抬動監測在工程固結灌漿過程中的應用

胡偉華,冷元寶,趙志華,楊紅云

(1.黃河勘測規劃設計有限公司工程物探研究院,河南鄭州 450003;2.黃河水利科學研究院,河南鄭州 450003)

1 工程概況

“5.12”汶川特大地震發生后,紫平鋪水電站2號泄洪排沙洞受到震損,必須對該泄洪排沙洞洞身進行固結灌漿加固。為了防止隧洞襯砌、底板等部位在固結灌漿過程中出現抬動而造成破壞,必須對隧洞內灌漿全過程進行抬動變形監測,指導灌漿工作,保證灌漿工作的順利進行。灌漿過程中常常因為各種原因引起結構的抬動變形。目前,國內外的研究分析認為,對趾板等結構抬動變形影響的因素主要包括:灌漿壓力、注入率、抬動觀測孔離灌漿點的距離、基礎地質條件、趾板與基巖接觸情況、漿液水灰比、孔深、孔距和灌漿次序等。但主要影響因素是灌漿壓力與注入率,因此,在灌漿過程中灌漿壓力和注入率的控制就顯得十分重要[1]。

紫坪鋪水電站2號泄洪排沙洞總長641.00m,分龍抬頭段和導泄結合段,固結灌漿共分8個單元,龍抬頭段4個單元(1～4單元),導泄結合段4個單元(5～8單元)。龍抬頭段設計灌漿深度為進入基巖15.0m,1次成孔,自下而上分4段灌漿,各段長度分別為2.0m,3.0m,5.0m,5.0m,最高灌漿壓力為3.0MPa;導泄結合段設計灌漿深度為進入基巖25.0m,分6段成孔,自上而下分5段灌漿,各段長度分別為2.0m,3.0m,5.0m,5.0m,5.0m,設計灌漿壓力為0.7～2.0MPa。灌漿孔呈梅花形布置[2]。

2 地質概況

龍抬頭段以中厚層狀含煤含礫中細粒砂巖及泥質粉砂巖為主,局部為煤質頁巖,圍巖類別以Ⅲ類和Ⅳ類為主。導泄結合段樁號 0+509.00 m～0+595.00m段為F3斷層破碎帶及影響帶,斷層帶由鱗片巖、糜棱角礫巖、斷層泥和砂巖透鏡體組成,巖體軟弱破碎,為Ⅴ類圍巖。樁號0+595.00 m～0+641.00m段為中厚層～薄層狀中細粒砂巖與泥質粉砂巖、煤質頁巖互層,受構造擠壓和F3斷層影響,次級小斷層和層間剪切破碎帶發育,為Ⅴ類圍巖。

3 抬動監測點的布置

抬動變形量的大小不僅與抬動監測孔與灌漿點間的距離有關,同時還與灌漿的壓力大小、基礎的地質條件、基巖與砌體及底板的膠結情況等諸多因素有關[3]。根據現場情況,按照設計意圖,在每個單元(2單元由于各方面的原因,未布置抬動監測點)的中間斷面埋設3個抬動監測點,即左壁、右壁、底板各1個監測點,共計21個抬動監測點。

4 抬動監測裝置的安裝

在混凝土襯砌和圍巖內鉆孔(監測孔深度均為30m)后,埋設鋼管和傳感器支架,保護管需嵌入圍巖中,鉆孔與保護管之間充填細砂,內管位于保護管中,末端被水泥漿錨固固定,保護管與內管之間用麻絲堵塞,孔口段用10cm厚砂漿固定,支架固定在灌漿部位的混凝土襯砌中。位移傳感器用支架固定好并與監測儀器相連,壓力傳感器分別與灌漿泵壓力接口和監測儀器相連接,如圖1所示(該抬動孔由施工單位設計安裝)。

圖1 抬動變形監測裝置結構示意圖

5 儀器設備

選用黃河勘測規劃設計有限公司工程物探研究院研制的TDS-A型變形觀測儀,該儀器具有24h自動采集記錄、報警功能(超過限值自動報警),記錄時間可任意設置,最小記錄時間為1min。位移傳感器采用HY-65數碼型位移傳感器,精度為1μ m。壓力傳感器選用ST3000LBCⅢER壓力變送器,通過油杯與灌漿機對接,可實時監測灌漿壓力。

6 抬動變形監測

在灌漿過程中,安排專人進行抬動監測,自動記錄儀每1min采集記錄1次數據,當抬動變形值增大明顯或達到 150 μ m(設計允許最大抬動值為200μ m)[2]時,儀器自動報警,立即采取措施進行降壓和限流控制[4-5]。在非灌漿過程中,自動記錄儀每10min采集記錄1次數據。在整個施工過程中加強日常巡視,防止產生較大的抬動變形。

7 成果分析

7.1 數據分析

a.從所監測的數據看,整個灌漿過程中抬動變形很小,最大值為80μ m,最小值為2μ m,一般在3～5μ m,整個灌漿過程平穩。

b.圖2為龍抬頭段1單元底板灌漿底板監測抬動曲線,該處地質條件較好,當灌漿壓力達到3.0MPa時,最大抬動值為 6μ m,最小抬動值為零。圖3為F3斷層處底板灌漿底板監測抬動曲線,當灌漿壓力3.0MPa時,最大抬動值為72μ m,最小抬動值為零。說明巖體越破碎,裂隙越發育,抬動變形值越大,越容易造成破壞,因此在灌漿前應充分了解地質情況。

圖2 一單元底板灌漿底板監測抬動曲線

圖3 F3斷層處底板灌漿底板監測抬動曲線

c.監測過程除顯示了抬動與灌漿壓力具有相關性以外,還反映了抬動反應明顯滯后于灌漿壓力,從圖2、圖3中可以看出,最大抬動值峰值明顯后移,在灌漿過程中要特別注意一旦產生突變性抬動,即使立即實行降壓與限流控制,抬動峰值也不會馬上回落。因此,在抬動監測過程中,抬動變形控制限值應留有充分的余地。

圖4 一單元底板灌漿底板最大抬動與監測距離關系曲線

d.在監測過程中對抬動最大值與監測距離(灌漿抬動影響半徑)作了統計,從圖4可以看出,該處地質條件較好,當灌漿壓力達到3.0 MPa時,在100cm處灌漿其最大抬動值為6μ m,在300 cm處灌漿其最大抬動值為3μ m,當灌漿距離大于400cm時其最大抬動值為零,呈遞減趨勢,這是因為該單元灌漿影響范圍(抬動半徑)最大只有400 cm以及隨著灌漿距離增加而抬動值變小。圖5為F3斷層處最大抬動值與灌漿距離關系曲線,灌漿壓力3.0MPa,從圖5中可以看出,抬動值基本上也是隨灌漿距離的增加而變小,且在F3斷層處其灌漿影響范圍不超過500cm。以上情況說明了地質條件越差,裂隙越發育,其影響范圍越大;同時在底板灌漿,左右洞壁的抬動值基本為零,說明在底板灌漿對左右洞壁影響不大;反之亦然(圖6,圖7)。

圖5 F3斷層處底板灌漿底板最大抬動值與監測距離關系曲線

圖6 一單元底板灌漿左壁監測抬動曲線

圖7 一單元底板灌漿右壁監測抬動曲線

e.灌漿壓力與變形關系數據表見表1(表中時序與圖中時間相對應)。

表1 灌漿壓力與變形關系數據

8 存在的問題

a.由于抬動監測時間較長,有的達到半年甚至超過1年,在灌漿過程中巖體經常抬動或微抬動,使裝置中的橡膠柱因長時間使用而失去彈性或灌漿壓力大穿透橡膠柱致使內外管間出現漏漿現象,造成內外管連接,導致監測數據失真。

b.該監測裝置適用于底板抬動監測,而洞壁抬動監測建議采用精密水準儀進行2點監測,即分別在左、右壁打抬動監測孔,埋好監測桿,測2測桿間測距的變化,水準儀的距離盡可能離灌漿點遠一些,避免架儀器的位置由于灌漿產生抬動造成觀測結果不準確。

9 結 語

目前國內在灌漿抬動監測方面沒有統一規定及控制標準,抬動孔的布置、抬動裝置的埋設方法、監測方法、監測記錄時間控制以及限值等都隨設計要求而不同,各個地方、各個監測單位都有自己的方案,抬動監測工作比較混亂。為了保證灌漿質量,確保灌漿工作正常進行,建議加快抬動監測規范的編制。

:

[1]劉永豪.大壩基巖灌漿對趾板抬動變形的影響機理研究[D].成都:西華大學,2009.

[2]韓永.紫坪鋪工程災后恢復重建初步設計報告[R].成都:中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,2008.

[3]張跟軍.淺談水利樞紐工程大壩灌漿施工中的抬動控制[J].經營管理者,2009(13):318.

[4]郭曉剛,程少榮.高面板堆石壩趾板基礎灌漿抬動控制研究[J].長江科學院院報,2006(3):25-31.

[5]蘇常林,黃猛.灌漿施工中的抬動控制[J].工程實踐,2008(2):57-59.