南水北調中線渠道通過煤礦采空區變形監測設計研究

李喬，付超云，陳勤

(1.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100038； 2.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016； 3.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

南水北調中線渠道通過煤礦采空區變形監測設計研究

李喬1*，付超云2，陳勤3

(1.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100038； 2.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016； 3.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

為保障采空區南水北調中線渠道的安全穩定，結合采礦區煤層埋藏深度、開采情況和實施難易程度等特點，文章開展了變形監測設計，主要開展渠道表觀變形和巖土體內部變形監測，重點對渠道段巖土體內部監測的監測項目和埋設位置進行分析研究，并分別在南水北調渠道充水前、充水期和通水初期進行監測，監測成果符合南水北調總干渠下部巖土體的變形規律，表明此次變形監測設計較為合理，可為類似工程安全監測設計提供參考。

南水北調；采空區；變形監測；埋設位置

1 引 言

南水北調中線總干渠現已成為沿線重要水源，若發生裂縫、塌陷漏水等事故，對沿線城市供水有重要的影響。因部分渠段經過河南省禹州市煤礦采空區，為保障南水北調安全穩定，實時掌握南水北調總干渠下部巖體變形情況，對禹州煤礦采空區監測儀器布置開展設計研究是有必要的，同時也可為類似工程安全監測設計提供參考。

2 工程概況

南水北調中線工程在河南省禹州市西南經過禹州煤礦采空區，占壓的煤礦采空區主要有原新峰礦務局二礦、禹州市梁北鎮郭村煤礦、梁北鎮工貿公司煤礦、梁北鎮福利煤礦和梁北鎮劉垌村一組煤礦等，其累計長度達 3.11 km[1]，煤層埋藏深度 155.0 m～361.0 m。在南水北調工程查勘期間，經過調查發現在采空區多地曾出現有裂縫和錯動現象，為避免輸水渠道出現裂縫、塌陷漏水等事故的發生，在渠道建設期已對禹州采空區進行了充填注漿處理。

3 變形監測設計

總干渠變形監測內容主要為渠道表觀變形和巖土體內部變形監測。

3.1 渠道表觀變形監測

表觀變形監測主要包括垂直位移監測和水平位移監測。在輸水渠道的渠堤和挖方渠段的邊坡表面設置垂直位移和水平位移的位移標點，位移標點的具體布置為：填方渠段設置在堤頂、內坡和外坡的一級馬道上，深挖方渠段設置在各級馬道上以及地面上。采用三角網法進行水平位移觀測，布置三個工作基點，二個在渠道的一側，另一個在渠道的另一側，位置選在附近地基穩固可靠，又便于引測的位置。采用全站儀和水準儀進行表面垂直位移監測，采用全站儀和J1經緯儀進行表面水平位移監測。

3.2 渠道變形測量控制網布置

測量控制網包括平面控制網和垂直控制網(水準網)，本工程各渠道監測斷面的外部變形(水平、垂直)觀測，均是以設在各監測斷面附近的工作基點為基準，采用三角網法、交會法，水準測量和變形觀測儀器設備等進行的相對變形觀測，即均為可動點，為求得絕對變形量，需要采用測量控制網定期測量這些工作基點和儀器站點的變化，以便對各渠道斷面各儀器點的位移值進行修正，求出絕對變形值。

基準點是進行絕對變形測量的參照基準，利用基準點對不同監測對象或監測點分別構成控制網，建立渠道工程平面變形監測的整體聯系。從理論上，基準點應設在變形影響區外，但考慮到變形監測精度要求和目前測量手段的限制，基準點又不宜離渠道太遠。通過分析，并結合平面變形控制網的布設，在總干渠右岸設2個基準點，左岸設1個基準點，形成至少1個三角網，交會三角形邊長一般為 300 m～500 m，最多不要超過 1 000 m，交會點的視線交角都要適當，相鄰兩邊的夾角不宜太大。為了保證基準點的精度，在離渠道較遠的地方選擇兩個校核標點，用于基準點的校核。校核標點的位置選在地質條件好、地層穩定的位置。垂直位移以水準基點為依據，按二等水準要求施測。

3.3 渠道段巖土體內部監測

采空區的內部變形監測設計中，主要考慮的是監測儀器的選型及其埋設位置。結合該礦區煤層埋藏深度、開采情況和實施難易程度等特點，采用測斜管配測斜儀讀數儀和振弦式多點位移計。下面以采空區一個礦井為例，分析探討監測埋置的深度。

根據某礦井地質和灌漿試驗取芯資料統計，采空區覆蓋層厚度在 17.0 m～48.0 m范圍內，平均厚度為 32.5 m，基巖面下距煤層平均高度為 80.0 m～252.0 m。根據《大壩觀測儀器測斜儀》SL362-2006和《土石壩安全監測技術規范》SL551-2012，測斜管下端應埋入巖基 2.0 m，或覆蓋層足夠深(如應力包以下約 2.0 m)處，鉆孔測斜儀主要使用于觀測土體或巖石的側向和水平變形[2、3]。如果監測儀器埋設深度至煤層下基巖部位，最深處約 290 m，主要存在以下幾個方面的問題。

(1)鉆孔和儀器安裝難度大。鉆孔深度太深，鉆孔的孔斜將難于保證，可能導致終孔垂直度偏差較大，超出規范允許標準。同時，隨著孔深的增加，測斜管的長度及自重也會相應增加，測斜管在安裝過程中接頭易受損脫落，測斜管整體墜落孔內，測斜管在鉆孔內呈“S”形分布等現象，最終導致廢孔或測量精度不高等。

(2)測斜管扭曲變形增加。由于測斜管長度較大，安裝過程中難免會出現測斜管扭曲變形較大的情況，測斜管內的卡槽方位將明顯偏離設計方向，引起觀測變形成果與實際變形成果相差較大的情況出現。

(3)儀器設備搬運困難。多達290 m長的儀器電纜會大大增加測斜儀的自重和絞盤系統的尺寸與重量，無論是儀器搬運還是現場量測過程中都會大大增加儀器設備的運輸和保護難度。

(4)觀測時間與觀測難度增加。按最深孔 290 m計算，每 0.5 m觀測一次，每次觀測按A0和A180兩個方向進行，再考慮到儀器讀數穩定和靜置的時間，則單孔的觀測時間將長達 4 h～5 h。

(5)測斜儀電纜制造工藝難度增加。為保證電纜的抗拉強度和變形剛度，減小電纜的伸縮變形，提高測量精度，需在電纜內增加鋼絞線。

(6)測斜儀探頭的定位精度降低。

綜合上述原因，較深的監測方案不僅難以實施，而且很難達到設計預期的監測成果。鑒于在南水北調建設期已對煤層采空區進行了充填灌漿，將測斜鉆孔鉆至覆蓋層以下煤層以上基巖內，同時配合多點位移計對采空區渠道的內部變形進行監測。監測儀器布置如圖1和圖2所示。

圖1 采空區渠道半側測斜監測斷圖

圖2 采空區渠道半側多點位移計監測斷圖

3.4 人工巡視檢查

自施工開始進行人工巡視檢查。檢查堤頂有無裂縫、異常變形、積水等現象；迎水坡或背水坡護面或護坡是否損壞、有無裂縫、剝落、滑動、隆起、塌坑、滲水坑或流土、管涌等現象。

4 變形監測成果及分析

為監測采空區渠道變形發展規律，分別在南水北調渠道充水前、充水期和通水初期進行監測取值，部分位移計監測成果特征值如表1所示，A向深度相對水平位移與深度關系曲線如圖3所示。

采空區渠道6點位移計監測特征值成果 表1

圖3 MIN9-1A向深度相對水平位移與深度關系曲線

監測結果可表明采空區六點位移計垂直位移在 -2.18 mm～3.11 mm之間變化，渠道充水試驗和通水初期采空區垂直位移變化幅度很小。測斜孔目前實測順坡(A向)相對水平位移在 3 mm以內變化，A向深度相對水平位移值基本圍繞孔軸線左右變化，并且變化幅度很小。測孔的水平位移值變化值基本是在儀器觀測系統誤差范圍內變化，目前未發現采空區有水平位移變化。

5 結 論

通過對采空區監測儀器測量數據的分析，監測項目及監測部位較為合理，測得數據與灌漿后各施工標段地質CT掃描檢查情況對比，監測成果符合南水北調總干渠下部巖土體的變形規律。因此，本次變形監測設計是可行的，可為今后類似水利工程通過煤礦采空區變形監測設計、灌漿處理、工程運行管理提供技術依據和參考。

[1] 韓冬. 數字水準儀在南水北調中線工程穿越禹州礦區沉降觀測中的應用[J]. 科技視野，2012，9(25)：260.

[2] SL551-2012. 土石壩安全監測技術規范[S].

[3] SL362-2006. 大壩觀測儀器測斜儀[S].

Study on the Deformation Monitoring Instruments Arrangement in Mineral Goaf of Main Channel of Water Transfer Project

Li Qiao1，Fu Chaoyun2，Chen Qin3

(1.Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project，Beijing 100038，China； 2.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.，Ltd，Zhengzhou 450016，China； 3.Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd，Zhengzhou 450003，China)

To ensure the security and stability of South-to-North Water Diversion Middle Route Project at gob，combined with the characteristics of buried depth，mining situation and the difficult degree in construction，this paper carried out the monitoring of the internal deformation，mainly engaged in channel apparent deformation and internal deformation monitoring in geotechnical engineering，focused on research the monitoring items and burying position of internal deformation monitoring in geotechnical engineering，monitored before filling water，early water filling and drainage systems of South-to-North Water Diversion，monitoring results conformed to the deformation law. The measured results show that the deformation monitoring designs was reasonable，which also provide valuable references to the similar project safety monitoring design.

South-to-North Water Diversion；gob；internal deformation；burying position

1672-8262(2017)01-134-03

P258，TU196

B

2016—05—03 作者簡介：李喬(1984—)，女，碩士，工程師，主要從事南水北調工程技術管理工作。