滑動測微計在水電站工程安全監測中的應用實踐

王為勝，劉 闖

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京，210032）

0 引言

滑動測微計在20世紀80年代初期由瑞士聯邦蘇黎世科技大學巖石及隧道工程系K.Kovari教授等發明，由瑞士Solexperts AG公司生產銷售。儀器采用線法監測原理測量整條測線上的變形分布，以其測點多、精度高等優勢在樁基試驗、隧道開挖、邊坡滑動等領域有所應用。近年來，國內大壩安全監測行業也有引進應用，例如小灣、溪洛渡等大型水電站工程。

結合某抽水蓄能電站的應用實踐，筆者總結了安全監測工程中滑動測微計安裝應用的一些經驗，供同行參考。該電站采用滑動測微計監測地下廠房圍巖變形：在廠房頂部地質探洞布設滑動測微計鉆孔，鉆孔位于主廠房拱頂，要求孔底距離廠房頂拱開挖面1 m。鉆孔為垂直孔，深度56.2 m，偏斜要求不超過1°。

1 基本原理

滑動測微計位移測量設施包括：滑動測微計探頭（Measuring probe）、導向鏈（Probe guide）、測量電纜（Measuring cable）、測桿（Measuring rods）、測讀儀表（Digital Readout Unit）、標定設備（Calibration de?vice）及測管（Measuring tube）等。

滑動測微計測量位移時，在待測測線上鉆孔安裝塑性測管，測管每米設置1個測量標志，通過測量相鄰測量標志之間的位移量得到整個測線上的軸向位移分布。其實質是將整個測線按1 m分成若干段，利用高精度的探頭測得自測線底端至頂端每米的位移量，線法位移測量原理示意見圖1。為保證高精度地測得位移量，滑動測微計探頭工作時，利用球錐定位原理使探頭球狀頂端與錐狀測量標志緊密接觸。

圖1 線法位移測量示意圖Fig.1 Displacement measurement by method of lines

滑動測微計的探頭主要由兩個球形測量頭、數字位移傳感器及伸縮的連接管組成，兩個球形測量頭通過克服彈簧的張力在軸向可以相互產生位移，一個測量頭通過導向桿同位移傳感器的滑動部件相連，另一個測量頭則牢固地連接在傳感器的外殼上。球形測量頭內裝有兩套高精度的線圈系統，當被測巖體（結構物）發生軸向變形時，測量頭內的兩套線圈系統在測量位置上通過兩個測量標志感應產生一個與兩測量標志實際間距成比例的電信號，并由測讀儀表讀出，經換算得到位移量?；瑒訙y微計變形監測系統的組成框圖見圖2所示。

圖2 滑動測微計變形監測系統組成框圖Fig.2 Composition of sliding micrometer deformation monitor?ing system

滑動測微計探頭主要技術指標見表1。

表1 滑動測微計探頭主要技術指標Table 1 Main technical indexes of the probe of sliding micrometer

滑動測微計的測線是由若干根測管連接而成的，每根測管由1 m長的ABS連接管、錐狀精密測量標志和連接頭組成。通常情況下，測管基本要求見表2。

表2 滑動測微計測管基本要求Table 2 Basic requirements of the monitoring tube of sliding mi?crometer

2 設備安裝

滑動測微計設備安裝主要包括測孔鉆孔及測管安裝，安裝空間要求一般要保證（長×寬×高）：4 m×2.5 m×4.5 m?；瑒訙y微計的安裝與活動式測斜儀安裝過程類似，但技術要求高很多，要求整個測線上所有測量標志的各缺口方向幾乎在同一條直線上。

不同傾斜度的測孔、不同廠家的測管，設備安裝方法可能略有差異，下文按照本電站的實際情況進行說明。

2.1 鉆孔

滑動測微計鉆孔要求孔徑?100 mm以上，一般孔徑為?110 mm，偏斜要求≤1°，鉆孔要求取芯并進行巖芯描述，其他與多點位移計鉆孔要求一致。

2.2 測管安裝準備

安裝測管前應檢查測孔深度，清洗測孔，將鉆孔巖屑和泥沙沖洗干凈。

用記號筆將測管按照1-n順序編號，安裝時按照數字順序連接。

采購套管時，廠家還要提供末端部件，末端部件是一截長約20 cm的套管，一端用管帽密封，另一端加工了與測管連接的部件，下文稱為尾管。尾管需要預先準備好可以牢固拴住繩索的結構，繩索一般采用細鋼絲繩。本項目采用一個適合于測管尺寸的ABS管節加工了附件組成：在管節的一頭安裝帶螺紋的金屬堵頭，堵頭的底部焊接了“十”字型鋼筋，以便鋼絲繩固定，管節的另一頭與尾管用膠水牢固粘接。

除了計劃好安裝人員及準備好下管的工具、灌漿設備外，安裝測管前還需要準備必要的輔助材料及工具，各類材料的數量根據測孔深度而定，本項目孔深56 m，主要輔助材料及工具見表3。

2.3 測管安裝

一般情況下測管出廠時每支長度1 m，且已經在測管的一端裝好管間連接頭，測量標志同時已安裝在連接頭中間，單支測管出廠外形結構參見圖3。

圖3 兩支單根測管連接示意圖Fig.3 Connection of two monitoring tubes

安裝前要保證測管及連接頭干凈，必要時先進行清洗，測管主要安裝步驟如下：

第一步，在干凈的場地將1 m的測管相互連接，裝配成每根2～3 m長。測管間連接方法如下：在一根測管連接頭內壁抹上適量的凡士林，小心不要涂到測量標志上，同時檢查連接頭內壁是否光滑（若有瑕疵必須剔除該測管）；再在另一根測管A端的“O”型密封圈上抹適量的凡士林，同時檢查密封圈是否完好；按照測管連接頭內銷鍵與第二根測管A端銷槽的方向將兩根管對接，對接要緊密，連接過程中注意不要錯位，必要時用記號筆做好標記，連接方向示意見圖3；上緊連接頭四個方向上的止緊螺絲，螺絲必須上到位（測管上已預留對應的止緊槽）但注意不要上得太緊，防止螺絲擠壓測管使之變形或破壞，影響接頭的密封；用防水膠帶將連接頭除測量標志以外的部分裹扎嚴密，尤其是測管與連接頭之間的兩側接縫位置。連接好的接長測管放置在干凈位置待用，注意測管連接裝配過程也應保持測管及連接頭干凈。

第二步，安裝灌漿管。灌漿一般采用邊灌漿邊提起灌漿管的方法，本項目采用6分的鋁塑管灌漿，鋁塑管表面自帶長度標記，應用比較方便。沿測孔壁將灌漿管放入測孔，確認灌漿管到達測孔底部，并可以正常工作。

表3 測管安裝所需輔助材料及工具Table 3 Tools needed in installation of monitoring tubes

第三步，將測管安裝進測孔。

首先在尾管拴綁鋼絲繩。將準備好的細鋼絲繩穿過吊起設備，牢固固定在經過準備的具有拴住鋼絲結構的尾管底部對稱兩側，形成類似“吊籃”形式，以施工過程中可以方便地吊起測管為宜。

取一根接長的測管與尾管連接，尾管與測管之間的連接頭處理方式同第一步測管間連接方法。連接好后，尾管在下放入測孔，拉緊鋼絲繩吊住測管，此時起安裝過程中始終要用鋼絲繩吊住測管，保證管間連接頭不要受大的力量牽拉。另外在測孔口做好測管進入測孔的方向標志，以后每節測管均按同方向連接安裝。

按照同樣的方法順序連接測管，逐步將測管安裝入測孔，安裝過程中不要用力扭轉測管。在測管接長到約總長度的1/3時，用尼龍繩將模擬探頭放入測管，從上到下對測管試通，確保模擬探頭在測管內移動順暢；在測管接長到約總長度的2/3時，再用模擬探頭對已經接好的全部測管試通；全部測管連接完成后，再次用模擬探頭對整個測管試通。試通過程中，如果模擬探頭在哪個位置有一點不順暢，一定要將相鄰的2根測管換掉，直到順暢無阻。換測管時，參考測管編號，用鋼絲繩慢慢將連接好的測管從測孔吊出到需要更換的位置，去除防水膠帶、卸下止緊螺絲，按照管間連接的工藝換上新的測管，再繼續安裝。

測管安裝時，如果測孔內有水，那么事先要準備清水及注水工具。若安裝前整個測孔充滿水，在測管安裝到大約6 m時，孔內的水浮力就可以將測管浮起了，此時細鋼絲已經沒有吊重的作用了，隨后的安裝過程只要把它理順。在測管安裝到大約10 m時，孔內浮力已經比較大，應該開始向測管內注入清水，管內外的力量平衡時，繼續安裝測管。

第四步，安裝管口扶正設備并固定管口。

整個測管安裝入孔后，核實安裝測管的總長度，調整測管的深度（應考慮尾管的長度約20 cm）使測量標志到達設計要求位置。安裝管口扶正器，使測管在測孔的中央，在孔口外用鋼絲將管口牢固地固定，保證測管不會被灌漿漿液浮起。

截去測管頂部多余的部分，保留長度一般從孔口平面起高20 cm。給測管蓋上管帽，用防水膠帶將接頭部分密封，若原來測管里灌有清水，此時將清水灌滿再蓋管帽。

以上是測管安裝的主要過程，也是整個滑動測微計系統安裝施工的最重要過程，有條件時可以做圖片或圖像記錄。

2.4 灌漿回填

滑動測微計鉆孔回填灌漿漿液配比一般為水80 kg∶水泥50 kg∶膨潤土7 kg。灌漿前需要計算好需要的水泥漿量，制定好灌漿的工藝，特別是注入漿液的速度，以減緩漿液對測管的浮力。灌漿前注意檢查測管管帽是否蓋好，其他過程與活動式測斜儀測斜管灌漿回填要求一致，灌漿后給測管裝上保護罩。

灌漿結束3 h后，及時用模擬探頭或滑動測微計試通整個測管，以確認測管是否安裝成功。

灌漿工作順利完成后要及時澆筑孔口保護墩或安裝孔口保護裝置。

3 觀測與資料整理

3.1 觀測頻次

滑動測微計為預先安裝到位的儀器，一般在安裝完7～10 d后開始監測。開始兩天監測1次，待儀器讀數達到初始穩定狀態并取得初始值后，再與附近多點位移計及錨筋應力計同步進行觀測，一般每周1次。

3.2 探頭標定

滑動測微計在每次現場測量前和測量后都需要做標定，以補償溫度漂移和機械影響。標定工作要求在溫度相對穩定的環境下進行，標定通過廠家提供的標定設備完成。

標定設備提供兩個高穩定的標定位置E1、E2，標定位置由銦鋼結構控制，長度在997.5～1 002.5 mm之間分別輸出，Δe=5 mm。標定方法如下：

（1）探頭標定前，連接好所有測量設備，保持測讀儀表打開約20～30 min，記錄標定時的環境溫度；

（2）安置探頭在標定設備的E1位置，測量并記錄結果。從標定設備取出探頭，在同一位置按第一次的方法重復測量2次。計算3次讀數的平均值，得到標定的e1值；

（3）在E2的位置按E1位置的方法重復測量，得到標定的e2值。下面以某抽水蓄能電站一次標定的數據為例，用“Digit”表示測讀儀表讀數：

e1測量結果：-2505、-2506、-2505，平均值e1=-2505 Digit；

e2測量結果：2 361、2 361、2 361，平均值e2＝2361 Digit。

（4）用e1、e2的平均數計算出Δe和Z-Zero（零位值）。

（5）用Δe與標定設備給出的標定值比較（出廠時提供，本臺設備的值為4.866 mm），給出的標定值除以Δe得到的比值是Z-Factor（修正系數），即：

Z-Factor=（given calibration value）/Δe=4.866 mm/4 866 Digit=0.001 mm/Digit

測量前后兩次標定方法相同，數據整理時Z-Factor和Z-Zero取兩次結果的平均值，修正系數Z-Factor平均值設為K，零位值Z-Zero平均值設為D0。

為保證滑動測微計的測量精度，除了現場測量外，平時還需要定期對其進行標定。

3.3 觀測操作

每次觀測先從孔口測到孔底，再從孔底測到孔口，共2遍。第一次觀測時在測管管口做好探頭進入測管方向的標記，以后每次觀測，探頭均從同一方向放入測管。

滑動測微計探頭在測管內有滑動和測量位置兩種，位置之間的角度差為45°，如圖4所示，探頭位置的調整轉換由測桿和導向鏈實現。

圖4 滑動測微計在測管內位置示意圖Fig.4 Place of the sliding micrometer inside the monitoring tube

一次觀測操作的主要步驟如下：

（1）按順序連接探頭與測量電纜、導向鏈及測桿，轉動測桿將探頭按標記的方向沿滑動位置放入測管。

（2）逐一連接測桿，將探頭送至測管10～15 m以下，等待20～30 min，使探頭充分適應測管內的溫度。若測管充滿水，則探頭必須放至水面以下，多等待5～10 min。

（3）通過測量電纜或測桿向上提拉探頭，使探頭頂部處于最上面一個測量標志以下幾厘米位置，順時針旋轉測桿45°，將探頭從滑動位置旋轉到測量位置。繼續向上提升探頭，使探頭到達測量標志位置，再適當加力提拉，克服探頭內部彈簧拉力，會明顯感覺到探頭又有了幾毫米的提升，此時表明探頭已經與測量標志接觸好，保持住此時的狀態，記錄測讀儀表顯示的溫度及位移數據。然后在原測量位置放松探頭，再次提拉探頭使之與測量標志接觸好，如此共3次，記錄每次測讀儀表的數據。三次測讀完成后，放松探頭，逆時針旋轉測桿45°，使探頭回轉到滑動位置，連接測桿放送探頭到達下一個測量位置（間隔1 m），重復上述操作方法，順序測得整個測線從孔口到孔底各測點的數據。

（4）按照與第3步類似的操作方法，順序測得從孔底到孔口各測點的數據。

（5）觀測完成后對探頭等進行必要的清洗與保養。

觀測時需要注意以下幾點：

（1）每次觀測均應保持探頭、測量電纜及測桿等設備干凈，避免弄臟測管，影響測量精度。

（2）觀測前，在球形測量頭的照準槽涂抹一層薄薄的凡士林。

（3）觀測過程中，如果同一個測段3次測量值之間差值大于5 um，需要多測幾次；如果多個測段誤差大于5 um，應該考慮清洗測孔。

（4）觀測記錄最好在儀表自動記錄的同時也人工紙質記錄一份，以便復核。

（5）在測量位置提拉探頭時不要用力過大，只要保證探頭能夠很好地與測量標志接觸就可以了。

（6）測量電纜的連接插頭一定要與探頭連接牢固，插頭上的螺帽與探頭上的螺母一定要擰緊，探頭、導向鏈、測桿及測桿之間的卡扣接頭一定要卡插到位。

（7）觀測過程中要理順測量電纜，必要時每隔一段距離用膠帶等將電纜綁扎到測桿上。

（8）室外觀測時，避免在雷電發生時或溫度場變化較大的環境下操作。

3.4 資料整理

（1）進行數據整理前首先定義測段編號，一般以孔口為1號測段，順序編至孔底。

（2）計算滑動測微計各測段上下各3次讀數值（Digit）的平均值，作為本次觀測該測段的原始測值。

（3）原始測值經過修正計算得到本次觀測的成果測值，修正計算的參數由每一次觀測前后標定而得到，數據修正計算方法如下：

式中：i為 測次序數（i=1，2，…，n）；

Zi為第i次測量某測段成果測值，單位mm；

Ki為第i次測量探頭標定修正系數平均值；

Ai為第i次測量某測段原始測值；

D0i為第i次測量探頭標定零位值平均值。

按式（1）對各測段原始測值進行修正計算，得到成果測值。

（4）選定某次觀測作為整個測線的基準值，基準值必須是經過式（1）修正計算后的結果，例如廠房洞室開挖前，以后的測值均以基準值為參考。

若某次測值減去基準值的結果為正，表示測量標志間距離比基準時減小，為負表示測量標志間距離比基準時增大。按照工程資料整編的習慣，位移或接縫變化增大為正值，所以資料整理時一般用基準值減去當前測值。

計算各測段相對于基準值的位移變化量：

式中：i為測次序數（i=1，2，…，n）；

ΔZi為第i次測量某測段相對其基準值位移變化量，單位mm；

Z0為某測段基準值，單位mm；

Zi為第i次測量某測段成果測值，單位mm。

（5）計算各測段累積位移量，計算方法如下：

式中：j為測段序數（j=1，2，…，n）；

Mj為第j測段累積位移量，單位mm；

ΔZj為各測段相對基準值位移變化量，單位mm；

n為最后一個測段序號。

根據上述計算結果，可以繪制某時刻深度-位移差曲線及深度-累積位移曲線，還可以繪制不同深度位移-時間變化曲線，圖5～圖7是某抽水蓄能電站近期測值成果曲線。

圖5 位移差-深度曲線Fig.5 Curve of displacement difference and depth

圖6 累積位移-深度曲線Fig.6 Curve of accumulated displacement and depth

圖7 位移-時間曲線Fig.7 Curve of displacement and time

4 運行維護

為了保持滑動測微計良好的工作性能，最好形成日常運行維護的工作制度，日常運行維護的主要事項如下：

（1）每次現場測量后，必須將探頭、測桿、導向鏈、測量電纜等擦洗干凈并晾干，在干凈干燥的場地放置整齊。

（2）探頭可伸縮管間的連接部件也必須保持干凈，完全拉開探頭使其處于打開狀態，將拉出的連接部位擦拭干凈，并涂抹石墨潤滑劑。

（3）探頭放入收藏匣前，檢查連接部件（底部球形測量頭向上約10 mm位置）的密封環是否完好，若有破損及時更換，并涂抹一層薄薄的凡士林。

（4）保持測讀儀表的各接插頭干燥，若工作時不小心弄臟或潮濕了要及時清理與擦干。

（5）搬運儀器及儀表的過程中應小心輕放，避免過大的慣性損壞設備。

（6）應該定期對測管進行清洗，以保證系統的測量精度。

（7）如果長期不用測讀儀表，至少保證每月開機一次，并讓其連續工作30 min左右，同時每3個月至少給其充電一次。

5 總結

滑動測微計測管的安裝應該一次成功，一旦失敗，修復極度困難，絕大部分情況下只能重新安裝：重新采購測管等材料、重新打孔或掃孔、重新安裝測管，不僅需要花費大量的人力物力，還會影響工期。為了提高測管安裝成功率，筆者總結了安裝過程中的幾點重要經驗：

（1）安裝前需要編制嚴謹可行的安裝計劃。安裝前準備工作要做細，否則一點疏漏將影響整體安裝效率。

（2）因安裝過程不可逆，從測管連接到送入測孔，每個工序最好都有人檢驗。

（3）安裝過程中必須要用鋼絲或其他繩索將入孔的測管吊住，一方面保證測管不會因為自重過大導致測管間接頭脫節或變形，超出探頭的測量范圍；另一方面萬一安裝過程中發現測管有問題，還可以利用鋼絲繩將測管吊出測孔進行更換。

（4）測管送入測孔過程中，千萬不要用力扭轉測管，尤其在測管接到較長的長度時，防止測管間接頭松動錯位。

（5）安裝過程中、灌漿前后必須要用模擬探頭對測管進行測試，及時發現、解決問題。

（6）灌漿前必須將測管管口拴牢，固定好，否則漿液的浮力可能將測管浮起而導致安裝失敗。

（7）測管間接頭必須密封嚴密，保證漿液不會滲入測管，否則漿液將會污染測量標志，影響測量精度。

（8）控制灌漿的壓力和速度，尤其在測孔超過30 m時，考慮分段灌漿，每段之間做適當的延時，避免漿液對測管產生過大的浮力導致測管變形。

滑動測微計在測量原理、測量精度等方面具有一定的優勢，對于在水電站工程安全監測中的應用，結合筆者的實踐，提出幾點應用建議和思考與同行探討。

6 建議

（1）滑動測微計安裝應用技術要求高，建議選擇專業可靠的合作單位。專業的工作需要專業的人員來做，滑動測微計的現場安裝及應用需要真正有技術和經驗的專家指導，技術上的一點不慎將造成重大損失，因此對合作單位要做深入調研，多考察對方的工程案例及人員實踐經驗。

（2）滑動測微計為原裝進口產品，工程案例還不太多，建議應用前仔細研讀儀器廠家提供的原版技術資料。因為專業原因，從代理商或網上得到的中文資料可能翻譯得不太準確，容易引起誤解，甚至誤導。

（3）建議垂直監測深度不要超過30 m，因為隨著測量電纜及測桿自重的不斷增加，測量人員的操作明顯越來越吃力，甚至難以把握提升探頭的力量，影響儀器的測量精度。同時測管安裝難度顯著增大。

（4）建議做比對設計，例如在監測斷面附近布設多點位移計等，綜合分析、相互驗證。

（5）建議測量標志及測管等附件也采用原裝進口的產品。若要長期保證較高的測量精度，滑動測微計的相關附件質量要求也很高，尤其是測量標志要求耐磨、耐腐蝕、不變形。目前國內廠家生產的這些附件的質量還缺少實踐的驗證。

7 實際應用中的問題思考

（1）一套滑動測微計監測系統總投資需要百萬元，投入是不是太高？

（2）儀器設備發生故障時，大多數情況下需要返回原廠維修，費用較高、周期較長，可能會影響測量數據的連續性，怎么處理？

（3）系統無法實現自動化，人工測量尤其在測點較多時，做一次測量費時、費力，是否適合長期監測？

（4）測量標志與探頭間四方向定位，尺寸配合非常緊密，對安裝要求極高，同時測量時稍有不慎探頭就有卡在測孔內的風險，取出相當困難，操作要求是不是太高？

（5）DL/T5178-2003《混凝土壩安全監測技術規范》要求觀測儀表每月進行一次準確度檢驗，滑動測微計除了用廠家提供的標定設備標定外，怎么檢驗其準確度呢？

[1]Trivec/Sliding Micrometer/Sliding Deformeter-Digital mea?suring instruments for linewise measurements Manual[M].Solexperts A G.2009.

[2]Solexperts Universal Read-out Device(URD)Manual[M].Solexperts A G.2009.

[3]DL/T5178-2003，混凝土壩安全監測技術規范[S].2003.