南水北調(diào)中線工程總干渠穿越焦作礦區(qū)段變形監(jiān)測(cè)分析

呂存宣

（河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

南水北調(diào)中線總干渠在河南省境內(nèi)焦作段穿越煤礦采空區(qū)。雖然前期經(jīng)過(guò)了大量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證工作，渠道基本避開(kāi)了采空區(qū)，但仍有多處采空區(qū)距離渠道較近，地表沉陷影響邊界的3處采空區(qū)，仍有可能對(duì)總干渠安全產(chǎn)生影響。在方案比選及初步設(shè)計(jì)階段，勘察設(shè)計(jì)單位在收集煤礦地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)國(guó)內(nèi)外類(lèi)似經(jīng)驗(yàn)及地表地面調(diào)查工作，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了宏觀分析和定性評(píng)價(jià)，但沒(méi)有進(jìn)行過(guò)相關(guān)數(shù)值模擬計(jì)算等定量分析工作，而煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性是工程的重大工程技術(shù)問(wèn)題之一，其是否還對(duì)渠道工程產(chǎn)生影響是十分突出的技術(shù)問(wèn)題，隨著工程的相繼開(kāi)工建設(shè)及運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行全面、深入的研究與分析。

通過(guò)建立專(zhuān)用變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地下水觀測(cè)設(shè)施，及時(shí)掌握和提供地基巖土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形信息和工作狀態(tài)，及時(shí)預(yù)報(bào)地基險(xiǎn)情，以便采取措施。監(jiān)測(cè)采空區(qū)在施工前、施工期、運(yùn)行初期的變形情況，聯(lián)合高校等科研機(jī)構(gòu)，評(píng)價(jià)總干渠沿線下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性，判斷采空區(qū)對(duì)總干渠渠道及建筑物的影響并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，為采空區(qū)段工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

焦作礦區(qū)段穿越總干渠段全長(zhǎng)約25 km，基本沿鳳凰嶺斷裂以南及九里山斷裂延伸邊緣通過(guò)，基本避開(kāi)了采空區(qū)。

1.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)測(cè)范圍包括受采空區(qū)影響的渠段。以渠道場(chǎng)地、地裂縫兩盤(pán)及地下水位監(jiān)測(cè)為主。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括垂直位移監(jiān)測(cè)、水平位移監(jiān)測(cè)、場(chǎng)地巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)和地下水位監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)范圍充分結(jié)合地質(zhì)穩(wěn)定性條件、地裂縫的空間分布位置和采空區(qū)的影響邊界。

1.2 基本原則

采用GNSS對(duì)地表水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)（三等平面），利用精密數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行垂直位移觀測(cè)（二等水準(zhǔn)），同時(shí)深層埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)和測(cè)斜儀對(duì)采空區(qū)現(xiàn)狀巖層位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀測(cè)頻率為每月1次。

1.3 主要工作量

共布置水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)各6 座，垂直位移變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)2處各3座，監(jiān)測(cè)點(diǎn)28座。渠段地基巖土體內(nèi)部多點(diǎn)位移計(jì)2個(gè)，測(cè)斜儀2個(gè)，分別在不同深度布置測(cè)斜儀傳感器13支。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2010-2017年。

2 變形監(jiān)測(cè)

2.1 地表變形監(jiān)測(cè)

第一，布點(diǎn)原則：結(jié)合渠道布置和礦層走向、開(kāi)采方法及上覆地層產(chǎn)狀，采用平行和垂直煤礦層走向成直線斷面布置，長(zhǎng)度超過(guò)地表移動(dòng)變形范圍。觀測(cè)點(diǎn)間距為100～200 m。

基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在穩(wěn)定的地方，監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在敏感的地方。

巖體內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)合地裂縫發(fā)育情況布置，多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)斜儀埋設(shè)在地裂縫上盤(pán)渠道左側(cè)紅線附近。

第二，監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)：平面位移點(diǎn)帶強(qiáng)制歸心裝置，為增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性，在底盤(pán)下用洛陽(yáng)鏟掏挖4個(gè)3 m長(zhǎng)度穩(wěn)定樁。

第三，變形監(jiān)測(cè)：項(xiàng)目涉及2個(gè)沉陷區(qū)，平面基準(zhǔn)點(diǎn)統(tǒng)籌布置，高程基準(zhǔn)點(diǎn)分別在2處沉陷區(qū)各埋設(shè)3座。

基于減水河MIKE11建庫(kù)后對(duì)水環(huán)境的影響………………………………………盧 慧，董紅霞，軒曉博（6.20）

垂直位移觀測(cè)選用天寶Dini03 電子水準(zhǔn)儀配合因瓦條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行；水平位移監(jiān)測(cè)采用8臺(tái)徠卡GX 1230型雙頻靜態(tài)GNSS接收機(jī)同步觀測(cè)。

2.2 巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)

在變形監(jiān)測(cè)部位埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)和測(cè)斜儀，并按照一定的頻率采集數(shù)據(jù)。使用基康儀器有限公司生產(chǎn)的BGK-A3 型多點(diǎn)位移計(jì)，測(cè)斜儀為BGK-6150垂直測(cè)斜儀。

2.3 地下水位監(jiān)測(cè)

按時(shí)采集地下水位數(shù)據(jù)。

3 變形分析

由于變形量本身較小，鄰近于測(cè)量誤差邊緣，為區(qū)分變形與誤差，提取變性特征，必須設(shè)法消除較大的超限誤差，從而盡可能地減少觀測(cè)誤差對(duì)變形分析的影響。

①外業(yè)數(shù)據(jù)檢核：對(duì)各觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核。②內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)檢核：通過(guò)不同的方法驗(yàn)算、不同人員的重復(fù)計(jì)算來(lái)消除原始資料中的粗差。③原始資料的邏輯分析：通過(guò)繪制過(guò)程線推測(cè)其一致性，或者通過(guò)對(duì)臨近點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)值推測(cè)其相關(guān)性。

3.1 基準(zhǔn)網(wǎng)穩(wěn)定性分析

定期觀測(cè)，以確保其相對(duì)穩(wěn)定性，必要時(shí)，可以使用技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行整體檢驗(yàn)，挑出不穩(wěn)定的點(diǎn)。

3.2 垂直位移變形分析

一般用Excel表格統(tǒng)計(jì)，并繪制隨時(shí)間變化的位移曲線（分段為施工期和運(yùn)行期），并進(jìn)行分析。

3.3 水平位移變形分析

依觀測(cè)量位移之X、Y值，繪制水平位移曲線并進(jìn)行分析。

3.4 巖土體內(nèi)部變形分析

依據(jù)巖土體內(nèi)部埋設(shè)的傳感器采集的位移量變化，繪制位移曲線并進(jìn)行分析。

3.5 地下水位分析

繪制時(shí)間水位變化曲線，分析地下水位變化及年變幅。

4 外業(yè)巡視檢查

整個(gè)施工期間，每天均有專(zhuān)人巡視。

4.1 檢查內(nèi)容

①總干渠構(gòu)筑物及周邊鄰近環(huán)境狀況：總干渠渠坡襯砌板、渠底板有無(wú)裂縫和隆起，背水坡有無(wú)沉陷；總干渠鄰近建筑物，特別是曾經(jīng)遭受采空區(qū)變形損壞的建筑物裂縫發(fā)展情況；鄰近道路及地表有無(wú)裂縫、沉陷；總干渠周?chē)孛娑演d情況，有無(wú)較大規(guī)模的填土等。②施工工況及異常現(xiàn)象：注漿施工地面隆起、裂縫變形情況；場(chǎng)地雨季或汛期地表、基坑積水、建筑物基坑地下水排放情況；總干渠基坑開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)的土體裂縫、空洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象；基坑開(kāi)挖情況、填筑堤施工情況等。③監(jiān)測(cè)設(shè)施狀況：基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)完好情況；有無(wú)影響觀測(cè)工作的障礙物；監(jiān)測(cè)元件的完好及保護(hù)情況等。

4.2 檢查方法

巡視檢查方法以目測(cè)為主，輔以攝影、釬探、量尺、放大鏡等工具，對(duì)建筑物裂縫等特殊對(duì)象采用簡(jiǎn)易觀測(cè)法，設(shè)置固定鉚釘量測(cè)或石膏片觀測(cè)。每天的巡視記錄及時(shí)整理，并結(jié)合儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析。

4.3 檢查結(jié)論

第一，從2010 年以來(lái)，施工初期的地表附屬物清理、重載車(chē)輛、渠基回填碾壓施工等對(duì)監(jiān)測(cè)條件影響較大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)局部異常變化反映了施工環(huán)境條件變化的影響。

第二，總干渠場(chǎng)地紅線范圍內(nèi)地質(zhì)巡視沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地面、土體有沉陷變形現(xiàn)象，渠坡及襯砌板等亦未發(fā)現(xiàn)有裂縫、隆起、沉陷等變形跡象。

第三，原地裂縫經(jīng)過(guò)總干渠開(kāi)挖絕大部分已挖除，僅在總干渠左岸場(chǎng)地有出露，經(jīng)工程處理后，在地面和總干渠渠坡相關(guān)部位未發(fā)現(xiàn)變形跡象。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

一是水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，除部分點(diǎn)發(fā)生跳躍最后趨于穩(wěn)定外，其他點(diǎn)均未超過(guò)設(shè)計(jì)中誤差允許值，有些點(diǎn)因總干渠通水后出現(xiàn)向北正直移動(dòng)現(xiàn)象，但趨勢(shì)向穩(wěn)，應(yīng)注意加強(qiáng)后期觀測(cè)。平均而言，各平面監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯變形。

二是距總干渠最遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)最大沉降63 mm，最近點(diǎn)沉降最大值20 mm。結(jié)合地表巡視，場(chǎng)地填土，新建的移民新村房屋沒(méi)有變形損壞的現(xiàn)象，亦驗(yàn)證本渠段是穩(wěn)定的。

部分點(diǎn)在施工期受右岸渠堤道路重車(chē)及碾壓影響，微有隆起，目前已經(jīng)穩(wěn)定。其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量較小，沉降歷時(shí)曲線趨勢(shì)表明，雖有輕微的沉降變形，但總體沉降量較小，近幾年的變形基本穩(wěn)定。渠坡相關(guān)部位地質(zhì)巡視未發(fā)現(xiàn)變形跡象。

三是地裂縫鄰近的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)初期有下沉趨勢(shì)。總干渠通水后上升趨勢(shì)明顯，后期下沉，走向不定。

四是地下水位監(jiān)測(cè)表明，總體呈下降趨勢(shì)。

五是監(jiān)測(cè)成果結(jié)合地表巡視表明，3 處毗鄰采空區(qū)的渠段，地表和巖土體的變形總體穩(wěn)定。地裂縫局部存在較小的變形現(xiàn)象。對(duì)于地裂縫的監(jiān)測(cè)，建議仍作為下一步觀測(cè)的重點(diǎn)。

5.2 建議

后期聯(lián)合科研單位，建立GIS模型，整合DEM數(shù)據(jù)，疊加航片和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，生成工程數(shù)字孿生模型，采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，利用最大位移和位移速率兩種方法，分析采空區(qū)變形規(guī)律及穩(wěn)定條件，并開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)分析處理系統(tǒng)。