南水北調(diào)中線渠道通過煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)研究

李喬，付超云，陳勤

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038； 2.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016； 3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

南水北調(diào)中線渠道通過煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)研究

李喬1*，付超云2，陳勤3

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038； 2.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016； 3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

為保障采空區(qū)南水北調(diào)中線渠道的安全穩(wěn)定，結(jié)合采礦區(qū)煤層埋藏深度、開采情況和實(shí)施難易程度等特點(diǎn)，文章開展了變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，主要開展渠道表觀變形和巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)對(duì)渠道段巖土體內(nèi)部監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和埋設(shè)位置進(jìn)行分析研究，并分別在南水北調(diào)渠道充水前、充水期和通水初期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果符合南水北調(diào)總干渠下部巖土體的變形規(guī)律，表明此次變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)較為合理，可為類似工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)提供參考。

南水北調(diào)；采空區(qū)；變形監(jiān)測(cè)；埋設(shè)位置

1 引 言

南水北調(diào)中線總干渠現(xiàn)已成為沿線重要水源，若發(fā)生裂縫、塌陷漏水等事故，對(duì)沿線城市供水有重要的影響。因部分渠段經(jīng)過河南省禹州市煤礦采空區(qū)，為保障南水北調(diào)安全穩(wěn)定，實(shí)時(shí)掌握南水北調(diào)總干渠下部巖體變形情況，對(duì)禹州煤礦采空區(qū)監(jiān)測(cè)儀器布置開展設(shè)計(jì)研究是有必要的，同時(shí)也可為類似工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

南水北調(diào)中線工程在河南省禹州市西南經(jīng)過禹州煤礦采空區(qū)，占?jí)旱拿旱V采空區(qū)主要有原新峰礦務(wù)局二礦、禹州市梁北鎮(zhèn)郭村煤礦、梁北鎮(zhèn)工貿(mào)公司煤礦、梁北鎮(zhèn)福利煤礦和梁北鎮(zhèn)劉垌村一組煤礦等，其累計(jì)長度達(dá) 3.11 km[1]，煤層埋藏深度 155.0 m～361.0 m。在南水北調(diào)工程查勘期間，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在采空區(qū)多地曾出現(xiàn)有裂縫和錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，為避免輸水渠道出現(xiàn)裂縫、塌陷漏水等事故的發(fā)生，在渠道建設(shè)期已對(duì)禹州采空區(qū)進(jìn)行了充填注漿處理。

3 變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

總干渠變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為渠道表觀變形和巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)。

3.1 渠道表觀變形監(jiān)測(cè)

表觀變形監(jiān)測(cè)主要包括垂直位移監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)。在輸水渠道的渠堤和挖方渠段的邊坡表面設(shè)置垂直位移和水平位移的位移標(biāo)點(diǎn)，位移標(biāo)點(diǎn)的具體布置為：填方渠段設(shè)置在堤頂、內(nèi)坡和外坡的一級(jí)馬道上，深挖方渠段設(shè)置在各級(jí)馬道上以及地面上。采用三角網(wǎng)法進(jìn)行水平位移觀測(cè)，布置三個(gè)工作基點(diǎn)，二個(gè)在渠道的一側(cè)，另一個(gè)在渠道的另一側(cè)，位置選在附近地基穩(wěn)固可靠，又便于引測(cè)的位置。采用全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行表面垂直位移監(jiān)測(cè)，采用全站儀和J1經(jīng)緯儀進(jìn)行表面水平位移監(jiān)測(cè)。

3.2 渠道變形測(cè)量控制網(wǎng)布置

測(cè)量控制網(wǎng)包括平面控制網(wǎng)和垂直控制網(wǎng)(水準(zhǔn)網(wǎng))，本工程各渠道監(jiān)測(cè)斷面的外部變形(水平、垂直)觀測(cè)，均是以設(shè)在各監(jiān)測(cè)斷面附近的工作基點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用三角網(wǎng)法、交會(huì)法，水準(zhǔn)測(cè)量和變形觀測(cè)儀器設(shè)備等進(jìn)行的相對(duì)變形觀測(cè)，即均為可動(dòng)點(diǎn)，為求得絕對(duì)變形量，需要采用測(cè)量控制網(wǎng)定期測(cè)量這些工作基點(diǎn)和儀器站點(diǎn)的變化，以便對(duì)各渠道斷面各儀器點(diǎn)的位移值進(jìn)行修正，求出絕對(duì)變形值。

基準(zhǔn)點(diǎn)是進(jìn)行絕對(duì)變形測(cè)量的參照基準(zhǔn)，利用基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象或監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別構(gòu)成控制網(wǎng)，建立渠道工程平面變形監(jiān)測(cè)的整體聯(lián)系。從理論上，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在變形影響區(qū)外，但考慮到變形監(jiān)測(cè)精度要求和目前測(cè)量手段的限制，基準(zhǔn)點(diǎn)又不宜離渠道太遠(yuǎn)。通過分析，并結(jié)合平面變形控制網(wǎng)的布設(shè)，在總干渠右岸設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，左岸設(shè)1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，形成至少1個(gè)三角網(wǎng)，交會(huì)三角形邊長一般為 300 m～500 m，最多不要超過 1 000 m，交會(huì)點(diǎn)的視線交角都要適當(dāng)，相鄰兩邊的夾角不宜太大。為了保證基準(zhǔn)點(diǎn)的精度，在離渠道較遠(yuǎn)的地方選擇兩個(gè)校核標(biāo)點(diǎn)，用于基準(zhǔn)點(diǎn)的校核。校核標(biāo)點(diǎn)的位置選在地質(zhì)條件好、地層穩(wěn)定的位置。垂直位移以水準(zhǔn)基點(diǎn)為依據(jù)，按二等水準(zhǔn)要求施測(cè)。

3.3 渠道段巖土體內(nèi)部監(jiān)測(cè)

采空區(qū)的內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，主要考慮的是監(jiān)測(cè)儀器的選型及其埋設(shè)位置。結(jié)合該礦區(qū)煤層埋藏深度、開采情況和實(shí)施難易程度等特點(diǎn)，采用測(cè)斜管配測(cè)斜儀讀數(shù)儀和振弦式多點(diǎn)位移計(jì)。下面以采空區(qū)一個(gè)礦井為例，分析探討監(jiān)測(cè)埋置的深度。

根據(jù)某礦井地質(zhì)和灌漿試驗(yàn)取芯資料統(tǒng)計(jì)，采空區(qū)覆蓋層厚度在 17.0 m～48.0 m范圍內(nèi)，平均厚度為 32.5 m，基巖面下距煤層平均高度為 80.0 m～252.0 m。根據(jù)《大壩觀測(cè)儀器測(cè)斜儀》SL362-2006和《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》SL551-2012，測(cè)斜管下端應(yīng)埋入巖基 2.0 m，或覆蓋層足夠深(如應(yīng)力包以下約 2.0 m)處，鉆孔測(cè)斜儀主要使用于觀測(cè)土體或巖石的側(cè)向和水平變形[2、3]。如果監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)深度至煤層下基巖部位，最深處約 290 m，主要存在以下幾個(gè)方面的問題。

(1)鉆孔和儀器安裝難度大。鉆孔深度太深，鉆孔的孔斜將難于保證，可能導(dǎo)致終孔垂直度偏差較大，超出規(guī)范允許標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，隨著孔深的增加，測(cè)斜管的長度及自重也會(huì)相應(yīng)增加，測(cè)斜管在安裝過程中接頭易受損脫落，測(cè)斜管整體墜落孔內(nèi)，測(cè)斜管在鉆孔內(nèi)呈“S”形分布等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致廢孔或測(cè)量精度不高等。

(2)測(cè)斜管扭曲變形增加。由于測(cè)斜管長度較大，安裝過程中難免會(huì)出現(xiàn)測(cè)斜管扭曲變形較大的情況，測(cè)斜管內(nèi)的卡槽方位將明顯偏離設(shè)計(jì)方向，引起觀測(cè)變形成果與實(shí)際變形成果相差較大的情況出現(xiàn)。

(3)儀器設(shè)備搬運(yùn)困難。多達(dá)290 m長的儀器電纜會(huì)大大增加測(cè)斜儀的自重和絞盤系統(tǒng)的尺寸與重量，無論是儀器搬運(yùn)還是現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)過程中都會(huì)大大增加儀器設(shè)備的運(yùn)輸和保護(hù)難度。

(4)觀測(cè)時(shí)間與觀測(cè)難度增加。按最深孔 290 m計(jì)算，每 0.5 m觀測(cè)一次，每次觀測(cè)按A0和A180兩個(gè)方向進(jìn)行，再考慮到儀器讀數(shù)穩(wěn)定和靜置的時(shí)間，則單孔的觀測(cè)時(shí)間將長達(dá) 4 h～5 h。

(5)測(cè)斜儀電纜制造工藝難度增加。為保證電纜的抗拉強(qiáng)度和變形剛度，減小電纜的伸縮變形，提高測(cè)量精度，需在電纜內(nèi)增加鋼絞線。

(6)測(cè)斜儀探頭的定位精度降低。

綜合上述原因，較深的監(jiān)測(cè)方案不僅難以實(shí)施，而且很難達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的監(jiān)測(cè)成果。鑒于在南水北調(diào)建設(shè)期已對(duì)煤層采空區(qū)進(jìn)行了充填灌漿，將測(cè)斜鉆孔鉆至覆蓋層以下煤層以上基巖內(nèi)，同時(shí)配合多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)采空區(qū)渠道的內(nèi)部變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器布置如圖1和圖2所示。

圖1 采空區(qū)渠道半側(cè)測(cè)斜監(jiān)測(cè)斷圖

圖2 采空區(qū)渠道半側(cè)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)斷圖

3.4 人工巡視檢查

自施工開始進(jìn)行人工巡視檢查。檢查堤頂有無裂縫、異常變形、積水等現(xiàn)象；迎水坡或背水坡護(hù)面或護(hù)坡是否損壞、有無裂縫、剝落、滑動(dòng)、隆起、塌坑、滲水坑或流土、管涌等現(xiàn)象。

4 變形監(jiān)測(cè)成果及分析

為監(jiān)測(cè)采空區(qū)渠道變形發(fā)展規(guī)律，分別在南水北調(diào)渠道充水前、充水期和通水初期進(jìn)行監(jiān)測(cè)取值，部分位移計(jì)監(jiān)測(cè)成果特征值如表1所示，A向深度相對(duì)水平位移與深度關(guān)系曲線如圖3所示。

采空區(qū)渠道6點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)特征值成果 表1

圖3 MIN9-1A向深度相對(duì)水平位移與深度關(guān)系曲線

監(jiān)測(cè)結(jié)果可表明采空區(qū)六點(diǎn)位移計(jì)垂直位移在 -2.18 mm～3.11 mm之間變化，渠道充水試驗(yàn)和通水初期采空區(qū)垂直位移變化幅度很小。測(cè)斜孔目前實(shí)測(cè)順坡(A向)相對(duì)水平位移在 3 mm以內(nèi)變化，A向深度相對(duì)水平位移值基本圍繞孔軸線左右變化，并且變化幅度很小。測(cè)孔的水平位移值變化值基本是在儀器觀測(cè)系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)變化，目前未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)有水平位移變化。

5 結(jié) 論

通過對(duì)采空區(qū)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)部位較為合理，測(cè)得數(shù)據(jù)與灌漿后各施工標(biāo)段地質(zhì)CT掃描檢查情況對(duì)比，監(jiān)測(cè)成果符合南水北調(diào)總干渠下部巖土體的變形規(guī)律。因此，本次變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)是可行的，可為今后類似水利工程通過煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、灌漿處理、工程運(yùn)行管理提供技術(shù)依據(jù)和參考。

[1] 韓冬. 數(shù)字水準(zhǔn)儀在南水北調(diào)中線工程穿越禹州礦區(qū)沉降觀測(cè)中的應(yīng)用[J]. 科技視野，2012，9(25)：260.

[2] SL551-2012. 土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[3] SL362-2006. 大壩觀測(cè)儀器測(cè)斜儀[S].

Study on the Deformation Monitoring Instruments Arrangement in Mineral Goaf of Main Channel of Water Transfer Project

Li Qiao1，F(xiàn)u Chaoyun2，Chen Qin3

(1.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project，Beijing 100038，China； 2.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.，Ltd，Zhengzhou 450016，China； 3.Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd，Zhengzhou 450003，China)

To ensure the security and stability of South-to-North Water Diversion Middle Route Project at gob，combined with the characteristics of buried depth，mining situation and the difficult degree in construction，this paper carried out the monitoring of the internal deformation，mainly engaged in channel apparent deformation and internal deformation monitoring in geotechnical engineering，focused on research the monitoring items and burying position of internal deformation monitoring in geotechnical engineering，monitored before filling water，early water filling and drainage systems of South-to-North Water Diversion，monitoring results conformed to the deformation law. The measured results show that the deformation monitoring designs was reasonable，which also provide valuable references to the similar project safety monitoring design.

South-to-North Water Diversion；gob；internal deformation；burying position

1672-8262(2017)01-134-03

P258，TU196

B

2016—05—03 作者簡(jiǎn)介：李喬(1984—)，女，碩士，工程師，主要從事南水北調(diào)工程技術(shù)管理工作。