膨胀土（岩）渠坡现场监测技术研究

刘 鸣，龚壁卫，刘 军，宋建平

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 概 述

膨胀岩（土）是一种在自然地质过程中形成的多裂隙性、胀缩性地质体，其黏粒成分具有强亲水性，导致膨胀岩（土）体反复变形、裂隙发育，对渠道工程具有严重破坏作用。南水北调中线一期工程在南阳、新乡进行膨胀岩（土）现场试验，重点研究膨胀岩（土）渠坡破坏机理及非换填处理方案的处理效果，其中一项重要工作是建立合理的监测系统，以及监测仪器选型、埋设技术等。该项研究直接关系到渠坡监测成果的真实性和有效性，使现场试验成果能真正起到优化设计、保证工程安全、减少工程投资等作用。

本文根据南水北调中线一期工程南阳、新乡膨胀土、岩试验段的现场工作，从监测项目、系统组成、仪器布置、仪器选型、埋设技术等方面，系统地总结了膨胀土（岩）渠坡监测技术和实践经验。

2 监测系统

2．1 膨胀岩（土）渠坡监测项目

膨胀岩（土）渠道监测项目主要包括以下4方面：

（1）大气环境量：建立气象站，对降雨量、蒸发量、气温、相对湿度、净辐射量、风速、风向等因素监测。

（2）渠坡变形量：埋设表面标、测斜管，监测渠坡表面和内部变形。

（3）膨胀因素量：主要包括含水量、吸力、土体温度等项目。

（4）渠坡土体应力：主要包括土压力和孔隙水压力两方面。

2．2 监测布置和埋设深度

针对膨胀岩（土）渠坡，监测仪器布置［1］要求如下：

（1）在渠坡无遮挡处，建立气象站，以降雨量和蒸发量为监测重点。

（2）渠坡内部变形监测应重点在渠坡坡顶和渠坡中部，测斜管埋设深度不低于20 m。

（3）含水率、吸力、温度传感器探头重点布置在渠坡中部、设计水位、渠坡坡脚。渠坡坡面设有结构处理层，渠坡基面与结构处理层结合部应布置有探头。探头最大埋设深度应超过本地区大气影响深度和降雨最大入渗深度。

含水量探头埋深0．5 m间隔，最大深度不低于3 m；吸力可采用张力计和热传导监测：张力计可监测最深吸力1．5 m，吸力值不超过90 kPa；热传导可监测高吸力值和深部吸力。

（4）土压力盒主要布置在结构处理层与基面结构部；孔隙水压力探头主要布置在渠坡坡脚处基面以下3～4 m。

3 监测仪器选型

3．1 气象站

气象站也叫多通道气候监测数据存储系统，如图1，应具有自动监测能力。其主要技术参数：3．5 mm连接端口或防雨外部连接器通讯设备；512 k数据存储器；1 s～18 h由用户设定时间间隔采集；时间精度 2 s；25℃时每周误差不超过 ±5 s；存储时读取、存储时下载或停止时下载均可。

图1 气象站Fig．1 A weather station

3．2 含水率探头

土壤含水率野外测试有很多种方法，归纳起来主要有以下几种：

（1）中子水分仪。将探头放入预先埋设好的导管内，测量土壤含水量过程不用取样，不受水分物理状态的影响，属容积含水量，工作环境 －20℃ ～＋45℃。其主要缺点有放射性危害。

（2）阻抗式土壤水分传感器。运用土壤和土质中水分含量与电阻成反比的原理，通过测量土壤中的电阻来间接测量土壤含水量。

（3）压阻式土壤湿度计。运用土壤吸力平衡原理进行土壤湿度测试的仪器。土壤中的水分受土壤孔隙的毛管引力和土粒的分子引力的作用，使土壤水处于负压（吸力）状态，土壤吸力愈大，土壤孔隙中的水分愈少，土壤含水量也就愈低；反之，土壤吸力愈小，土壤孔隙中的水分愈多，则土壤含水量愈高。压阻式土壤湿度计由陶土头、集气管和压力传感器等部件组成。测量范围为0～100 kPa，精度为±0．05%，其主要缺点测量精度不够高。

（4）土壤水分探头。通过探头发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部反射。由于土的介电常数取决于土壤湿度，即输出电压与土体含水率有对应关系，因此，通过检测探头的输出电压，由输出电压和含水率的率定曲线，可得到土中的体积含水率。该技术已较为成熟，目前广泛用于农田灌溉、园林等领域。在德国、法国、英国、澳大利亚等国均有生产，其中以英国DELTA－T公司和澳大利亚ICT公司生产的体积含水量探头技术较为成熟，国内农科院也多引进这2个国家的技术。

综合比较，膨胀岩（土）现场试验含水量探头选用探头如图2所示。该探头测定的体积含水量，与原位测试重量含水率有如下对应关系，

式中：θv为体积含水率；θG为重量含水率；Vw为水体积；Vs为干土体积；Mw为水重量；Ms为干土重量；ρw为水密度；ρs为土体干密度。

图2 体积含水率探头Fig．2 A volumetricmoisture probe

土壤水分探头为圆柱形，并防水，前端有4根不锈钢探针，中间钢针为感应元，其余起保护作用，主要技术指标为精度：±1%（特殊标定后）；工作温度：－10～ ＋70℃；尺寸：探针60 mm长，总长：207mm。

3．3 吸 力

吸力分基质吸力、渗透吸力、总吸力，基质吸力和渗透吸力构成总吸力。基质吸力为土中水自由能的毛细部分，渗透吸力为土中水自由能的溶质部分，总吸力为土中水的自由能。由于环境及外荷的改变会使土的含水量发生变化，压实土的初始含水量同基质吸力有直接关系，而渗透吸力对含水量的变化不很敏感。因此，总吸力的变化主要反映基质吸力的变化。

总吸力量测有直接与间接方法，可根据测得的土中水的蒸气压或土中的相对湿度来确定。用湿度计直接量测土中的相对湿度，而滤纸作为量测传感器，可间接测定土中相对湿度。

根据膨胀岩（土）地质特性，吸力量测应以基质吸力为主，可采用直接和间接方法量测。

直接量测基质吸力的装置有2种，即张力计和轴平移装置。张力计由高进气值多孔陶瓷头与负孔隙水压力量作为量测系统，二者用塑料管连接。张力计可在室内及野外使用，而轴平移装置仅能用于实验室内测定。

间接量测是利用标准多孔材料制作传感器量测土的基质吸力，将多孔材料传感器放入土中，使其同土中基质吸力达到平衡，多孔材料中的基质吸力可以从多孔材料的含水量推知。多孔材料的含水量可以通过量测其导电或导热特性来加以确定。导电或导热特性是含水量的函数，可预先率定。热传导传感器是间接量测基质吸力比较成熟的方法。土的热传导随含水量的增加而增加，含水量变化与饱和度变化紧密相联系。

热传导吸力探头的优点在于其测量范围大（一般为0～1 500 kPa），长时间使用不需特别的维护，但与张力计相比，这种探头与周围土体吸力平衡时间比较长。另外，其量测精度会受陶土头的滞后特性、土体温度变化、冻融循环等因素影响，若精度要求较高时，应对这些影响因素进行适当的修正。

目前国产张力计尚无定型产品，一般均由有关土壤研究机构自制，热传导探头目前仅在国外生产。基本参数如下：① 张力计管径20 mm；长度0．6，1．2，1．6 m；量程0～－90 kPa（见图 3）。② 热传导探头量程 －1～－1 500 kPa；精度 ±5%；吸力分辨 ＜1．0 kPa；探头尺寸长65 mm，直径28 mm，陶瓷头长度38 mm（见图3）。

图3 张力计、热传导探头Fig．3 A tonometer and a thermal conductivity probe

3．4 土压力和孔隙水压力

土压力盒和孔隙水压力计多为钢弦式仪器，少数为差动电阻式。钢弦式土压力计和孔隙水压力计以北京基康BGK－4800，BGK－4500AL指标较高。分辨 率 0．05%FS；精 度 ±0．1%FS；非 直 线 度≤0．5%F·S。

3．5 水平位移

边坡的水平向变形观测主要采用设备有测斜仪、固定测斜仪。

3．5．1 测斜仪

现场试验选择测斜仪应具如下功能：数字式测斜仪探头、电线电缆收放系统、线滚（含电池）和掌上电脑。掌上电脑使用windows操作系统，功能强大，不仅可作为读数器使用，而且内带的RST分析软件还可以对读数进行分析和存储。

3．5．2 固定测斜仪

固定测斜仪是在建筑物内部钻孔，钻孔内安装多只倾斜仪传感器，两两传感器之间用连接杆连接，信号线引至测斜管口。固定测斜仪可实现自动监测，如基康仪器（北京）有限公司固定测斜仪GK－6150MEMS型，为微电子机械式（MEMS）垂直向测斜仪，可用于长期监测大坝、基础墙等类似建筑的变形，见图4。其主要技术参数如下：量程±15°；灵敏度±12弧秒，（±0．06 mm／m）；精度0．01%FS；直线0．2%FS（在 ±5度时），0．5%FS（在 ±10度时）；温度飘移 －0．5弧秒／℃。

图4 BGK6150MEMS型固定测斜仪探头Fig．4 BGK6150MEMStype fixedinclinometer probe

4 监测仪器埋设技术

4．1 埋设设备研发

膨胀岩（土）这类结构性极强的中强风化软岩（或高塑性黏土）监测仪器埋设难点如下：含水量探头有60 mm长探针，插入埋设部位后要求原状土密度保持不变；张力计和热传导陶瓷头长40 mm、外径25～30 mm，埋设时应嵌入土中，与原状土接触不得有缝隙［2］。针对上述情况，为保证含水量和张力计、热传导仪器埋设质量，加工了一套埋设专用设备，主要由微型洛阳铲、扩孔器、成孔器、定位器、埋设套件等组成。

4．2 仪器埋设成孔要求

测斜管钻孔：采用150型地质钻机钻进，开孔、终孔直径不小于110 mm。

体积含水率探头、张力计、热传导探头钻孔：采用空压机带风钻，并结合洛阳铲，孔径要求Ф60 mm。

钻孔要求全程干钻，严禁用泥浆固壁或清水循环钻进，为防止塌孔，可采用套管固壁，并且孔斜率＜1．5%。同时做好地质编录和取芯工作。

4．3 仪器埋设要求

4．3．1 体积含水率、张力计、热传导探头埋设

体积含水率、张力计、热传导等传感器采用一个探头一个钻孔不同孔径套钻的埋设方式。具体埋设步骤如下：先用手摇钻或洛阳铲和扩孔器形成60 cm钻孔；在探头与膨胀岩（土）体接触部位，采用定位器、成孔器开出陶瓷探头小孔；再使用定位器、埋设套件通过手摇钻钻杆将探头嵌入小孔，使陶瓷探头与岩（土）体很好接触。成孔后取孔底原状土样，测试重量含水量和自由膨胀率作为基本资料，并根据测试含水率配备回填岩（土）料。张力计、热传导探头埋设过程如图5。

图5 张力计、热传导探头埋设过程示意图Fig．5 A tonometer and a thermal conductivity probe imbedding process diagram

仪器埋设完成后，用已配备回填原状岩（土）料回填，孔口应回填膨润土和水泥砂浆，防止地表水或雨水直接渗入孔内。上述仪器埋设要点如下：

（1）体积含水量探头。通过手摇钻杆，用含水率探头埋设套件将探头压入时，应同时用读数仪表监控探头数据变化幅度，确定探头插入深度是否达到埋设要求。成孔后取孔底原状土样，测试重量含水量很重要，作为体积含水量换算重量含水量的基本资料。

（2）张力计。张力计埋设前排气工作很重要，应注意的问题。①张力计排气工作：在管子上施加80 kPa左右的真空度30～60 s，并用手持真空泵将陶瓷头、压力表和管壁不规则处的气泡抽除。真空解除后，向管内重新注满蒸馏水，并拧紧盖帽。让水从陶瓷头蒸发，便会在管内水中产生80 kPa左右的负压。在此负压作用下，管中可能又出现气泡。应重复进行上述步骤直至管中气泡基本消失为止。②检查张力计的反应时间。将产生80 kPa负压后的陶瓷头浸入水中，5 min内增加到等于大气压，迟缓于此反应表明，陶瓷帽可能有堵塞或量测系统中有气泡或压力表有问题，需要重新对零。

陶瓷头必须浸在水中以防止由于蒸发面造成欠饱和。

（3）热传导吸力探头。热传导陶瓷头不同张力计陶瓷头，埋设前保持陶瓷头干燥，因干燥陶瓷头与土体达到湿度平衡的时间更短。

4．3．2 固定测斜仪埋设

①固定测斜仪连接杆件长度一定要精确，这决定了各传感器埋设的准确深度；②确保顶部轮件指向A＋方向，通常A＋方向与预期的位移方向一致，也就是被监测的开挖方向；③测斜管上端组件固定的同时，将另一组传感器、滑轮组件和万向节连接并调整同一方向，以此类推安装下一组件，直至最后一个传感器；④注意传感器就位后，连接电缆至读数位置，并进行终端连接或固定。固定测斜仪探头埋设如图6。

图6 固定测斜仪探头埋设示意图Fig．6 A fixed inclinometer probe imbedding process

4．3．3 土压力盒埋设

对于膨胀岩（土）土压力主要监测渠坡膨胀力和结构面上覆荷载。土压力盒埋设如何固定是一个关键。现场试验采用框架来固定土压力盒，框架用槽钢和镙纹钢制做，镙纹钢长度约3 m起到锚杆作用，槽钢用于固定土压盒。埋设时将框架镙纹钢放入3 m深孔内，并灌注水泥砂浆固定；固定在槽钢下土压力盒与土体一侧紧密接触，并回填高黏性的快凝材料进行找平，使土压力盒与周围土体形成一体。

4．3．4 孔隙水压力计埋设要点

孔隙水压力计透水石应浸泡24 h，并用标准砂包裹。仪器埋设时应缓慢放入预先已钻孔中，就位后应先回填标准砂，后回填膨润土球并捣实，切忌大批量倾倒，以防架空，如图7所示。

5 问题及建议

根据现场实践经验，对于膨胀土（岩）渠坡监测仪器的使用与埋设有以下几点值得注意：

（1）张力计。常规张力计最大问题是有气蚀和通过陶瓷头的空气扩散问题［3］，通常解决的办法是可以用真空泵按检定张力计同样的步骤进行抽除。这种方法在野外操作是不便的，难以抽至检定的标准负压，易造成张力计陶瓷头与土体扰动。使用改进型张力计可以解决气蚀问题，如喷射注入张力计原剂、小插头张力计、渗透张力计。

（2）热传导。土的导热特性与土中含水量直接相关，水的导热性比空气好。热传导传感器对土样浸湿过程和干燥过程均较敏感，在使用过程中遇到水压力为正值时，传感器容易失效，同时反映时间滞后，有待进一步解决。因此对于含水量变化较大土层，不易用热传导测吸力值。

（3）体积含水率。体积含水率与重量含水率间转换要借助土体密度，该密度目前用埋设时重量含水率和体积含水率间接得到的初始密度替代。假定土体密度在监测期间不变，这种方法是可行的。由于原位土体膨胀变形、裂隙发育密度会因此发生变化，所以在监测期间用初始密度替代是存在一定误差的。

图7 孔隙水压力计埋设示意图Fig．7 A pore water pressure gauge buried process diagram

6 结 语

（1）建立膨胀岩（土）渠坡现场监测系统，确定监测项目、内容，建立气象站。

（2）监测仪器选型应保证监测仪器精度满足监测项目深度要求。监测仪器埋设的部位与渠坡变形、大气影响深度密切相关。

（3）膨胀岩（土）渠坡监测仪器，即体积含水率探头、张力计、热传导埋设时，应确保探头与原位土体紧密结合，埋设部位应测试重量含水率和自由膨胀率，为孔底基础资料。

［1］ 孔令伟．大气作用下膨胀土边坡响应试验［J］．岩土工程学报，2007，29（7）：1065－1072．

［2］ 龚壁卫，宋建平，周武华．非饱和土的吸力测试与现场观测技术［J］．地下空间与工程学报，2006，2（6）：1019－1025．

［3］ 龚壁卫，包承纲．非饱和膨胀土的现场观测技术［J］．南水北调与水利科技，2008，2（1）：291－294．