雙金屬管標與倒垂孔結合在高摩贊工程中的應用

劉章騰，李慶云

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 概述

高摩贊大壩樞紐工程位于巴基斯坦境內的印度河支流——Gomal Zam河上，工程以灌溉為主，兼顧防洪發(fā)電。該工程在大壩的底部634 m高程基礎廊道以雙金屬管標與倒垂相結合的方式布置了1套監(jiān)測系統(tǒng)，即雙標的兩個管與倒垂的保護管相互套在一起，埋設在同一孔內，以同心圓的形式既設雙金屬管標，又設倒垂孔。

2 工作原理

根據(jù)彈性理論，在半空間體的邊界上施加一定的荷載，所引起的豎直變形量在半空間體的深度方向上衰減的非常快，當其到達一定深度后，荷載所引起的豎直變形即可忽略不計。

雙金屬管標就是利用雙金屬管(一般采用鋼管和鋁管)線膨脹系數(shù)的差異，在確定一定的埋深以后，通過測定雙金屬管頂部相對于地表面的位移值，進而計算出雙金屬管錨固點至孔口地面之間基巖的豎直位移變化量。常用的雙金屬管標有兩種，分別為雙管并列式(圖1)和三管合一式(圖2)。

圖1 雙管并列式雙金屬管標示意圖

圖2 三管合一式雙金屬管標示意圖

本工程采用的是后一種形式的雙金屬管標，設計孔深39 m，護管尺寸為φ168×8 mm，鋼管尺寸為φ127×8 mm，鋁管尺寸為 φ95×5 mm。設計要求開孔直徑不小于φ220，安裝鋁管后有效孔徑不小于φ60。

3 鉆孔施工

本工程使用的鉆孔設備為XY－4型鉆機，在鉆機就位后對鉆機的傾斜進行了調平，使傾斜小于0.1%。在鉆孔過程中，嚴格按照《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》DL/T 5178－2003的要求執(zhí)行，采用低轉速、小壓力及小水量鉆進，并按要求對孔斜進行檢查，歷時35 d，完成了雙標倒垂孔的鉆進工作，鉆孔流程見圖3。

圖3 鉆孔流程圖

4 有效孔徑的測定

鉆孔完成后，有效孔徑的測定至關重要，其不僅是對孔本身的合格與否進行判斷，也對隨后進行的儀器安裝有重要影響。

常用的有效孔徑測定的方法是采用倒垂浮體配合彈性置中器完成。該方法的依據(jù)是:由于浮子在水箱中產(chǎn)生浮力，致使垂線總是處于鉛直方向，若浮子偏離鉛直線，浮體受浮力的影響，必有反力使其恢復至鉛直位置。

有效孔徑的測定可分以下幾個步驟完成:

(1)將浮筒通過支架穩(wěn)定的放在孔口正上方，并向筒中加入清水(加水的量要保證浮子不能碰到浮筒的底部，且要有足夠的浮力)。

(2)調整彈性置中器的外徑，使其自然懸垂時的外徑比鉆孔孔徑大1～2 mm。

(3)將彈性置中器通過鋼絲放入孔中，直至其接近孔底(圖4)。

圖4 彈性置中器示意圖

(4)待浮筒中的浮子穩(wěn)定后(注:浮子與浮筒壁不能接觸，即不能碰壁)，用鋼尺在孔口讀數(shù)。

(5)讀數(shù)時，先將1把鋼尺放在孔口的十字刻劃板(在開孔時已經(jīng)埋設)的左右方向上，嚴格對準刻劃線，然后用另1把鋼尺讀取鋼絲在上下游方向上偏離中心的距離并記錄。而后再測另外一個方向鋼絲偏離中心的距離(圖5)，此處應規(guī)定偏離方向的正負號。該工程為了繪圖方便，規(guī)定向下游為正，向右岸為正，反之為負。

(6)當一個點讀數(shù)完成后，將彈性置中器向上提0.5 m，再讀取下一點的數(shù)據(jù)，依次讀數(shù)，直至完成整個孔的測讀。

圖5 有效孔徑測量示意圖

(7)作圖:孔內任意深度與相對孔口中心點圓周的投影圓相交的內切圓直徑即為有效孔徑。根據(jù)上述所測數(shù)據(jù)，繪制偏離孔口中心的等直徑圓，最后繪制所有相交圓的最大內切圓，從而可以得到有效孔徑。

按照上述方法，該工程對雙標倒垂孔進行了測定，表1是選取的部分特征點，所做出的有效孔徑見圖6。根據(jù)圖示，最終的有效孔徑為φ194.82，完全滿足要求。

圖6 雙標倒垂有效孔徑圖(mm)

表1 雙標倒垂孔偏心記錄表

5 安裝工藝

5.1 保護管的安裝

根據(jù)測定的有效孔徑及其中心來確定保護管安裝的中心位置，然后利用管夾和鉆機逐節(jié)將保護管吊入孔中。為方便安裝，保護管的單根長度一般為2 m左右，其接頭為矩形的公、母螺扣。為了防水并保證管間的連接牢固，接頭處應用麻紗蘸防銹漆進行處理。下保護管前，可在鉆孔底部放入少量水泥漿(高于孔底約0.5 m)。保護管下到孔底后，宜略提起(不得提出水泥漿面)并用鉆機或千斤頂固定，然后準確測定保護管的偏斜值，如偏斜過大，應加以調整，待其滿足設計要求后，對管壁與孔壁之間的空隙進行灌漿。

5.2 雙金屬管標的安裝

在測定保護管的偏斜值、確定其有效孔徑的中心后，安裝雙金屬標的鋼管和鋁管，安裝方法與安裝保護管基本相同。其區(qū)別是在保護管與鋼管、鋼管與鋁管之間的空隙每隔2 m要設置1個橡膠環(huán)，用以扶正管子的整體方向。安裝完后，測定鋁管內的有效孔徑，用以安裝倒垂。該工程最終測定的鋁管的有效孔徑為φ78，大于設計要求的φ60，滿足設計要求。

5.3 倒垂的安裝

在確定鋁管內的有效孔徑和中心后，即可按照通常的方法安裝倒垂線，安裝完成后靜置24 h，即可向管內注漿。為了保證錨固效果，需在雙標管(鋼管和鋁管)的底部0.5 m范圍內提前鉆一些梅花孔，并應將護管底部內壁加工成粗糙面。

6 雙標的計算

為了能更真實的反映所測位置的沉降變形，雙標管的鋼、鋁管必須采用同爐材質的材料，對其線膨脹系數(shù)應進行專門的檢驗。垂直位移的計算公式為:

式中 α鋁、α鋼分別為鋁標管、鋼標管的線膨脹系數(shù);h鋼、h鋁分別為鋼標管、鋁標管的位移讀數(shù)。

通常認為鋁管的線膨脹系數(shù)為鋼管的2倍，即α鋁=2α鋼，所以式(1)可簡化為:

但嚴格的講，鋼管和鋁管的線膨脹系數(shù)并不是完全的2倍關系。比如，在該工程中，鋼管和鋁管的線膨脹系數(shù)分別為10.757 6×10－6(℃)和20.366 9 ×10－6(℃)，因此，筆者并不贊同將式(1)簡化成式(2)，因為這樣可能會給實測的位移值帶來超過允許范圍的人為誤差。為了計算方便，可設定 α鋼/α鋁=k，則式(1)可簡化為:

7 結語

雙標倒垂孔相結合的模式對于孔的鉆設、保護管和雙標管的安裝要求比較高，但對于空間狹小的部位，例如大壩的基礎廊道則是一種較好的模式，同時，提高了生產(chǎn)效率并降低了成本。

[1]混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范，DL/T5178－2003[S].

[2]二灘水電開發(fā)有限公司.巖土工程安全監(jiān)測手冊[M].北京:中國水利水電出版社，1999.