边坡变形柔性测斜仪自动化监测系统在水利工程中的应用

李国儒 康建峰

摘要：

为能够准确、实时掌握边坡内部变形监测数据，及时应对边坡变形、垮塌风险，通过柔性测斜仪自动化监测系统，在监测孔内安装柔性测斜仪，实现对边坡深层变化数据24 h自动监测，将数据传输至数据采集器及自动化监测云平台，及时分析监测数据并预警。自动化监测系统克服了以往人工监测的局限性，研究成果可为工程安全施工、运营管理及创新管理提供有力的技术保障。

关键词：

边坡变形； 柔性测斜仪； 自动化监测云平台； 信息预警

中图法分类号： TU449

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.019

文章编号：1006-0081（2023）03-0107-04

0 引 言

水利工程边坡地质灾害具有种类多、范围广、级别大、频次高的特点，特别是高边坡开挖施工过程中，岩体卸荷强烈，地质结构复杂，边坡稳定性差，如不能及时掌握边坡内部的变化数据，将可能导致整个边坡变形、失稳、破坏及倒塌等严重后果，影响和制约水资源开发和水电工程建设［1］，因此对边坡内部变形数据进行监测尤为重要。而在以往水利工程建设过程中，特别是中小型水利工程建设，测斜仪作为一种传统的监测滑坡体错动变形的手段，技术比较成熟，是现在最常用的滑坡监测仪器之一［2］。边坡深层内部人工监测主要是通过测斜仪把记录器中取出的这些原始数据输入到Excel，计算出各高程处的实际合成水平位移，最后生成图像和监测报告［3］。而人工监测过程中，受地形条件、天气变化以及人工观测误差等因素影响，不能及时准确地监测边坡变化数据，特别是恶劣极端天气情况下，不易及时发现边坡内部变形及应力变化并采取预防及处理措施，存在较大事故隐患。在贵州夹岩水利工程建设过程中，边坡内部变形监测采用柔性测斜仪自动化监测系统，该系统能够实现边坡内部数据自动监测，可将监测数据实时获取、传输、分析、预警，实现了远程、自动、全过程监控，解决了人工监测的局限性，并实现了24 h边坡内部变形实时监测，为边坡开挖施工以及后续工程运营提供了有力的技术保障。

1 边坡人工安全监测局限性

由于人工监测地形条件、天气变化以及人工观测误差等因素影响，往往不能及时准确地监测边坡变化情况，不易及时发现和有效预防边坡内部变形及应力变化，致使在工程施工建设过程和运行管理阶段出现因山体变形滑坡而导致工程项目产生生命财产损失。2010年4月25日，新疆柳树沟水电站导流洞边坡开挖过程中，安全人员在巡视边坡时偶然发现导流洞口顶部边坡出现宽约2 cm的裂缝，并且已经下沉约3 cm，随后出现山体局部边坡大面积垮塌。此次事故中，工程项目部及时组织施工人员及设备紧急撤离，虽未造成人员伤亡，但仍造成了约800万元的经济损失。2016年6月20日14∶05，安徽绩溪抽水蓄能电站上水库左坝肩趾板的上部边坡在施工过程中发生岩体滑塌，造成3人死亡、3人轻伤，造成经济损失超过100万元。以上的案例中，因为受地形交通及观测频率等影响，人工监测传统技术手段未能及时监测到边坡内部变形的数据并预警，导致后续边坡失稳而出现安全事故。由此可以看出，传统人工采用测斜仪监测边坡内部变形主要存在以下5个方面的局限性。

（1） 观测点的位置不同、人工操作记录数据量大以及读数误差等原因导致观测数据稳定性和精确性较低［4］。

（2） 边坡深层监测点通常设置在地形条件较为复杂的区域，道路交通不便，人员观测时工作难度大、效率低，观测频次也不足，往往导致边坡内部已出现形变却不能及时监测的情况。

（3） 监测受恶劣天气变化影响严重，特别是长时间暴雨容易引发山体滑坡或垮塌，在这种恶劣天气下，人工监测往往不能及时跟进观测，尤其在洞室施工作业时段，人员、机械进出通行很容易出现安全事故。

（4） 传统监测方式难以实现全部监测点实时监测、全部监测项目的完整综合统一和水利工程边坡24 h连续监测，预报预警难度大，防范难度大［5］。

（5） 在恶劣天气和复杂地形环境下，人工监测人员安全危险系数高且难以得到保障，极易出现安全事故，造成人员生命及财产损失。

2 柔性测斜仪自动化监测系统工艺原理

2.1 柔性測斜仪系统构成

柔性测斜仪主要由MEMS加速度计、温度传感器以及微处理器组成刚性测量节，各测量节之间采用柔性接头进行连接（图1）。边坡测量放线定位及钻孔后，在孔内安装测斜管［6］，将柔性测斜仪安装到测斜孔管内并固定（图2），按照规范要求，测斜孔应该深入稳定岩层0.5 m的位置固定［7］。通过有线或无线传输，及时将监测数据传输至综合采集器后，再传输至自动化监测云平台。

柔性测斜仪ADMV阵列位移计（图3）使用一组密实的微电子机械系统加速度计阵列和经过验证的计算程序测量2D，3D变形值，测斜仪安装完成后，通过校准取得初始状态下每一节加速器X，Y，Z三个方向的初始值，在后续边坡内部监测过程中，边坡内部应力变化通过测量加速度计在不同轴向上的加速度变化量来反应出对应轴与重力方向的角度变化量，通过角度的变化量从而推算相应节点的位移变化量［8］，实现对工程边坡X，Y，Z三维变形量的实时监测，其工作原理如图4所示。

2.2 综合数据自动采集系统

综合数据采集系统主要由控制模块、接线模块、电源、蓄电池、太阳能板、通讯模块、保护箱等组成，其最大的优势在于实现了野外无人值守、全天候实时监测、监测数据自动传输、分析、整理等功能。数据采集分有线连接包括直接与电脑、有线网络连接和有SIM卡传输无线数据流量连接。在距离较远、现场交通不便、障碍物阻挡时采用无线连接，其他情况均采用有线连接。

目前该系统已经在贵州省夹岩水利枢纽工程中得到广泛应用，通过几年来的使用证实在水利工程边坡内部变形监测可靠稳定，可以与市场上的传感器及有线、无线数据采集单元模块实现兼容。

2.3 自动化监测云平台

自动化监测云平台是集通讯和数据采集于一体的应用软件，可以正常运用于电脑和手机终端，其主要界面如图5所示。用户可通过该软件完成监测数据实时获取、云端综合处理、多样化图标展示［9］、专业相关性分析、报表统计上报等功能，可同时管理项目多台监测设备，提供全面可靠的信息服务，且具有维护、扩充、监测信息数据自动备份及安全恢复功能，保障了监测系统的稳定运行。

3 边坡柔性测斜仪自动化监测系统的适应性

受自然环境和人为因素的影响，传统的边坡内部应力变形监测手段不能快速进行灾前预警和灾后信息收集，不能为边坡开挖施工和灾后救援提供技术保障，难以满足边坡变型数据实时监测，因此自动化柔性测斜仪监测技术成为工程建设、运行管理中一种新的监测手段，这一技术主要包括硬件和软件两方面：① 硬件方面包含柔性测斜仪、数据收集和传输模块以及太阳能供电模块；② 软件方面开发了边坡深层位移监测系统，并在电脑或手机终端通过小程序等进行操控［8］，监测人员可以不受地形条件和天气影响随时进行数据监测，并能够自动对数据实时获取、传输、分析、预警，实现了远程、自动、全过程监控，各层管理人员都能够通过电脑、手机等及时观察、了解边坡变形情况。具体优势为以下5点。

（1） 24 h全天候对边坡变形受力、坡体倾斜等因素进行远程自动在线监测，避免人工读数和记录引起的人为误差，实现边坡监测数据实时获取、云端综合处理、监测数据自动分析、多样化图标展示、专业性分析、灾害预警、快速形成报表等功能［10］。

（2） 边坡监测数据不受恶劣天气、复杂地质环境限制，满足观测频次和精度要求，且观测精度得到了极大的提高，可以实时读取监测数据。

（3） 通过云计算、大数据系统建立边坡变形模式，对系统各项监测内容进行趋势分析、过程分析、对比分析、智能筛选等，从而实现项目智能分析、趋势研究、归纳演绎，为同类边坡施工提供支撑依据。

（4） 实现了多级阈值预警，数据变化超过阈值范围会自动预警，并可以通过微信、qq、短信等各种通讯方式及时通知相关人员。

（5） 提高了边坡的应急预案管理水平，当潜在边坡发生变形预警情况时，能及时通知建设、设计、监理、施工单位及其他相关单位，从而及时采取应对措施，进而加快变形边坡的处理效率。

4 柔性测斜仪自动化监测系统应用成果

随着安全标准化施工越来越被重视，各类自动化监测技术的应用也越来越广泛，诸多大型项目建设施工期已经开始在永久边坡使用自动化监测技术，水利工程边坡安全稳定性直接影响到主体工程安全，因此根据现场地质情况制定监测设计方案尤为重要［10］。

贵州夹岩工程泄洪洞进口边坡主要布置在大坝左岸潘家岩部位，该边坡为顺向夹泥边坡，边坡稳定性较差，特别是在发生暴雨后，层状岩石夹泥就会产生滑动。在工程建设初期，柔性测斜仪监测施工尚未投入应用。2016年6月5～9日，工程区域出现连续强降雨，受强降雨影响，人工测斜仪不能及时观测发现边坡内部变形情况，导致现场局部出现喷混凝土表面裂缝、框格梁局部变形拉裂、部分锚索监测值不断增大等异常情况时才被发现，因此错过了锚索张拉锁定的施工最佳时机，后续施工被迫停滞，后期在变形边坡部位重新进行二次边坡开挖并增加边坡加强支护措施后才得以解决。该事件发生后，经参建各方讨论研究，决定在工程边坡内采用柔性测斜仪系统进行自动化监测，如图6所示。该系统安装投入使用后，实现了第一时间数据采集、传输、整理和分析，并将监测数据传送至工程建设各方人员，实现了远程、自动、全过程监控和灾害预警（微信、qq、手机短信提醒）综合功能，为夹岩工程精细化管理和创新管理提供了技术保障，取得了明显的效果。

中铁第四勘察设计院集团有限公司在金丽温铁路青田县祯埠乡下个寮山体滑坡体中采用了3套柔性测斜仪自动监测系统，见图7，对3个已有测斜孔进行自动化监测及预警。2019年3月3～15日，通过柔性测斜仪自动监测系统监测到位于滑坡体前缘铁路线路外侧的深层水平位移自动化监测点CX2-1和CX3-2发生了持续性加速变形，12 d累计变形量约50 mm；位于滑坡体区后缘的CX3-5测斜孔累计变形约10 mm，初步认定滑坡体内部滑带断层正处于加速滑动失稳状态。监测单位第一时间将该情況上报，为后期滑坡体的综合整治施工提供了科学有效的数据支持。

5 结 语

柔性测斜仪监测作为一种新兴的边坡内部变形监测的技术手段，改变了传统人工监测的局限性，通过精密监测仪器能够及时取得监测数据，并将监测数据及时传输、分析、预警、预报，增强了监测的准确性和及时性，简化了传统人工监测工作量，为工程边坡施工及运行管理提供了大数据信息化技术服务安全保障，也为后续工程建设领域地质深层监测提供了重要的借鉴依据，值得在水利工程等建设领域进行推广使用。

参考文献：

［1］ 龙志.基于点云数据的水利工程边坡位移监测研究［J］.科技创新与应用，2015（31）：218-219.

［2］ 张礼朋，王雄英.武都水库ABS测斜管的安装工艺及在边坡监测中的应用［J］.水利水电施工，2012（2）：40-43.

［3］ 张立伟，谢向桂，樊广辉.钻孔测斜仪的原理及其在边坡工程中的应用［J］.贵州科学，2015，33（1）：48-51.

［4］ 李菁，周英婷.滑动式测斜仪监测成果的分析与探讨［J］.四川水力发电，2017，36（1）：43-45.

［5］ 罗威，马然.高速公路滑坡智能监测系统解决方案和应用［J］.公路交通科技（应用技术版），2015，11（5）：32-33.

［6］ 陈光旭.水利水电建设中高边坡安全监测控制［J］.建筑工程技术与设计，2018（6）：2682.

［7］ 李佩峻.柔性测斜仪在公路边坡自动化监测中应用研究［J］ .价值工程，2021，40（3）：179-182.

［8］ 刘思波.自动化监测在深圳某大厦基坑支护工程中的应用［J］.广东土木与建筑，2022，29（2）：17-19.

［9］ 李秀娟，周志华.广东省复杂环境下典型滑坡地表-地下形变监测预警技术研究——以太平村滑坡为例［J］.四川地震，2022（1）：36-42.

［10］ 张华安.蓄集峡水利枢纽左岸高边坡监测设计与分析［J］.工程技术研究，2018（11）：148-149.

（编辑：李 晗）

Application of automatic monitoring system of slope deformation flexible inclinometer in hydraulic engineering

LI Guoru，KANG Jianfeng

（Engineering Construction Supervision Center of Changjiang Water Resources Commission，Yangtze River Water Conservancy and Hydropower Development Group （Hubei） Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to accurately and real-time grasp the slope internal deformation monitoring data，and to responsethe risk of slope deformation and collapse timely，the automatic monitoring system of flexible inclinometer was introduced.By installing flexible inclinometer in the monitoring hole，the 24 h automatic monitoring of deep-seated slope change data was realized.The data to the data collector and automatic monitoring cloud platform was transfered，and the monitoring data was analyzed in time and given early warning.The results solved the limitation of manual monitoring，and provided a strong technical guarantee for the safe and stable construction，operation and innovation management of the project.

Key words：

slope deformation； flexible inclinometer； automatic monitoring cloud platform； information early warning

收稿日期：

2022-10-08

作者簡介：

李国儒，男，高级工程师，主要从事水利工程现场建设管理工作。E-mail：312371115@qq.com