常用边坡安全监测仪器与原理

边坡变形监测是边坡安全监测的最主要的内容，并且边坡变形监测具有结果直观，监测精度高的特点。随着电子和通信技术的发展形成了很多的边坡位移监测技术，本章主要介绍一些常见边坡变形监测仪器与原理。

6.2.1　地表变形观测

边坡地表变形观测又可称为设站观测，该方法在边坡体上设立变形观测点(成线状或网格状等)，在变形区影响范围之外稳定地点设置固定观测站，采用测量仪器(全站仪、水准仪、GPS测量仪、摄影仪等)定期监测变形区内测点的三维(X，Y，Z)位移变化的监测方法。主要测量方法有大地测量法、GPS测量法和摄影测量法。三种方法的优缺点比较见表6.1。

表6.1地表设站监测方法优缺点对比表

由于大地测量方法有上述的优点，故在边坡的地表监测中占有主导地位，受到监测人员的高度重视。大地测量法技术成熟，精度较高，监控面广，成果资料可靠，便于灵活地设站观测。这里重点介绍大地测量法。

监测网点观测标志的安装埋设是决定大地测量法成败的关键问题之一。监测网点观测标志通常采用钢筋混凝土观测标墩，或选择其他的标准观测墩，标墩基础力求稳固。最常使用的做法是在边坡上埋设监测点和在边坡以外稳定位置浇筑基准对中盘基座，建立相对坐标系统，采用全站仪监测边坡的变形发展规律，掌握和预测边坡的稳定性状况。

(1)变形监测点:针对边坡的类型的不同，采用不同的布置形式。对于土质边坡或碎石土为主的边坡，采用埋设监测桩作为测点;对于岩质边坡，可采用电锤钻孔埋设对中杆作为测点。常见测点如图6－1所示。

图6－1边坡变形监测点类型

(2)测站基座:测站基座应现场浇筑，顶部仪器基盘采取二期混凝土埋设且仪器基盘要求水平。在距离测点较近、通视条件好的稳定地段浇筑对中盘基座，作为测站和后视点，见图6－2所示。

常用的大地测量法主要有两方向(或三方向)前方交会法、双边距离交会法、视准线法、小角法、测距法及几何水准测量法，以及精密三角高程测量法等，常用前方交会法、距离交会法监测边坡变形的二维(X、Y方向)水平位移;用视准线法、小角法、测距法观测边坡的水平单向位移;用几何水准测量法、精密三角高程测量法观测边坡的垂直(Z方向)位移，常用高精度光学和光电测量仪器如精密水准仪、全站仪等仪器，通过测角、测距来完成。下面简单介绍前方交会、精密三角高程测量法与单站极坐标差分法。

图6－2边坡变形监测基座形式

(1)前方交会法。前方交会法主要有两方向(或三方向)前方交会(见图6－3)。其基本原理为，从两个已知工作基点分别对变形点进行观测，根据两个基准点的两次观测所得角度之差以及交会基点到变形点的已知距离而计算变形点的水平位移。

前方交会由于仪器强制对中，目标偏心误差可基本消除，观测中可由同一观测员用同一台仪器按同一方案进行观测，其交会精度高。根据实测资料分析，当交会边长在100m左右时，1s精度的全站仪观测6个测回，水平位移值测量中误差不超过±1mm。

图6－3前方交会法测量图

(2)精密三角高程测量法。精密三角高程测量法是测定两点之间的高差，推算高程。

如图6－4所示。在已知高程点A上放置全站仪，在B点竖立标杆，照准杆顶，测出竖直角α。设A、B之间的水平距离D为已知，则A、B之间的高差可用下面公式计算:

式中，i为全站仪的仪器高;s为标杆的长度。

如果A点的已知高程为HA，则B点的高程为

上式是在假定地球表面为水平面，观测视线为直线的条件下导出的，地面上两点距离较近时(一般在300m以内)可以运用。

如果两点之间的距离大于300m，就必须考虑地球曲率及观测视线由于大气垂直折光的影响(呈一条上凸的弧线)。前者为地球曲率差，简称球差，后者为大气垂直折光差，简称气差。当距离超过300m时，测算高差应加地球曲率及大气垂直折光的改正(可查地球曲率与大气折光改正值表)。

图6－4三角高程测量图

(3)单站极坐标差分法。采用前方交会法需要至少观测两站，观测步骤较多，一次观测的时间较长，虽然在可靠性和平面精度上有利，但达不到及时快速反映边坡变形的目的，采用单站极坐标差分法能很好的解决此问题。单站极坐标差分可同时观测多个变形点，其观测示意图见图6－5。

图6－5单站极坐标法测量图

极坐标差分法使用全站仪进行单向变形监测时，测量过程受到了很多误差因素的干扰，例如大气垂直折光、水平折光、气温、气压、仪器内部误差等等，直接求出这些误差的大小是极其困难的，故可采取差分的方法以减弱或消除这些误差，来提高测量的精度。

极坐标测量三维坐标的变化量，需要对以下几个观测量进行差分改正:

(1)斜距的差分改正。在自动极坐标差分测量系统中，工作基点与参考基准点的仪器墩均建立在相对稳固的地方，可认为它们之间的距离是稳定不变的。设工作基点至某基准点的已知斜距为，在变形监测过程中，某一时刻实测的斜距为d′j，两者间的差异可以认为是因气象条件变化引起的，按下式可求出气象改正比例系数Δd:

如果同一时刻测得某变形点的斜距为d′P，那么经气象差分改正后的真实斜距为:

(2)球气差的改正。为了准确测定变形点的三维坐标，在极坐标的单向测量中，必须考虑球气差对高差测量的影响。如果某一时刻测得监测站与基准点间的三角高差hj为:式中，α为测点的垂直角;ih为仪器高;lh为棱镜高。

那么，根据下式可求出球气差改正系数c:

按下式可求出变形点与监测站之间经球气差改正的三角高差Δhp:

求得监测站与各变形点问的斜距dP和高差Δhp后，可求出监测站至变形点间的平距。(3)方位角的差分改正。把基准点第一次测量的方位角作为基准方位角，其他周期对基准点测量的方位角H′zj与基准方位角相比，有一差异ΔHz:

在变形点每周期的方位角测量值H′zP中，适时加入由同周期基准点求得的ΔHz改正值，可准确求得变形点的方位角HzP:

综合以上各项差分改正，按极坐标计算公式可准确求得每周期各变形点的三维坐标:

式中，X0、Y0、Z0为监测站的坐标值。

若以变形点第一周期的坐标值(X1P，Y1P，Z1P)作为初始值，则各变形点相对于第一周期的变形量为:

每处边坡首先以观测基准网建立独立直角坐标系和假定高程系统，测量出各个基准点的坐标和高程。然后分别自两处观测墩采用极坐标或边角前方交会方法对变形监测点进行观测，测量出各个变形监测点相对于基准点的水平角、倾角、及斜距，然后解算出变形监测点的坐标值及高程，以第一期监测数据作为基准值，将后期观测值与基准值进行比较，得到各个变形监测点的位移变化情况。

在实施观测时，严格按照“三固定、一相同”，即固定观测人员、固定仪器、固定观测路线，在基本相同的条件下进行数据采集的原则。同时，按照《工程测量规范(GB50026－2007)》中三等三角测量对测角的技术要求及距离测量的技术要求实施测量，测角中误差≤1.8″，测距中误差≤5mm;并严格按照《建筑变形测量规范》(JGJ8－2007)中对建筑物形变测量的等级及其精度要求的规定，确保观测点坐标中误差≤6.0mm。

6.2.2　地下深部变形监测

钻孔测斜仪是边坡深部变形监测中最常用的仪器之一，它是一种在钻孔中测量岩土介质深部垂直钻孔轴向变形的精密仪器，由测量探头、测量电缆、读数仪和测斜管等主要设备组成。测斜仪有固定式和滑动式两种，常见伺服加速度计滑动式钻孔测斜仪如图6－6所示，测试时常以每隔0.5m测读一个点，多由孔底开始向上提拉方式测读数据，数据自动保存，计算分析时可导入计算机电脑。

图6－6测量探头、电缆和读数仪

测试原理:钻孔测斜仪的一般工作原理如图6－7所示，电缆和探头由导轮导引，在测量套管导槽内上下滑动。测量套管埋设在岩土体的钻孔内，测斜管外壁与孔壁之间空隙用水泥砂浆密实充填。当岩土体发生变形时，测量套管也随之发生倾斜变化，若将探头在测量套管内自上而下以0.5m间距逐段滑动测量，探头的传感器可以敏感反映出测量套管在每一测量段倾斜角度θ，由此可以得到测量套管的水平变形增量，即挠度:

图6－7钻孔测斜仪工作原理示意图

式中，L为探头两导轮间距，常用0.5m。

把每段的水平变形增量自下而上逐段累加ΔWi，便得到孔口的变形量为:

由于测量套管和岩土体为一整体，测量套管的变形也就是岩土体的实际变形。另外，依据A和B两个相互正交方向的变形，可以准确地判断计算出发生变形或滑动的位置、大小和合成方向。

方位角的定义如6－8图所示:

图6－8方位角的确定

6.2.3　轴向位移监测

多点位移计主要对沿钻孔轴向位移监测开展监测，常布置在人工开挖的边坡内。一般布置在有断层、裂隙、夹层或层面出露的边坡坡面。钻孔的孔底应穿过地质弱面，应在需要监测的软弱结构面两侧各设一个锚固点，最深的一个锚固点宜布设在变形可忽略处。仪器可在水平的、垂直的、或任何方位的钻孔中安装，一般一个孔内设3～6个测点为宜。钻孔孔口应设保护装置，孔口附近应设大地水平位移测点。

多点位移计工作原理是:在钻孔内不同深度的锚头用灌浆或液压锚固的方法与孔壁锚固为一体，当围岩沿钻孔轴线方向发生位移时，其位移量就通过与锚头联结在一起的钢杆(或钢丝)传递到孔口的传感器上，得出与位移成比例的电压或频率变化，并在显示器上显示，然后将电测信号换算成位移量。

钻孔轴向位移监测，适用于地下工程、各类边坡和滑坡，但当钻孔通过破碎带或软岩时，如成孔困难，则灌浆加固后扫孔处理。多点位移计典型的安装埋设施工程序:测量放点→钻孔→仪器组装→仪器安装→灌浆→孔口保护设施施工→待砂浆固化后→按要求进行观测。

多点位移计由传感器、传感器安装底座、钢测杆、塑料护管和灌浆锚头组成。应先按照传感器设计埋设深度，由仪器厂家将相应长度的测杆与灌浆锚头联接，并套上塑料护管，盘成原盘状。塑料护管与灌浆锚头结合处应予密封。安装前，在现场进行拼装，将多个带护管的测杆、灌浆管并列，灌浆管比最深的锚头长1m，锚头间距按设计间距排列。用细铅丝将灌浆管与最深的锚头扎紧，并在护管之间每隔1～1.5m，设一撑板，撑板两边用塑料胶带将护管与灌浆管缠紧，绑成一束。在护管的末端，应做好标记，以防混淆。

图6－9多点位移计安装埋设示意图

将测杆束缓放入钻孔中，将要全部放完时，将护管、灌浆管及排气管从预埋管前后导板的相应孔中穿过，并用安装帽压紧，保持护管与预埋管相对位置不变，一起送进孔底，留出预埋管末端50mm的丝扣，并在丝扣上涂抹黄油，用胶布包扎起来，然后用水泥砂浆把钻孔与预埋管之间的空隙填满。用塑料布将测杆和护管端部包起来，然后用水灰比为0.5∶1的水泥浆将整个钻孔灌满，灌浆压力为0.2MPa。

待水泥浆凝固后，截去多余的灌浆管和排气管，将仪器安装底座与预埋管联结，并装上传感器。用联接杆将各测杆与对应的传感芯杆联接，用读数仪监视，调节传感器芯杆至传感器读数位于整个量程的中间位置，再将传感器固定。牵引好电缆，安装测头保护装置。

6.2.4　裂缝开度监测

测缝计顾名思义是测量裂缝开度或裂缝两侧块体间相对移动的观测仪器。按其工作原理有差动电阻式测缝计、电位器式测缝计、振弦式测缝计及金属标点结构测缝装置等。下面以振弦式测缝计为例介绍其结构与测量原理。

1)仪器结构

振弦式测缝计主要由振弦式敏感部件、拉杆及激振拾振电磁线圈等组成，根据应用需求有埋入式和表面安装两种基本结构形式。

埋入式测缝计外部由保护管、滑动套管和凸缘盘构成，如图6－10所示。

图6－10埋入式测缝计示意图

表面安装型测缝计的两端采用带固定螺栓的万向节，以便与两端的定位装置连接。其外形如图6－11所示。

图6－11表面安装型测缝计示意图

2)测量原理

振弦式测缝计(位移计)安装于裂缝的两端，当裂缝的开合度发生变化时将通过仪器端块引起仪器内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。测量时利用电磁线圈激拨钢弦并量测其振动频率，频率信号经电缆传输至频率读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到被测裂缝相对位移的变化量。

振弦式仪器的测量采用频率模数F来度量，其定义为:

式中，f为振弦式仪器中钢丝的自振频率。

当外界温度恒定，测缝计仅受到轴向变形时，其变形量J′与输出的频率模数ΔF具有如下线性关系:

式中，k为测缝计的最小读数，单位为mm/kHz;ΔF为实时测量的测缝计输出值相对于基准值的变化量，单位为kHz2;F为实时测量的测缝计输出值，单位为kHz2;F0为测缝计的基准值，单位为kHz2。

6.2.5　沉降监测

垂直位移观测是边坡，尤其是填方边坡变形观测的一项重要内容。其目的是测定公路边坡在开挖和填筑后在垂直方向的升降变化。观测方法分两类:一类是用几何水准方法对标石或标杆等观测对象进行垂直位移连续的周期性观测;另一类是在边坡内安装埋设观测仪器，来监测其垂直位移。常见公路边坡沉降监测仪有沉降板和沉降环。

1)沉降板

沉降观测管主要由护套管、测杆、底板组成，如图6－12所示。护套管主要作用是使测杆处于自由状态，防止测杆与路基填料直接接触发生摩擦，影响沉降观测结果，护套管采用φ70mm×4mm镀锌钢管，逐接连接方式进行加长，为方便施工中护套管的保护，每节管长度设为1.5m，施工中根据路堤填筑高度用镀锌管接头连接;观测杆采用φ40mm×4mm(直径×厚度)镀锌钢管拼接，每节长度仍为1.5m，钢接头连接;观测杆底板采用500mm×500mm×10mm(长×宽×厚)钢板，护套管底板采用300mm×300mm×5mm(长×宽×厚)钢板，钢板中心镂空，直径φ8cm，穿入测杆用。

图6－12路堤沉降常用典型沉降板

首先，将测杆和测杆底板、套管和套管底板焊接，焊接均采用连续焊接，焊接高度不小于底板厚度。然后在埋设点地面挖50cm×50cm×20cm(长×宽×深)的土坑，坑内用3～5cm砂压实，将沉降板平放在坑内，四周用土填实并保持水平;填筑时应先在沉降板周围填料压实，以保护沉降板，护套管底板高度应高出测杆底板30cm。

观测时，每段接管的顶面应有相邻两期的观测标高。也就是说，第一段接管埋好后，随即测量管顶标高，作为第一期观测值。待填筑一层土后，先在原顶管面处观测标高，作为第二期观测值。随即接上第二段接管，观测管顶标高。这样，循序逐节升高，计算出每期观测的沉降量。

沉降观测频率可按路基填筑每填高1m观测一次或设计要求频率观测。在每次接管时，都应在接管前、接管后进行测量，根据高差确定接管实际长度。

2)分层沉降仪

分层沉降仪是一种地基原位测试仪器，适用于测量路堤、地基、基坑等地下各分层沉降量。根据测试数据变化，可以计算沉降趋势，分析其稳定性，监控施工过程及工后分层沉降变形等。

(1)结构型式。分层沉降仪由传感器、磁性沉降环、沉降导管和保护装置等组成，见图6－13所示。传感器由圆筒形密封外壳和电路板组成。传感器一端系有长钢卷尺及三芯电缆。钢卷尺和电缆平时盘绕在滚筒上，滚筒与脚架连成一体。测量时脚架放置在测井管口上。沉降管由硬聚氯乙烯塑料制成，由主管与联接管组装而成。联接管是伸缩的套于两节主管之间，用自攻螺丝联接定位。另在主管上套一只磁性沉降环，环的内外径与联接管相同，厚度2mm。磁性沉降环与沉降管一道埋入路堤或边坡钻孔中。

图6－13分层沉降仪及其埋设示意图

(2)工作原理。埋入土体的沉降管要按设计需要隔一定距离设置一磁性沉降环，当土体发生沉降时该环也同步沉降，利用电磁探头测出沉降后铁环的位置，与初始位置相减，即可算出测点的沉降量。

电磁式沉降仪传感器的工作原理见图6－14所示，在振荡线圈未接近磁性沉降环时，振荡器产生振荡后，经放大整流，施加于触发器上，使触发器无输出，执行不工作。当振荡器一接近铁环时，由于磁性沉降环中产生涡流损耗，大量吸收了振荡电路的磁场能量，从而使振荡器振荡减弱，直至停止振荡。此时放大器无输出，触发器翻转，执行器(继电器)动作，晶体音响器便发出声音。在声响刚发出的一瞬间，确定磁性沉降环位置，并立即在钢卷尺上读出磁性沉降环所在位置。

图6－14电磁沉降仪原理框图

6.2.6地下水监测

地下水对边坡的变形破坏影响极大，且多数滑坡灾害与地下水的影响有直接的关系。所以在研究边坡监测方案时，必须考虑水的监测问题。地下水监测主要利用垂直钻孔测量水位和用渗压计测量渗压。

1)水位计

公路边坡地下水位测试最常用的有电测水位计，电测水位计由测头、电缆、滚筒、手摇柄和指示器等组成。测头为金属制成的短棒，两芯电缆在测头中与电极相接，形成电路闭合的“开关”。当测头接触水面使电极在水面接通电路。两芯电缆除了传输信号外，还用作测头的吊索。因此，电缆每隔一米应有长度标记。以测头下端为起点，自下而上注明米数。也可用聚乙烯两芯刻度标尺代替电缆。滚筒用来盘卷电缆或标尺、并用手摇柄来操作滚筒以放收电缆。指示器最常用的是微安表(或毫伏表)，需要时配制蜂鸣器和指示灯，电源采用干电池。

电测水位计是根据水能导电的原理设计的。其电路示意见图6－15。当探头接触水面时两电极使电路闭合，信号经电缆传到指示器及触发蜂鸣器和指示灯，此时可从电缆或标尺上直接读出水深。

另外，根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用渗压计测量水下某一测点的水压力，以该测点水柱压力高度加上该点高程，也可间接地测量水位高低。

图6－15电测水位计电路示意

2)渗压计

渗压计也常称为孔隙水压计，一般分为竖管式、水管式、气压式和电测式四大类。电测式又依传感器不同分为:差动电阻式、振弦式、电阻应变片式和压阻式等。由于振弦式渗压计具有读数方便、维护简易、响应快、灵敏度高等优点，因此在滑坡渗水压力测试领域应用十分广泛。这里简单介绍振弦式渗压计的仪器结构与测量原理。

振弦式渗压计主要由三部分构成:压力感应部件、振弦感应组件及引出电缆密封部件，如图6－16所示。渗压计的感应部件由透水石、感应板组成。感应板上接振弦传感部件，振弦感应组件由振动钢弦和电磁线圈构成。止水密封部分由接座套筒、橡皮圈及压紧圈等组成，内部填充环氧树脂防水胶，电缆由其中引出。

图6－16振弦式渗压计示意图

振弦式渗压计埋设于岩土体内，渗透水压力自进水口经透水石作用在渗压计的弹性膜片上，将引起弹性膜片的变形，并引起振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值，同时由仪器中的热敏电阻可同步测出埋设点的温度值。