边坡工程施工监测

4　边坡工程施工监测

本章导读：

本章从介绍边坡工程监测工作的目的、重要性入手，详细讲解了边坡施工安全监测的监测内容、监测方法，部分仪器元件安装操作步骤，数据分析整理方法以及对边坡稳定性评价，并介绍了监测报告的编写内容要求。

●基本要求　了解边坡工程监测作用和监测报告的编写内容，掌握一般的监测内容、监测方法及其基本原理。

●重点　边坡监测的内容及其方法的掌握，边坡监测方案的编制内容要求。

●难点　变形、应力等监测数据的分析整理和边坡稳定性评价。

4．1　概　述

4．1．1　边坡工程监测的意义

从岩土力学的角度来看，边坡处治是通过某种结构人为给边坡岩土体施加一个外力作用或者通过人为改善原有边坡的环境，最终使其达到一定的力学平衡状态。但由于边坡内部岩土力学作用的复杂性，从地质勘察到处治设计均不可能完全考虑边坡内部的真实力学效应，我们的设计都是在很大程度的简化计算上进行的。为了反映边坡岩土真实力学效应、检验设计施工的可靠性和处治后的边坡的稳定状态，边坡工程防治监测具有极其重要的意义。

边坡处治监测的主要任务就是检验设计施工、确保安全，通过监测数据反演分析边坡的内部力学作用，同时积累丰富的资料作为其他边坡设计和施工的参考资料。边坡工程监测的作用在于：①为边坡设计提供必要的岩土工程和水文地质等技术资料；②边坡监测可获得更充分的地质资料（应用侧斜仪进行监测和无线边坡监测系统监测等）和边坡发展的动态，从而圈定可疑边坡的不稳定区段；③通过边坡监测，确定不稳定边坡的滑落模式，确定不稳定边坡滑移方向和速度，掌握边坡发展变化规律，为采取必要的防护措施提供重要的依据；④通过对边坡加固工程的监测，评价治理措施的质量和效果；⑤为边坡的稳定性分析提供重要依据。

边坡工程监测是边坡研究工作中的一项重要内容，随着科学技术的发展，各种先进的监测仪器设备、监测方法和监测手段的不断更新，使边坡监测工作的水平正在不断地提高。

4．1．2　边坡工程监测的内容与方法

边坡处治监测包括施工安全监测、处治效果监测和动态长期监测。一般以施工安全监测和处治效果监测为主。

施工安全监测是在施工期对边坡的位移、应力、地下水等进行监测，监测结果作为指导施工、反馈设计的重要依据，是实施信息化施工的重要内容。施工安全监测将对边坡体进行实时监控，以了解由于工程扰动等因素对边坡体的影响，及时地指导工程实施、调整工程部署、安排施工进度等。在进行施工安全监测时，测点布置在边坡体稳定性差或工程扰动大的部位，力求形成完整的剖面，采用多种手段互相验证和补充。边坡施工安全监测包括地面变形监测、地表裂缝监测、滑动深部位移监测、地下水位监测、孔隙水压力监测、地应力监测等内容。施工安全监测的数据采集原则上采用24 h自动实时观测方式进行，以使监测信息能及时地反映边坡体变形破坏特征，供有关方面作出决断。如果边坡稳定性好，工程扰动小，可采用8～24 h观测一次的方式进行。

边坡处治效果监测是检验边坡处治设计和施工效果、判断边坡处治后的稳定性的重要手段，通常结合施工安全和长期监测进行，以了解工程实施后边坡体的变化特征，如监测预应力锚索应力值的变化、抗滑桩的变形和土压力、排水系统的过流能力等，以直接了解工程实施效果，为工程的竣工验收提供科学依据。边坡处治效果监测时间长度一般要求不少于一年，数据采集时间间隔一般为7～10 d，在外界扰动较大时，如暴雨期间，可加密观测次数。

边坡长期监测将在防治工程竣工后，对边坡体进行动态跟踪，了解边坡体稳定性变化特征。长期监测主要对一类边坡防治工程进行。边坡长期监测一般沿边坡主剖面进行，监测点的布置少于施工安全监测和防治效果监测，监测内容主要包括滑带深部位移监测、地下水位监测和地面变形监测，数据采集时间间隔一般为10～15 d。

边坡监测的具体内容应考虑边坡的等级、地质及支护结构的特点：对于一类边坡防治工程，建立地表和深部相结合的综合立体监测网，并与长期监测相结合；对于二类边坡防治工程；在施工期间建立安全监测和防治效果监测点，同时建立以群测为主的长期监测点；对于三类边坡防治工程，建立群测为主的简易长期监测点。

边坡监测内容一般包括：地表大地变形监测、地表裂缝位错监测、地面倾斜监测、裂缝多点位移监测、边坡深部位移监测、地下水监测、孔隙水压力监测、边坡地应力监测等，见表4．1。

表4．1　边坡工程监测项目表

4．1．3　边坡工程监测方案与实施

边坡处治监测方案应综合施工、地质、测试等方面的要求，量测计划根据边坡地质地形条件、支护结构类型和参数、施工方法和其他有关条件，由设计人员制订完成。监测方案一般应包括下列内容：

①监测项目、方法及测点或测网的选定，测点位置、量测频率，量测仪器和元件的选定及其精度和率定方法，测点埋设时间等；

②量测数据的记录格式，表达量测结果的格式，量测精度确认的方法；

③量测数据的处理方法；

④量测数据的大致范围，作为异常判断的依据；

⑤从初期量测值预测最终量测值的方法，综合判断边坡稳定的依据；

⑥量测管理方法及异常情况对策；

⑦利用反馈信息修正设计的方法；

⑧传感器埋设设计；

⑨固定元件的结构设计和测试元件的附件设计；

⑩测网布置图，文字说明和监测设计说明书。

计划实施须解决如下3个关键问题：①获得满足精度要求和可信赖的监测信息；②正确进行边坡稳定性预测；③建立管理体制和相应管理基准，进行日常量测管理。

4．1．4　边坡工程监测的基本要求

边坡监测方法的确定、仪器的选择既要考虑到能反映边坡体的变形动态，同时必须考虑到仪器维护方便和节省投资。由于边坡所处的环境恶劣，对所选仪器应满足以下要求：

①仪器的可靠性和长期稳定性好；

②仪器有能与边坡体变形相适应的足够的量测精度；

③仪器对施工安全监测和防治效果监测精度和灵敏度较高；

④仪器在长期监测中具有防风、防雨、防潮、防震、防雷等与环境相适应的性能；

⑤所采用的监测仪器必须经过国家有关计量部门标定，并具有相应的质检报告。

相关的监测工作应遵循以下原则：

（1）边坡监测系统包括仪器埋设、数据采集、存储和传输、数据处理、预测预报等。

（2）边坡监测应采用先进的方法和技术，同时应与群测群防相结合。

（3）数据库、数据和图形处理系统、趋势预报模型、险情预警系统等。

（4）监测数据的采集尽可能采用自动化方式，数据处理须在计算机上进行。

（5）监测设计须提供边坡体险情预警标准，并在施工过程中逐步加以完善。监测方须以周报或月报依次定期向建设单位、监理方、设计方和施工方提交监测分析报告，必要时可提交实时监测数据。

4．2　边坡的变形监测

边坡岩土体的破坏，一般不是突然发生的，破坏前总是有相当长时间的变形发展期。通过对边坡岩土体的变形量测，不但可以预测预报边坡的失稳滑动，同时运用变形的动态变化规律检验边坡的处治设计的正确性。

边坡变形监测包括地表大地变形监测、地表裂缝位错位移监测、地面倾斜监测、裂缝多点位移监测、边坡深部位移监测等项目内容。对于实际工程应根据边坡具体情况设计位移监测项目和测点。

4．2．1　地表大地变形量测

地表大地变形监测是边坡监测中常用的方法。地表位移监测则是在稳定的地段测量标准（基准点），在被测量的地段上设置若干个监测点（观测标桩）或设置有传感器的监测点，用仪器定期监测测点和基准点的位移变化或用无线边坡监测系统进行监测。

地表位移监测通常应用的仪器有两类：一是大地测量（精度高的）仪器，如红外仪、经纬仪、水准仪、全站仪、GPS等，这类仪器只能定期的监测地表位移，不能连续监测地表位移变化。当地表明显出现裂隙及地表位移速度加快时，使用大地测量仪器定期测量显然满足不了工程需要，这时应采用能连续监测的设备，如全自动全天候的无线边坡监测系统等。二是专门用于边坡变形监测的设备，如裂缝计、钢带和标桩、地表位移伸长计和全自动无线边坡监测系统等。

测量的内容包括边坡体水平位移、垂直位移以及变化速率。点位误差要求不超过±2．6～5．4 mm，水准测量每公里中误差±1．0～1．5 mm。对于土质边坡，精度可适当降低，但要求水准测量每公里中误差不超过±3．0 mm。边坡地表变形观测通常可以采用十字交叉网法（见图4．1a），适用于滑体小、窄而长，滑动主轴位置明显的边坡；放射状网法（见图4．1b），适用于比较开阔、范围不大，在边坡两侧或上、下方有突出的山包能使测站通视全网的地形；任意观测网法（见图4．1c）所示，用于地形复杂的大型边坡。

图4．1　边坡表面位移观测网

4．2．2　边坡地表裂缝量测

边坡表面张性裂缝的出现和发展，往往是边坡岩土体即将失稳破坏的前兆讯号，因此这种裂缝一旦出现，必须对其进行监测。监测的内容包括裂缝的拉开速度和两端扩展情况，如果速度突然增大或裂缝外侧岩土体出现显著的垂直下降位移或转动，预示着边坡即将失稳破坏。

地表裂缝位错监测可采用伸缩仪、位错计或千分尺直接量测。测量精度0．1～1．0 mm。对于规模小、性质简单的边坡。在裂缝两侧设桩（见图4．2a）、设固定标尺（见图4．2b）、在建筑物裂缝两侧砂浆贴片（见图4．2c）或在地表刻槽观测（见图4．2d）等方法，均可直接量得位移量。

图4．2　裂缝简易观测装置示意图

对边坡位移的观测资料应及时进行整理和核对，并绘制边坡观测桩的升降高程、平面位移矢量图，作为分析的基本资料。从位移资料的分析和整理中可以判别或确定出边坡体上的局部移动、滑带变形、滑动周界等，并预测边坡的稳定性。

4．2．3　边坡深部位移量测

边坡深部位移监测是监测边坡体整体变形的重要方法，是指导防治工程的实施和效果检验的重要手段。边坡岩土体内部位移监测手段较多，目前国内使用较多的主要为钻孔引伸仪和钻孔倾斜仪两大类。

钻孔引伸仪（或钻孔多点伸长计）是一种传统的测定岩土体沿钻孔轴向移动的装置，它适用于位移较大的滑体监测，但仪器性能较稳定，价格便宜，但钻孔太深时不好安装，且孔内安装较复杂；其最大的缺点就是不能准确地确定滑动面的位置。

钻孔引伸仪根据埋设情况可分埋设式和移动式两种，根据位移仪测试表的不同又可分为机械式和电阻式。埋设式多点位移计安装在钻孔内以后就不再取出，由于埋设投资大，测量的点数有限，因此又出现了移动式。有关多点位移计的详细构造和安装使用可参阅有关书籍。

钻孔倾斜仪运用于边坡工程的时间不长，它是测量垂直钻孔内测点相对于孔底的位移（钻孔径向）。观测仪器一般稳定可靠，测量深度可达百米，且能连续测出钻孔不同深度的相对位移的大小和方向。因此，这类仪器是观测岩土体深部位移、确定潜在滑动面和研究边坡变形规律较理想的手段，目前在边坡深部位移量测中得到广泛采用。如大冶铁矿边坡、长江新滩滑坡、黄腊石滑坡、链子崖岩体破坏等均运用了此类仪器进行岩土深层位移观测。

钻孔倾斜仪由测量探头、传输电缆、读数仪及测量导管四大部件组成，其结构如图4．3所示，其工作原理是利用仪器探头内的伺服加速度测量埋设于岩土体内的导管沿孔深的斜率变化。由于它是自孔底向上逐点连续测量的，所以，任意两点之间斜率变化累积反映了这两点之间的相互水平变位。通过定期重复测量可提供岩土体变形的大小和方向。根据位移一深度关系曲线随时间的变化中可以很容易地找出滑动面的位置，同时对滑移的位移大小及速率进行估计。图4．4为一个典型的钻孔倾斜仪成果曲线，从图中可清楚地看到在深度10．0 m处变形加剧，可以断定该处就是滑动控制面。

图4．3　钻孔倾斜仪原理图

图4．4　钻孔倾斜典型曲线

钻孔倾斜仪测量成功与否，很大程度上取决于导管的安装质量。导管的安装包括钻孔、导管的吊装以及回填灌浆。

钻孔是实施倾斜仪测量的必要条件，钻孔质量将直接影响到安装的质量和后续测量。因此，要求钻孔尽可能垂直并保持孔壁平整。如在岩土体内成孔困难时，可采用套管护孔。钻孔除应达到上述要求外，还必须穿过可能的滑动面，进入稳定的岩层内（因为钻孔内所有点的测量均是以孔底为参考点的，如果该点不是“不动点”将导致整个测量结果的较大误差），一般要求进入稳定岩体的深度不应小于5～6 m。

成孔后，应立即安装测斜导管，安装前应检验钻孔是否满足预定要求，尤其是在岩土体条件较差的地方更应如此防止钻孔内某些部位可能发生塌落或其他问题，导致测量导管不能达到预定的深度。测量导管一般是2～3 m一根的铝管或塑料管，在安装过程中，操作人员用接头管逐根铆接，并密封下放至孔底。当孔深较大时，为保证安装质量，应尽可能利用卷扬机吊装以保证导管能以匀速下放至孔底。整个操作过程比较简单，但往往会因操作人员疏忽大意而导致严重后果。在吊装过程中通常可能出现的问题有：

①由于导管本身的质量或运输过程中的挤压造成导管端部变形，使得两导管在接头管内不能对接（即相邻两导管紧靠）。粗心的操作人员往往会因对接困难而放弃努力，当一部分导管进入接头管后就实施铆接、密封。这样做对深度不大的孔可能暂无严重后果，但当孔深很大时，铆钉可能会因承受过大的导管自重而被剪断（对于完全对接的导管铆钉是不承受较大剪力的）；另一隐患是由于没有完全对接，在导管内壁两导管间形成的凹槽可能会在以后测量时卡住测量探头上的导轮。应尽量避免这种情况发生，通常的办法是在地面逐根检查。

②由于操作不细心，密封不严，致使回填灌浆时浆液渗进导管堵塞导槽甚至整个钻孔。避免出现这一情况的唯一办法是熟练、负责地操作。

导管全部吊装完后，钻孔与导管外壁之间的空隙必须回填灌浆保证导管与周围岩体的变形一致，通常采用的办法是回填水泥砂浆。对于岩体完整性较好的钻孔，采用压力泵灌浆效果无疑是最佳的，但当岩体破碎、裂隙发育甚至与大裂隙或溶洞贯通时，可考虑使用无压灌浆，即利用浆液自重回填整个钻孔，但选择这种方法灌浆时应相当谨慎；首先要保证浆液流至孔底，检验浆液是否流至孔底或是否达到某个深度的办法是在这些特定位置预设一些检验装置（例如根据水位计原理设计的某些简易装置）。当实施无压灌浆浆液流失仍十分严重时，可考虑适当调整水泥稠度，甚至往孔内投放少许干砂做阻漏层直至回填灌满。

所有准备工作完成后，便可进行现场测试。由于钻孔倾斜仪资料的整理都是相对于一组初始测值来进行的，故初始值的建立相当重要。一般应在回填材料完全固结后读数，而且最好是进行多次读数以建立一组可靠的基准值。读数的方法是：对每对导槽进行正、反方向两次读数，以便检查每点读数的可靠性；当两次读数的绝对值相等时，应重新读数以消除可能因记录不准导致的误差。从仪器上直接读取的是一个电压信号，然后根据系统提供的转换关系得到各点的位移。逐点累加则可得到孔口表面处相对于孔底的位移。

在分析评价倾斜仪成果时，应综合地质资料，尤其是钻孔岩芯描述资料加以分析，如果位移一深度曲线上斜率突变处恰好与地质上的构造相吻合时，可认为该处即是滑坡的控制面，在分析位移随时间的变化规律时地下水位资料及降雨资料也是应加以考虑的。

测量位移与实际位移之间包含有一定的误差，误差的来源有两个：一是仪器本身的误差，这是用户无法消除的；另一就是资料的整理方法。在整理钻孔倾斜仪资料时，人为地做了两个假定：a．孔底是不动的；b．导管横断面上两对导槽的方位角沿深度是不变的，即导管沿孔深没有扭转。在大多数情况下这两个条件是很难严格满足的。虽然第一个条件有可能通过加大孔深来满足，但后一个条件往往很难满足，尤其是在钻孔很深时。有资料表明，由于厂家的生产精度和现场安装工艺等因素，铝管导管在钻孔内的扭转可达到1°/3 m。也就是说，导槽沿深度构成的面实际上并非平面而是一个空间扭曲面，因此，测量得到的每个点的位移实际上并非同一方向的位移，而根据假设将它们视为同一方向进行不断累加必然带来误差。消除这一误差的办法是利用测扭仪器测量各数据点处导槽的方位角，然后将用倾斜仪得到的各点位移按此方位角向预定坐标平面投影，处理后得到的各点位移才是该平面的真实位移。这时，孔中表面点的位移大致上反映了该点的真正位移。

4．2．4　边坡变形量测资料的处理与分析

边坡的变形测量数据的处理与分析，是边坡监测数据管理系统中一个重要内容，可用于对边坡未来的状况进行预报、预警。边坡变形数据的处理可以分为两个阶段：一是对边坡变形监测的原始数据的处理。该项处理主要是对边坡变形测试数据进行干扰消除，以获取真实有效的边坡变形数据，这一阶段可以称作为边坡变形量测数据的预处理。边坡变形数据分析的第二阶段是运用边坡变形量测数据分析边坡的稳定性现状，并预测可能出现的边坡破坏，建立预测模型。

（1）边坡变形量测数据的预处理

在自然及人工边坡的监测中，各种监测手段所测出的位移历时曲线均不是标准的光滑型曲线。由于受到各种随机因素的影响，例如测量误差、开挖爆破、气候变化等，绘制的曲线往往具有不同程度的波动、起伏和突变，多为振荡型曲线，使观测曲线的总体规律在一定程度上被掩盖。尤其是那些位移速率较小的变形体，所测的数据受外界影响较大，使位移历时曲线的振荡表现更为明显。因此，去掉干扰部分，增强获得的信息，使具突变效应的曲线变为等效的光滑曲线显得十分必要，它有利于判定不稳定边坡的变形阶段及进一步建立其失稳的预报模型。目前在边坡变形量测数据的预处理中较为有效的方法是采用滤波技术。

在绘制变形测点的位移历时过程曲线中，反复运用离散数据的邻点中值作平滑处理，使原来的振荡曲线变为光滑曲线，而中值平滑处理就是取两相邻离散点之中点作为新的离散数据。如图4．5所示，点1′，2′，3′，4′为点1，2，3，4，5中值平滑处理后得到的新点。

平滑滤波过程是先用每次监测的原始值算出每次的绝对位移量，并作出时间一位移过程曲线，该曲线一般为振荡曲线，然后对位移数据作6次平滑处理后，可以获得有规律的光滑曲线（见图4．6）。

图4．5　曲线平滑处理示意图

图4．6　某实测曲线的平滑处理曲线

（2）边坡变形状态的判定

边坡变形典型的位移历时曲线（见图4．7）通常分为三个阶段：

第一阶段为初始阶段（AB段），边坡处于减速变形状态，变形速率逐渐减小，而位移逐渐增大，其位移历时曲线由陡变缓。从曲线几何上分析，曲线的切线由小变大。

第二阶段为稳定阶段（BC段），又称为边坡等速变形阶段，变形速率趋于常值，位移历时曲线近似为一直线段。直线段切线角及速率近似恒值，表征为等速变形状态。

图4．7　边坡变形典型曲线

第三阶段为非稳定阶段（CD段），又称加速变形阶段，变形速率逐渐增大，位移历时曲线由缓变陡。曲线表现出加速变形状态，同时亦可看出切线角随速率的增大而增大。

可以看出，位移历时曲线切线角的增减可反映速度的变化。若切线角不断增大，说明变形速度也不断增大，表明变形处于加速阶段；反之，则处于减速变形阶段；若切线角保持一常数不变，亦即变形速率保持不变，处于等速变形状态。根据这一特点可以判定边坡的变形状态，具体分析步骤如下：

首先将平滑获得的位移历时曲线上各点的切线角分别算出，然后放在如图4．8所示的坐标中。

纵坐标为切线角，横坐标为时间。对这些离散点作一元线性回归，求出能反映其变化趋势的线性方程：

式中 α——切线角；

图4．8　切线角与时间的线性拟合

A，B——待定系数。当A＜0时，上式为减函数，随着t的增大，变小，变形处于减速状态；当A＝0时，α为一常数，变形处于等速状态；当A＞0时，上式为增函数，α随t的增大而增大，变形处于加速状态。

A值由一元线性回归中的最小二乘法得到：

式中 i——时间序数，i＝1，2，3，…，n；

ti——第i点的累计时间；

（3）边坡变形的预测分析

经过滤波处理的变形观测数据除可以直接用于边坡变形状态的定性判定外，更主要的是可以用于边坡变形或滑动的定量预测。定量预测需要选择恰当的分析模型。通常可以采用确定性模型和统计模型，但在边坡监测中，由于边坡滑动往往是一个极其复杂的发展演化过程，采用确定性模型进行定量分析和预报是非常困难的。因此目前常用的手段还是传统的统计分析模型。

统计模型有两种两类：一种多元回归模型；一种是近年发展起来的非线性回归模型。多元回归模型的优点是能逐步筛选回归因子，但对除了时间因素外，其他因素的分析仍然非常困难和少见。非线性回归模型在许多的情况下能较好地拟合观测数据，但使用非线性回归的关键是如何选择合适的非线性模型及参数。

对于多元线性回归，即：

式中 αi——待定系数。

对于非线性回归分析，应根据实际情况选择回归模型，如朱建军（2002）选择了生物增长曲线型模型，即：

式中 a、b、c——待定参数；

ym——可能的最大滑动值；

t——时间变量。

在对整个边坡的各监测点进行回归分析，求出各参数后就可以根据各参数值对整个边坡状态进行综合定量分析和预测。通常情况下非线性回归比线性回归更能直观反映边坡的滑动规律和滑动过程，并且在绝大多数情况下，非线性回归模型更有利于对边坡滑动的整体分析和预测，这对变形观测资料的物理解释有着十分重要的理论与实际意义。

4．3　边坡应力监测

在边坡处治监测中的应力监测包括边坡内部应力监测、支护结构应力监测、锚杆（索）预应力监测。

4．3．1　边坡内部应力测试

边坡内部应力监测可通过压力盒量测滑带承重阻滑受力和支挡结构（如抗滑桩等）受力，以了解边坡体传递给支挡工程的压力以及支护结构的可靠性。压力盒根据测试原理可以分为液压式和电测式两类（见图4．9、图4．10），液压式的优点是结构简单、可靠，现场直接读数，使用比较方便；电测式的优点是测量精度高，可远距离和长期观测。目前在边坡工程中多用电测式压力测力计。电测式压力测力计又可分为应变式、钢弦式、差动变压式、差动电阻式等。表4．2是国产常用压力盒类型、使用条件及优缺点归纳。

图4．9　液压式土压力盒

图4．10　电测式土压力盒

在现场进行实测工作时，为了增大钢弦压力盒接触面，避免由于埋设接触不良而使压力盆失效或测值很小，有时采用传压囊增大其接触面。囊内传压介质一般使用机油，因其传压系数可接近1，而机油可使负荷以静水压力方式传到压力盒，也不会引起囊内锈蚀，便于密封。压力盒与传压囊装配情况如图4．11所示。

表4．2　压力盒的类型及使用特点

压力盒的性能好坏，直接影响压力测量值的可靠性和精确度。对于具有一定灵敏度的钢弦压力盒，应保证其工作频率，特别是初始频率的稳定，压力与频率关系的重复性好。因此在使用前应对其进行各项性能试验，包括钢弦抗滑性能试验、密封防潮试验、稳定性试验、重复性试验以及压力对象、观测设计来布置压力盒。压力盒的埋设较简单，但由于其体积大，较重，也会给埋设工作带来一定的困难。埋设压力盒总的要求是接触紧密、平稳，防止滑移，不损伤压力盒及引线。

图4．11　钢弦式压力盒与传压囊装配图

4．3．2　岩石边坡地应力监测

边坡地应力监测主要是针对大型岩石边坡工程，为了了解边坡地应力或在施工过程中地应力变化而进行的一项重要监测工作。地应力监测包括绝对应力测量和地应力变化监测。绝对应力测量在边坡开挖前和边坡开挖中期以及边坡开挖完成后各进行一次，以了解三个不同阶段的地应力场情况，采用的方法一般是深孔应力解除法。地应力变化监测即在开挖前，利用原地质勘探平洞埋设应力监测仪器，以了解整个开挖过程中地应力变化的全过程。

对于绝对应力测量，目前国内外使用的方法，均是在钻孔、地下开挖或露头面上刻糟而引起岩体中应力的扰动，然后用各种探头量测由于应力扰动而产生的各种物理量变化的方法来实现，总体上可分为直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法是指由测量仪器所记录的补偿应力、平衡应力或其他应力量直接决定岩体的应力，而不需要知道岩体的物理力学性质及应力应变关系，如扁千斤顶法、水压致裂法、刚性圆筒应力计以及声发射法均属于此类。间接测量法是指测试仪器不是直接记录应力或应变变化值，而是通过记录某些与应力有关的间接物理量（可以是变形、应变、波动参数、放射性参数等）的变化，然后根据已知或假设的公式计算出现场应力值，如应力解除法、局部应力解除法、应变解除法、应用地球物理方法等均属于此类。关于绝对应力测量读者可参阅有关岩石力学的书籍。

对于地应力变化监测，由于要在整个施工过程中实施连续量测，因此量测传感器长期埋设在量测点上。目前应力变化监测传感器主要有Yoke应力计、国产电容式应力计及压磁式应力计等。

（1）Yoke应力计

Yoke应力计为电阻应变片式传感器。它由钻孔径向互成60°的3个应变片测量元件组成，其结构如图4．12所示。根据读数可以计算测点部位岩体的垂直于钻孔平面上的二维应力。三峡工程船闸高边坡监测中使用了该应力计。

图4．12　Yoke应力计结构示意图

（2）电容应力计

电容式应力计最初主要用于地震测报中监测地应力活动情况。其结构与Yoke压力计类似，也是由垂直于钻孔方向上的3个互成60°的径向元件组成。不同之处是3个径向元件安装在1个薄壁钢筒中，钢筒则通过灌浆与钻孔壁固结合在一起。

（3）压磁式应力计

压磁式压力计由6个不同方向上布置的压磁感应元件组成，即3个互成60°的径向元件和3个与钻孔轴线成45°夹角的斜向元件组成，其结构如图4．13所示。从理论上讲，压磁式应力计可以量测测点部位岩体的三维应力变化情况。

图4．13　压磁式应力计结构示意图

4．3．3　边坡锚固应力测试

在边坡应力监测中除了边坡内部应力、结构应力监测外，对于边坡锚固力的监测也是一项极其重要的监测内容。边坡锚杆锚索的拉力的变化是边坡荷载变化的直接反映。

（1）锚杆轴力的量测

锚杆轴力量测的目的在于了解锚杆实际工作状态，结合位移量测，修正锚杆的设计参数。锚杆轴力量测主要使用的是量测锚杆。量测锚杆的杆体是用中空的钢材制成，其材质同锚杆一样。量测锚杆主要有机械式和电阻应变片式两类。

图4．14　量测锚杆结构与安装示意图

机械式量测锚杆是在中空的杆体内放入4根细长杆（见图4．14），将其头部固定在锚杆内预定的位置上。量测锚杆一般长度在6 m以内，测点最多为4个，用千分表直接读数。量出各点间的长度变化，计算出应变值，然后乘以钢材的弹性模量，便可得到各测点间的应力（见图4．15）。通过长期监测，从而可以得到锚杆不同部位应力随时间的变化关系（见图4．16）。

图4．15　不同时间锚杆轴力随深度的变化曲线

图4．16　不同点锚杆轴力随时间的变化曲线

电阻应变片式量测锚杆是在中空锚杆内壁或在锚杆上轴对称贴4块应变片，以4个应变的平均值作为量测应变值，测得的应变再乘以钢材的弹性模量，得各点的应力值。

（2）锚索预应力损失的量测

对预应力锚索应力监测，其目的是为了分析锚索的受力状态、锚固效果及预应力损失情况，因预应力的变化将受到边坡的变形和内在荷载的变化的影响，通过监控锚固体系的预应力变化可以了解被加固边坡的变形与稳定状况。通常一个边坡工程长期监测的锚索数，不少于总数的5%。监测设备一般采用圆环形测力计（液压式或钢弦式）或电阻应变式压力传感器。

锚索测力计的安装是在锚索施工前期工作中进行的，其安装全过程包括：测力计室内标定、现场安装、锚索张拉、孔口保护和建立观测站等。锚索测力计的安装示意图如图4．17所示。

图4．17　锚索测力计的安装示意图

如果采用传感器，其安装示意如图4．18所示。

监测结果为预应力随时间的变化关系，通过这个关系可以预测边坡的稳定性。图4．19所示为某高速公路边坡预应力监测结果，从图中可以看出，经过半年时间，各锚索预应力趋于稳定。说明边坡的锚固效果良好，边坡经过雨季后，预应力值无异常出现，边坡经过加固处理后已趋于稳定。

图4．18　传感器埋设示意图

目前采用埋设传感器的方法进行预应力监测，一方面由于传感器的价格昂贵，一般只能在锚固工程中个别点上埋设传感器，存在以点代面的缺陷；另一方面由于须满足在野外的长期使用，因此对传感器性能、稳定性以及施工时的埋设技术要求较高。如果在监测过程中传感器出现问题无法挽救，这将直接影响到工程的整体稳定性的评价。因此研究高精度、低成本、无损伤、并可进行全面监测的测试手段已成为目前预应力锚固工程中亟待解决的关键技术问题。针对上述情况，已有人提出了锚索预应力的声测技术，但该技术目前仍处于应用研究阶段。

图4．19　某高速公路锚索预应力随时间的变化关系

4．4　边坡地下水监测

地下水是边坡失稳的主要诱发因素，对边坡工程而言，地下水动态监测也是一项重要的监测内容，特别是对于地下水丰富的边坡，应特别引起重视。地下水动态监测以了解地下水位为主，根据工程要求，可进行地下水孔隙水压力、扬压力、动水压力、地下水水质监测等。

4．4．1　地下水位监测

我国早期用于地下水位监测的定型产品是红旗自计水位仪，它是浮标式机械仪表，因多种原因现已很少应用。近十几年来国内不少单位研制过压力传感式水位仪，均因各自的不足或缺陷而未能在地下水监测方面得到广泛采用。目前在地下水监测工作中，几乎都是用简易水位计或万用表进行人工观测。

CM61/DI510地下水动态监测仪（图4．20）用进口的压力传感器和国产温度传感器封装于一体，构成水位—温度复合式探头，采用特制的带导气管的信号电缆，水位和温度转变为电压信号，传至地面仪器中，经放大和A/D变换，由液晶屏显示出水位和水温值，通过译码和接口电路，送至数字打印机打印记录。仪器的特点是小型轻便、高精度、高稳定性、抗干扰、微功耗、数字化、全自动、不受孔深孔斜和水位埋深的限制，专业观测孔和抽水井中均可使用。

图4．20　CM61/DI510地下水动态监测仪

4．4．2　孔隙水压力监测

在边坡工程中的孔隙水压力是评价和预测边坡稳定性得一个重要因素，因此需要在现场埋设仪器进行观测。目前监测孔隙水压力主要采用孔隙水压力仪（见图4．21），根据测试原理可分为4类：

图4．21　孔隙水压力仪

①液压式孔隙水压力仪：土体中孔隙水压力通过透水测头作用于传压管中液体，液体即将压力变化传递到地面上的测压计，由测压计直接读出压力值。

②电气式孔隙水压力仪：包括电阻、电感和差动电阻式3种。孔隙水压力通过透水金属板作用于金属薄膜上，薄膜产生变形引起电阻（或电磁）的变化。查率定的电流量—压力关系，即求得孔隙水压力的变化值。

③气压式孔隙水压力仪：孔隙水压力作用于传感器的薄膜，薄膜变形使接触钮接触而接通电路，压缩空气立即从进气口进入以增大薄膜内气压，当内气压与外部孔隙水压平衡薄膜恢复原状时，接触钮脱离，电路断开，进气停止。量测系统量出的气压值即为孔隙水压力值。

④钢弦式孔隙水压力仪：传感器内的薄膜承受孔降水压力产生的变形引起钢弦松紧的改变，于是产生不同的振动频率，调节接收器频率使与之和谐。查阅率定的频率—压力线求得孔隙水压力值。

孔隙水压力的观测点的布置视边坡工程具体情况确定。一般原则是将多个仪器分别埋于不同观测点的不同深度处，形成一个观测剖面以观测孔隙水压力的空间分布。

埋设仪器可采用钻孔法或压入法而以钻孔法为主，压入法只适用于软土层。用钻孔法时，先于孔底填少量砂，置入测头之后再在其周围和上部填砂，最后用膨胀黏土球将钻孔全部严密封好。由于两种方法都不可避免地会改变土体中的应力和孔隙水压力的平衡条件，需要一定时间才能使这种改变恢复到原来状态，所以应提前埋设仪器。

观测时，测点的孔降水压力应按下式求出：

式中 γw——水的容重；

h——观测点与测压计基准面之间的高差；

P——测压计读数。

4．5　边坡监测实例及报告编写

边坡工程监测报告应包括监测作业前的监测方案、检测过程中的阶段报告和监测任务完成后的监测分析报告三部分组成。监测方案的内容前面已经介绍，阶段报告一般以周报或月报的形式按期提交，主要测试成果和简要的数据分析评价。监测分析报告，是系统的将整个监测过程数据进行全面分析，内容有工程地质背景、监测方案、施工及工程进展情况、监测各阶段原始资料以及应力和应变曲线图、数据整理和监测结果评述、数值计算分析、结论及建议。下面是某边坡监测工程的监测分析报告的简要介绍。

4．5．1　工程概况

沿着边坡建筑的公寓见图4．22，随着地层断裂挤压而隆起，高度落差达5～6 m。

（1）东部山坡地质情况

坡角10°～40°，倾向北东。坡底北西向大冲沟，沟底标高170～230 m。在山坡岩体中有一顺坡倾斜的d3构造加泥带，走向NW310°～315°；倾向NW40°～65°；倾角23°～37°，加泥带厚度0．20～0．50 m，最大厚度1．20 m。

堆填约70万方m3弃土后，形成与原山坡倾向一致的人工边坡：坡高50～80 m，坡角27°～40°。

图4．22　工程现场情况图片

（2）问题由来

1988年4月，山坡上多处发现裂缝及位移现象。5月雨季到来后厂址东部已开始滑坡。滑坡后缘标高为280～300 m，呈NW-SE向延伸，在选矿厂东侧公路附近；滑坡前缘达大冲沟沟底；前缘与后缘高差为50～150 m，滑坡周界形状不规则；北西—南东方向宽400 m，西南—东北方向长260 m；滑坡面积约7．8×104m2，厚30～40 m，体积约90×104m3。

（3）判定

山坡岩土体可能沿d3构造加泥带滑动，形成较大滑坡。主滑面埋藏较深，最深可达40余m；主滑面上陡下缓，上段切穿人工填土；中、下段追踪最深一层d3构造加泥带；主滑面的延伸直至滑坡前缘。

（4）治理方案

主厂房在构造夹泥带d3上盘部分用大直径嵌岩灌柱桩加固；1988年12月—1989年5月，卸除山坡上部弃土50多万m3，并将整个山坡削成6级台阶（北东向2级，正北向4级）；坡底大冲沟处设置一道栏砂坝，阻止砂石的流失；1990年4月—1991年6月，在东部平台下方用干砌片护坡，并在东部边坡上设置了4条地表排水沟。

4．5．2　监测方案简介

（1）监测的目的

①判定西北部楔形地质结构体的长期稳定性；判定场地东部滑坡（夹泥带d3上盘岩体）的长期稳定性问题。

②监测工作量：监测点布置工作量见表4．3和表4．4。

表4．3　监测工作量统计表

表4．4　地下变形监测孔情况一览表

（2）监测仪器元件（图4．23～图4．27）

图4．23　倾斜仪示意图

图4．24　位移计示意图

图4．25　固定型倾斜仪示意图

图4．26　水压计量测示意图

图4．27　钻孔伸长计组成及安装示意图

（3）变形监测

①地面变形监测。

控制基准：平面控制网线（四等导线）17 km；三等高程控制网线21．69 km；四等水准网线12．4 km。水平角用J3型经纬仪6测回测定；正的垂直角用J2型经纬仪中丝法2测回测定；高程控制网三等水准定测采用DS3型水准仪，双面水准尺往返观测。

地面变形位移监测点的布设：西北部楔形体，7点（G22～G28）；东部构造夹泥带d3，21点G1～G21）；场地周围，5点（G29～G33）。

②地下变形监测。

地下变形监测孔的布设及监测：夹泥带d3上盘岩体中布设了地下变形监测孔20个。

钻孔倾斜仪采用SX-20型钻孔倾斜仪。西北部楔形地质结构体上，Dx-1～Dx-3，Dx-7，Dx-8；东部山坡原有滑坡体上，Dx-6，Dx-11～Dx-14，Dx-20；山坡顶部，Dx-9，Dx-10。

滑动测微计监测使用瑞士产的滑动测微计。东部坡顶平台，H4，H15，H16，H18，测定靠近主厂房部位构造夹泥带d3上盘岩体的微小变形。

多点伸长计监测采用6点杆式伸长计。东部坡顶坡眉部位，D5，D17，D19。

4．5．3　数据整理

（1）地面变形位移监测数据处理和成果分析

每次测量的水平位移矢量绘制在以该点为原点的平面图上，将每个监测点25次的平均方向作为该点的水平位移总方向，位移矢量在水平位移总方向上的投影为该点的总水平位移量。

发生水平位移的判定标准：各次测得的值具有明显的方向上的倾向性，最大偏移值超过2 cm。发生垂直位移的判定标准：一个测点25次监测值中最大垂直位移量绝对值大于1 cm，位移的正或负具有系统性，或经回归计算后首次和末次位移差较明显。

西北部楔形地质结构体地面上的7个点中，有2个点发生了水平位移：①22．7 mm （SW8°49′），②22．5 mm（SE43°21′）；有5个点发生了垂直位移：①－15．3～－22．5 mm （NE17°30′～21°11′），②－31．4 mm（SE43°21′），③－13．4～－37．7 mm（垂直下沉）。

东部构造夹泥带d3上盘的21个点中，有7个点发生了水平位移：①23．5～52．0 mm （NE27°39′～85°09′），②22．2～56．0 mm（SE35°42′～51°34′）；有8个点发生了垂直位移：①－10．8 mm～－76．2 mm（NE18°46′～85°09′），②－25．0～－51．0 mm（垂直下沉）。

（2）地下变形监测成果及其分析

监测时间：2年，监测频率：平均1次/月。

①西北部楔形地质结构体部位，水平位移为4．50～24．84 mm；

②东部坡顶靠近主厂房部位，在深度为2．5～5．0 m处，下沉很小；

③东部坡眉构造夹泥带d3附近，孔D5中28．0 m深处，下沉10．2 mm；

④原有滑坡后缘以西，孔D17和D19中8～11．8 m深处，下沉0．8 mm和2．2 mm；

⑤在东部山坡原有的滑坡体上，相当于构造夹泥带d3附近，水平位移在7．55～19．50 mm （6个测孔中的5个），方向指向坡下，发生最大位移处的深度为8．0～25．0 mm。

4．5．4　监测成果与评价

（1）楔形地质结构体的稳定性评估

从表4．5～表4．7可以看出，大部分测点的位移随着时间延长而趋平缓；楔形地质结构体有量小速慢的位移，并仍会延续；楔形地质结构体底部软弱结构面蠕变是导致岩体位移的主因。

表4．5　东部滑坡主剖面方向观测点地表位移速度表

表4．6　地下变形监测孔位移监测成果表

表4．7　地面变形监测点地面位移监测成果表

注：垂直位移“－”为沉降，“＋”为上升。

（2）东部山坡的稳定性评估

东部坡顶：地面测点G19、G21都没有发生位移；4个滑动测微计，测到位移仅＋1．55～－2．70 mm；2个多点伸长计，测到沉降仅0．8 mm和2．2 mm。

分析结论：东部坡顶构造夹泥带d3上盘稳定。

东部坡面：21个地面位移监测点中有12个都发生较明显位移，水平位移22．2～56．0 mm，方向指向坡下；沉降10．8～76．2 mm。

多点伸长计D5：沉降为10．2 mm，深度位置在28．0 m。

6个钻孔倾斜仪除Dx-11外都有明显的水平位移，水平位移在7．55～19．5 mm，但位移已逐渐减慢。

分析结论：东部山坡原滑坡周界以内的岩体，仍在向坡下缓慢位移；发生岩体变形的底界仍在构造夹泥带d3附近；主要原因是构造夹泥带d3附近岩体的蠕变。

本章小结

本章主要讲解了边坡工程监测工作的重要性与意义，边坡施工安全监测的监测内容、监测方法以及部分仪器元件安装操作步骤，数据分析整理方法以及对边坡稳定性评价，并介绍了监测报告的编写内容要求。

边坡监测涉及的学科内容多、范围广。尤其随着现代技术及科学方法的不断发展，变形监测在监测技术、处理方法上有了新的发展，各种新仪器在新技术的推动下被应用。变形预测也由原来单一的岩土力学方法或测量数值分析方法发展到智能人工生命结合测量、岩土力学综合预测方法，预测精度不断提高。

因此，在掌握课堂基础知识的同时，应该多阅读一些相关课外知识，了解国内外监测技术的发展状况，作为教学内容的补充。

思考题

4．1 边坡工程监测的分类及目的。

4．2 边坡工程监测设计的原理是什么？监测断面与测点布置内容主要有哪些？

4．3 边坡监测报告的编写内容有哪些？

4．4 钻孔倾斜仪的原理及安装步骤。

4．5 查阅资料简要介绍钻孔伸长计组成及安装方法。