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1、水电高边坡施工安全监测技术姚卓英（中铁十一局集团第三工程有限公司 湖北十堰 442012）摘 要 通过高边坡施工期安全监测的实例， 说明了高边 坡的深层变形观测、 结构应力观测、荷载观测和表观变形观测的安全监测设置概况、工作原理和施工方法，并根据观测观测数据、曲线的分析，对边坡不同时段的边坡稳定性进行判断， 为进行高边坡的安全生 产和科学施工方面的提供重要依据， 进而说明了高边坡安全监测的重要性和必要性。关键词 高边坡; 监测; 成果分析1 工程概况1.1 工程概况EL1560m 平台工程是锦屏水电站引水隧洞主要施工场地，位于雅砻江干流锦屏大河湾上，地处高山峡谷，地面坡度一般在 4050，该平
2、台由原始边坡直接开挖形成，主要施工区段为K4+576K4+985，开挖主要形成高程为 1560 和 1605 两个功能平台（简称 1560 平台与 1605 平台） ，最大开挖高度约 120m（坡顶高程 1680m） 。1605 平台长约 100m，宽 1520m，布置有引水隧洞混凝土系统；1560 平台长约 400m，宽 1540m ，布置有机车修理厂、调车场地及引水隧洞、上游调压室施工支洞洞口等。根据地质情况的不同，开挖坡比为 1:0.31:0.5，依次布置有1560、1575、1590、1605、1620、1635、1650m 共计 7 级马道（台阶） ，台阶高度为 15m，马道宽度为2
3、m。边坡喷锚支护 4.4 万平方米，设置有锚筋桩、锚索等支护形式。1.2 地质概况根据本工程的地质情况以及边坡支护情况，决定对 K4+700K4+985 段边坡进行安全监测，其地质情况如下：（1）K4+700K4+800 段：上覆有 14m 不等的半胶结角砾岩，下伏为 T2y5 灰白色厚层大理岩，岩体以弱风化为主，局部为强风化，完整性较差，结构面发育，沿结构面常见有溶蚀现象。另外，K4+700K4+760（EL15801605m ）段边坡发生过塌方，岩体完整性相当差，存在明显的滑移面。（2）K4+800K4+985 段： K4+800K4+930 段边坡发育一变形体，后缘高程约 1900m，前
4、缘高程约1520m，高差约 380m，完整性差，性状差，岩层已明显变形弯曲。变形体的最大铅直厚度达2530m，变形体稳定性较差，下伏基岩为 T2y5 灰色厚层大理岩，完整性较好；K4+930K5+985 段上覆有 24m 不等的半胶结角砾岩，下伏为 T2y5 灰灰黑色大理岩，以中厚状为主，局部为中薄层，岩体以弱风化为主，局部为强风化，存在局部倾倒变形问题；完整性较差，结构面发育，发育有一条宽11.5m、产状为 N10E，NW6270顺层挤压带。 2 监测目的、内容及机理2.1 监测目的边坡工程监测是高危边坡开挖支护施工中的一个必不可少的重要环节，通过对开挖支护形成临空面的不稳定岩体实施监测，及
5、时掌握工程边坡岩体应力和变形的动态变化过程，将各种监测信息及时反馈给边坡设计者和开挖组织者，提出下一步开挖支护施工建议，实现信息化施工，及时控制施工速率，确保工程边坡的安全稳定。2.2 监测内容与设备选型按照本工程的特点，安全监测可分为深部变形观测、结构应力观测、荷载观测和表观位移观测 4大类，采用多因素综合判断的方法对边坡进行整体稳定性判断。针对本工程上述监测类别，在设备选型时充分考虑现场条件，要求设备的稳定性好，并满足本工程的精度和量程要求，据此，选定由基康仪器（北京）有限公司生产的监测仪器，多点变位计、锚筋桩应力计（振弦式钢筋计）和锚索测力计的设备型号分别为 BGK4450-100 型、
6、BGK4911A-28 型、BGK4900-1000/2000KN 型,对应测读仪器为美国Geokon 公司原装进口的 GK-403 型振弦式读数仪。测斜管的测度仪器为美国 Sinco 公司生产的50302510 型伺服加速度式测斜仪，配有专用读数仪。具体安全监测设置工程数量、主要监测设备技术指标如下： 表 1 EL1560 平台监测项目内容统计表序号 类别 监测形式 编号 工程量 单位 主要技术指标 备注1 MP1MP15 651.5 m 孔深 4050m2 多点变位计 MP1605-12 54 m量程： 100mm；精度：0.1%F.S.；孔径 90mm，四点式，上倾 5 2 套多点变位计
7、，孔深 27m3深部变形观测测斜管 INP1INP10 525.2 m ABS 管，外径 71mm，内径 68mm 孔深 5065m4 结构应力观测 锚筋桩应力计 KLP7KLP12 6 套 量程：310MPa；精度：0.1%F.S.； 三点式，传感器间距 3m5 DP1DP21 21 台 量程：1500KN；精度：0.25%F.S.； 适用 100T 级锚索6荷载观测 锚索测力计D1605-16 6 台 量程：2500KN；精度：0.25%F.S.； 适用 200T 级锚索7 水平位移测点 TP1605-13 3 个 误差限值： 3mm 每月观测一次8 垂直位移测点 LD1605-16 6
8、个9表观位移观测垂直位移基点 LN1605-12 2 个 进行二等水准测量塌方段张拉期间垂直位移测点每天观测两次2.3 监测的机理针对本工程原形监测设备、设施的施工情况，现对本工程的多点变位计、测斜管、锚筋桩应力计、锚索测力计以及变形观测的工作原理和计算方法进行简要说明如下：2.3.1 钢弦式多点变位计（4 点）（1） 工作原理本工程采用的是 4 点式多点变位计，即按照设计要求的间距安装好 4 个锚头和传力杆，锚头距孔口的位置分别为 2m9m24m40m（实际的位置可根据待测部位的地质情况可做适当调整） ，以及孔口处的传感器，封孔后通过灌净水泥浆定位锚固锚头。当基岩产生位移时，锚头随之移动，并
9、经过传递杆传到孔口处的传感器，通过测读仪表（振弦式读数仪）进行观测，进而计算出各测点对应的变形情况。（2） 变形量计算位移 ）（）（ 0101TKRGL上式中 L变形量，mm；G传感器系数，mm/Digit ；、 分别为锚固点发生位移后和埋设前的测值（Hz 2） ，GK-403 型振弦式读数仪现场测读10温度修正系数，mm/； 、 分别为实测温度和初始温度K102.3.2 测斜管（1） 工作原理本工程通过把带有滑轮的伺服加速度式测斜仪作为敏感原件在测斜管中移动，伺服加速度的输出电压正比于被测加速度，通过测值可以逐段计算出位移后管轴线与铅垂线的夹角，分段求出水平位移，累加得出总位移量及延管轴线整
10、个孔深位移的变化情况。（2）变形量计算变形量 ： 4180)5(AL上式中： 测斜仪轮长为 L 的相对铅垂线的位移量，mm,本仪器 L=500mm；、 分别表示测斜仪延某一方向的读数以及旋转 180的读数。0A182.3.3 锚筋桩应力计（三点式）（1） 工作原理在同一根钢筋上布置有三个钢筋计，钢筋计与受力钢筋对焊连接成整体，距孔口的距离分别为3、6 和 9m，锚头的编号分别为 1#、2#和 3#，当钢筋收到轴向拉力时，与钢筋紧固在一起的钢筋计将发生变形，从而改变钢弦的自振频率，测读仪表通过钢筋计频率的改变可以求得轴向应力的变化。（2）荷载计算锚筋桩应力计的计算原理与多点变位计的计算原理相同。
11、荷载 ）（）（ 0101TKRGF式中 应力值，KN；其它参数同多点变位计。2.3.4 锚索测力计（1）工作原理本工程采用的是钢弦式锚索测力计（荷载盒式） ，该仪器是由钢筒和布置在其周边的 4 个钢弦式应变计组成，通过应变计测读作用在荷载盒上的荷载（频率） ，并取平均值，然后，计算出锚索的受力情况。（2）应力计算锚筋桩应力计的计算原理与多点变位计的计算原理相同。荷载 ）（）（ 0101TKRGF式中 应力值，KN；其它参数同多点变位计。2.3.5 表观位移观测（1）工作原理本工程水平变形观测采用全站仪（GPT-3002LN，标称精度为 1.6mm） ，通过控制网上的测量基点（分别为 JP146
12、、145 和 147 号）进行边角交汇法观测，观测 1605 平台上的 3 个水平位移测点的坐标，观测桩编号分别为：TP1605-13，以了解水平变形情况。垂直位移观测采用二等水准观测，由布置在在 1605 平台上两个不受张拉影响的垂直位移基点（LN1605-1、2） ，观测 2 个基点之间的 6 个垂直位移测点，分别为 LD1605-16，测量设备为德国蔡司制造的型号为 DiNi12 型电子水准仪，准确度U=0.51。通过（2）数据处理当按照上述设计要求布置好水平、垂直位移测点后，首先，测量并按照规范要求取得初值，将施工期观测数据与锚索张拉前表面变形测点的基准值（初值）对比，算出水平位移和垂
13、直位移的变化量，并分析其对边坡稳定的影响。3 安全监测布置安全监测设施的布置既要以高边坡整体稳定性为主，也要兼顾局部断裂等岩体缺陷的监测。根据边坡地质情况，需要对 K4+700K4+985 段（1560m 以上）边坡进行安全监测，其中K4+700K4+760 段 1605m 平台表观位移、以及 K4+800K4+985（1560m 以上）段边坡为本工程安全监测的重点。3.1 K4+700K4+800 段（1560m 以上）监测布置该区段共设置了 3 个监测断面，测斜管共计 3 个，编号：IN P79，锚筋桩应力计（三点式）6 套KLP712，多点位移计共计 7 个，编号：M P713，锚索测力
14、计共计 5 台，编号：D P1014。3.2 K4+700K4+760 段 1605m 平台表观位移监测布置该段边坡开挖过程发生塌方，后进行了贴坡混凝土施工，并采用压力分散型锚索加固，1605m 平台布置有混凝土骨料仓，荷载为 25t/m2。为了了解锚索张拉过程中边坡的变形和受力情况，K4+700K4+760（15801605m）段边坡共设置多点位移计 2 个，编号：M P1605-12，锚索测力计 6台，编号：D1605-16 。同时，在 1605 平台上设置 3 个水平位移测点，6 个垂直位移测点，2 个垂直位移基点，用以观测 1605 平台在锚索张拉过程中的变形情况。表观位移为该部位的监
15、测重点，具体见图1。垂 直 位 移 工 作 基 点 LN1605-LD1605-423LN1605-2图 1 K4+700K4+760 段表观位移测点布置图3.3 K4+800K4+985 段（1560m 以上）监测布置该区段为本工程的监测重点，共设置了 4 个监测断面，分别为：K4+830、K4+880、K4+930 、 K4+970，每个监测断面均布置有多点变位计、测斜孔、锚索测力计。测斜管共计 7 个，编号：IN P16、10；多点位移计共计 8 个，编号：M P16、14、15；锚索测力计共计16 台，编号：D P19、D P1521。具体见图 2。1：0.5： 1：0.5796 ：图
16、 2 K4+800K4+985 段（1560m 以上）高边坡监测布置图以下为 K4+830 监测断面的监测仪器布置示意图说明监测设施的布置情况，详细情况见图 3。图 3 K4+830 段（1560m 以上）高边坡监测断面图4 安全监测施工4.1 安全监测仪器设备的检验、率定用于本工程的所有仪器设备运到工地现场后，在现场对全部监测仪器设备进行全面测试、检验、率定。具体内容包括：出厂时仪器资料参数卡片是否齐全，仪器数量与发货单是否一致； 进行外观检查，仔细查看仪器外部有无损伤痕迹，锈斑等；用万用表测量仪器线路有无断线，用兆欧表量测仪器本身的绝缘是否达到出厂值；用测读仪表测试仪器设计出场参数是否正常，主要是针对现场使用的弦式多点变位计、弦式锚筋桩应力计、弦式锚索测力计的灵敏度系数 G、仪器误差 、以及进行温度性能及防水性能检验等。4
