链子崖危岩体相对位移监测温度效应

链子崖危岩体相对位移监测温度效应 高幼龙 王洪德 薛星桥 朱汝烈 ()国土资源部水文地质工程地质技术方法研究所, 保定, 071051 提要 本文从实测资料预报需要角度出发, 提出了温度对岩体相对位移监测结果产生的异变影响和次生影响问题。分析了引起这些影响的原因。并提出了进行校正的具体方法, 通过实例验证了校正效 果。 关键词 相对位移 频率—温度系数 校正 实时温度 温度 环境温度 链子崖危岩体位于长江三峡西陵峡之兵书宝剑峡出口南岸, 上距秭归县城 14 , 下距 km 正在兴建的三峡大坝 27 , 与新滩滑坡隔江对峙, 扼长江航道咽喉。危岩体临江陡崖高近km 100 , 由二叠系栖霞组厚层石灰岩夹数层厚几至几 10 的炭质页岩和泥质岩组成, 座落 m cm 在厚 116, 410 的马鞍组煤系地层之上, 形成硬层夹软层、底部软垫层基座的特殊岩体高m 陡边坡。危岩体总体呈近南北向分布, 南高北低:南北南端高程 500 , 北端高程 180 ; m m (长 700 , 东西宽 30, 180 。危岩体上发育 16 组、30 多条宽大裂缝 最长的 缝为 170 m m T 9 ) , 最宽的 缝达 511 , 裂缝总体走向—将岩体切割形成三个规模大小不 , m T 2 m NW W SE E 3 等的危岩区。其中 , 缝切割成的体积达 250 万的危岩区耸立江边, 近年崩滑活动T 8T 12 m 趋势加剧, 对长江航道等安全构成潜在严重威胁。 一、危岩体相对位移监测系统 为了确保长江航运和三峡大坝施工安全, 经过 30 多年的勘查、监测、研究、论证, 国 (家从 1995 年起对链子崖危岩体实施整治。治理范围主要为 , 缝段危岩区 体积约 250 T 8T 12 3 ) 万, 包括对危岩体软弱的马鞍组煤系地层采空区在 、、及 等硐回填混 261 m PD PD PD PM ()凝土的承重阻滑工程, 和对危岩体临江陡崖地段的“五万方”岩体 , 缝段、“五千 T 11T 12 方”岩体及“七千方”滑体锚固工程两大部分。 为保证施工安全、 反馈设计、 指导施工、 检验治理工程效果, 在原有岩体表面绝对位 移监测、 裂缝相对位移人工量测等监测设施的基础上, 新增设了裂缝相对位移及水平孔内 多点位移自动监测仪、钻孔倾斜仪以及锚索测力计、岩石压力盒、“五万方”岩体位移小角 度法监测等系统设施。 新增监测系统重点突出, 选用的手段设施针对性强, 测点及监测剖面布置合理, 使危 岩体监测设施类型、 网点、 剖面实现了立体化、 系统化。 实现了监测数据的实时、 自动采 集和处理, 准确性和可靠性大为提高, 能及时准确地反映危岩体在防治施工中的变化动态, 二、相对位移监测系统及所处环境 危岩体防治工程中, 在 , 裂缝和平硐中新增设的相对位移自记监测系统, 采用 T 8T 16 ) ) ((() 不防水或防水—50 型 即位移量程为 50 电感调频式位移传感器,BW G BW S mm () 和多通道数据自动采集仪设施。该仪器具有灵敏度高 传感器位移分辩率 0101 、精度mm () 适宜 精度为 011 、抗干扰性强、耐腐蚀、耐冲击等特点。工作环境温度- 20, + 50?,mm 极限承受温度- 30, + 80?。 具有数据自动采集、 记录, 远距离传输, 与微机通讯, 可不间断或定时巡回采样等优势。适宜于链子崖这种复杂的地质条件和恶劣环境。在 , 缝 T 8T 16 () 区危岩段跨越裂缝或在平硐内, 共安设了 20 多个位移监测点 单向、双向、三向, 共 40 多个传感器。 危岩区所处气候条件和自然环境较为恶劣。 一是雨量大, 且暴雨频率高: 多年平均降 () 水量为 1296 , 且全年雨量和雨日分布很不均匀; 暴雨集中在夏季 6, 9 月, 其雨量约mm 500, 800 , 约占全年降雨量的 60, 70% ,暴雨日达 43, 50 , 有记载的最大日降雨量mm d 达 391 ; 二是气温变化大: 一月最冷, 月平均气温 1, 6?, 极端最低温度- 8?, 7 月 mm 最热, 月平均气温 24, 29?, 极端最高温度达 42?; 三是不同地点温度差异很大: 当气温 () 在 30?左右时, 有植被 尤其是树丛中和无植被处的气温差可达 10?以上, 而暴露直晒 处的岩石或混凝土在盛夏午后其表面温度可达 70?, 与气温之差达 30, 40?。如此恶劣的 气候条件和悬殊的温度差异对相对位移监测系统的仪器设施运行和测量数据产生的影响是 不可忽视的。 三、温度对岩体相对位移监测数据的影响 众所周知, 作为监测传感器的金属材料或监测仪器基座岩石、 混凝土, 都是热胀冷缩物质。 岩体相对位移监测数据中必然包含由温度差异造成的假象“位移”成分。 而温度差 (异引起的仪器输出频率偏移则是导致监测位移数据异常的主要因素。 这在短时段 日、 旬 ) 及月内监测资料处理、 分析和预报中, 影响尤为显著。 () 一温度对传感器影响 (据该种位移传感器频率—温度试验结果, 频率—温度系数为 1, 4 /? 约为满量程 H z () ) 频差的 0115, 0170% , 由温度影响而产生的频率偏移值通过 1式估算: ()( )1 - = ? faf t tt () 式中: —频率偏移值 H z? f ()—频率2温度系数的几何平均值 ? /af t H z () —实时温度 采样时气温t ()—标准温度 一般取多年平均气温 20? t 链子崖危岩体位于暴雨、高温高热多发区, 年气温在 0, 40?之间, 当气温与标准温度 ) (之差为?15?时, 频率偏移值可达满量程的 2125, 1015% 异变影响; 更有甚者, 夏、秋 () 季节暴露于阳光下的传感器其所处环境温度有时超过 45? 传感器上方有金属防护盖, 与 标准温度之差更在 25?以上, 频率偏移值更大, 温度对传感器的异变影响由此可见一斑。而 () 位于平硐内的传感器, 由于硐内气温常年接近恒温18, 20?,故几乎不受影响。 () 二温度对岩石及混凝土底座的变形影响 对于建立在地表 的每个监测点, 传感 器均跨越裂缝或软弱 夹层安装在其两侧埋 入基岩浇注的混凝土 底座上。 岩体的位移 通过混凝土底座进而 传给位移传感器体出 来。 岩体及混凝土底 座 受 温 度 影 响 的 程 度, 主要受以下两个 条件制约: 一是天气 图 1 温度变化对岩体变形的影响情况的好坏, 一般来 11 F igEf f ec t of tem pora ture var ia t ion on def orm a t ion of rockm a ss 说, 夏秋季阴雨、冬春 季晴朗天气, 岩体和混凝土表面温度接近于标准温度, 温差对其变形影响较小; 而冬春季阴雨天气, 尤其是夏秋季晴好天气, 岩体和混凝土表面温度则和标准温度相差很大。 二是 监测点所处环境条件, 据现场测定, 当夏秋季气温为 33?时, 暴露于阳光下的岩体和混凝 () (土底座表面温度可高达 70?。此时, 温差对其变形影响 次生影响很大 到目前为止还 ) 没有这方面的试验资料和变形参数; 而位于植被相对较茂密, 或地势低凹, 或通风条件好, 光照时间短等处的岩体及混凝土底座, 其变形受温度影响程度相对较弱。 如图 1 所示, 裂 () 缝 两侧岩体为、假定质心分别为、在标准温度 20?时质心间距离为, , T x A B M aM b 跨 缝安装的相对位移传感器两参照基板之间的距离为。当岩体、间未产 , M aM b T x D 0A B () 生相对位移而环境温度升高 时, 由于岩体、“膨胀”其外轮廓如图中虚线所示, 虽? t i A B ′′ 然两者质心间距离= , 但两参照基板之间的距离变为, = - ; M aM b M aM b D h t D h t D 0 ?D i反 ″″ 之,当环境温度降低 时, 岩体、“收缩”, 两者质心间距离= , 两参M aM b ? t i A B M aM b (照基板之间距离= + ; 显然, 两参照基板之间距离之改变值 即监测数据表征 D 1 t D 0 ?D i?D i ) 的“岩体位移”并非真正由于裂缝两侧岩体产生相对位移所致, 实际上是由于岩体受温度 差异变化自身产生“胀”、“缩”, 通过混凝土底座带动两参照基板相对位移而显示的“岩体 (位移”假象。 其量值虽不大, 但在高精度位移监测中 链子崖危岩体监测用位移传感器分 ) 辨率为 0101 , 精度 011 , 必须进行校正。mm mm 同样, 环境温度变化导致混凝土底座“胀”、“缩”, 带动两参照基板相对位移而显示的 “岩体假位移”也须进行校正。 天气情况、 环境条件等的差异, 使监测点所处环境温度明显地偏离于标准温度, 温差对岩体及混凝土底座的次生影响波及到传感器, 使两端参照基板距离值—即实测“岩体位 移”的表征值偏离标准温度的基板距离, 从而使监测结果鱼龙混杂, 真假难辨, 给分析工 四、相对位移监测中的温度校正 针对温度对位移传感器、 岩体及混凝土底座影响复杂、 不确定等特点, 可采取如下几 法对其进行校正。 () 1夏秋季每天在清晨 6?00, 7?00 时、 冬春季中午 12?00, 13?00 时左右采集数 据。 此时气温最接近于标准温度, 一方面能尽量消除气温对传感器的异变影响, 另一方面 ()() 岩体及混凝土底座在经过晚上散热 夏秋季、或白天吸热 冬春季之后, 其表面温度最 接近于该时气温, 最大限度地消除了因天气情况、 环境条件的差异所造成的次生影响。 ( ) () 2安装于平硐内的位移传感器因硐内常年恒温 18, 20?, 几近于标准温度, 可不 进行校正。 () 3温度对岩体及混凝土底座的变形影响, 目前还无法进行校正, 有必要做这方面的 试 验, 取得其变形参数后, 即可剔除温度引发的次生影响。 () () 4气温 采样时同一温度对位移传感器异变影响的校正可根据对仪器原频率—温 ( ) 度标定结果 传感器进场前, 由国家标准计量单位进行过温度标定,用多阶多项式() () [ 2式] 产生拟合方程,3式] 2 n()= + + +2 f i b0 b1 ti b2 t + i , 12 i bn t i= 1, 2, 2 n= + + +()+ f b0 b1 tb2 t 3 bn t () ?式中:——标定温度 ti ()? ——实时温度t () ——对应 温度进的标定频率值 H zf i t i ()——用拟合方程计算的 温度下的频率值 f t H z () 一般取 7——多项式阶数 n ——标定温度数 i (() ) ——待定系数 , b0 , 用 2式求方程式组可得bn () () 将实时频率值校正至标准温度 20?时水平, 式 4 ()= + - 4 f f c f 20 f x () 式中: ——校正后的频率值 H zf ()——实时频率值 f c H z () () , ——用 3式计算的标准温度及环境温度下的频率值 f 20 f x H z ()() 经过温度校正后的频率值依 5、 6式转化为位移值及位移变化值 2 3 4()= + + + 5 + D a0 a1 fa2 fa3 fa4 f = - ?D D D 0 ()6 ()式中: , , ——初始位移值、 位移值、 位移变化量 D 0 D ?D mm () ——经温度校正后的频率值 f H z , , ——频率—位移回归方程系数 a 0 a 1 a 4 上述校正处理过程由微机处理程序自动执行。 () 5位于不同地方的位移传感器, 所处环境温度不尽相同, 由于条件所限, 目前还不 能一一测定每个传感器所处环境温度。 唯一可行的办法就是在每个传感器旁分别安装温度传感器, 那样的话, 环境温度与气温之差对传感器的影响就可得到很好校正。 五、温度校正效果的检验 () 以链子崖危岩体相对位移中的 5 个监测点 5 个传感器材1997 年 5 月份监测结果为 例, 温度校正前后的位移—时间曲线见图 2, 相对应的温度—时间曲线见图 3。可看出:经 表 () 温度校正后的曲线 实线平滑度有了较为明显的提高,,其位移变化幅度也有所降低 明温度对相对位移监测结果的影响得到了有效校正。 图 2 位移监测温度校正前后对比历时曲线 12 F igThe com par isom curve s of the m on itor in g d isp lacem en ts bef ore an d af ter correc t ion 图 3 采样时刻实测气温历时曲线 13 F igThe tem pera ture curve m ea sured a t the t im e of sam p l in g 六、结束语 温度对相对位移监测数据的影响分为两方面, 一是温度对位移传感器的影响, 使传感器产生频率漂移: 二是温度对岩体及混凝土底座的影响, 主要是热胀冷缩效应, 造成岩体 裂缝假象“闭合”或“张开”。由于天气状况、环境条件等的不同, 位移计底座岩体局部环 境温度与气温又有较大的差异, 温差对岩体及混凝土底座的变形产生次生影响, 本文所提 校正方法可有效地减小这种影响。 () 必须指出, 本文进行的温度校正计算仅指气温对位移传感器影响 频率漂移的校正, 而不包括环境温度与气温之差对位移传感器影响的校正, 也不包括温度对岩体及混凝土热 胀冷缩效应的校正。尤其是岩体受地形、地貌、结构、构造、风化程度等多种条件控制, 目 前尚没有行之有效的方法对其变形进行校正。 另外, 温度校正的意义仅体现在短时段监测资料的实时分析预测当中。 对于长达水文 年周期以上的长期监测资料, 以及长期趋势预测预报阶段对监测资料的统计分析, 温度的 影响就勿须考虑。 参考文献 陆业海等 1 《链子崖危岩体形变监测与分析》1 中国地质灾害与防治学报 1vo l12 1991 1 沈建明, 吴向明 1 长江三峡链子崖危岩体防治工程监测工作布置, 水文地质工程地质 1123 11 1996 2 vo lN o A Ca se Study of Tem pera ture Ef f ec ts on M on itor in g Re la t ive - D isp la cem en ts D a ta f rom L ian z i C l if f D an gerous Rockbody Ga o Y oulon g W an g Hon gde Xue x in gq ia o Zhu Rul ie ( , In st itute of Hydrogeo log ic an d En g in eer in g Geo log ic Techn ique s ), 071051M in istry of L an d an d Re source sBaod in g C ity A bstra c t T h is p ap e r p re sen t s th e ab no rm a l an d seco n da ry effec t s o f tem p e ra tu re o n m o n i2 , to r in g re la t ive d isp lacem en t s da tab a sed o n th e p u rpo se s o f h aza rd p red ic t io n f rom th e 21, f ie ldco llec ted da ta an a ly sisA sp ec if ic app ro ach w h ich co u ld b e u sed to ca lib ra te th e re2 1, , su lt s is p u t fo rew a rdan d a lso th e c llib ra ted da ta a re eva lu a ted th ro u gh th e f ie ld ca se 22 Key word s re la t ive d isp lacem en t f requ en cytem p e ra tu re co eff ic ien t ca lib ra t io nrea l t im e tem p e ra tu re stan da rd tem p e ra tu re am b ien t tem p e ra tu re , ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?, ?,() 上接第 24 页 Com prehen s ive M it iga t ion of Zhan gm u L an d sl ide in T ibe t L i Y un gu i (915 , Team of Hydrogeo logy an d En g in eer in g Geo logyM in istry of )612160 L an d an d Re souree s, M e ishan , S ichuan , Zhan g Zuochen ( ), , , 100081 In st itute of En v ironm en ta l Geo logyM in istry of L an d an d Re souree sBe ij in gA bstra c t T h e com p reh en sive m it iga t io n sch em e is m a in ly th e su rface d ra in age sy stem com b in ed w ith th e an t islid in g w a ll a t th e k ey spo t af te r th e de ta iled exp lo ra t io n , de sign 1an d m o n ito r in g o n siteT h is m e tho d is ava ilab le to m it iga te th e so il c reep slid in g in du ced 1b y ra in fa ll Key word s Zh an gm u lan d slide su rface w a te r d ra in age an t islid in g w a ll com p reh en sive m it iga t io n