柔性测斜仪在边坡变形监测中的应用及经济性比较

李灿松 湛江市中粤岩土工程检测有限公司

栗佳辉 广东红海人力资源有限公司

陈自强 湛江市中粤岩土工程检测有限公司

边坡是工程中重要的组成部分，处理不当会引起崩溃、滑坡等工程问题，造成严重的经济损失和安全问题。为了保证边坡的稳定，除采取适当的工程措施之外，还需要进行边坡变形监测，方便及时掌握边坡的变形发展方向、大小及发展趋势；了解潜在滑动体滑动面及主要滑动区域内不同部位、不同岩体的变形及发展情况[1-2]。长期以来，在边坡的变形监测中常使用人工测斜仪观测测斜管的方式进行深层水平位移的监测，该测量技术使用较为成熟，但该方法所得精度与操作人员的熟练程度有关，并且无法做到远程监控[3]。自动化观测可用柔性测斜仪实现，以便全天候进行实时监测。本文针对湛江市引调水工程边坡深层水平位移人工和自动化两种监测方法，从技术安装使用、经济性等方面进行对比分析。

以湛江引调水工程等别为Ⅱ等大（2）型工程中取水口边坡测斜监测项目为例，在取水口边坡两侧分别布置深层水平位移观测点（测斜管），分别采用柔性测斜仪和滑动测斜仪进行观测，并对两种仪器进行对比分析。深层水平位移测点均采用钻孔安装埋设外径为Φ70mm、导槽扭转角≤0.2°/m的ABS管。

1.柔性测斜仪的基本原理及组成

柔性测斜仪又称阵列位移计，其基本原理是通过加速度计测量重力加速度在不同的轴向上的数据来反应出对应轴与重力方向的角度，通过角度的变化从而计算对应的长度杆的位移量。柔性测斜仪由多节段组成，节段之间由柔性关节作为连接，节段为一节固定长度的钢管（常见为50cm、100cm），每节钢管内有一个独立智能的MEMS（Micro Electromechanical System）微机电系统。其中微机电系统是由传感器、执行器和微能源三大部分组成。

整套设备安装在岩土体内部或结构物表面之后，当岩土体与结构发生变形时，MEMS倾斜测量单元同步发生倾斜变形。以测量单元底端为基准点，根据各单元测量到的倾斜角度及单元长度，累加计算被测对象沿传感器敷设轴线的切向位移变化曲线。进而通过岩土体（或结构）内部不同深度的水平位移量、水平位移方向和变形速率，对岩土体（或结构）内部的当前变形状态、未来发展趋势进行识别和判定。节段原理示意图见图1。

图1 节段原理示意图

2.技术对比

2.1 安装监测方法

（1）人工监测。边坡深层水平位移人工观测常需要使用滑动测斜仪对测斜管的变形进行监测来实现。该方法需在施工期将测斜管打入边坡，测斜管通常安装在穿过不稳定土层至下部稳定地层的垂直钻孔内，测斜仪通过探头，控制线缆，滑轮装置和数据采集软件来观测测斜管的变形。第一次观测可以建立起测斜管位移的初始断面。其后的观测会显示当地面发生运动时断面位移的变化。观测时,探头从测斜管底部向顶部移动,在0.5m/1m处暂停并进行测量工作。

（2）柔性测斜仪监测。将组装好的柔性测斜仪套入PE保护管中进行保护，然后根据不同的应用环境，可以直埋安装，也可以安装在岩土体（或结构）内部预先垂直钻孔埋设的PVC套管中，还可以后期在钻孔中用套管方式安装，通过数据采集器收集数据后传输至监测系统服务器即可进行岩土体的变形观测，只要使套管发生移动的任何变形，即可通过测量阵列式位移计的形状变化准确得到。

2.2 适应性比较

（1）人工监测。项目常用滑动测斜仪量程有±30°、±60°、±90°；精度为±0.01 mm/500 mm 或±2mm/30m；测头、电缆具有一定的防水功能；一般能适应多数工程所在常规地区的温度。但数据测量准确性和人员操作有很大关系，某些项目监测常出现短时间内2次重复测量稳定性较差，数据不可靠的情况。需要能熟练操作该监测设备的工作人员使用以确保监测数据的准确性。人工观测耗时较长，且当工程遇到工程遭遇有感地震、区域性暴雨、特大或超标洪水等灾害时，实时采集数据、反馈安全信息和及时决策问题更为凸显[4]。

（2）柔性测斜仪监测。常见的柔性测斜仪测量维度为3 D；角位移量程为0°～360°；系统稳定性为±1.5mm～±2mm/32m；整体采用防水密封结构，可承受水压约2MPa；能适应多数工程所在地区的温度变化；柔性测斜仪监测长度可根据工程实际需要定制，市面常见品牌最大长度基本为100m，且柔性测斜仪可重复使用。节点处的柔性节可以自由弯曲，最大弯曲度可达180°（轴向±90°范围内任意弯折），可以适应监测界面的较大变形。

柔性测斜仪所测数据准确性较好，有更好的重复性，且可以通过偏量修正确保初次安装时监测方向的准确性，通过扭矩校正确保安装完成后设备发生扭动时测量结果的准确性。支持无线、串口等多种通讯方式进行数据传输，采集频率最高可达每秒1次，可远程进行实时分析并下载数据，对突发问题可及时采集数据，反馈安全信息，有助于及时做出决策。

（3）人工和自动化监测数据对比。以某水利工程边坡深层水平位移监测为例，进行同孔试验。先用人工测斜仪测出该测斜孔的初始值，再将柔性测斜仪安装到测斜管中，采集初始值数据并持续观测一年。将柔性测斜仪取出，用人工测斜仪再次测量该测斜孔，最后对比这段时间滑动测斜仪与柔性测斜仪监测的变化量。通过分析同测孔对比监测数据可知，柔性测斜仪监测数据与滑动测斜仪监测数据吻合度较高，说明柔性测斜仪在实际工程中监测方向和监测数据准确、设备精度高，可以用来代替传统人工观测。人工和自动化监测位移量变化见图2。

图2 人工和自动化监测位移量对比图

3.经济性分析

设备监测成本主要由设备折旧成本和人工成本组成。设备折旧计算方法按年度总和法计算；人员成本设定1人即可完成边坡水平位移监测及数据处理，成本含交通、食宿等作业成本[5]。成本计算按下式计算：

式中：M为总成本（万）；T1为累计工作月数；T2为月份，X为作业人员每月成本（万元）；L为设备剩余使用年限（年）；Y为设备折旧年限（年）；A为设备购置总价；B为过去年度设备已用成本总和;C为一次性土建量费用（包含钻孔及回填、测斜管安装）。

以某引水隧洞边坡工程为例，在出口处布设5个测点（编号INsc1-5）用于监测边坡深层水平位移变化，5组测斜管总长103m。

经济性分析工况设定如下：

作业方式1：人工监测。作业人数1人，月均成本依据工程勘察服务成本要素计算考虑，单点·次·米测量为29元，月均成本为1.5万元。测斜管安装采购总价8万（含设备费、安装费、钻孔及回填）；监测设备采购总价6.5万，折旧年限5年，价格综合考虑国内设备厂商报价及过往工程，其中安装费为设备费的22.58%[6]。监测频次依据规范规定，施工期为5点次/月，运行期为5点次/月。

作业方式2：自动化监测。作业人员远程监测，可与其他监测项目共用，认定0人。钻孔及护管安装成本6万，柔性测斜仪及自动化采集装置安装采购共47万（含设备费、安装费），折旧年限5年。成本价格综合考虑国内设备厂商报价及过往工程，其中安装费为设备费的22.58%。监测频次依据规范规定，施工期为150点次/月，运行期为20点次/月。

两种作业方式分别带入公式，以60个月为时间期限，计算得到成本-时间曲线，如图3所示。对比两种监测方法成本可知：

图3 两种作业方式成本-时间曲线

（1）人工监测主要成本为人员支出，自动化监测主要成本为监测设备。当认定监测设备正常使用5年后更换时，可以看到前期人工和自动化监测成本基本接近，但随着监测期的延长，人工成本逐渐高于自动化监测成本。这是因为自动化监测成本来自于监测设备的逐年折旧，无新增支出；而人工监测成本主要来自人员成本支出，是不断新增的支出。

（2）本模型计算的假定条件为该项目所有监测设备及安装均为一次性付费，且监测设备稳定性和耐久性不高的前提下设备使用年限仅为5年。当监测设备使用年限超过5年时，自动化监测成本支出将更优于人工。

（3）由于监测设备及安装为一次性付费，当边坡深层水平位移监测项目仅为短暂的1～2年时，此时监测设备折旧年限达不到5年，自动化监测成本将高于人工观测。但因为柔性测斜仪可以重复使用的优点，可以通过租赁、产研合作等方式降低成本。

（4）本模型计算以相同监测时间下的成本作为对比标准，但自动化监测频率远高于人工监测，更有助于了解边坡变形情况，遇到突发问题时采集数据更及时，有助于及时做出决策。自动化监测同时也是未来工程监测的发展方向。

4.结语

（1）从监测试验结果来看，柔性测斜仪的测值和人工观测值吻合度较高，可以反映边坡实际变形情况。对于边坡深层水平位移观测项目，在观测精度、观测频率均可以达到规范要求条件下，柔性测斜仪的安装使用更为方便。

（2）以本文工程为例，监测点位为5个。在长期监测情况下，短期内人工、自动化监测成本较为接近，但随时间变化自动化监测成本逐渐低于人工监测。随着监测设备使用寿命的延长，自动化监测在成本方面将会更具优势。短期监测情况下（1～2年）一次性购入设备，设备折旧年限降低，自动化监测成本大于人工监测，但根据柔性测斜仪可以重复使用的优点，可以找寻更为经济合理的方案。不同工程监测点次和实际支出标准不同，对成本计算有一定影响。

（3）作为未来监测行业的发展方向，自动化监测的优点不仅是使用方便，长期成本降低，其监测频率远高于人工监测，更有助于了解边坡变形情况，遇到突发问题时采集数据更及时，有助于及时做出决策。