罗红星 陈贺 王毅

云南大永高速公路有限公司 云南省交通投资建设集团有限公司 云南省交通规划设计研究院有限公司

摘 要：深部位移能够有力支撑滑坡稳定性评价和防治措施。根据不同类型的基于MEMS深部位移监测装置的长期使用经验，针对MEMS传感电路失效，提出选取性能更优的MEMS传感器、构建MEMS芯片保护装置、采用柔性关节增加变形能力一系列解决措施。通过某高速公路滑坡监测应用结果表明:改进后的深部位移监测装置能够长期适应地下水环境，可以高频、无间断地采集深部位移数据，具备数据量大、量程大等优点。

关键词：滑坡监测;深部位移;改进措施;

基金：云南省交通运输厅科技创新及示范项目(云交科教[2017]33);交通部科技示范工程项目(2017-09);

随着我国国民经济的快速发展和科学技术水平不断提高，科学有效地开展滑坡灾害的监测预警，正确认识滑坡的变形演化规律并发布预警预报信息，及时采取强有力的应急保障措施，已成为主动防灾减灾的重要手段之一。

滑坡监测预警实践结果表明，位移是是滑坡失稳破坏前最直观的外在表现，也是滑坡发生大规模失稳破坏的必要条件，主要包括地表位移和深部位移2类。深部位移可用于确定滑动面的深度分布形态、评价斜坡的稳定性状态、支撑支护措施的动态设计和信息化施工，相比地表位移具有一些显著的优势。尤其是近年随着计算机技术、电子通信技术的快速发展，基于MEMS的深部位移监测技术的问世为深部位移远程自动化实时监测提供了更为有效的手段。该设备能够准确地采集滑坡从变形启动至失稳破坏过程的全部深部位移数据。

然而，该深部位移监测装置被引进国内并进行监测实践应用后中发现，复杂水文地质环境条件下基于MEMS监测装置时常会发生破坏，进而造成无法采集深部位移数据。因此，本文主要针对该深部位移监测装置存在的问题提出解决措施，并通过工程应用进行验证，以期能够更好地开展深部位移远程自动化实时监测。

1 基于MEMS滑坡深部位移监测技术

微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台，是以半导体制造技术为基础发展起来的，是微电路和微机械按功能要求在芯片上集成，其尺寸通常在毫米或微米级，具体见图1所示。自80年代中后期问世以来迅速发展，被认为是继微电子技术之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术革新，最初大量用于汽车安全气囊，而后以MEMS传感器的形式被大量应用在各个领域。

图1 MEMS芯片 下载原图

在滑坡监测技术领域中，加拿大Measurand公司采用光纤光栅传感器测量弯曲角度、分析位移曲线过程中发现，MEMS传感器也能够开展静态和动态测量，因此该公司为了扩展岩土工程测量业务范围，联合美国伦斯勒理工大学成功研发了专业的滑坡深部位移监测装置。

该装置是由子阵列串联而成，每个子阵列内置多个MEMS加速度传感器、1个微处理器。MEMS加速度传感器能够测量重力加速度在3个垂直方向的变化，微处理器用来收集并发送子阵列的测试数据。

如图2所示，子阵列中MEMS加速度传感器可以测量弯曲角度和方向，通过换算得到每个子阵列的位移量，然后累计求和得到总变形量。

图2 子阵列计算简图 下载原图

2 监测技术剖析

自基于MEMS深部位移技术被提出以来，鉴于该技术的广阔市场前景，众多国家纷纷投入大量的人力和物力研发相关产品。为了利用其深部位移的监测优势开展滑坡的预警预报研究，笔者先后在不同地区应用了不同类别的MEMS深部位移监测产品，总结分析了基于MEMS深部位移监测装置存在的问题。

由于滑坡体具有变形时间长、变形量大等特点，因此要求MEMS深部位移监测装置必须能够长时间连续大变形监测。但是实际使用过程中发现，受局部大变形、地下环境腐蚀等因素的影响，导致某个深度处的MEMS传感电路失效，无法收集到其下测各子阵列的深部位移数据;而且作为地下监测装置，难以进行维修，只能够重新购置、钻孔，再行安装，耗费大量的人力和财力。

3 主要措施

3.1 选取性能更优的MEMS传感器

目前，国际上主流的MEMS加速度传感器芯片供应商主要包括:美国ADI公司、意法半导体(ST Microelectronics)公司、芬兰VTI公司;经过初步筛选认为，适用于深部位移倾角测量的MEMS加速度芯片型号主要包括:ADI公司生产的ADXL213和ADXL355型号，意法半导体公司生产的LIS3DSH和LIS332AR型号;芬兰VTI公司生产的SCA100T型号。各种不同型号的MEMS传感芯片具体技术参数指标见表1。

不同类型的传感器具有不同的特点，ADXL213型号的传感器仅能够测量2方向的角度，LIS3 DSH和LIS332AR型号的传感器芯片尺寸最小，ADXL355型号的传感器芯片噪声最小。综合比较后认为，LIS3DSH、LIS332AR、ADXL355三种型号的传感器更适用于深部位移监测装置，LIS3DSH、LIS332AR、ADXL355型号的传感器均可同时测量3个方向的倾角，满足深部位移监测装置多方向测量的需要;LIS3DSH、LIS332AR型号的传感器体积最小，仅只有3×3×1mm，满足小管径深部位移测量单元的需要，能够承受更多的变形;ADXL355型号的传感器噪声比小，仅有25mg/√HZ，测得的倾角精度应该更高，便于开发高精度深部位移监测装置。

表1 不同类型MEMS传感器芯片指标参数 下载原图

3.2 构建MEMS芯片保护装置

考虑到深部位移监测装置被埋入在地下，长期处于地下水文地质环境中，遭受着地下水的侵蚀，因此核心部件MEMS传感器的密封和防水对于整个装置的长期工作性能非常关键。为了尽可能达到防水的最高等级:IP68防水等级，在MEMS传感芯片的封装上，采用MEMS芯片、MEMS传感电路、MEMS深部位移监测装置等多层封装，具体见图3所示。

图3 封装后的监测装置 下载原图

3.3 采用柔性关节增加变形能力

深部位移监测装置中，柔性关节虽然仅是用于连接子阵列的构件，但是监测实践中，其作用很大。通过柔性关节可以连接2个刚性的结构单元，形成刚柔结构。该刚柔结构一方面能够有效吸收变形产生的能量，另一方面能够确保深部位移监测装置的大变形测量能力。为了增加MEMS深部位移监测装置的大变形监测能力，要求该柔性关节具有一定的抗压、抗拉和抗扭性能，且在子阵列转动过程中不会弯折断裂。

为了达到上述目的，经过市场材料调研后认为采用液压橡胶油管作为柔性关节的主要组成部分，具体见图4所示。图4所示的柔性关节内置钢筋网、外置液压橡胶油管，油管与两端钢管的连接采用液压缩紧工艺完成。柔性关节内部预留电缆通道，具备一定的抗拉、抗压和抗扭转能力，能够承受较大角度的弯折变形。

图4 柔性关节 下载原图

4 工程应用验证

4.1 滑坡概况

某高速公路K29+705～+815段位于构造侵蚀中切割中山地貌区，路线以半填半挖形式通过，左幅填方下边坡设有挡土墙，右幅按照1∶1.0开挖，每级边坡的开挖高度为8m,2015年12月该路段基本修建完成。2016年3月，该段边坡发生滑动，具体见图5所示。

图5 滑坡的宏观变形迹象 下载原图

4.2 地质条件

该滑坡位于云南省西南部文井构造盆地与者后构造盆地之间的构造侵蚀中山地貌区，总体地形北高南低，山顶多呈馒头状，山脊较平缓，山坡坡度介于20°～40°，沟谷多呈“V”字型，谷底有少量坡洪积堆积体;坡脚为省道S222，省道S222的下方为川河;变形区的顶部均为农田，呈现上缓下陡，上部的高程为1200m，下部高程为1150m，相对高差为50m。

如图6所示，根据钻孔揭露，稳定水位的深度约为10m，该滑坡段地层自上而下分别为:

(1)人工堆积(Qml)层，主要为公路施工后的填方和弃方，岩性以全、强风化泥岩为主，工程性质一般;

(2)第四系坡残积(Qdl+el)层，广泛分布于滑坡地层的表层，岩性以硬塑状态黏土为主，不同程度地含风化碎石、角砾;平面分布及空间展布不均匀，一般厚度1～3m;

(3)侏罗系上统坝注路组(J3b)

该地层为海陆交互的碎屑岩沉积，岩性以紫红色、暗红色泥岩夹砂岩、泥灰岩透镜体，岩石风化强烈、破碎。

图6 滑坡工程地质剖面图 下载原图

为了更好地验证所提出措施的改进效果，在该滑坡的典型位置处安装了深部位移监测装置，监测深度为30m，具体见图7所示。

图7 安装后的深部位移监测装置 下载原图

4.3 监测结果分析

图8为不同时刻的位移与孔深之间的关系曲线，由图可知，从孔深0～2.0m，深部位移呈线性减小，地表处的位移量最大，孔深大于2.0m时，X方向的深部位移接近于零且变化较小，Y方向的位移首先为负值而后变为正值。受降雨的影响，2016年6月16日至7月16日和2016年8月16日至9月16日期间的深部位移增加较大;随着孔深的增加，深部位移近似呈线性减小，上部位移减小速率较大，下部位移的减小速率较小。出现此特点的主要原因:6.5m以上为黏土和全风化泥岩，6.5m以下为强风化的泥岩。截止至2017年9月3日，在地表位置处，顺坡向位移量达到90cm，垂直顺坡向位移达到32cm。

经过长期的远程自动化采集深部位移数据的实践结果表明，改进后的MEMS深部位移监测装置能够长期适应地下水环境，可以高频、无间断地采集深部位移数据，具备数据量大、量程大等优点，完全能够捕捉到滑坡变形演化过程中的关键位移数据。

图8 不同时刻深部位移与时间之间的关系 下载原图

5 结语

开展深部位移监测对于滑坡的稳定性评价和防治措施具有重要的意义。本文主要针对新型深部位移监测装置在应用过程中存在的MEMS传感电路失效问题，提出选用性能优良的MEMS传感器、构建MEMS芯片保护装置、采用柔性关节增加变形能力一系列措施，并在某高速公路工程滑坡上进行了应用。结果表明:改进后的深部位移监测装置能够长期适应地下水环境，可以高频、无间断地采集深部位移数据，具备数据量大、量程大等优点。

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