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(dǎo)致部分測斜管導(dǎo)槽測量方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，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(shù)據(jù)初處理，對以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)逐期進行角度修正。結(jié)果表明：得到的數(shù)據(jù)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(chǔ)水平位移的真實狀況，提高測斜成果質(zhì)量提供一定參考。

關(guān)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(biāo)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(xiàn)已廣泛應(yīng)用于監(jiān)測地基、邊坡、大壩等工程撓度變形測量［1-4］。測斜管安裝質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到測斜儀的測試精度與測試成果的可靠性。測斜管導(dǎo)槽扭轉(zhuǎn)的大小是衡量測斜管質(zhì)量的重要內(nèi)容。國際巖石力學(xué)學(xué)會巖石力學(xué)建議方法和中國巖石力學(xué)試驗規(guī)程都規(guī)定，在裝配好的測斜管內(nèi)，每3 m長度的扭轉(zhuǎn)角不得超過1°，在全長范圍內(nèi)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(dǎo)槽測量方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，存在測量誤差。由于當(dāng)前水利工程安全監(jiān)測項目測斜管安裝更側(cè)重初期安裝埋設(shè)，易忽略對測斜管安裝埋設(shè)后是否仍處于安裝時位置的查驗校正，因此需對測斜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理、成果分析計算方法，進一步規(guī)范測斜管安裝埋設(shè)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(shù)據(jù)修正與分析提供經(jīng)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(guī)劃礦區(qū)外緣西側(cè)的KMS盆地西側(cè)，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(tǒng)至上更新統(tǒng)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(qū)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(shè)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(jiān)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(jiān)測斷面。在各主監(jiān)測斷面上沿壩寬方向均勻布設(shè)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(cè)10 m處壩2+850.796 設(shè)置一主監(jiān)測斷面，布設(shè)4套測斜管。建基面以下采用鉆孔布設(shè)，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(shè)。典型監(jiān)測斷面（以預(yù)壓體為例）測斜管埋設(shè)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(zhì)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(shè)計方位角的偏差角度；② 獲得孔口方位角偏轉(zhuǎn)角度后，使用測扭儀量測斜管孔口以下各設(shè)計測點的偏轉(zhuǎn)角度；③ 使用內(nèi)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(zhuǎn)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(zhì)羅盤測量測斜管孔口方位角。將地質(zhì)羅盤水平放置于孔口，測量孔口實際方位角，地質(zhì)羅盤測量的實際孔口方位角與設(shè)計孔口方位角的差值即為孔口偏差角。地質(zhì)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(fù)。通過量測，KMS水庫測斜管孔口方位角典型值（角度偏差≥10°）統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)儀讀數(shù)。按照這個步驟重復(fù)，直到得到的讀數(shù)與上次的讀數(shù)相差在1～2個單位（系統(tǒng)誤差）內(nèi)為止，記錄第一次測量讀數(shù)。按照上述步驟依次旋轉(zhuǎn)另外3個滑輪，分別記錄3次測量讀數(shù)，取4次讀數(shù)的平均值為測扭儀零漂值。

（2） 現(xiàn)場測量。① 將測扭儀導(dǎo)向A0凹槽處，從測斜底部（預(yù)先確定的開始深度）開始測量。記錄開始深度的讀數(shù)，并提升測扭儀到下一深度，記錄第2次讀數(shù)。繼續(xù)提升測扭儀，并記錄讀數(shù)直到記錄完頂端讀數(shù)。② 把測扭儀拉出測斜管，旋轉(zhuǎn)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(shù)。重復(fù)A0的測量步驟，記錄完頂部深度讀數(shù)時，取出測扭儀，完成2次過程的測量。③ 為了得到更高的準(zhǔn)確度，繼續(xù)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(yīng)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(shù)據(jù)初處理

測扭數(shù)據(jù)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(nèi)插法轉(zhuǎn)換為每一次測點為0.5 m的扭角。④ 計算出調(diào)整后的測扭深度的扭轉(zhuǎn)角度和。⑤ 用各深度扭轉(zhuǎn)角度減去孔口偏角。

用測扭數(shù)據(jù)校正測斜數(shù)據(jù)，將直角坐標(biāo)A軸和B軸上的變化值轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)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(tǒng)讀數(shù)，系統(tǒng)測量讀數(shù)經(jīng)過相關(guān)計算可轉(zhuǎn)化為位移量。 θ角是指從A0槽開始，沿順時針方向旋轉(zhuǎn)0～360°。如將180°～360°用負(fù)值表示，需記錄的數(shù)據(jù)位數(shù)可以減少。

將修正后角的極坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)中的A、B軸的值，并記錄在測斜儀扭轉(zhuǎn)修正表的相應(yīng)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(zhuǎn)換為修正后的偏差或位移。

4 測斜數(shù)據(jù)修正與成果分析

4.1 測斜數(shù)據(jù)修正

根據(jù)SL 551-2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，當(dāng)測斜管導(dǎo)槽扭角大于10°時，應(yīng)對其每次的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行扭角修正［6］。對水庫6個監(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)逐期進行角度修正并分析，測斜管數(shù)據(jù)修正后位移偏差成果典型值統(tǒng)計見表2。

對24個測斜管歷史數(shù)據(jù)逐期做角度修正，本次主要針對2021年5月后的數(shù)據(jù)進行分析，由測斜管數(shù)據(jù)修正前后成果統(tǒng)計表可得出如下結(jié)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(fā)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(fā)生在CX4-3孔。

（3） 24個測斜管中，少數(shù)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(nèi)，孔口累計位移偏差大部分在20 mm以內(nèi)。

4.2 測斜成果分析

壩基開挖線高程為674 m，測斜孔數(shù)據(jù)修正后成果統(tǒng)計見表3。

對測斜孔數(shù)據(jù)修正后成果分析如下：

（1） 分監(jiān)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(xiàn)在高程678 m處；朝背水面方向最大相對位移為62.9 mm，出現(xiàn)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(fā)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(xiàn)在高程680 m處；朝背水面方向最大相對位移為30.3 mm，出現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(shù)據(jù)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(jīng)無明顯增大趨勢。

（3） 大部分孔相對位移均在20 mm以內(nèi)，無明顯位移錯動現(xiàn)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(nèi)。

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(chǎn)生較大偏角，經(jīng)統(tǒng)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(shè)計角度的偏差在10°以內(nèi)，占總測點數(shù)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(shè)測斜管，測斜管的實際方位角可能不能滿足設(shè)計方位角要求，從而導(dǎo)致在大壩測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)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(nèi)，孔口累計位移偏差大部分在20 mm以內(nèi)，實際安裝方位角與設(shè)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(shè)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(jiān)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(xiàn)行測斜管安裝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及方法均適用無水基礎(chǔ)，測斜管安裝埋設(shè)方位角容易控制，而在水位較高的地基中安裝埋設(shè)測斜管則不能適用。在水

位較高的地基中安裝埋設(shè)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(xiàn)有測斜管安裝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及方法進行更新，以適應(yīng)在不同工況下的測斜管安裝埋設(shè)。

6 結(jié) 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(zhuǎn)導(dǎo)致的測斜管水平位移系統(tǒng)誤差。通過測斜管數(shù)據(jù)修正分析，一方面檢驗了大壩測斜管安裝埋設(shè)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，另一方面保證了測斜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)保障，提高測斜成果質(zhì)量。

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