第五讲 工程地质监测

1工程地质勘察第五讲工程地质长期观测第五章工程地质长期观测Ø5.1概述（1）工程地质长期观测是在长期观测站上观测工程地质条件的某些要素如水文地质条件、物理地质作用以及各种工程地质作用等随时间变化的规律，了解其变化的过程和发展趋势，以预测和评价它们对工程建筑和地质环境的影响。长期观测必须在查得工程地质条件基础上进行。岩土体是一个开放、动态变化的复杂巨系统，对地质工程采用理论分析、专家群体经验和监测信息反馈相结合的方法进行可变更设计和信息化施工，在该过程中，监测是不可缺少的，为保证工程的长期安全，也离不开长期监测，监测应达到修改设计、指导施工、验证设计和计算方法、做专题性研究以及运行监督的目的，重要的是把测试数据在现场作为信息来处理。监测是指在现场对原型的以获得可以反映岩土在不同条件下所处的状态和发展趋势的有关信息的量测。岩土体为人为的或自然所加的影响（加固、开挖等）所表现出的各种反应，是可以量测的信息，通过对这些信息的分析处理，预测岩土体的状态及可能的变化趋势、采取的工程措施。通过测到的信息，反估岩土体力学特征的参数和地应力参数。反分析法——位移反分析法实际上是对传统的岩石力学试验方法的突破。互相关联的监测、反分析、预测对岩土体设计施工具有重要意义。（2）工程地质观测根据观测时期分为定期观测和不定期观测，定期观测是按固定的时间间隔，不定期观测是为某一专门目的而进行的短期观测。（3）工程地质观测根据性质划分为与建筑物有关的地下水动态观测、物理地质现象观测、建筑物变形和沉降观测。（4）现场监测指的是在工程勘察、施工以至运营期间，对工程有影响的不良地质现象、岩土体性状和地下水等进行监测，其目的是为了工程的正常施工和运营，确保安全。监测工作主要包含三方面内容：PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion第一、施工和各类荷载作用下岩土反应性状的监测。例如，土压力观测、岩土体中的应力量测、岩土体变形和位移监测、孔隙水压力观测等。第二、对施工或运营中结构物的监测。对于像核电站等特别重大的结构物，则在整个运营期间都要进行监测。第三、对环境条件的监测。包括对工程地质和水文地质条件中某些要素的监测，尤其是对工程构成威胁的不良地质现象，在勘察期间就应布置监测(如滑坡、崩塌、泥石流、土洞等)；除此之外，还有对相邻结构物及工程设施在施工过程中可能发生的变化、施工振动、噪声和污染等的监测。振动位移：从位移过程看，爆破作用是瞬间完成的，爆破振动引起的变形呈台阶状增加，每一个台阶对应一次大的爆破，一般情况下爆破活动停止期间没有位移增加。大的爆破可直接导致坡体失稳。爆破振动的影响与爆破强度和距离有关，距离越远爆破的影响越小。一次开挖爆破后若观测位移较大，则可能包含较多的振动位移。实测最大位移速率往往包含有振动位移，将引起坡体有害松动。位移与时间关系0510152025020406080时间（天）位移爆破爆破爆破开挖卸荷位移：从位移过程看，开挖卸荷引起的变形也呈台阶状增加，每一个台阶对应一次开挖和应力调整过程，但应力调整不是瞬间完成的，故在开挖活动停止期间仍有少量的位移增加，但变形在开挖结束一段时间（与岩性及出渣过程有关）后停止。开挖卸荷的影响与开挖强度及测点到开挖面的距离有关，距离越远卸荷的影响越小。故卸荷引起的变形一般在相同时段上部测点的位移小于下部测点，水平位移与孔深的关系为：随孔深增加测点位移逐步递减。卸荷与爆破引起的变形往往密不可分，但若测点已远离开挖面，下部开挖仍引起上部产生较大的台阶状位移，则可能包含较多的振动位移，也表明坡体可能存在位移异常。M-01测点位移与孔深的关系0.01.02.03.04.05.06.07.08.00.005.0010.0015.0020.0025.0030.00孔深（m)位移（mm)12月31日10月30日位移与时间关系051015202501020304050607080时间（天）位移位移与时间关系051015202501020304050607080时间（天）位移蠕变变形：从位移过程看，坡体变形在没有其它因素（如开挖爆破等）影响的情况下仍表现出随时间增加的趋势时，可判断坡体存在蠕变变形。蠕变变形与岩性关系密切，一般发生在软岩坡体，但如果坡体存在沿软弱结构面的滑动，坡体的变形也表现出蠕变特征。蠕变的发展与地下水有关，地下水会软化岩体或地质弱面，水的影响大多以蠕变方式体现。蠕变也是坡体调整应力的方式，若变形总量在可控范围内只要不产生加速过程，坡体仍会随时间延伸而最终趋于稳定。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion根据位移孔深曲线判断坡体变形是否受结构面控制：岩体是非均质的,应力调整往往集中在软弱部位产生应变集中。M-01位移计测点位移与孔深的关系051015202530350510152025303540455055孔深（m)位移（mm)4月12日9月30日M-14位移计测点位移与孔深的关系010203040506005101520253035404550556065707580859095孔深（m)位移（mm)6月1日9月30日不受结构面控制的坡体变形表现出位移随深度递减的规律。开挖卸荷引起的位移及坡体蠕变符合这一特征。受结构面控制的坡体变形表现出部分测点同步整体移动的特点。坡体存在应变集中带，在变形达到一定程度后(如20mm)将产生裂缝。有裂缝时应结合坡体结构和位移孔深关系分析。Ø5.2监测的原则（1）可靠性原则仪器的可靠性、监测网、设计、施工的统筹安排。（2）多层次监测监测对象以位移为主，辅以其它项目；仪器上以多种仪器配合、补充。测点布置上:a.充分利用有利的工程条件b.地表、地下测点或三维监测用c.监测点覆盖面。（3）优先监测关键部位原则（4）分期监测原则——前期、施工后期监测（5）方便实用原则（6）高效原则——测清及其和信息反馈及时（7）无干扰和少干扰的原则（8）地质信息重要（9）经济合理原则5.3监测技术与仪器1.收敛计:是用来测量地下厂房、坑道、隧道或坑口对应的墙体间或顶面到地面间距的微小变化，也可以用于监测结构与支承物的变形，以及测量不稳定边坡的移动性。钢尺收敛计数显收敛计2.钻孔伸长量测：钻孔位移计，测定深部岩体沿钻孔轴向位移的装置。它由连接件、锚固器、量测头和测量计等部分组成。测量时，用锚固器将连接件固定在钻孔的一定深度上，在孔口设量测头和测量计，以孔底为基准点，测定各测点与基准点的距离。3.倾斜量测：用倾斜仪量测两点之间的相对倾斜量。倾斜计、倾斜仪、高精度激光倾斜仪4.裂缝量测：用于监测坝体、边坡、工程岩体或山体裂缝的张开、闭合或上下左右的错动变形倾斜仪PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion多点位移计是测量坡体的位移主要的观测手段。多点位移计监测溢流式连通管沉降仪多点伸长计（6点）钻孔倾斜仪监测钻孔倾斜仪是监测坡体水平位移非常有效的方法，可探测滑面位置、滑动方向、位移动态等。5.光学仪器——经纬仪、水准仪、激光测距仪、全站仪。6.GPS——利用卫星进行绝对位置监测，速度快、精度高。7.孔隙水压力监测技术采用孔隙水压力仪，对岩土体孔隙水压力随时间变化规律的动态观测。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion地下水是影响边坡稳定的关键因素之一，稳定分析计算与预测预报中必须加以考虑。本工程在测斜孔底部埋设渗压计观测地下水动态。地下水动态监测5.4岩土体变形监测1.岩土体变形监测的意义岩土体的变形量是评价岩土体及建筑物稳定状态或建筑物是否能正常使用最直接的指标，监测结果亦可用作反演计算的参数或检验计算方法的适宜性。对工程岩土体采取加固措施时也需以变形监测资料作依据。由于岩土体的工程性质复杂而多变，勘察时往往难以掌握清楚，以致所作的评价不够确切。对一些重大工程，尤其是复杂地质条件的工程，进行岩土体和建筑物变形监测就十分必要。不仅可及时发现问题，采取对策和措施，以保证工程的正常施工和使用，而且积累有价值的经验资料，对发展岩土力学和提高勘察工作水平皆有重要意义。2.岩土体变形监测的内容和方法岩土体变形监测内容广泛，主要包括各种不良地质现象和各类工程（各种地基基础工程、边坡工程和地下工程）所涉及的岩土体内部的压缩、拉伸及剪切变形和表面位移量的监测。这里着重介绍边坡工程和滑坡以及地下工程岩土体变形监测的内容和方法。1)边坡工程和滑坡的监测边坡工程和滑坡监测的目的，一是正确判定其稳定状态，预测位移、变形的发展趋势，作出边坡失稳或滑坡临滑前的预报；二是为整治提供科学依据以及检验整治的效果。监测内容可分地面位移监测、岩土体内部变形和滑动面位置监测以及地下水观测三项。a.地面位移监测主要采用经纬仪、水准仪或光电测距仪重复观测各测点的位移方向和水平、铅直距离，以此来判定地面位移矢量及其随时间变化的情况。测点可根据具体条件和要求布置成不同型式的线、网，一般在条件较复杂和位移较大的部位测点应适当加密。图1为长江三峡工程库区内新滩滑坡地面位移观测点平面布置图，测点主要集中布置在地面位移量较大的姜家坡一带。对于规模较大的滑坡，还可采用航空摄影测量和全球卫星定位系统来进行监测，也可采用伸缩仪和倾斜计等简易方法监测。PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion新滩滑坡垂直位移－时间关系曲线图2新滩滑坡垂直位移－时间关系曲线监测结果应整理成曲线图，并以此来分析滑坡或工程边坡的稳定性发展趋势，作临滑预报。下即为新滩滑坡铅直位移－时间关系曲线，从图2上可以清晰地看出，该滑坡从1985年5月开始铅直位移量显著增大，到6月12日便发生了整体下滑，滑坡方量约3×107m3。由于临滑预报非常成功，避免了人员伤亡的重大事故。日本某滑坡用光电测距仪监测所获得的位移矢量图，可以看出滑坡的位移范围、方向和各部位位移量的大小。铁路线和国道位于滑坡位移区之外，不受该滑坡的影响。图3用光电测距仪测量的位移矢量图李家峡水电站Ⅰ．Ⅱ号滑坡的监测坝高155m，库容16.5亿m3，装机200万千瓦PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion初期蓄水后Ⅰ．Ⅱ号滑坡动态特征Ⅰ＃．Ⅱ＃距坝300－800m水库1996年12月26日下闸蓄水1号滑坡剖面图2号滑坡剖面图水库蓄水后从右岸看Ⅱ号滑坡PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion号滑坡后缘拉裂缝蓄水期间Ⅱ号滑坡布置了监测点PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion各点动态各代表性测点位移速率坡体出现拉裂缝，开裂速率先大，后减缓Ⅰ号滑坡各点位移速率—8剖面监测日期纵1（mm/d）纵2(mm/d)纵3(mm/d)纵4（mm/d）12.26~1.080.5~7.500.5~6.890.5~27.740.5~14.811.08~1.117.50~123.070.5~104.331.13~32.67-0.45~14.971.11~1.31123.07~28.21104.33~13.2121.95~2.1414.97~2.332月2日22.55~30.669.54~19.511.23~3.362.56~4.222月6日26.04~37.6515.92~26.200.38~7.03-0.19~1.483月12日10.6