劉 媛

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610000）

0 前 言

目前，國內(nèi)變形監(jiān)測常用方法有大地測量、鉆孔位移監(jiān)測法等，典型監(jiān)測儀器有全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測斜儀、多點(diǎn)位移計(jì)等，雖然常用變形監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了可靠的監(jiān)測效果，但仍然存在設(shè)備自動化程度低、監(jiān)測時(shí)效性較差、數(shù)據(jù)采集與傳輸方式智能化不充分等缺點(diǎn)。如今，變形監(jiān)測方法出現(xiàn)了大量新技術(shù)，如時(shí)域反射測試（TDR）、地面激光掃描（TLS）、合成孔徑干涉雷達(dá)測量（SAR）、數(shù)字近景攝影測量、分布式光纖傳感及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)等。其中，SAA陣列式位移計(jì)測試技術(shù)就是近年發(fā)展起來的、被有效應(yīng)用于巖土工程變形監(jiān)測的一種新型傳感測試技術(shù)。

SAA陣列式位移計(jì)（Shape Accel Array，以下簡稱SAA）又稱柔性測斜儀，是一種可以被放置在一個(gè)鉆孔或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)、由多段連續(xù)節(jié)串接而成、基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）測試原理測試加速度和位移的監(jiān)測傳感器。SAA與傳統(tǒng)的位移監(jiān)測方法相比，具有自動實(shí)時(shí)采集、3D測量、高精度、可重復(fù)利用、運(yùn)輸儲存方便、水平及垂直或介于兩者之間安裝、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測等特點(diǎn)。

在高瀝青混凝土心墻壩中安裝與埋設(shè)陣列式位移計(jì)具有很大技術(shù)挑戰(zhàn)性，本論文從大壩瀝青混凝土心墻部位測斜管（后期SAA安裝孔）的安裝及保護(hù)，到后期SAA入孔安裝過程的細(xì)節(jié)均分別進(jìn)行了闡述，為此類傳感器在安裝施工技術(shù)方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有推廣意義。

1 SAA陳列式位移計(jì)監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)

SAA陳列式位移計(jì)監(jiān)測技術(shù)克服了傳統(tǒng)監(jiān)測測斜管在管孔保護(hù)、維護(hù)及觀測便捷性方面的諸多弊端。施工時(shí)，測點(diǎn)區(qū)域保護(hù)裝置是整體埋入式（可單獨(dú)對測斜管管孔用蓋帽進(jìn)行保護(hù)，避免外力對管孔的碰撞及異物落入孔內(nèi)產(chǎn)生卡孔等事件），土建施工時(shí)攤鋪設(shè)備和碾壓設(shè)備可直接在儀器安裝部位上方通行，直接攤鋪、直接碾壓，監(jiān)測作業(yè)完全穿插在土建作業(yè)間隙進(jìn)行，不干擾土建施工作業(yè)。

一方面，SAA的安裝孔有效利用了施工期的測斜孔，無需額外鉆孔，避免了超深鉆孔（百米級深度）對心墻（尤其是厚度只有0.6～1.2 m的瀝青混凝土心墻）可能造成的損害；另一方面，SAA還可作為二次監(jiān)測設(shè)備被重復(fù)使用在不同受測部位。

2 工作原理

SAA由多段連續(xù)節(jié)串接而成，內(nèi)部由微電子機(jī)械系統(tǒng)加速度計(jì)組成，每段節(jié)有一個(gè)已知的長度，一般為30 cm、50 cm，如圖1所示。因此，SAA的體型與測斜管管孔體型是可以完全匹配的，保證了埋管（孔）質(zhì)量，也就保證了后期SAA的安裝質(zhì)量。

圖1 SAA結(jié)構(gòu)

SAA通過檢測各部分的重力場，計(jì)算出各段軸之間的彎曲角度θ，利用計(jì)算得到的彎曲角度和已知各段軸長度L（30 cm或50 cm），每段SAA的變形Δx便可以完全確定出來，即：Δx=θ·L，再對各段進(jìn)行求和，可得到距固定端點(diǎn)任意長度的變形量。通俗來講，SAA是由若干個(gè)滑動式或若干個(gè)固定式測斜儀串接成的測斜儀陣列，其工作原理見圖2。

圖2 SAA基本原理

SAA技術(shù)核心內(nèi)容主要分為兩個(gè)部分，第一部分為測斜管埋管，第二部分為SAA的入孔安裝及觀測。保證測斜管埋管質(zhì)量也就保證了PE管入孔的可靠性，PE管一旦安全入孔，則SAA的入孔安裝可靠性就有了充分保證。

3 施工工藝流程及操作

3.1 SAA施工簡述

SAA技術(shù)實(shí)施案例工程大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高164.2 m，心墻高132.0 m，為了實(shí)現(xiàn)對大壩心墻撓曲變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)合三維有限元計(jì)算結(jié)果，選擇了壩體最大壩高斷面（1號孔壩橫0+70.00 m），在瀝青混凝土心墻下游側(cè)布設(shè)陣列式位移計(jì)。另外，選擇兩個(gè)輔助監(jiān)測斷面（3號孔壩橫0+040.00 m、2號孔壩橫0+140.00 m），同樣在心墻下游側(cè)設(shè)置陣列式位移計(jì)，監(jiān)測瀝青混凝土心墻變形，其中1號孔的安裝深度達(dá)到了132 m。陣列式位移計(jì)安裝工藝流程見圖3。

圖3 SAA施工工藝流程

3.2 安裝操作

3.2.1 埋 管

（1）現(xiàn)場埋管情況。結(jié)合瀝青混凝土心墻施工工藝，瀝青混凝土澆筑和心墻上下游側(cè)的過渡料Ⅰ的攤鋪均采用攤鋪機(jī)械一次同步完成。心墻寬度為0.6～1.2 m，攤鋪機(jī)固定寬度3.8 m，攤鋪機(jī)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)也需要不斷往返進(jìn)行鋪料。鋪料之后，碾壓設(shè)備對心墻及過渡料進(jìn)行震動碾壓，瀝青混凝土入倉溫度控制在140～160℃。與此同時(shí)，SAA安裝在距離心墻下游側(cè)僅30 cm的過渡料內(nèi)，平面布置見圖4。因此，大壩在填筑過程中很難實(shí)現(xiàn)陣列式位移計(jì)隨大壩填筑即時(shí)安裝的要求。

圖4 埋管部位與心墻平面布置

施工時(shí)，在大壩填筑階段用測斜管及電磁沉降儀進(jìn)行變形觀測，即在陣列式位移計(jì)安裝埋設(shè)位置預(yù)埋測斜管，壩體填筑上升階段采用活動式測斜儀和電磁式沉降儀監(jiān)測心墻施工期水平和垂直位移。當(dāng)大壩填筑至壩頂高程后，再將SAA安裝至測斜管孔內(nèi)并回填固定，通過SAA測讀系統(tǒng)觀測心墻變形情況。

（2）測斜管及沉降磁環(huán)的安裝。傾斜和沉降測量可以集合到同一個(gè)孔中進(jìn)行，該孔包括：測斜管（Φ70 mm JTM-G7600C型鋁合金管）、伸縮接頭和磁環(huán)。施工過程中，測斜管和沉降磁環(huán)是同步安裝的，隨著壩體填筑高程升高而同步向上安裝，直至設(shè)計(jì)高程。

測斜管在基座混凝土上初始安裝時(shí)，首先在設(shè)計(jì)部位鉆測斜管安裝孔，鉆孔深入基座混凝土1.5 m，鉆孔孔徑為Φ130 mm，孔斜不大于1°，鉆孔完成后進(jìn)行清洗。然后，將管座套在測量管底端，用粘合劑做連接間隙密封，用鉚釘錨固，距孔口1 m位置布置1個(gè)星型沉降環(huán)，在孔口位置布置1個(gè)板式沉降環(huán)，放入測斜管時(shí)一并將灌漿管放入孔內(nèi)，測量管校正鉛直后固定并灌漿，待水泥漿固化后再進(jìn)行下一步施工。

基座以上的測斜管隨壩體填筑進(jìn)度逐步接長。測量管連接時(shí)，先將接頭套于測斜管管口，兩節(jié)之間預(yù)留5 cm間隔，導(dǎo)槽校正后用鉚釘錨固，接頭處涂防水膠并纏繞防水膠帶，外包2層無紡布，用鉛絲固定，并按設(shè)計(jì)間隔布置板式沉降環(huán)。

在壩體填筑過程中，測斜管及沉降磁環(huán)安裝時(shí)，由于心墻及過渡料Ⅰ區(qū)是同步填筑，每次填筑厚度僅為25 cm。鑒于此，在測斜管安裝過程中，為了配合心墻填筑工藝，測斜管每節(jié)段安裝長度調(diào)整為50 cm，在安裝部位埋設(shè)保護(hù)箱（保護(hù)箱無底，帶活動蓋板，四周設(shè)置吊環(huán)，吊環(huán)上綁牽拉鋼繩）。第一層集料攤鋪碾壓完成后，用人工將測斜管周圍集料挖開，再將保護(hù)箱安置在測斜管部位，蓋上蓋板，然后周邊回填集料并人工夯實(shí)。

第一層測斜管和沉降磁環(huán)安裝及保護(hù)工作完成后，即可進(jìn)行第二層的集料攤鋪和碾壓工作。第二層集料的碾壓工作完成后，清出吊繩，采用牽拉機(jī)械將保護(hù)箱向上提升至填筑面高程，清除保護(hù)箱表面集料，打開保護(hù)箱蓋板，接長測斜管。測斜管接長工作完成后，蓋上孔口保護(hù)蓋帽，相應(yīng)地將沉降磁環(huán)安裝在設(shè)計(jì)指定高程處。在測斜管與保護(hù)箱之間回填粒徑不大于30 mm的原壩料，人工夯實(shí)至設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。測斜管接長時(shí)應(yīng)充分預(yù)留下一步碾壓時(shí)保護(hù)箱的沉降，嚴(yán)格保證集料碾壓過程中不對測斜管產(chǎn)生擠壓破壞。安裝流程見圖5。

圖5 測斜管及沉降磁環(huán)的安裝流程示意

（3）測斜管及沉降磁環(huán)的觀測。施工期，沉降觀測采用傳統(tǒng)電磁式沉降儀，水平位移觀測采用活動式測斜儀。按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，內(nèi)業(yè)時(shí)再進(jìn)一步做數(shù)據(jù)處理，并出具相應(yīng)觀測成果。

3.2.2 SAA安裝

（1）SAA安裝現(xiàn)場。通常情況下，SAA有兩種安裝方法：①先將SAA穿進(jìn)PVC導(dǎo)管，再將“SAA+PVC”一并放入孔洞；②先將PVC管組放入孔洞，SAA再穿入PVC中。SAA巧妙地將用于施工期臨時(shí)監(jiān)測的測斜管組利用起來，保證了壩體自填筑開始直至后續(xù)運(yùn)行發(fā)電過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，還有就是有效規(guī)避并減小了SAA隨壩體填筑進(jìn)度安裝時(shí)的施工干擾和儀器保護(hù)問題。

SAA均為垂直安裝，而且所預(yù)留孔洞為施工期測斜孔，孔深均為百米級。在深孔安裝SAA時(shí)，即使PVC管組可并行固定助力繩承托其自重，但PVC管組接頭的承受能力是否能完全滿足管組在入孔過程中不脫離，仍是必須要考慮的風(fēng)險(xiǎn)之一。SAA現(xiàn)場安裝時(shí)，還特別制定了備選方案，采用PE管和SAA組合安裝的模式，即先將PE管組放入孔洞，SAA再穿入PE管中。SAA入孔安裝前，需編制安裝技術(shù)方案、應(yīng)急預(yù)案等，提前對所有參與安裝的工人進(jìn)行技術(shù)交底及相關(guān)安全教育。

（2）安裝工器具及材料準(zhǔn)備。準(zhǔn)備好安裝過程中，需用到的材料及工具主要包括：450 m PE管（150 m／根，整根管路無彎折，無壓損）、鋸弓或者鋼絲鋸、雕刻刀或者壁紙刀、切管刀、PE管修邊工具、螺絲刀、若干鋼管架（制作卷軸架）、1套角磨機(jī)、一批干凈的干細(xì)河砂、一套組合工具箱、2部運(yùn)輸車輛、1根電源線（配電柜）、1套孔內(nèi)攝像裝置、1臺焊機(jī)、1臺發(fā)電機(jī)（備用）及其他零星材料。安裝前要確保材料提前準(zhǔn)備就緒，材料及工器具配備齊全并有一定的富余量，機(jī)器設(shè)備性能穩(wěn)定可靠。此外，準(zhǔn)備回填用的細(xì)河砂必須晾曬使其干燥，然后過2.36 mm篩，裝袋備用。

（3）工作面準(zhǔn)備。提前協(xié)調(diào)現(xiàn)場土建施工隊(duì)伍，孔口區(qū)域段的心墻及過渡料攤鋪工作在SAA安裝入孔施工期間需暫停施工。在采用SAA安裝時(shí)，需臨時(shí)占用心墻一側(cè)堆石面（整平碾壓后），屆時(shí)該工作面土建作業(yè)需停止，工作面臨近施工機(jī)械需轉(zhuǎn)移停放在其他區(qū)域或在該區(qū)域兩岸壩肩部位集中停放；過程中，工作面應(yīng)保持干燥平整，無障礙物。

（4）安裝。安裝時(shí)機(jī)宜選晴朗溫暖的非陰雨天氣。

①材料就位。實(shí)施安裝前，將儀器設(shè)備、輔助材料、工器具全部搬運(yùn)至安裝現(xiàn)場，集中存放。

②獲取孔內(nèi)數(shù)據(jù)。連接好孔內(nèi)攝像器材，將攝像頭自孔口緩慢放入測斜孔內(nèi)，查看測斜孔內(nèi)壁狀況，并詳細(xì)記錄孔內(nèi)異常部位及對應(yīng)高程。查看范圍主要為：孔內(nèi)毛刺、鉚釘凸起及孔內(nèi)變形情況。再用測深儀放入孔內(nèi)，測量孔深實(shí)際值（孔深測量精確到0.1 m），記錄備查。

③搭設(shè)固定架。先在孔口一側(cè)搭設(shè)固定架（兩層），固定架尺寸長約4 m，寬約3 m，高度不小于3.5 m，加固掃地桿、四周均設(shè)立剪刀撐，在固定架的一端安裝爬梯，固定架（作為SAA下放時(shí)的卷輪支架）頂端預(yù)留SAA卷輪放置空間，其余部位多設(shè)立橫桿，以便放置踏板，供作業(yè)人員在固定架上方作業(yè)。

④PE管準(zhǔn)備。根據(jù)孔深數(shù)據(jù)，將PE管展開，順直地?cái)[放于作業(yè)區(qū)域，多預(yù)留0.5～1 m的PE管，然后截?cái)?，即PE管管長比孔深長0.5～1 m，在PE管外壁每隔5 m做一明顯標(biāo)記，孔深等長部位也做好標(biāo)記，然后用壁紙刀去除管端毛邊備用，PE管端頭應(yīng)當(dāng)保持干凈，沒有塵土、油等污染。在PE管的下端（先入孔端）安裝錐堵（便于入孔導(dǎo)向）并密封處理或用熱熔槍將PE管下端吹融并加工成錐狀，并注意錐頭的密封。

⑤PE管入孔。將處理好的PE管入孔端經(jīng)過固定架上方保持一定彎曲弧度，由測斜管管口緩慢放入測斜管，根據(jù)孔內(nèi)數(shù)據(jù)與PE管外壁標(biāo)記，直至PE管下端順利下至測斜管管底高程，入孔之后的PE管宜比測斜管關(guān)口高0.5 m，切除上端超長的PE管，去除端頭毛邊，蓋上蓋帽避免異物落入PE管內(nèi)。

⑥SAA入管。SAA裝進(jìn)PE管之前，檢查SAA有無斷開或其他損壞。在孔口兩側(cè)分別安置卷軸架，卷軸架所使用的材料要足夠堅(jiān)固，能夠支撐SAA和卷軸的重量。將軸桿穿進(jìn)SAA卷軸中心預(yù)留的軸孔，將穿入軸桿的SAA卷軸放置在卷軸架上，軸桿兩端在卷軸架上固定牢靠，SAA卷軸散開部位切向方向宜位于管孔正上方。

打開PE管管口蓋帽，緩慢轉(zhuǎn)動SAA卷軸，將SAA遠(yuǎn)端（入孔端）自PE管管口緩慢放入，每下放10 m，在SAA外壁與PE管內(nèi)壁之間的間隙倒入適量潤滑油，減少SAA與PE管內(nèi)壁之間摩擦。此外，在SAA下放過程中，為保證PE管保持順直狀態(tài)，宜對PE管施以適當(dāng)向上的力進(jìn)行提拉。提拉過程中，不使PE管下端脫離測斜管管底為宜。在SAA遠(yuǎn)端也順利下放至孔底安裝高程后，撤除SAA卷軸及卷軸架，將SAA端頭部位采用無紡布包裹做適當(dāng)保護(hù)，完成SAA入孔操作。

SAA安裝過程前后，為把SAA的扭曲減到最低，不論P(yáng)VC管在地面還是在鉆孔中，SAA均應(yīng)在卷軸上和PVC管內(nèi)，避免扭曲關(guān)節(jié)發(fā)生任何移動。SAA的節(jié)不是唯一被扭轉(zhuǎn)的部分，所以當(dāng)施加力時(shí)，需考慮對整個(gè)SAA產(chǎn)生的機(jī)械影響；關(guān)節(jié)彎曲不超過45°（SAA儲存回卷軸上時(shí)除外）；拉動SAA時(shí)，不要拉拽通信電纜，應(yīng)拉PE管或SAA本身；不要在地面上拖拽SAA，或在鋒利的邊緣移動SAA，否則會磨損掉其保護(hù)層；不需要移動時(shí)，不要頻繁地移動關(guān)節(jié)。

⑦SAA測試。SAA入孔完成后，由技術(shù)人員用SAA Recorder完成診斷測試，確保SAA在安裝過程中未損壞，并嘗試采集數(shù)據(jù)。所采集數(shù)據(jù)不作為基準(zhǔn)值或觀測值，只作為各測點(diǎn)完好情況測試時(shí)用。測試無誤后，將SAA端頭部位做好防水密封及初步保護(hù)，留出電纜端頭便于后期調(diào)試和數(shù)據(jù)采集。

⑧回填。由于測斜管內(nèi)徑為59 mm，PE管及SAA入孔后，不具備注漿管安裝條件時(shí)，采用過篩的干細(xì)砂回填。將提前準(zhǔn)備好的干細(xì)過篩河砂，從PE管與測斜管之間孔隙放入（見圖6）。放入細(xì)砂時(shí)，適當(dāng)提拉PE管，使PE管+SAA組合盡量保持順直狀態(tài)，直至細(xì)砂填充滿PE管與測斜管之間的整個(gè)間隙。還應(yīng)注意的是，干細(xì)砂必須過篩，以免大粒徑沙礫在孔內(nèi)發(fā)生卡阻，影響回填效果。如果安裝孔積水較多，則要慢慢使用柔性棒或者電纜勾工具從鉆孔底部開始攪動，使砂料能自然沉降固結(jié)將管壁間隙填充完全。灌砂充填過程中，應(yīng)少量、間斷地投放，避免出現(xiàn)砂料架空。灌滿之后，先用無紡布纏繞保護(hù)好孔口處，待孔內(nèi)砂料自然沉降，再少量多次地進(jìn)行補(bǔ)灌，直至無需補(bǔ)償為止。

⑨電纜牽引及保護(hù)。由于回填砂料的沉降需要一定時(shí)間，在SAA安裝完成初期，不宜進(jìn)行觀測電纜牽引，待沉降穩(wěn)定一段時(shí)間后，將一定量的干河砂堆堵在入孔部位，在SAA首端（上端）澆筑保護(hù)墩進(jìn)行保護(hù)，觀測電纜牽引至觀測站，線路保護(hù)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求或規(guī)范執(zhí)行。

圖6 細(xì)河砂回填示意

3.2.3 調(diào)試及觀測

安裝完成后，再次用SAA Recorder對SAA進(jìn)行診斷測試。測試完成后，保存觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過連續(xù)采集后，確立基準(zhǔn)值，然后即可投入觀測。

4 結(jié) 語

超長陣列式位移計(jì)變形監(jiān)測施工技術(shù)，在水電站瀝青混凝土心墻壩變形監(jiān)測工程中成功應(yīng)用。該技術(shù)具有自動實(shí)時(shí)采集、3D測量、高精度等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于靜態(tài)巖土工程的變形監(jiān)測，也適用于動態(tài)的加速度、位移、溫度的監(jiān)測，可廣泛應(yīng)用于橋梁、船閘、邊坡、隧道、鋼架結(jié)構(gòu)、高速公路、混凝土壩、土石壩及混合壩的變形監(jiān)測中，應(yīng)用前景廣闊。