邵明煤田采空區(qū)變形對南水北調(diào)中線總干渠影響監(jiān)測研究

安志坤

邵明煤田采空區(qū)變形對南水北調(diào)中線總干渠影響監(jiān)測研究

安志坤

(河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050021)

概括介紹項目背景和外業(yè)觀測工作開展情況，分別進(jìn)行了首次觀測數(shù)據(jù)分析、垂直位移分析及水平位移分析，重點對變形量不大但趨勢比較明顯的問題進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

南水北調(diào)中線；采空區(qū)；水平位移；垂直位移；變形分析

1 工程概要

邵明煤田位于南水北調(diào)中線一期工程總干渠漳河北至古運河南144+080～147+680之間，受地形條件限制，南水北調(diào)中線一期工程邯邢段總干渠(146+170～147+010)需經(jīng)過邵明煤田的華懋煤礦。

華懋煤礦行政區(qū)劃為臨城縣上溝村，南部與內(nèi)丘縣西邵明接壤。由于其為民營煤礦，煤礦開采時間相對較長，期間幾經(jīng)關(guān)停和倒手轉(zhuǎn)讓，開采不規(guī)范，使其基本資料、生產(chǎn)狀況和實際采空資料等不能完整收集，且不同來源的采空區(qū)范圍、界線出入較大。根據(jù)現(xiàn)有資料，綜合分析后推測總干渠預(yù)留保護(hù)煤柱邊緣存在局部采空區(qū)域。

為了進(jìn)一步確認(rèn)總干渠所通過該區(qū)域地面確實穩(wěn)定，及時預(yù)警是否因偷采、越采行為造成預(yù)留保護(hù)煤柱破壞而引發(fā)局部地面變形，確保總干渠在施工期和運行期安全，按照《邵明煤田采空區(qū)變形對南水北調(diào)中線總干渠影響監(jiān)測研究工作大綱》要求，河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，自2011年7月～2015年12月完成了邵明煤田采空區(qū)變形對南水北調(diào)中線總干渠影響監(jiān)測研究工作。

2 工作開展情況

(1)多渠道收集了華懋煤礦開采(采空區(qū))基本資料，并依據(jù)工程現(xiàn)場情況，在總干渠兩側(cè)永久占地范圍至保護(hù)煤柱附近，造埋變形觀測點26個；根據(jù)已知點的分布和測區(qū)相對位置，分別建立了水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)和垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)，經(jīng)過各期檢測，認(rèn)為其穩(wěn)定、可靠。

(2)借鑒有關(guān)單位的經(jīng)驗，結(jié)合河北省氣候和農(nóng)業(yè)耕作特點，確定變形觀測周期為每年觀測2次，分別為4和10月。在新設(shè)觀測點穩(wěn)定后，隨即進(jìn)行首期(獨立的2次)觀測，以后進(jìn)入正常周期觀測。觀測期至2015年，與運行期相銜接。

(3)各期水平位移監(jiān)測，采用美國Trimb1e公司生產(chǎn)的R8多頻GNSS接收機(jī)、TSC3控制器，進(jìn)行C級(2等)GPS測量；垂直位移測量，采用Trimb1e DiNi03數(shù)字水準(zhǔn)儀，均配銦瓦條碼標(biāo)尺進(jìn)行2等幾何水準(zhǔn)測量。

C級(2等)GPS最弱點位中誤差為5.0mm，小于10mm限差要求；最弱相鄰點邊長相對中誤差為1/162647，優(yōu)于1/150000限差要求。

2等水準(zhǔn)觀測中，96.3%以上的測段往返測高差不符值優(yōu)于1/3限差，60%的每km水準(zhǔn)測量偶然中誤差小于1/3限差，環(huán)線閉合差均小于1/3限差。根據(jù)10條水準(zhǔn)閉合環(huán)計算的每km水準(zhǔn)測量全中誤差為0.74mm，遠(yuǎn)小于2mm限差要求。

3 變形分析

3.1 首次觀測數(shù)據(jù)分析

首次觀測26個觀測點中，2次坐標(biāo)差小于5mm的觀測點有13個，占50%；5～10mm的觀測點有11個，占42.3%；大于10mm的觀測點有2個，占7.7%。2次高程差小于1mm的觀測點有24個，占92.3%；其他2個觀測點分別為1.0、1.2mm。

根據(jù)首期觀測2次C級GPS、二等水準(zhǔn)成果統(tǒng)計得出，其平面位置中誤差為±4.32mm，高程中誤差為±0.36mm，均小于1/2限差要求。

3.2 垂直位移分析

(1)每次周期觀測數(shù)據(jù)處理完成后，分別進(jìn)行本周期與上周期期間垂直位移量，以及本周期與首期觀測間的累積垂直位移量統(tǒng)計。為了便于對比分析，根據(jù)各期2等水準(zhǔn)測量成果，繪制了周期1～8各周期期間垂直位移量圖和累積垂直位移量圖，如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可以看出，周期2觀測中，HM18的異常變形與其周圍曾堆放過石料的實際情況有關(guān)；周期3觀測中，HM20的沉降應(yīng)該是由于澆地灌水等原因造成；周期5觀測之后，個別觀測被毀，造成數(shù)據(jù)不連續(xù)。周期2、4與前一周期的微量上升比較明顯，周期6、7與前一周期的微量下降比較明顯，絕大部分觀測點的累積垂直位移量最大值出現(xiàn)在周期5。

圖1 周期1～8各期期間垂直位移量

圖2 周期1～8各期累積垂直位移量

(2)為了分析每個觀測點的垂直位移量與時間的變化趨勢，根據(jù)其累積垂直位移量和時間，繪制了垂直位移量時間變化趨勢圖。部分典型觀測點的垂直位移量時間變化趨勢如圖3所示。

由圖3可以看出，絕大部分觀測點呈現(xiàn)前2年上升、后2年下降現(xiàn)象，累積垂直位移量最大值出現(xiàn)于2014年4月。

圖3 典型觀測點垂直位移量時間變化趨勢

(3)為了對照分析上升觀測點的分布情況，根據(jù)2014年4月累積垂直位移量統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)26個觀測點中，累積上升量超過4mm的共有15個。其中，7個觀測點位于總干渠西側(cè)，8個觀測點位于總干渠東側(cè)；而且東側(cè)的8個觀測點中，HM12、HM11大于8mm，HM08、HM16大于9mm。如圖4所示。

由圖4可以看出，上升比較明顯的觀測點分布相對集中。由此可以推斷，其上升除了與降水量有關(guān)外，應(yīng)該與區(qū)域地質(zhì)條件有關(guān)。

圖4 累積垂直位移量大于4mm觀測點分布

(4)為了進(jìn)一步分析上述15個觀測點的期末變形情況，不考慮測量誤差和其他影響因素，截至2015年10月，其累積垂直位移在-0.47～4.26mm。其中，HM09、HM10、HM13等3個觀測點的累積垂直位移為-0.47～0mm，且均位于總干渠西側(cè)；累積垂直位移量在1.23～1.59mm的觀測點有6個，2.53～2.95mm的觀測點有3個，3.74～3.81mm的觀測點有2個，觀測點HM11的累積垂直位移量最大，為4.26mm。而且，累積垂直位移量大于2mm的觀測點均位于總干渠東側(cè)，如圖5所示。因此，該區(qū)域總干渠東側(cè)下降速率小于上升速率。

3.3 水平位移分析

水平位移主要是由垂直位移引起的。經(jīng)過對全部觀測數(shù)據(jù)的處理分析，根據(jù)2012～2015年地形變化監(jiān)測水平位移量成果，絕大部分觀測點本次位移量和累積位移量均小于10mm，個別大于10mm，但小于20mm。

根據(jù)2倍中誤差作為極限誤差的規(guī)定，各觀測點周期間水平位移量及累積水平位移量均未超過20mm。由于水平位移趨勢不明顯，認(rèn)為未發(fā)生水平位移。

4 結(jié)論

通過5年來的8次周期觀測，綜合以上分析，結(jié)論如下：

(1)觀測區(qū)域未發(fā)現(xiàn)水平位移，但有垂直位移發(fā)生，呈現(xiàn)出前2年上升、后2年下降現(xiàn)象，趨勢反轉(zhuǎn)點為2014年4月。觀測期間，最大累積上升位移量9.83mm，最大累積下降位移量7.64mm。

(2)垂直位移發(fā)生區(qū)域主要集中在總干渠146 +180～146+540東西兩側(cè)，且變形量東側(cè)大于西側(cè)。

(3)從目前變形觀測分析，觀測點的垂直位移變形趨勢比較一致，但最大變形量不大，且總變形量正逐漸減小，區(qū)域變形未威脅總干渠安全。

［1］安志坤.南水北調(diào)中線工程(河北省南段)總干渠擬通過邵明煤田采空區(qū)地形變監(jiān)測研究初探［J］.南水北調(diào)與水利科技，2004 (05)：27-31.

［2］王衛(wèi)國，謝津平，曹衛(wèi)斌，等.戈蘭灘水電站外部變形監(jiān)測控制網(wǎng)設(shè)計［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2007，15(03)：50-54.

［3］李永新.南水北調(diào)中線總干渠禹州煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測方案探討［J］.資源環(huán)境與工程，2010，24(05)：531-534，565.

［4］鄭保華.南水北調(diào)總干渠通過煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測方法［J］.河南水利與南水北調(diào)，2010(06)：22-23.

［5］曲傳勇，羅帆.水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)計及資料分析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2009，17(05)：40-43.

［6］耿運生，李聚興，周玉濤，等.膨脹土渠坡混凝土斜墻防護(hù)的穩(wěn)定及變形分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2014(12)：19-21，37.

［7］SL197-2013.水利水電工程測量規(guī)范［S］.

［8］GB/T12897-2006.國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范［S］.

［9］GB/T18314-2009.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］.

［10］GB50026-2007.工程測量規(guī)范［S］.

P641.4+61

A

1672-2469(2017)03-0039-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.016

2017-01-17

安志坤(1964年—)，男，教授級高級工程師。