南水北調中線工程總干渠穿越焦作礦區段變形監測分析

呂存宣

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

南水北調中線總干渠在河南省境內焦作段穿越煤礦采空區。雖然前期經過了大量的技術經濟論證工作，渠道基本避開了采空區，但仍有多處采空區距離渠道較近，地表沉陷影響邊界的3處采空區，仍有可能對總干渠安全產生影響。在方案比選及初步設計階段，勘察設計單位在收集煤礦地質資料的基礎上，根據國內外類似經驗及地表地面調查工作，對采空區的穩定性進行了宏觀分析和定性評價，但沒有進行過相關數值模擬計算等定量分析工作，而煤礦采空區的穩定性是工程的重大工程技術問題之一，其是否還對渠道工程產生影響是十分突出的技術問題，隨著工程的相繼開工建設及運營，需要對這些問題進行全面、深入的研究與分析。

通過建立專用變形監測系統和地下水觀測設施，及時掌握和提供地基巖土體和支護結構變形信息和工作狀態，及時預報地基險情，以便采取措施。監測采空區在施工前、施工期、運行初期的變形情況，聯合高校等科研機構，評價總干渠沿線下伏采空區的穩定性，判斷采空區對總干渠渠道及建筑物的影響并預測發展趨勢，為采空區段工程設計、施工、運行管理提供可靠的技術依據。

1 工程概況

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

1.1 監測內容

監測范圍包括受采空區影響的渠段。以渠道場地、地裂縫兩盤及地下水位監測為主。監測內容包括垂直位移監測、水平位移監測、場地巖土體內部變形監測和地下水位監測，監測點布設范圍充分結合地質穩定性條件、地裂縫的空間分布位置和采空區的影響邊界。

1.2 基本原則

采用GNSS對地表水平位移進行監測（三等平面），利用精密數字水準儀進行垂直位移觀測（二等水準），同時深層埋設多點位移計和測斜儀對采空區現狀巖層位移進行監測，觀測頻率為每月1次。

1.3 主要工作量

共布置水平位移監測基準點、監測點各6 座，垂直位移變形監測基準點2處各3座，監測點28座。渠段地基巖土體內部多點位移計2個，測斜儀2個，分別在不同深度布置測斜儀傳感器13支。監測時間為2010-2017年。

2 變形監測

2.1 地表變形監測

第一，布點原則：結合渠道布置和礦層走向、開采方法及上覆地層產狀，采用平行和垂直煤礦層走向成直線斷面布置，長度超過地表移動變形范圍。觀測點間距為100～200 m。

基準點埋設在穩定的地方，監測點埋設在敏感的地方。

巖體內部監測點結合地裂縫發育情況布置，多點位移計、測斜儀埋設在地裂縫上盤渠道左側紅線附近。

第二，監測點埋設：平面位移點帶強制歸心裝置，為增加監測點的穩定性，在底盤下用洛陽鏟掏挖4個3 m長度穩定樁。

第三，變形監測：項目涉及2個沉陷區，平面基準點統籌布置，高程基準點分別在2處沉陷區各埋設3座。

基于減水河MIKE11建庫后對水環境的影響………………………………………盧 慧，董紅霞，軒曉博（6.20）

垂直位移觀測選用天寶Dini03 電子水準儀配合因瓦條碼水準標尺進行；水平位移監測采用8臺徠卡GX 1230型雙頻靜態GNSS接收機同步觀測。

2.2 巖土體內部變形監測

在變形監測部位埋設多點位移計和測斜儀，并按照一定的頻率采集數據。使用基康儀器有限公司生產的BGK-A3 型多點位移計，測斜儀為BGK-6150垂直測斜儀。

2.3 地下水位監測

按時采集地下水位數據。

3 變形分析

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

①外業數據檢核：對各觀測數據進行檢核。②內業數據檢核：通過不同的方法驗算、不同人員的重復計算來消除原始資料中的粗差。③原始資料的邏輯分析：通過繪制過程線推測其一致性，或者通過對臨近點的變形監測值推測其相關性。

3.1 基準網穩定性分析

定期觀測，以確保其相對穩定性，必要時，可以使用技術手段對其進行整體檢驗，挑出不穩定的點。

3.2 垂直位移變形分析

一般用Excel表格統計，并繪制隨時間變化的位移曲線（分段為施工期和運行期），并進行分析。

3.3 水平位移變形分析

依觀測量位移之X、Y值，繪制水平位移曲線并進行分析。

3.4 巖土體內部變形分析

依據巖土體內部埋設的傳感器采集的位移量變化，繪制位移曲線并進行分析。

3.5 地下水位分析

繪制時間水位變化曲線，分析地下水位變化及年變幅。

4 外業巡視檢查

整個施工期間，每天均有專人巡視。

4.1 檢查內容

①總干渠構筑物及周邊鄰近環境狀況：總干渠渠坡襯砌板、渠底板有無裂縫和隆起，背水坡有無沉陷；總干渠鄰近建筑物，特別是曾經遭受采空區變形損壞的建筑物裂縫發展情況；鄰近道路及地表有無裂縫、沉陷；總干渠周圍地面堆載情況，有無較大規模的填土等。②施工工況及異常現象：注漿施工地面隆起、裂縫變形情況；場地雨季或汛期地表、基坑積水、建筑物基坑地下水排放情況；總干渠基坑開挖發現的土體裂縫、空洞等不良地質現象；基坑開挖情況、填筑堤施工情況等。③監測設施狀況：基準點、監測點完好情況；有無影響觀測工作的障礙物；監測元件的完好及保護情況等。

4.2 檢查方法

巡視檢查方法以目測為主，輔以攝影、釬探、量尺、放大鏡等工具，對建筑物裂縫等特殊對象采用簡易觀測法，設置固定鉚釘量測或石膏片觀測。每天的巡視記錄及時整理，并結合儀器監測數據綜合分析。

4.3 檢查結論

第一，從2010 年以來，施工初期的地表附屬物清理、重載車輛、渠基回填碾壓施工等對監測條件影響較大，監測數據局部異常變化反映了施工環境條件變化的影響。

第二，總干渠場地紅線范圍內地質巡視沒有發現地面、土體有沉陷變形現象，渠坡及襯砌板等亦未發現有裂縫、隆起、沉陷等變形跡象。

第三，原地裂縫經過總干渠開挖絕大部分已挖除，僅在總干渠左岸場地有出露，經工程處理后，在地面和總干渠渠坡相關部位未發現變形跡象。

5 監測結論及建議

5.1 結論

一是水平位移監測點，除部分點發生跳躍最后趨于穩定外，其他點均未超過設計中誤差允許值，有些點因總干渠通水后出現向北正直移動現象，但趨勢向穩，應注意加強后期觀測。平均而言，各平面監測點無明顯變形。

二是距總干渠最遠的監測點累計最大沉降63 mm，最近點沉降最大值20 mm。結合地表巡視，場地填土，新建的移民新村房屋沒有變形損壞的現象，亦驗證本渠段是穩定的。

部分點在施工期受右岸渠堤道路重車及碾壓影響，微有隆起，目前已經穩定。其余監測點變形量較小，沉降歷時曲線趨勢表明，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定。渠坡相關部位地質巡視未發現變形跡象。

三是地裂縫鄰近的地表監測點初期有下沉趨勢。總干渠通水后上升趨勢明顯，后期下沉，走向不定。

四是地下水位監測表明，總體呈下降趨勢。

五是監測成果結合地表巡視表明，3 處毗鄰采空區的渠段，地表和巖土體的變形總體穩定。地裂縫局部存在較小的變形現象。對于地裂縫的監測，建議仍作為下一步觀測的重點。

5.2 建議

后期聯合科研單位，建立GIS模型，整合DEM數據，疊加航片和變形監測點，生成工程數字孿生模型，采用現代數學方法對數據進行分析整理，利用最大位移和位移速率兩種方法，分析采空區變形規律及穩定條件，并開發預測分析處理系統。