡體深層位移監(jiān)測(cè)大多使用測(cè)斜儀、固定測(cè)斜儀、多點(diǎn)位移計(jì)等監(jiān)測(cè)手段，但存在量程小、精度低、觀測(cè)工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力、難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等缺點(diǎn)。多維度變形測(cè)量系統(tǒng)具有變形適應(yīng)性強(qiáng)、量程大、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)成果真實(shí)可靠，滿足現(xiàn)行規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，滿足滑坡體監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性需要，是滑坡體深層位移監(jiān)測(cè)的劃時(shí)代產(chǎn)品。

大華橋水電站首次將多維度變形測(cè)量系統(tǒng)大規(guī)模成功應(yīng)用于滑坡體，實(shí)現(xiàn)深層位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，為滑坡體監(jiān)測(cè)建立完善的智能監(jiān)控系統(tǒng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)滑坡體分層位移、超大量程位移監(jiān)測(cè)的技術(shù)空白。多維度變形測(cè)量系統(tǒng)在構(gòu)皮灘、兩河口、雙江口、紅石巖等多個(gè)水電工程開(kāi)展應(yīng)用。實(shí)踐表明：多維度變形測(cè)量系統(tǒng)精度、量程、適應(yīng)性、穩(wěn)定性等方面全面優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)斜儀，實(shí)現(xiàn)滑坡體深層位移監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，對(duì)于確保滑坡體安全穩(wěn)定及人民生命財(cái)產(chǎn)安全意義重大。應(yīng)用于高土石壩替代水管式沉降儀、引張線等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)提高土石壩監(jiān)測(cè)施工管理和筑壩水平具有劃時(shí)代意義，應(yīng)用前景廣闊，推廣價(jià)值和社會(huì)效益巨大。