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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40～50°，该平台由原始边坡直接开挖形成，主要施工区段为K4+576～K4+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15～20m，布置有引水隧洞混凝土系统；1560平台长约400m，宽15～40m，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1:0.3~1:0.5，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2m。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+700～K4+985段边坡进行安全监测，其地质情况如下：
（1）K4+700～K4+800段：上覆有1～4m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+700～K4+760（EL1580～1605m）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+800~K4+985段： K4+800~K4+930段边坡发育一变形体，后缘高程约1900m，前缘高程约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25~30m，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+930~K5+985段上覆有2~4m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1~1.5m、产状为N10°E，NW∠62~70°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、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
深部变形观测
多点变位计
MP1~MP15
651.5
m
量程：100mm；精度：±0.1%F.S.；孔径Ф90mm，四点式，上倾5°
孔深40～50m
2
MP1605-1~2
54
m
2套多点变位计，孔深27m
3
测斜管
INP1~INP10
525.2
m
ABS管，外径71mm，内径68mm
孔深50～65m
4
结构应力观测
锚筋桩应力计
KLP7~KLP12
6
套
量程：310MPa；精度：±0.1%F.S.；
三点式，传感器间距3m
5
荷载观测
锚索测力计
DP1~DP21
21
台
量程：1500KN；精度：±0.25%F.S.；
适用100T级锚索
6
D1605-1~6
6
台
量程：2500KN；精度：±0.25%F.S.；
适用200T级锚索
7
表观位移观测
水平位移测点
TP1605-1~3
3
个
误差限值：±3mm
每月观测一次
8
垂直位移测点
LD1605-1~6
6
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
9
垂直位移基点
LN1605-1~2
2
个
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2m\9m\24m\40m（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
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（Hz2），GK-403型振弦式读数仪现场测读
—温度修正系数，mm/℃；、—分别为实测温度和初始温度
2.3.2 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个孔深位移的变化情况。
（2）变形量计算
变形量 ：
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。
2.3.3 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。
荷载
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
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、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：TP1605-1～3，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LD1605-1～6，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+700～K4+985段（1560m以上）边坡进行安全监测，其中K4+700～K4+760段1605m平台表观位移、以及K4+800~K4+985（1560m以上）段边坡为本工程安全监测的重点。
3.1 K4+700~K4+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：INP7~9，锚筋桩应力计（三点式）6套KLP7~12，多点位移计共计7个，编号：MP7~13，锚索测力计共计5台，编号：DP10~14。
3.2 K4+700～K4+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+700～K4+760（1580～1605m）段边坡共设置多点位移计2个，编号：MP1605-1~2，锚索测力计6台，编号：D1605-1~6。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测重点，具体见图1。

图1 K4+700~K4+760段表观位移测点布置图
3.3 K4+800~K4+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：INP1~6、10；多点位移计共计8个，编号：MP1~6、14、15；锚索测力计共计16台，编号：DP1~9、DP15~21。具体见图2。

图2 K4+800~K4+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σ、以及进行温度性能及防水性能检验等。
4.2 监测仪器埋设关键控制工艺
（1）研究现场条件并进行监测仪器测量定位。监测工程的施工是与土建工程施工交叉进行的，仪器安装埋设施工，既要达到设计的要求，又要克服环境的影响，尽量避免施工干扰。所有监测设施施工前，需要按照设计图纸给定的断面位置（或更准确的坐标）进行定位。如果发现现场条件不能（或不便）进行监测设施施工，需要改变位置时，需要征得监理和现场设计代表的同意。
（2）深部变形观测和结构应力观测设施施工。完成监测设施（多点变位计、测斜孔、锚筋桩应力计）的钻孔、设备安装、灌浆和基准值的测读。施工过程中，应特别注意：多点变位计（4点式）的锚固点应该跨越断裂带和软弱夹层，在钻孔过程中，应对钻孔取芯做好记录，并绘制钻孔岩芯柱状图。测斜孔钻孔精度很重要，倾斜度应小于2°，在钻孔过程中应经常予以校核，同时，测斜孔下管和灌浆时，必须保证装配好的测斜管导槽的扭转角每3m不超过1°，全长范围内不超过5°。三点式锚筋桩应力计连接采用同轴对焊方式，应特别注意焊接质量。
（3）荷载观测（锚索测力计）设施施工，应注意锚索测力计的准确定位和锁定值的确认。测力计或传力板与孔轴线垂直，其倾斜度应小于0.5°，偏心不大于5mm。张拉前，按照设计要求测量其基准值。锚索张拉最后一级应进行稳定监测，每5min测读一次，连续测读3次，当三次读数的最大值与最小值之差小于1％F.S时，确认稳定，此时，所测的荷载为锁定荷载。
（4）表观位移观测（水平垂直位移测点、垂直位移基点）施工。应确保所有的测点和基准点应和建筑物牢靠结合，并能够体现边坡的变形情况，另外，垂直位移观测基点必须位于张拉影响范围以外的稳定岩体上。
4.3 安全监测频次
当安全监测设备按规范要求安装埋设完毕并读取初值后，按照以下频次进行观测，测斜管观测频次1次/周，多点变位计、锚筋桩应力计、锚索测力计埋设初期，每天观测1次，观测一周后每周观测3次，连续观测1月后每周观测1次。
表观位移观测，1605平台在锚索张拉前观测一次水平、垂直位移测点，张拉过程中水平位移每月观测一次，垂直位移每天观测2次。
同时，按照规范要求，在汛期、测值出现异常或为施工提供必要的资料时，对部分仪器增加测次。
5 安全监测成果分析
5. 1 边坡深部变形观测成果分析
5.1.1 多点变位计观测资料分析
本工程共有17个多点变位计（4点式），现以K4＋830断面MP15多点位移计监测资料分析为例说明多点变位计的监测情况。MP15多点位移计各测点位移值列于表2，位移时间过程线见图4。
表2 K4＋830断面MP15多点位移计实测成果表
仪器编号：MP15 埋设高程：1592m 埋设日期：2006年12月15日
观测
日期
孔口 (0m)
1＃锚头(3m)
2＃锚头(9m)
3＃锚头(22m)
孔口
温度℃
状态
评价
位移(mm)
变化速率
位移(mm)
变化速率
位移(mm)
变化速率
位移(mm)
变化速率
06-12-15
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
10.7
该部
位稳
定
06-12-22
0.28
0.00
0.50
0.00
0.30
0.00
0.08
0.00
8.5
07-11-10
0.71
0.00
-0.70
-0.01
-1.14
0.00
-1.58
0.00
14.9
07-11-24
0.78
0.00
-0.65
0.00
-1.24
-0.01
-1.57
0.00
17.5
07-12-2
0.73
0.00
-0.71
0.00
-1.24
0.00
-1.60
0.00
16.8
07-12-17
0.72
0.00
-0.79
0.00
-1.37
-0.01
-1.62
0.00
13.9
07-12-24
0.76
0.00
-0.72
0.01
-1.43
-0.01
-1.62
0.00
18.5
备注
1）变化速率单位为mm/d。2）4＃锚头埋深42m。

图4 K4+830断面MP15多点位移计各测点变化过程线
在本工程边坡开挖支护施工过程中，K4+830段1578以上边坡在2007年12月12日爆破后曾出现过3条（长约15m）边坡贯穿性裂缝，通过爆破后对该区段多点变位计MP15观测可以看出，其观测值在爆破前后未有明显变化，且一直处于稳定状态，为浅层裂缝。
通过表2可知，2007年11月10日各锚头的反向变形（向山内侧）主要是由于该区段的锚索张拉引起，截至12月24日，一个半月内的观测数据显示，边坡处于稳定状态。通过本工程其它部位的17台多点变位计稳定后的读数的分析来看，各多点位移计位移的变化速率均在-0.01~0.01mm/d之间，最大变形量在可控范围内，监测仪器对应边坡均处于稳定状态。
5.1.2边坡深部变形（测斜孔）观测成果分析
本工程共有10个测斜孔，现以K4＋830断面INP10号测斜孔的监测资料分析为例说明测斜孔的监测情况。
受2007年12月12日爆破以及连天降雨的影响，该断面1590m高程曾出现过3条（长约15m）边坡贯穿性裂缝。12月18日测斜孔的测值出现了明显的变形，出现边坡裂缝后立即对该测斜孔进行了加密观测，观测结果显示的累计最大位移为4.64mm，出现在离孔口3m的深度，方向为坡外向，通过上述结论，同样得出了开裂属于爆破引起的浅层裂缝，不会引起边坡稳定的结论，为边坡的后期加固和处理提供了理论依据。
按照上述结论，设计对该开裂段作出了进行长锚杆和锚筋桩加强支护的决定，后期的长期监测结果显示，上述加强喷锚支护确保了边坡安全稳定，具体参见图5。
通过对其它9个测斜孔的监测来看，累计位移值在可控范围内，观测结果为边坡的稳定判断和深层支护施工提供了理论依据。
5.2 结构应力观测（锚筋桩应力计观测）
本工程的锚筋桩应力计采取三点式应力计，现以K4+778（EL1643m）断面处的KLP11说明锚筋桩的结构应力观测成果见表3，受力过程线见图6。 图5 INP10号测斜孔累计位移曲线图
表3 K4＋778断面KLP11锚筋桩应力计实测成果表
仪器编号：KLP11 埋设高程：1643m 埋设日期：2007年5月11日 2007年5月31日取基准值
观测
日期
1#（3m）
2＃ (6m)
3＃锚头(9m)
荷载（KN）
状态
评价
频率
温度
频率
温度
频率
温度
1#
2＃
3＃
07-5-31
3073.1
23.4
3114.4
18.7
3089.5
18.1
0.00
0.00
0.00

该部
位基
本稳
定
07-6-9
3085.2
22.2
3112.7
19.1
3087.6
18
0.86
-0.13
-0.12
07-6-10
3082.1
22.5
3113.3
19.0
3088.8
18.2
0.64
-0.08
-0.05
07-6-12
3097.3
21.6
3109.2
19.3
3084.2
18.5
1.70
-0.36
-0.36
07-6-15
3103.8
21.3
3108.8
19.3
3083.6
18.0
2.14
-0.38
-0.38
07-6-17
3071.6
24.5
3107.4
18.9
3081.4
18.2
-0.16
-0.45
-0.53
07-6-19
3075.2
23.8
3104.6
19.1
3080.8
18.4
0.12
-0.64
-0.58
07-6-22
3070.5
25.1
3100.2
19.5
3077.9
18.1
-0.26
-0.93
-0.75

图6 KLP11 锚筋桩应力计受力过程线
通过上面的图表可以看出，锚筋桩完成对松动岩体的加固施工后，浅层（3m）的锚头测力比较明显，约2.3KN，6m和9m的锚头显示的受力较小，基本上处于不受力的范围。通过上述部位的锚筋桩应力计的测值可以看出，该部位的锚筋桩设计较为保守，锚筋桩实际受力范围在6m以内，据此，可以进行锚筋桩设计参数调整。
5.3 锚索荷载观测
位于K4+830（EL1587m）断面处的DP17号锚索测力计锁定张拉荷载1100KN，锁定监测值为1044.2kN,截至2007年10月28日荷载为1010.1kN。具体数据见表4
表4 DP17锚索测力计实测成果表
观测
日期
观测时间
频率
温度℃
荷载(kN)
备注
1（红）
2（黄）
3（兰）
4（黑）
平均
2007-9-25
17:12
5599.5
5753.0
5497.8
5969.4
5704.9
25.7
1044.2
锁定后
2007-9-26
9:44
5608.1
5760.2
5503.6
5974.8
5711.7
20.1
1038.1

2007-9-27
10:00
5647.0
5770.9
5538.0
5993.8
5737.4
28.0
1022.8

2007-9-29
8:50
5652.7
5772.1
5544.1
5998.6
5741.9
21.3
1017.9

2007-10-2
9:17
5661.8
5778.9
5552.9
6004.0
5749.4
23.1
1013.3

2007-10-13
16:14
5667.0
5782.3
5558.8
6008.1
5754.1
21.2
1009.6

2007-10-28
17:17
5667.1
5781.4
5557.4
6008.5
5753.6
21.8
1010.1

2007-12-2
16:37
5678.0
5770.3
5568.8
5987.3
5751.1
15.1
1009.9

通过DP17测力计的测力结果可以看出：当锚索锁定后2天内，锚索的应力损失最为明显，荷载由1044.2衰减到1022.8，减小了21.4，衰减率为2.1%，其后的荷载变化主要受温度影响（本锚索测力计的温度修正系数K=0.282664）。其它的锚索测力计也反映出类似的情况。通过测力计的实时监测，能够动态的了解锚索的真实受力状态，改善和优化锚索张拉的施工工艺。
5.4表观位移观测
在锚索施工过程中，按照水平位移每月观测一次，垂直位移每天观测2次进行表观位移观测，共进行了4次水平位移观测，60次垂直位移观测，观测结果显示水平位移与初值偏差为-1mm，垂直位移与初值偏差为-0.4mm～0.1mm。1605平台变形较小，边坡处于稳定状态，排除了锚索张拉过程中塌方段边坡可能出现过大边坡挤压变形的担忧，同时，为1605平台永久观测提供了基础数据。
6、结束语
通过本工程安全监测的施工以及对监测成果的分析可知，施工期的观测数据能够及时真实的反馈所监测边坡变形以及受力变化情况，并对边坡的稳定性进行判断，安全监测设施的设置和后期监测施工是合理的、有效的，为进行高边坡的安全生产和科学施工提供了可靠的依据。结合本工程的安全监测的数据，可以得到如下结论：
（1）边坡深部变形观测成果分析：由于本工程工作面大，施工时间跨度长，通过对本工程17台多点变位计和10个测斜孔的观测，了解了边坡开挖卸荷后的变形情况，为边坡的稳定判断和深层支护施工提供了理论依据，特别为开裂段K4+830断面的边坡稳定性提供了理论依据。
（2）结构应力观测成果分析：通过对锚筋桩应力计的读数分析可知，锚筋桩完成对松动岩体的加固施工后，浅层（3m）的锚头测力比较明显，深层的锚头显示的受力较小，基本上处于不受力的范围，说明锚筋桩设计参数偏于保守，可基于观测成果调整锚筋桩的设计参数。
（3）表观变形观测成果分析：在1605以下边坡200T锚索张拉过程，为了避免1605平台出现较明显的变形，积极的优化锚索张拉施工方案，避免出现偏压和集中荷载的情况。通过对张拉其间1605平台上的水平垂直位移测点的观测结果可以看出，显示1605平台变形较小，边坡处于稳定状态。

参考文献：
【1】二滩水电开发有限责任公司。岩土工程安全监测手册【M】.中国水利水电出版社，2003。
【2】中华人民共和国电力行业标准、DL/T5178-2003，混凝土大坝安全监测技术规范。北京：水利水电出版社，1990。
【3】赵明阶，等。边坡工程处置技术【M】.人民交通出版社，1999。
【4】吴玉财，等。基于监测技术的公路高危边坡安全控制【J】.公路，2006，12（12）。

作者简介：
姚卓英：男，1980年4月出生，助理工程师，2004年毕业于西安科技大学岩土工程专业，现任职于中铁十一局集团第三有限公司锦屏项目经理部，从事水电、公路施工技术及管理工作4年，曾获得公司2007年度最佳合理化建议（2项）三等奖, 联系电话[phone]。
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