某采空区渠道施工期内部位移监测分析

孙明霞 肖建峰

某采空区渠道施工期内部位移监测分析

孙明霞 肖建峰

一、安全监测设计

某采空区明渠渠道长3.9km，Ⅰ等1级建筑物。渠道设计流量315m3/s，加大流量375m3/s。渠道纵比降1/26000，设计水深7.0m，加大水深7.637～7.644m；渠道设计底宽19.5～24.5m，内边坡1∶3～1∶2，外边坡1∶2～1∶2.5。

该采空区属于煤矿采空区，煤层顶板覆岩已经破坏，地面沉陷盆地已经或正在形成，工程地质条件复杂。虽然设计采用了注浆法对采空区进行加固处理，但由于开挖煤层埋藏深度变化较大，所以开采沉降稳定时间会很长。故渠道变形监测是安全监测的重点，要引起重视，发现问题及时处理，确保渠道工程的运行安全。

渠堤位移监测分内部位移监测和外部位移监测两种。内部位移监测是监测测点相对于某一基准点的位移，而外部位移监测则是监测这个基准点的位移变化，内外观结合监测才能得到内部位移测点的绝对位移。采空区内部水平位移采用测斜仪监测，不同深度垂直位移采用多点位移计监测。下面以某一监测断面为例进行施工期内部位移监测分析，仪器布置见示意图1。

图1　渠道测斜仪、多点位移布置断面图

二、施工期监测

1.内部水平位移监测

内部水平位移一般采用测斜仪进行测量，测斜仪由测斜管、测头、电缆、测读设备组成。测斜仪工作原理是利用重力摆锤始终保持铅直方向的性质，测得仪器中轴线与摆锤垂直线间的夹角变化，进而换算出沿钻孔深度各测点的水平位移值。测斜管埋设在钻孔内，管内有两组互成90°的导向槽，测斜仪顺导槽放在测斜管内。测斜管与坝体紧密结合，假定测斜管的位移与沿测斜管埋设的土层位移协调一致，当土体位移时，逐段（一般0.5m）量测变形后测斜管轴线与铅垂线之间的夹角，乘以分段长度（一般0.5m）即得到某一段的位移变化，逐段累计可以计算出总位移变化。初期观测可以建立起测斜管位移的初始断面。其后的观测会显示当土层发生位移时断面位移的变化。此次观测时，探头从测斜管底部向顶部移动，在每0.5m间距处暂停并进行测量工作。先读取顺坡A向每隔0.5m读数，再读取顺水流B向每隔0.5m读数，将当前观测数据与初始值对比，可以确定顺坡向或顺水流向不同高程的水平位移变化量，显示出当前位置所发生的位移。内部水平位移方向规定如下：A向“+”表示顺坡向位移，“-”表示逆坡向位移；B向“+”表示顺水流向位移，“-”表示逆水流向位移。

取某监测断面作为重点监测断面，在监测断面左、右岸一级马道上分别埋设深部位移孔MIN1和MIN2。仪器埋设后，施工单位按规范要求进行了监测和资料整编。

2013年10月5日在左岸埋设深部位移孔MIN1，实测孔深为65.50m，不同深度位移特征值（A向和B向）见表1。由表1可知，2013年10月15日测的孔深25.0m和45.0m处顺坡向（A向）水平位移为-0.1mm和0.3mm，2013年11月15日相应位移值为-0.2mm和0.5mm，位移值很小。2013年10月15日测的孔深25.0m和45.0m处顺水流方向（B向）水平位移为-0.2mm和0.4mm，2013年11月15日相应位移值为0.3mm和-0.1mm，位移值也很小。水平位移值基本围绕孔轴线左右变化，说明这是观测误差范围内，也是仪器本身带来的误差；从A向或B向累积位移曲线趋势分析，A向或B向孔口累积位移最大26.1mm，均在30mm以内，见图2（MIN1）。

表1　MIN1孔累积相对水平位移与深度关系表

表2　MIN2孔累积相对水平位移与深度关系表

图2　MIN1孔、MIN2孔累积相对水平位移与深度关系曲线图

2013年10月5日在右岸埋设深部位移孔MIN2，实测孔深为66.00m，不同深度位移特征值（A向和B向）见表2。由表2可知，2013年10月15日测的孔深25.0m和45.0m处顺坡向（A向）水平位移为1.0mm和0.9mm，2013年11月15日相应位移值为1.2mm和1.3mm，位移值很小。2013年10月15日测的孔深25.0m和45.0m处顺水流方向（B向）水平位移为-0.5mm和0.4mm，2013年11月15日相应位移值为0.2mm和0.5mm，位移值也不大。水平位移值也是基本围绕孔轴线左右变化，也是观测误差范围内；从A向或B向累积位移曲线趋势分析，A向或B向孔口累积位移最大值65.5mm，均在70mm以内，见图2（MIN2）。分析认为，右岸一级马道是主要施工交通路，大型车辆和施工载重车从测斜孔附近通过，孔口位移增大可能是受到施工的干扰造成的，所以右岸一级马道内部水平位移要大于左岸内部水平位移。

2.内部沉降监测

内部沉降监测一般采用多点位移计进行监测。多点位移计主要由位移传感器、锚头、传递杆及保护管、灌浆安装基座、仪器安装座等组成。适用于长期埋设在土坝、土堤、边坡、隧道等结构物内，测量结构物深层多部位的位移、沉降、应变、滑移等。多点位移计的工作原理是当被测结构物发生变形时将会通过多点位移计的锚头带动传递杆，传递杆拉动管口位移传感器产生位移变形，变形在传感器内转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率，频率信号传输至读数装置，即可计算出被测结构物的变形量。

根据采空区工程渠道情况，2013年6月5日，在某一监测断面左右岸一级马道上分别埋设多点位移计，用于监测堤身内部沉降变形情况，测点布置见示意图1。不同深度位移特征值见图3，监测结果显示，渠道断面两岸渠堤内部沉降变形量不大，与沉降管是在渠堤已填筑成型一段时间后才进行安装有关，未能捕捉到渠堤在填筑期间的沉降量。至2013年12月底，两沉降管实测堤身内部最大沉降量为18.2mm，约占填筑高度的0.18%。

图3　左堤实测渠堤内部沉降量变化过程线图

图4　右堤实测渠堤内部沉降量变化过程线图

三、结语

（1）内部水平位移监测成果显示，断面左右岸一级马道上深部位移MIN1和MIN2孔，顺坡向（A向）水平位移在0.5～65.5mm范围内变化，顺水流向（B向）水平位移在-10.1～11.8mm范围内变化，位移量较小。

（2）内部沉降监测成果显示，采空区沉降位移在-5.1～18.2mm范围内变化，位移量也较小。

（3）各监测成果显示，采空区工程施工期工作性态无异常。目前煤矿采空区地基尚未稳定，鉴于采空区地质条件的复杂性和地基处理措施尚无成熟经验，虽然监测数据表明处理后的沉降量较小，但未经充水考验（荷载加大沉降会增加），建议通水时制定详细的通水方案，通水初期应严格控制水位上升速度，边监测边提高水位。并在运行中应加强监测，发现问题及时处理

（作者单位：中水淮河规划设计研究有限公司230601淮河水利委员会233001）