傾斜管監測於大地工程之應用

□蔡宗翰／經濟部水利署水利規劃試驗所

摘要
        斜管監測在大地工程監測系統中為十分重要的角色，廣泛地應用於水壩、邊坡、擋土牆等工程；探測分析地層滑動、位移，以及監測邊坡的穩定性。本文就儀器設備與量測方法、數據研判及相關建議注意事項說明，提供後續工作參考。

一、前言

        在大地工程的領域中，對於可能邊坡深層滑動、水庫壩體穩定或高擋土牆等有滑動之虞的，若僅由地質詮釋、鑽探報告、影像判釋或地表裂縫調查等方法，對於滑動面並無法能肯定的判斷，對於地中變形速度或方向，更是無法完全的掌握，因此對於利用傾斜管作監測，目前國內仍是最有效最直接且常用的，其設置對於滑動徵兆仍有其必要性，因此有必要對於該方法進一步的暸解與注意。

二、儀器設備與量測方法

(一)儀器設備及原理
        傾斜儀設備分別數位式資料擷取器(Datamate)、探測桿(inclinometer probe)、電纜線(electric cable)與傾斜管(inclinometer casing)，探測桿長約1m，上下端有兩對具彈簧之滑輪組，內含伺服加速器(two force-balanced servo- accelerometers)，若地層產生位移，即可由雙軸感應器連動透過訊號電壓轉換得到傾斜角度；電纜線主要功能為將探測桿資料連結至擷取器，纜線內含鋼索，防止因放入傾斜管內後自重產生變形，每0.5公尺有橡膠標記，便於每次量測固定同樣位置；傾斜管材質建議選用ABS材質以避免嚴重螺旋扭轉現象，管內分別有各相差90度的四個可放入探測桿滑輪凹槽(A0、B0、A180及B180方向)，如圖1~5。

        該傾斜儀並無法直接測得位移量，係利用傾斜觀測管的傾斜角度θ，與滑輪組之間距L，進行相對水平距離Lsinθ換算，並由連續量測孔內各段距離角度θ1、θ2、θ3…θn，累加各相對水平距離為ΣLsinθ＝Lsinθ1+Lsinθ2+Lsinθ3+…+Lsinθn，即得累積偏差，並與第一次量測初始值比較，則可畫出深度與位移在不同時間的變位情形，如圖6。
(二)傾斜管安裝步驟
        1.傾斜管安裝一般常配合地質鑽探工作進行，鑽探深度至少須大於可能滑動面深度。當鑽探孔達預埋深度後，將每節3m長之傾斜管接妥(每節導管及接頭之槽溝須對正能連續且不偏斜)並於底部封上底蓋後，依序以人工方式垂直放入鑽孔中，並須注意維持管內之乾淨及避免產收扭轉。
        2.塑膠套管底端到達孔底後，應予適當之調整，使一組導向溝槽(A0方向)控制在預期可能滑動方向固定之。
        3.傾斜管與鑽孔間由底部向上分層回填潔淨砂或灌填膨土水泥漿，若孔壁係以套管保護時，應一面回填清砂一面小心抽取套管，以避免傾斜觀測管產生移動。
        4.傾斜管之頂端須加保護蓋，周圍並依設計圖說加以適當之保護措施及警示標誌。
        5.待傾斜觀測管裝設完成穩定後，需進行初值量測，並紀錄A0方向及孔位座標。
(三)量測紀錄注意事項
        1.進行量測時，數位式資料擷取器(Datamate)設定基本參數(日期、孔號、孔深、量測間距等資訊)，將探測桿由高輪方向(A0)放入管內，因管底在所謂的可能滑動面之下，因此視為固定端(不動點)，依序由管底部開始每0.5m量測紀錄並漸拉起測桿至管口，既完成該次(A0及B0資料)量測；反轉180度置入孔底，依上述步驟續進行(A180及B180資料)量測，始完成單次量測工作。
        2.地中變位量測儀器屬於高精密度之設備，隨儀器長時間使用後精度會有所影響致誤判，因此該儀器原廠手冊亦提供了檢核可靠性的方法，以判斷該儀器之誤差是否仍在容許範圍內。同一深度理想狀態下，0度和180度讀數之和符號相反，應該為零(類似經緯儀正倒鏡原理)，但實際上傾斜管導槽的變化、探頭的設置及零點飄移(zero-offset error)都會使得總合不為零，因此可利用”同一方向正反兩向讀值之合(Checksums)”於野外施測時即可進行驗證合理性，依手冊建議A軸方向應在10個單位以内，B軸方向應在20個單位內，過大的值可能因素為探測桿位置不正確、紀錄時讀數不穩定，或由凹槽中的碎片、測斜管截面的突出或分裂、測輪陷入測斜管接頭等原因引起。
        3.監測頻率建議於裝設完成後，應觀測1～2次確定初始讀數，並視實際需求進行每週、每月或每季至少1次為宜，另地震、暴雨後或其它異常情況，應增加量測次數。

四、滑動監測與量測數據研判

(一)傾斜管滑動類型
        根據廖瑞堂(2001)對傾斜管測得之圖形，可歸列為以下四種主要類型：
        1.滑動面厚度不大時，趨勢顯示會有一明顯的疑似剪動帶(shear zone)，當滑動面有多層時，則會出現多個變位變化較大之剪動帶，如圖7(a)，例如出現在岩盤不連續面間之滑動或相對位置在滑動體的冠部處。
        2.當滑動面之剪動帶較厚時，則出現如圖7(b)之情況，例如回填土層之滑動或一般土壤地層之滑動。
        3.當傾斜觀測管自底部已有明顯位移量時，表示該傾斜觀測管之底部可能仍在滑動塊體內，其真正的滑動面深度應較傾斜觀測管的管底為更深，但仍需考慮位移量大小是否有形成剪切變形階段，如圖7(c)，但如發生此一現象時，應特別注意是否係儀器誤差太大所導。
        4.傾斜觀測管有受擠壓現象，大部分發生在較厚之回填土上，因回填土仍向下沉陷，使得傾斜觀測管承受負摩擦力而呈不規則S 型挫曲，或是在崩坍頂部之陷落處較易產生如此現象，如圖7(d)，如發生此一現象時，應比對多次的S型曲線是否一致，以確認是否回填因素造成。
(二)數據研判
        依本身儀器誤差、傾斜管施工與管周回填、地下水位升降、地震或人為活動，皆可能導致傾斜管變形位移原因，因此，所量得的結果並不能完全代表受邊坡滑動所衍生的現象。對於位移量大小影響程度參考各文獻並無標準規定，此處建議可先依據儀器所提供的本身精度誤差進行率定，如儀器存在±5mm/25m，依孔深去作判斷，容許誤差範圍內的位移量，可先忽略可能滑動行為。範圍外的變形位移量，可進一步評估位移速率及位移趨勢，才會是真正反應邊坡滑動行為指標。一般業界常引用日本地滑對策技術協會(1979)之「位移速率與邊坡穩定性判斷建議表」來評估活動性與預警防災建議(如表1)。
(三)案例探討
        以屏東地區春日鄉山區士文溪鄰近規劃中水庫之邊坡兩孔(BH03及BH04)為例，該孔深各為50m，上部屬於風化破碎硬頁岩夾塊狀砂岩塊層的崩積層，下部為膠結良好的硬頁岩層，如圖8及圖9，為半年量測結果(每月量測一次)，本次使用儀器採用美國SINCO 公司之孔內傾斜儀系統，儀器本身存在±5mm/25m誤差，相當於±10mm為其容許誤差範圍。依量測成果判斷，BH04最大合成位移量為20m處(約4.7mm)，因此BH04初步已排除滑動的可能性，BH03則近似於圖7(b)類型，約從40m往上漸出現變位情形且交界處略有S型擠壓現象，約在8.5m處產生最大AB軸合成位移量約40mm，比對岩心資料，亦可發現40m以下為膠結佳岩性，補充以地球物理地電阻探測調查亦符合推估成果(如圖10)，其40mm的變位量(相當日變位量為0.26mm，月變位量為8mm)，活動性判斷落於表1之緩慢運動中且滑動方向為S40E(如圖11)，因此初步可評估BH03孔「40m以上為可能崩積層滑移範圍，並於8.5m處為最大可能滑動面，滑動方向朝南偏東40度之緩慢運動中」。

五、結論與建議

        傾斜儀量測可能誤差來源有儀器本身、外在環境與人為影響，儀器本身誤差、傾斜管埋設、人員操作等都會影響後續數據的判斷，以下幾點建議與看法供相關工作參考，以消弭誤差來源。
         (一)人員操作為最直接影響量測品質的重要因素，一般量測工作為兩人一組，一人負責探桿的拉取與固定，一人負責判斷現場資料擷取與判斷資料品質合理性，建議彼此應建立SOP標準作業程序。
         (二)為避免儀器產生誤差，每次應採用同一儀器進行量測。另儀器定時保養也很重要，若發現儀器本身產生誤差，應定時送校正單位進行調校。
         (三)傾斜管埋設為最可能產生誤差的來源之一，從材質選用至現場傾斜管安裝埋設過程，業主最好全程參與檢視。
         (四)數據研判為最終重要成果，建議應該搭配鑽探岩心判釋及場址附近地質調查報告研判，才能正確解讀且具說服力。
         (五)近年儀器技術發展迅速，除採用傳統手動式傾斜儀監測地層內滑動面外，自動化監測之電子式監測儀器或光纖感測系統亦是可考慮提供邊坡穩定監測的方法。

參考文獻

1.日本地滑對策技術協會，「地滑對策技術設計實施要領」，1979
2.www.slopeindicator.com，「Digitilt Inclinometer Probe 50302599」manual，2000
3.行政院公共工程委員會，「施工綱要規範第02292章邊坡穩定監測工法」，2001
4.廖瑞堂，「山坡地護坡工程設計」，2001
5.杜居巢，「坡地滑動監測與結果判讀之研究」論文，2003
6.鄭清江，「以傾斜管變位及極限穩定分析進行華梵坡地穩定機制之探討」學報，2003
7.鐘明劍，「測傾管量測數據釋疑暨地滑機制研判應用」，2014