某采空區渠道施工期內部位移監測分析

孫明霞 肖建峰

某采空區渠道施工期內部位移監測分析

孫明霞 肖建峰

一、安全監測設計

某采空區明渠渠道長3.9km，Ⅰ等1級建筑物。渠道設計流量315m3/s，加大流量375m3/s。渠道縱比降1/26000，設計水深7.0m，加大水深7.637～7.644m；渠道設計底寬19.5～24.5m，內邊坡1∶3～1∶2，外邊坡1∶2～1∶2.5。

該采空區屬于煤礦采空區，煤層頂板覆巖已經破壞，地面沉陷盆地已經或正在形成，工程地質條件復雜。雖然設計采用了注漿法對采空區進行加固處理，但由于開挖煤層埋藏深度變化較大，所以開采沉降穩定時間會很長。故渠道變形監測是安全監測的重點，要引起重視，發現問題及時處理，確保渠道工程的運行安全。

渠堤位移監測分內部位移監測和外部位移監測兩種。內部位移監測是監測測點相對于某一基準點的位移，而外部位移監測則是監測這個基準點的位移變化，內外觀結合監測才能得到內部位移測點的絕對位移。采空區內部水平位移采用測斜儀監測，不同深度垂直位移采用多點位移計監測。下面以某一監測斷面為例進行施工期內部位移監測分析，儀器布置見示意圖1。

圖1　渠道測斜儀、多點位移布置斷面圖

二、施工期監測

1.內部水平位移監測

內部水平位移一般采用測斜儀進行測量，測斜儀由測斜管、測頭、電纜、測讀設備組成。測斜儀工作原理是利用重力擺錘始終保持鉛直方向的性質，測得儀器中軸線與擺錘垂直線間的夾角變化，進而換算出沿鉆孔深度各測點的水平位移值。測斜管埋設在鉆孔內，管內有兩組互成90°的導向槽，測斜儀順導槽放在測斜管內。測斜管與壩體緊密結合，假定測斜管的位移與沿測斜管埋設的土層位移協調一致，當土體位移時，逐段（一般0.5m）量測變形后測斜管軸線與鉛垂線之間的夾角，乘以分段長度（一般0.5m）即得到某一段的位移變化，逐段累計可以計算出總位移變化。初期觀測可以建立起測斜管位移的初始斷面。其后的觀測會顯示當土層發生位移時斷面位移的變化。此次觀測時，探頭從測斜管底部向頂部移動，在每0.5m間距處暫停并進行測量工作。先讀取順坡A向每隔0.5m讀數，再讀取順水流B向每隔0.5m讀數，將當前觀測數據與初始值對比，可以確定順坡向或順水流向不同高程的水平位移變化量，顯示出當前位置所發生的位移。內部水平位移方向規定如下：A向“+”表示順坡向位移，“-”表示逆坡向位移；B向“+”表示順水流向位移，“-”表示逆水流向位移。

取某監測斷面作為重點監測斷面，在監測斷面左、右岸一級馬道上分別埋設深部位移孔MIN1和MIN2。儀器埋設后，施工單位按規范要求進行了監測和資料整編。

2013年10月5日在左岸埋設深部位移孔MIN1，實測孔深為65.50m，不同深度位移特征值（A向和B向）見表1。由表1可知，2013年10月15日測的孔深25.0m和45.0m處順坡向（A向）水平位移為-0.1mm和0.3mm，2013年11月15日相應位移值為-0.2mm和0.5mm，位移值很小。2013年10月15日測的孔深25.0m和45.0m處順水流方向（B向）水平位移為-0.2mm和0.4mm，2013年11月15日相應位移值為0.3mm和-0.1mm，位移值也很小。水平位移值基本圍繞孔軸線左右變化，說明這是觀測誤差范圍內，也是儀器本身帶來的誤差；從A向或B向累積位移曲線趨勢分析，A向或B向孔口累積位移最大26.1mm，均在30mm以內，見圖2（MIN1）。

表1　MIN1孔累積相對水平位移與深度關系表

表2　MIN2孔累積相對水平位移與深度關系表

圖2　MIN1孔、MIN2孔累積相對水平位移與深度關系曲線圖

2013年10月5日在右岸埋設深部位移孔MIN2，實測孔深為66.00m，不同深度位移特征值（A向和B向）見表2。由表2可知，2013年10月15日測的孔深25.0m和45.0m處順坡向（A向）水平位移為1.0mm和0.9mm，2013年11月15日相應位移值為1.2mm和1.3mm，位移值很小。2013年10月15日測的孔深25.0m和45.0m處順水流方向（B向）水平位移為-0.5mm和0.4mm，2013年11月15日相應位移值為0.2mm和0.5mm，位移值也不大。水平位移值也是基本圍繞孔軸線左右變化，也是觀測誤差范圍內；從A向或B向累積位移曲線趨勢分析，A向或B向孔口累積位移最大值65.5mm，均在70mm以內，見圖2（MIN2）。分析認為，右岸一級馬道是主要施工交通路，大型車輛和施工載重車從測斜孔附近通過，孔口位移增大可能是受到施工的干擾造成的，所以右岸一級馬道內部水平位移要大于左岸內部水平位移。

2.內部沉降監測

內部沉降監測一般采用多點位移計進行監測。多點位移計主要由位移傳感器、錨頭、傳遞桿及保護管、灌漿安裝基座、儀器安裝座等組成。適用于長期埋設在土壩、土堤、邊坡、隧道等結構物內，測量結構物深層多部位的位移、沉降、應變、滑移等。多點位移計的工作原理是當被測結構物發生變形時將會通過多點位移計的錨頭帶動傳遞桿，傳遞桿拉動管口位移傳感器產生位移變形，變形在傳感器內轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率，頻率信號傳輸至讀數裝置，即可計算出被測結構物的變形量。

根據采空區工程渠道情況，2013年6月5日，在某一監測斷面左右岸一級馬道上分別埋設多點位移計，用于監測堤身內部沉降變形情況，測點布置見示意圖1。不同深度位移特征值見圖3，監測結果顯示，渠道斷面兩岸渠堤內部沉降變形量不大，與沉降管是在渠堤已填筑成型一段時間后才進行安裝有關，未能捕捉到渠堤在填筑期間的沉降量。至2013年12月底，兩沉降管實測堤身內部最大沉降量為18.2mm，約占填筑高度的0.18%。

圖3　左堤實測渠堤內部沉降量變化過程線圖

圖4　右堤實測渠堤內部沉降量變化過程線圖

三、結語

（1）內部水平位移監測成果顯示，斷面左右岸一級馬道上深部位移MIN1和MIN2孔，順坡向（A向）水平位移在0.5～65.5mm范圍內變化，順水流向（B向）水平位移在-10.1～11.8mm范圍內變化，位移量較小。

（2）內部沉降監測成果顯示，采空區沉降位移在-5.1～18.2mm范圍內變化，位移量也較小。

（3）各監測成果顯示，采空區工程施工期工作性態無異常。目前煤礦采空區地基尚未穩定，鑒于采空區地質條件的復雜性和地基處理措施尚無成熟經驗，雖然監測數據表明處理后的沉降量較小，但未經充水考驗（荷載加大沉降會增加），建議通水時制定詳細的通水方案，通水初期應嚴格控制水位上升速度，邊監測邊提高水位。并在運行中應加強監測，發現問題及時處理

（作者單位：中水淮河規劃設計研究有限公司230601淮河水利委員會233001）