淺析多維度變形測量系統技術的應用與推廣

陳 岑，聶成良，張驥騁，徐正林

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650000）

1 多維度變形測量系統簡介

多維度變形測量裝置是測量系統的核心敏感元件，是一款基于連續測斜原理設計的高精度一體式測量裝置，它數個長度為0.5 m或1 m的剛性傳感器節點、首尾連接而組成的一個傳感器陣列，傳感器節點之間采用可自由彎曲的柔性節連接，以適應監測界面的較大變形（見圖1）。

圖1 多維度變形測量裝置示意圖

多維度變形測量系統通過測量裝置、數據采集和物聯網云平臺的集合，實現觀測、傳輸、數據管理及成果展示的功能。采用鋰電池、太陽能電池等形式供電，適應野外作業，滿足全天候不限次觀測需求，大大提高了監測管理水平。

2 多維度變形測量系統的適用范圍及其特點

多維度變形測量系統是基于物聯網系統架構研制一套以MEMS傳感器為核心敏感元件的多維度變形測量系統。主要適用于土體水平位移及剖面分層沉降監測，特別適合邊坡等內部變形較大的深層位移監測，以及堆石壩混凝土面板撓度、路基沉降等撓度監測。該裝置具有較大幅度的任意角度柔性適應能力（軸向±90°范圍內任意彎折），以充分適應土體在發生較大剪切變形時仍能持續可靠地工作，并真實反映整個型面的位移變化狀態。裝置采用細直徑設計，現場安裝簡單方便，即埋即測，獲得初始數據及時。

這套系統可以為大跨度建筑物結構體的連續變形規律監測提供高精度、高可靠性的自動化監測方案。多維度變形測量系統可以觀測X、Y、Z三個方向變形；角度測量范圍在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。

多維度變形測量裝置具有結構簡單，安裝方便；較傳統活動或固定式測斜儀安裝更加靈活，應用范圍更廣；具有活動式測斜儀相同的測量精度及更好的重復性；做為剖面分層沉降監測裝置，無需設置反坡、無需觀測房，施工簡單迅速。安裝完畢即可獲取完善監測數據，與傳統的水管式沉降儀相比數據更加可靠完善。

3 安裝埋設方法

1）鉆孔安裝多維度變形測量裝置，鉆孔須取芯，芯樣按次序統一編號，填牌裝箱，繪制鉆孔柱狀圖和進行巖心描述，鉆孔傾斜率應小于±3°。為防止鉆孔塌孔影響傳感器在鉆孔內安裝PVC護管（直徑小于鉆孔孔徑）。PVC護管應安裝至設計高程，隨后安裝多維度變形測量裝置。

2）多維度變形測量裝置安裝就位后，在基巖鉆孔段PVC護管與孔壁間自孔底灌注水泥與膨潤土的混合砂漿。水泥應采用42.5 級普通硅酸鹽水泥，灰砂比為1∶1 ～1∶2，水灰比為0.38 ～0.45（宜加早凝劑），水泥與膨潤土的混合比為2∶1。灌漿應一次性完成，確保漿液飽滿，漿液固化前應防止人為擾動?；鶐r面以上覆蓋層內PVC護管與孔壁間采用粗砂進行回填，砂料需進行風干處理。

3）采用測試軟件對多維度變形測量裝置進行測量，確定傳感器處于正常運行狀態，然后完成孔口保護裝置施工。同時在鉆孔旁邊安裝立柱，固定多維度變形測量裝置自動化數據采集儀以及配套的供電系統并連接多維度變形測量裝置，實現系統的自動運行。

4 應用案例

大華橋水電站位于云南怒江州蘭坪縣兔峨鄉境內的瀾滄江干流上本工程為大（2）型二等工程，最大壩高106 m，壩頂長度231.5 m，壩頂寬17.5 m。水庫正常蓄水位為1477 m，相應庫容為2.62 億m3。大華橋水電站壩址上游約20 km范圍的庫區內分布著大華、拉古、滄江橋三個較大的庫區滑坡體。

三大滑坡體由于范圍大、有居民和耕地、距離壩趾樞紐區較近等特點，是影響工程建設和安全運行的重要因素，因此對這三大滑坡體進行施工期、蓄水期和運行期的安全監測，特別是滑坡體分層位移、超大量程位移監測是非常重要的。本文選取大華滑坡體、滄江橋滑坡體安裝埋設的2 套多維度變形測量系統監測成果進行論述，多維度變形測量系統安裝埋設情況見表1。

表1 多維度變形測量系統安裝埋設情況統計

大華滑坡體多維度變形測量系統SAA1-1*于2017 年8月開始采集數據，監測成果顯示在該孔37 m處存在一滑動面，2019 年3 月28 日滑動面合位移達457.66 mm，監測成果見圖2；滄江橋滑坡體多維度變形測量系統SAA2-2*于2017 年12月17日開始觀測，監測成果顯示在該孔21.5 m處存在一滑動面，2019 年3 月28 日滑動面合位移達31.01 mm，監測成果見圖3。該監測成果很好地反映了滑坡體的深層變形情況，可為電站蓄水過程中滑坡體穩定狀態研判提供科學依據和數據支撐。

圖2 SAA1-1＊累計合位移分布曲線

圖3 SAA2-2＊累計合位移分布曲線

5 推廣應用

多維度變形測量系統在大華橋水電站庫區滑坡體變形監測項目中的大規模推廣應用，及時、有效的反映了大華橋水電站庫區滑坡體在電站蓄水后的變化情況，經濟及社會效益顯著。多維度變形測量系統已在多個滑坡體工程中開展應用，將來有希望大范圍應用于高土石壩，替代傳統水管式沉降儀、引張線等，對提高土石壩監測施工管理水平有極大提升，應用前景廣闊，推廣價值巨大。

1）由于庫區滑坡體由于較分散，分布范圍廣，目前多采用GNSS自動化監測方式（表面變形監測），很少采用深層位移監測或采用傳統深層位移監測（測斜儀，固定測斜儀），難以實現自動化。鑒于多維度變形測量系統在精度、量程、適應性、穩定性等方面全面優于傳統測斜儀，且實現滑坡體深層位移監測自動化對于確保其安全穩定及人民生命財產安全意義重大。多維度變形測量系統已在大華橋水電站庫區滑坡體、雙江口水電站地下廠房、紅石巖水電站、構皮灘電站通航建筑物、貴州大壩中心松柏山水庫滑坡監測中大力推廣應用。

2）目前國內外已興建了一批200 m～300 m級的高土石壩，高土石壩內水平、垂直位移監測長期以來一直依賴傳統的引張線式水平位移計、水管式沉降儀、沉降兼測斜管，存在易損壞，難維護，數據精度低等缺點。多維度變形測量系統的出現解決了以上難題。根據多維度變形測量系統在土石壩內相關應用研究，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測中大力推廣應用。

6 結語

多維度變形測量系統研發于2014 年，國內滑坡體深層位移監測大多使用測斜儀、固定測斜儀、多點位移計等監測手段，但存在量程小、精度低、觀測工作費時費力、難以實現自動化等缺點。多維度變形測量系統具有變形適應性強、量程大、精度高、穩定性好等特點，監測成果真實可靠，滿足現行規范和設計要求。實現了監測數據的自動采集，滿足滑坡體監測實時性需要，是滑坡體深層位移監測的劃時代產品。

大華橋水電站首次將多維度變形測量系統大規模成功應用于滑坡體，實現深層位移監測自動化，為滑坡體監測建立完善的智能監控系統填補了國內滑坡體分層位移、超大量程位移監測的技術空白。多維度變形測量系統在構皮灘、兩河口、雙江口、紅石巖等多個水電工程開展應用。實踐表明：多維度變形測量系統精度、量程、適應性、穩定性等方面全面優于傳統測斜儀，實現滑坡體深層位移監測自動化，對于確?；麦w安全穩定及人民生命財產安全意義重大。應用于高土石壩替代水管式沉降儀、引張線等傳統監測儀器，對提高土石壩監測施工管理和筑壩水平具有劃時代意義，應用前景廣闊，推廣價值和社會效益巨大。