邵明煤田采空区变形对南水北调中线总干渠影响监测研究

安志坤

邵明煤田采空区变形对南水北调中线总干渠影响监测研究

安志坤

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021)

概括介绍项目背景和外业观测工作开展情况，分别进行了首次观测数据分析、垂直位移分析及水平位移分析，重点对变形量不大但趋势比较明显的问题进行了统计分析。

南水北调中线；采空区；水平位移；垂直位移；变形分析

1 工程概要

邵明煤田位于南水北调中线一期工程总干渠漳河北至古运河南144+080～147+680之间，受地形条件限制，南水北调中线一期工程邯邢段总干渠(146+170～147+010)需经过邵明煤田的华懋煤矿。

华懋煤矿行政区划为临城县上沟村，南部与内丘县西邵明接壤。由于其为民营煤矿，煤矿开采时间相对较长，期间几经关停和倒手转让，开采不规范，使其基本资料、生产状况和实际采空资料等不能完整收集，且不同来源的采空区范围、界线出入较大。根据现有资料，综合分析后推测总干渠预留保护煤柱边缘存在局部采空区域。

为了进一步确认总干渠所通过该区域地面确实稳定，及时预警是否因偷采、越采行为造成预留保护煤柱破坏而引发局部地面变形，确保总干渠在施工期和运行期安全，按照《邵明煤田采空区变形对南水北调中线总干渠影响监测研究工作大纲》要求，河北省水利水电第二勘测设计研究院，自2011年7月～2015年12月完成了邵明煤田采空区变形对南水北调中线总干渠影响监测研究工作。

2 工作开展情况

(1)多渠道收集了华懋煤矿开采(采空区)基本资料，并依据工程现场情况，在总干渠两侧永久占地范围至保护煤柱附近，造埋变形观测点26个；根据已知点的分布和测区相对位置，分别建立了水平位移基准网和垂直位移基准网，经过各期检测，认为其稳定、可靠。

(2)借鉴有关单位的经验，结合河北省气候和农业耕作特点，确定变形观测周期为每年观测2次，分别为4和10月。在新设观测点稳定后，随即进行首期(独立的2次)观测，以后进入正常周期观测。观测期至2015年，与运行期相衔接。

(3)各期水平位移监测，采用美国Trimb1e公司生产的R8多频GNSS接收机、TSC3控制器，进行C级(2等)GPS测量；垂直位移测量，采用Trimb1e DiNi03数字水准仪，均配铟瓦条码标尺进行2等几何水准测量。

C级(2等)GPS最弱点位中误差为5.0mm，小于10mm限差要求；最弱相邻点边长相对中误差为1/162647，优于1/150000限差要求。

2等水准观测中，96.3%以上的测段往返测高差不符值优于1/3限差，60%的每km水准测量偶然中误差小于1/3限差，环线闭合差均小于1/3限差。根据10条水准闭合环计算的每km水准测量全中误差为0.74mm，远小于2mm限差要求。

3 变形分析

3.1 首次观测数据分析

首次观测26个观测点中，2次坐标差小于5mm的观测点有13个，占50%；5～10mm的观测点有11个，占42.3%；大于10mm的观测点有2个，占7.7%。2次高程差小于1mm的观测点有24个，占92.3%；其他2个观测点分别为1.0、1.2mm。

根据首期观测2次C级GPS、二等水准成果统计得出，其平面位置中误差为±4.32mm，高程中误差为±0.36mm，均小于1/2限差要求。

3.2 垂直位移分析

(1)每次周期观测数据处理完成后，分别进行本周期与上周期期间垂直位移量，以及本周期与首期观测间的累积垂直位移量统计。为了便于对比分析，根据各期2等水准测量成果，绘制了周期1～8各周期期间垂直位移量图和累积垂直位移量图，如图1、图2所示。

由图1、图2可以看出，周期2观测中，HM18的异常变形与其周围曾堆放过石料的实际情况有关；周期3观测中，HM20的沉降应该是由于浇地灌水等原因造成；周期5观测之后，个别观测被毁，造成数据不连续。周期2、4与前一周期的微量上升比较明显，周期6、7与前一周期的微量下降比较明显，绝大部分观测点的累积垂直位移量最大值出现在周期5。

图1 周期1～8各期期间垂直位移量

图2 周期1～8各期累积垂直位移量

(2)为了分析每个观测点的垂直位移量与时间的变化趋势，根据其累积垂直位移量和时间，绘制了垂直位移量时间变化趋势图。部分典型观测点的垂直位移量时间变化趋势如图3所示。

由图3可以看出，绝大部分观测点呈现前2年上升、后2年下降现象，累积垂直位移量最大值出现于2014年4月。

图3 典型观测点垂直位移量时间变化趋势

(3)为了对照分析上升观测点的分布情况，根据2014年4月累积垂直位移量统计，发现26个观测点中，累积上升量超过4mm的共有15个。其中，7个观测点位于总干渠西侧，8个观测点位于总干渠东侧；而且东侧的8个观测点中，HM12、HM11大于8mm，HM08、HM16大于9mm。如图4所示。

由图4可以看出，上升比较明显的观测点分布相对集中。由此可以推断，其上升除了与降水量有关外，应该与区域地质条件有关。

图4 累积垂直位移量大于4mm观测点分布

(4)为了进一步分析上述15个观测点的期末变形情况，不考虑测量误差和其他影响因素，截至2015年10月，其累积垂直位移在-0.47～4.26mm。其中，HM09、HM10、HM13等3个观测点的累积垂直位移为-0.47～0mm，且均位于总干渠西侧；累积垂直位移量在1.23～1.59mm的观测点有6个，2.53～2.95mm的观测点有3个，3.74～3.81mm的观测点有2个，观测点HM11的累积垂直位移量最大，为4.26mm。而且，累积垂直位移量大于2mm的观测点均位于总干渠东侧，如图5所示。因此，该区域总干渠东侧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。经过对全部观测数据的处理分析，根据2012～2015年地形变化监测水平位移量成果，绝大部分观测点本次位移量和累积位移量均小于10mm，个别大于10mm，但小于20mm。

根据2倍中误差作为极限误差的规定，各观测点周期间水平位移量及累积水平位移量均未超过20mm。由于水平位移趋势不明显，认为未发生水平位移。

4 结论

通过5年来的8次周期观测，综合以上分析，结论如下：

(1)观测区域未发现水平位移，但有垂直位移发生，呈现出前2年上升、后2年下降现象，趋势反转点为2014年4月。观测期间，最大累积上升位移量9.83mm，最大累积下降位移量7.64mm。

(2)垂直位移发生区域主要集中在总干渠146 +180～146+540东西两侧，且变形量东侧大于西侧。

(3)从目前变形观测分析，观测点的垂直位移变形趋势比较一致，但最大变形量不大，且总变形量正逐渐减小，区域变形未威胁总干渠安全。

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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，教授级高级工程师。