钻孔测斜仪在小湾左砂系统边坡监测中应用

1、钻孔测斜仪在小湾左砂系统边坡监测中应用谭洋摘要：钻孔测斜仪是一种测定钻孔横向位移的原位监测仪器，在边坡监测中应用十分广泛。通过观测可以确定岩（土）体内滑动面的具体位置、滑动位移大小及滑动方向，对边坡稳定性分析、查明滑坡性态具有重要意义。本文介绍了钻孔测斜仪的组成、工作原理及测斜管埋设技术，并结合工程实例进行分析说明。关键词：钻孔测斜仪 测斜管 滑动位移 监测1、前言钻孔测斜仪是一种测定钻孔横向位移的原位监测仪器，通过对钻孔的逐段测量，获得测孔在整个范围内水平位移变位的全貌，从而可以准确的判断边坡滑动面的具体部位、深度、位移大小及方位等特征。本文结合美国SINCO活动式测斜仪在小湾电站左砂系统边

2、坡监测中的实际应用，对其工作原理、结构组成、埋设技术等进行详细说明，并对实例数据进行初步滑动位移分析。2、仪器组成结构及工作原理2.1 仪器组成结构一套SINCO活动式测斜仪的基本配置包括测斜仪套管、测斜仪探头、控制电缆及测斜读数仪。测斜仪套管一般安装在近似垂直的钻孔内，钻孔穿过预测可能发生位移的区域，套管的底部嵌入稳定的基岩内作为基准。套管内有四条十字型对称分别的凹形导槽，作为测斜仪滑轮上下滑行的轨道。图1探头结构组成测斜仪探头由不锈钢外壳、控制电缆接头和两组轴轮装置组成。控制电缆完好时，探头是防水的，在超过300m的深度下仍然可以正常使用。测斜仪探头采用两受力平衡的伺服加速度计测量倾斜，一

3、个加速度计测量滑轮所在平面的倾斜，为“A”轴；另一个加速度计测量与滑轮所在平面相垂直的平面的倾斜，为“B”轴，当探头向“A0”或“B0”方向倾斜时读数为正，反之为负，测斜仪探头组成结构及轴轮方向参考图1、图2示意。控制电缆用来控制测斜仪探头的深度，负责给探头供电及将信号传给读数仪。公制控制电缆每隔0.5m用黄色标志显示刻度，每隔1m用红色标志显示刻度，每隔5m有数字标识。图2 探头轴轮方向示意读数仪（DataMate）用来接收探头传送回来的信号并显示在屏幕上，读数稳定在两个单位内时，读数仪（DataMate）显示3个菱形标志，这个时候就可以手工确定记录了。该读数仪还具有观测数据与上次观测对比的

4、功能，方便现场发现误差或错误及时重测。2.2、工作原理测斜仪的工作原理是量测仪器轴线与铅垂线之间的夹角变化量，进而根据步长计算出岩体、土体不同深度处的水平位移及方位角，用相同深度测点上不同时段各期读数即可计算得到相对位移及变化速率。测斜仪探头测量倾斜，主要是侧向位移，那么倾斜如何换算成侧向位移呢？基本原理是通过三角函数，如图3所示，直角三角形的斜边是测量间距，在SINCO活动测斜仪力是0.5m，倾角的对边为偏移量，用倾角的正弦值和测量间距的乘积求得。偏移量变化情况说明套管已经移动离开初始位置，将位移累积相加并绘制成图形，可得到表现套管移动的高分辨率数据。图3 测斜仪位移计算原理SINCO活动式

5、测斜仪采用的是两个伺服加速度计来测量倾斜，其中一个用来测量滑动面A方向数据，另一个用来测量滑动面B方向数据，根据这两个方向的位移数值，结合A0凹槽的方位角，可以计算出滑坡面位移的方向。3、测斜管安装埋设钻孔测斜仪观测的成功与否，很大程度取决于导管的安装埋设质量。导管的安装主要包括3个步骤：1、 钻孔钻孔测斜仪的套管是埋设在所需观测部位的岩体力的，在选定钻孔部位后，由地质钻机钻孔并做岩芯素描，要求钻孔尽可能垂直，孔径应大于测斜管外径50mm为宜，钻孔铅直度偏差在50m以内应小于±3°，钻孔深度应超过最深位移带5m，深入稳定基岩内，钻孔完毕后验收合格才能埋设导管。在钻进过程中应

6、按以下地质调查要求编制钻孔柱状图，在钻孔的地质编录中应注意： 对软弱夹层（尤其是可能产生滑动的软弱夹层）的产状、分布特点、厚度以及物理力学性质应当查明； 每一测孔的岩芯应尽量取全，特别是软弱夹层（带），并按工程地质规范进行详细描述，做出钻孔岩芯柱状图，图中标出软弱层的层位、深度、厚度，并对其性状做详细描述； 对于岩芯难以取出的钻孔，应采用地球物理测井、钻孔电视等手段以了解孔内地质情况。2、 测斜管的安装与埋设准备工作： 检查测斜管是否平直，两端是否平整，不合格的测斜管应弃用； 将测斜管一端套上管接头，在其两导槽间对称钻四个孔，用铆钉（铝合金管）或自攻螺丝（ABS管）将管接头与测斜管固定，然后在

7、管接头和测斜管接缝处用橡皮泥或防水胶、塑料胶带将其缠紧，以防止回填灌浆浆液渗入管内； 将一端带有管接头的测斜管进行预接，预接时管内导槽必须对准，以确保测斜仪侧头畅通无阻及保持导槽方向不变。预接好以后按步骤2要求打孔，并在对接处做好对准标记及编号。经过逐根对接后的测斜管可运往工地使用。现场安装埋设： 测斜管全场超过40m时需用起吊设备将测斜管吊起，逐根按照预先做好的对准标记和编号对接固定密封后，并始终保持其中一组导槽方向对准预计岩（土）体位移方向缓慢下入钻孔内； 深度较大的干孔内下管时，应由一根钢绳来承担测斜管的重量，即将钢绳绑扎在测斜管末端，并每隔一段距离与测斜管绑在一起。钻孔内有地下水位时，

8、宜在测斜管内注入清水，避免测斜管浮起； 测斜管按要求的总长全部下入孔内后，必须检查其中一对导槽方向是否与预计的岩体位移方向相近，并进行必要的调整。确定导槽方位符合要求后，将测斜管顶端在钻孔孔口固定，然后将测斜仪探头（或模拟探头）下入钻孔中的测斜管内沿导槽上下滑行一遍，以了解导槽是否通畅无阻； 装配好的测斜管导槽转角每3m应不超过1°，全长范围内不超过10°。3、 灌浆与回填 将灌浆管系在测斜管外侧距测斜管底端1m处，随测斜管一同下入孔底为止； 按照预先要求的水灰比浆液自下而上进行灌浆，为防止在灌浆时测斜管浮起，预先在测斜管内注入清水。水泥浆凝固后的弹性模量应与钻孔周围岩体的

9、弹性模量相近，为此应事先在试验室进行试验确定配比； 对于在土体钻孔中埋设测斜管时可采用回填粗砂密实，填砂时须边填砂边冲水； 待灌浆完毕拔管或回填砂后，测斜管内要用清水冲洗干净，做好孔口保护设施，防止碎石或其他异物掉入管内，以保证测斜管不受损坏； 待水泥浆凝固或填砂密实稳定后，量测测斜管导槽的方位角，管口坐标即高程，对安装埋设过程中发生的问题做详细记载；4、 观测及资料整理4.1 仪器观测基准值观测时间，一般在钻孔回填灌浆或填砂密实稳定一周后进行。SINCO活动式测斜仪采用的双伺服加速度计，因此只要观测一对导槽就可以得出两个方向（A方向、B方向）的倾斜角。观测时，将高轮朝向A0方向（即预测滑动方

10、向）下入孔内，放时速度要慢且均匀，不能突然加速。将测斜仪放入测斜孔底部，并稍微提起，不要让仪器碰撞测斜管底部。待稳定510分钟左右后，开始读数（消除温度影响），这时记录仪的A0、B0数据旁出现标识，表示数据已基本稳定，按回车或手动测量按钮，记录此数据，如此类推，测量至孔口完毕。每测量5m测斜仪探头深度与记录仪显示深度必须对照校核，如发现不符，应将探头下降至上个5m倍数深处重测。A0、B0方向测量完毕后，记录仪提示测量A180、B180方向，将探头高轮朝向A180方向进行第二测回的测量。测完后，可以将数据与上次观测进行比较，如相差很大，应重新观测。4.2 数据处理通常处理测量数据要用计算机软件，

11、这里介绍怎样人工处理测量数据 读数显示SINCO的读数仪显示“读数单位”，而不是角度或偏移量。读数单位根据下式确定： 读数单位= sin ×仪器常数 读数（公制）= sin ×25000 读数合并标准的两次测量在每测量间距的每个轴均有两个读数，探头朝“0”方向读取第一个读数，朝“180”方向时读取第二个读数。这种两次测量方法有几个优点：首先可以消除传感器不同测量时的偏差变化；其次提供一种通过检查和及其他常规方法检测错误的方式；其三可消除随机误差的影响。数据处理过程中，两个读数相结合取平均值。 偏移量计算为计算侧向偏移量，取A0和A180的读数平均值，再除以仪表常数并乘以测量

12、间距，如下式：侧向偏移量 = 测量间距× sin =0.5×（A0-A180）/2/25000=（A0-A180）/100000 位移计算侧向偏移量的变化表示套管的移动变化，用当期各测点的偏移量减去原始相同深度测点的偏移量，就可以得出在A、B两个方向上的位移，并可以计算出合位移及位移方向。 校核累计值计算校核累计值是同一深度“0”向读数和“180”向读数之和 零漂若测斜仪探头绝对垂直并检查读数，每个轴会出现非零值，这个非零值是加速度计轻微偏移的输出结果。这个偏移（或零漂）可能为负也可能为正，并因探头使用寿命而变化。通过标准的两测回数据处理，零漂能被有效消除。5、技术要点 测

13、斜管垂直埋设测斜管钻孔必须呈铅直向，且全孔孔斜在30以内才能保证仪器的测试精度。另外，钻孔终孔直径应以大于测斜管外径30mm以上为宜，否则无法下入灌浆管实施灌浆工序。 测斜管与管接头的选择测斜管主要由铝合金、ABS工程塑料及普通塑料等材料制成，内有两对互相垂直的纵向导槽，测斜管直径应与选用的测头相匹配。测斜管的正确选择与否对测斜管系统精度影响极大，在永久性观测中，一般宜选用铝合金管；在腐蚀性较强的低端宜选用ABS工程塑料管。 观测数据正确与否的快速判断方法在观测过程中，除要保证每次对准电缆深度标记外，可用“和值检验”方法快速判断观测数据的正确性。一般情况下，同一组观测方向每个观测深度的正反读数

14、（A0、A180或B0、B180）的和值应为一个变幅较小的常数，如果差别较大或无变化规律，通常是观测深度的错位引起，否则仪器本身性能不稳定，需送回厂家检修标定。对于双向传感器探头，通常A向“和值”较小，观测精度也较高；而B向“和值”即波动范围相对较大，测试精度明显低于A向。通过“和值检验”的直方图概率分布即离差分析，可定量的判断出仪器测试精度及工作状态正常与否。“和值”越小，变幅越小，则测试精度越高，该和值通常称为“零点偏值”。采用数理统计的方法对“和值”进行评价，一般情况符合正态分布规律，均值反映“和值”大小，离差反映“和值”离散程度。利用“和值检验”评价仪器精度及性能，前提是必须采用质量较

15、好测斜管，因为测斜管的质量好坏对测试数据影响极大。 测斜仪综合精度测斜仪观测精度是一个系统综合精度，任何的传感器性能不稳定、测头导轮磨损（轴承间隙大）、测斜管质量低劣、安装埋设质量差（灌浆回填不密实）、导槽内壁不清洁、导槽纽角偏大、观测人员不精心等都将降低观测精度。正常情况下，B向测值误差是A向误差的两倍以上。按Sinco公司伺服加速度计式测斜仪说明书，在孔斜不超过±30时，其综合精度为±6mm/25m左右。这意味着观测时，在没有任何位移情况下，对于25m测孔累计到孔口的最大可能误差可达到±6mm，如果测孔更深，则累计到孔口的误差更大。6、工程实际应用小湾电站左岸

16、砂石料加工系统位于在8#山梁下游侧至瓦斜路沟支沟地段，系统处于1280m1430m高程边坡之间（包括塌滑体边坡），所处地段地形不完整，场地狭窄，地势陡竣，坡度一般为35°55°，局部直立。该地段地质情况复杂，断裂构造比较发育，堆积层较厚，主要表现为断层、小断层、挤压面及节理，物理地质现象主要表现为风化、卸荷。根据设计图纸，在左砂边坡1380马道安装埋设了3组测斜管，利用测斜仪测量测斜管的位移变化情况。该3套测斜孔装置目前的观测特征值见下表1：表1 小湾电站左砂系统边坡测斜孔位移统计表仪器编号累积时间A向位移(mm)B向位移(mm)孔口合位移(mm)位移方位角(°)

17、C2A-1-IN-01268611.68-37.9539.71219.2C2A-1-IN-02204439.566.2640.05237.4C2A-1-IN-03249487.0676.06115.61206.2以C2A-1-IN-01为例分析该孔的位移变化规律，下图4是根据该孔近几次观测数值分别绘制的各测点累积位移曲线图、各测点相对位移曲线图、各测点位移方位角曲线图，图5为投入监测以来该孔孔口位移与方向变化过程图。图4、C2A-1-IN-01测斜孔近期各测点位移监测成果曲线图5 C2A-1-IN-01测斜孔孔口位移及方向变化曲线图根据实测数据可以看到，C2A-1-IN-01测斜孔滑移主要集中

18、在B方向，而且是负的，A方向也存在较小的位移。而当初埋设测斜管的时候，A方向是顺坡向设计的，由此可以看出，该孔在顺坡方向并没有大的滑动位移。那么为什么在B方向出现明显负倾斜位移呢，结合另外2套测斜孔孔口位移方位角我们发现，这3套测斜孔孔口位移方位角大致一样，在206°237°之间。经研究发现，该方向正是系统边坡主要开挖坡面所在的方位角区域范围，也就是说，由于在这个方向上的边坡大面积开挖爆破施工，人为形成了临空面，造成岩体扩容并引起内部地应力释放，岩体向临空方向发生滑动变形，加上雨季降水的渗透影响，进一步加速了岩体向临空面的流变，这就是为什么C2A-1-IN-01测斜孔孔口位移主要为集中在B方向的负倾斜的原因了。由图5我们可以清晰的看出，2006年前该孔孔口位移变化速率明显比2006年以后的要快，这是因为2006年前左砂系统边坡的开挖工作尚没有完全结束，边坡的锚固支护工作还在进行，06年后随着边坡开挖作业的减少及支护进度、支护强度的跟上，边坡岩体向临空面的滑动位移得到有效控制，在大量预应力锚索的锚固力作用下，岩体应力达到新的平衡，边坡慢慢趋于稳定，从图4可以判断出，近期该部位边坡侧向滑动位移趋于平稳。7、结语钻孔测斜仪是一种精度高、量程大、稳