多點(diǎn)位移計(jì)在南水北調(diào)禹州礦區(qū)段變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

□宋義東（河南省水利勘測(cè)有限公司）

禹州煤礦區(qū)煤系地層接近東西走向，采空區(qū)亦呈東西向展布，南水北調(diào)中線工程總干渠避不開采空區(qū)。采空區(qū)埋深多為100~269m之間，地表已形成有移動(dòng)盆地，移動(dòng)盆地東西長(zhǎng)1700余米，南北寬約40m。隨著工程的相繼開工建設(shè)，禹州段煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定問(wèn)題是否還對(duì)渠道工程存在影響是十分突出的技術(shù)問(wèn)題，為此在禹州礦區(qū)渠段沿總干渠左岸布置多點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)鉆孔3個(gè)，每個(gè)鉆孔分別在埋深15m、30m、40m、50m、60m位置埋設(shè)位移計(jì)5套。通過(guò)對(duì)禹州礦區(qū)巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)，了解采空區(qū)在施工前、施工期、運(yùn)行初期的變形情況，判斷采空區(qū)對(duì)總干渠渠道及建筑物的影響并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，為采空區(qū)段工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工、工程運(yùn)行管理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1.多點(diǎn)位移計(jì)選取與安裝埋設(shè)

1.1 多點(diǎn)位移計(jì)的選取

根據(jù)工程特點(diǎn)和要求，選取儀器性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)適用、操作方便、易于安裝的原則，本次使用了基康儀器（北京）有限公司生產(chǎn)的BGK-A3型多點(diǎn)位移計(jì)。該儀器可以將6支BGK4450型位移傳感器組合在一起，按照不同深度埋設(shè)，用于測(cè)量同一測(cè)孔中不同深度位移變化量，適用巖土體內(nèi)部不同深度位移觀測(cè)。該儀器主要特點(diǎn)有：靈敏度較高、穩(wěn)定性強(qiáng)、溫度影響很小、防腐蝕性能好（不銹鋼結(jié)構(gòu)）、防水性能好、可同時(shí)測(cè)量溫度等。

1.2 多點(diǎn)位移計(jì)的組成與工作原理

多點(diǎn)位移計(jì)主要由安裝基座、基座保護(hù)筒、傳感器、過(guò)渡管、不銹鋼測(cè)桿、測(cè)桿保護(hù)管、灌漿錨頭等組成。

多點(diǎn)位移計(jì)工作原理：在鉆孔內(nèi)不同深度的錨頭用灌漿錨固的方法與孔壁錨固為一體，當(dāng)圍巖沿鉆孔軸線方向發(fā)生位移時(shí)，其位移量就通過(guò)與錨頭聯(lián)結(jié)在一起的鋼桿傳遞到孔口的傳感器上，得出與位移成比例的電壓或頻率變化，并在顯示器上顯示，然后，將電測(cè)信號(hào)換算成位移量。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

本工程使用的多點(diǎn)位移計(jì)主要技術(shù)參數(shù)，詳見表1。

表1 多點(diǎn)位移計(jì)主要技術(shù)參數(shù)表

1.4 儀器安裝埋設(shè)

多點(diǎn)位移計(jì)安裝埋設(shè)程序：測(cè)量放點(diǎn)→鉆孔→儀器組裝→儀器安裝（配裝模擬傳感器）→灌漿→待漿液固化后→安裝傳感器（取下模擬傳感器）→按要求進(jìn)行觀測(cè)→孔口保護(hù)臺(tái)施工。

1.4.1 鉆孔

根據(jù)測(cè)量放點(diǎn)確定鉆孔位置，鉆孔開始前，校核鉆孔位置。為了保證儀器安裝順利，采用150型鉆機(jī)配以BW-160型泥漿泵鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆孔保持垂直。根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)要求的鉆孔直徑和孔深造孔，開孔直徑150m m，鉆100cm后改用直徑130m m鉆頭在150m m鉆孔的孔底中心開孔。鉆孔深度比最深錨頭深2m左右。儀器安裝前用0.5M Pa壓力清水將孔沖洗干凈。鉆孔結(jié)束后對(duì)巖芯進(jìn)行描述記錄，檢查鉆孔通暢情況,測(cè)量鉆孔深度。

1.4.2 儀器安裝

事先在寬闊、平整、干凈的場(chǎng)地將錨頭、測(cè)桿、測(cè)桿保護(hù)管、灌漿管、排氣管等組裝好，測(cè)桿保護(hù)管接頭處使用PVC膠粘劑粘接。將組裝好的多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)桿放進(jìn)孔內(nèi),到測(cè)桿保護(hù)管剛好到孔的外側(cè)位置，在固定支座與保護(hù)管的連接處涂抹PVC膠粘劑,然后把它嵌入與套管管口平齊,直到膠粘劑固化為止。將模擬傳感器安裝固定到基座傳感器固定桿上，按對(duì)應(yīng)的孔位對(duì)好基座。灌漿完成后，等到漿液初凝，將模擬傳感器拆下，把多點(diǎn)位移計(jì)傳感器安裝固定到基座傳感器固定桿上，并同時(shí)記錄下每支傳感器的出廠編號(hào)以及對(duì)應(yīng)的測(cè)桿編號(hào)和錨頭位置。根據(jù)預(yù)估的位移調(diào)整傳感器的工作點(diǎn)，當(dāng)傳感器固定好后，將配套讀數(shù)儀接到儀器的導(dǎo)線上，測(cè)記初始讀數(shù)。安裝孔口保護(hù)裝置。

1.4.3 錨頭灌漿錨固

全部錨頭和傳遞桿安裝完畢后，經(jīng)檢驗(yàn)確定無(wú)誤，用水泥漿進(jìn)行封孔灌漿，注漿材料其彈模接近或小于其周圍介質(zhì)（本工程基巖段采用水泥漿，第四系覆蓋層采用泥漿灌注）。接好灌漿泵,以0.1～0.2M Pa的灌漿壓力進(jìn)行灌漿。灌漿材料水泥漿、水灰比為1:2，加入水泥重7%的膨脹劑，1%的減水劑。泥漿采用膨潤(rùn)土加10%的水泥為灌漿材料。在灌漿前,首先計(jì)算好各段所需要的漿液量，基巖段漿液量宜比實(shí)際計(jì)算量多出10%，以免基巖段灌漿深度不夠。然后將管路用泵打入水以降低磨擦,灌漿速度不可過(guò)快。待孔內(nèi)注滿漿，停止數(shù)分鐘觀察是否有塌落，有塌落現(xiàn)象則及時(shí)補(bǔ)灌，最后封孔待漿液固化。在此期間嚴(yán)防錨頭部位巖體受振動(dòng)或人為擾動(dòng)。

2.數(shù)據(jù)采集與成果分析

2.1 數(shù)據(jù)采集計(jì)算

本項(xiàng)目使用了基康儀器（北京）有限公司生產(chǎn)的BGK-408型振弦讀數(shù)儀定期采集數(shù)據(jù)，該讀數(shù)儀采用全密封便攜式結(jié)構(gòu)和菜單式人機(jī)交互操作，主要用于測(cè)量位移計(jì)的輸出值和溫度值等信息。

將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)按公式計(jì)算位移變化量

式中：R0—初始始讀數(shù)

R1—當(dāng)前讀數(shù)

G—廠家提供的儀器系數(shù)

K—傳感器修正系數(shù)

T1—傳感器當(dāng)前溫度

T0—傳感器初始溫度

各個(gè)鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)計(jì)算成果見表2。

表2 禹州礦區(qū)多點(diǎn)位移計(jì)計(jì)算成果匯總表

2.2 基準(zhǔn)值的確定

基準(zhǔn)值的確定是影響觀測(cè)資料的正確性和分析巖土體內(nèi)部變形穩(wěn)定的關(guān)鍵，如果選擇不當(dāng)會(huì)造成系統(tǒng)性誤差或錯(cuò)誤，因此，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，我們確定將灌漿結(jié)束72h以后的傳感器測(cè)試值作為基準(zhǔn)值，即儀器安裝埋設(shè)后，為確保每支位移計(jì)傳感器基準(zhǔn)值選取的準(zhǔn)確性，均在多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔注漿72h后分別對(duì)每只傳感器進(jìn)行3次測(cè)試，其差值＜1%F.S時(shí)的平均值作為基準(zhǔn)值。

2.3 成果分析

首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)和計(jì)算成果進(jìn)行初步分析，檢查監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值有無(wú)異常。其中監(jiān)測(cè)值于24h以內(nèi)進(jìn)行校對(duì)、整理、計(jì)算，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)查找原因或者進(jìn)行復(fù)測(cè)核對(duì)；計(jì)算成果發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)檢查原始記錄數(shù)據(jù)是否正確、計(jì)算公式是否正確、選取的相關(guān)系數(shù)是否正確等。其次根據(jù)特定重點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)段的工作需要，進(jìn)行全面系統(tǒng)地綜合分析。根據(jù)分析的需要，利用計(jì)算機(jī)軟件分析、繪制相關(guān)位移變化量的圖表，分析巖土體內(nèi)部位移變化規(guī)律和預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。繪制各種圖件可以清晰直觀地了解和分析監(jiān)測(cè)值的變化大小和規(guī)律，判別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否異常。南水北調(diào)中線工程禹州礦區(qū)巖土體內(nèi)部多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)變化過(guò)程線如圖1所示。經(jīng)過(guò)近5個(gè)月對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合觀測(cè)變化過(guò)程線圖來(lái)看;埋設(shè)在禹州礦區(qū)段IDK-1孔的巖土體位移最大變化量為2.692m m：埋設(shè)在IDK-2的巖體位移最大變化量為-0.580m m；埋設(shè)在IDK-3孔的巖體位移累計(jì)變化量為5.305m m。從數(shù)據(jù)整理分析和施工環(huán)境的實(shí)際情況來(lái)看，禹州礦區(qū)段安裝的3個(gè)孔15套多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值都屬于正常變化范圍之內(nèi)。

圖1 多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)變化過(guò)程線圖

3.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)禹州礦區(qū)巖土體內(nèi)部埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，進(jìn)行巖土體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)。儀器安裝及觀測(cè)期間該渠斷正在進(jìn)行采空區(qū)灌漿施工，特別是距離多點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)點(diǎn)很近的地方進(jìn)行灌漿施工，對(duì)巖土體內(nèi)部的變形影響較大，我們也可以從觀測(cè)變化過(guò)程線圖中看到，由于灌漿作用，部分觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)上下跳動(dòng)，說(shuō)明不同位置的錨頭有升有降現(xiàn)象，觀測(cè)結(jié)果和實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)情況比較吻合，因此，在禹州礦區(qū)埋設(shè)的多點(diǎn)位移計(jì)性能是優(yōu)良的，觀測(cè)的數(shù)據(jù)是可靠的，可以為南水北調(diào)采空區(qū)段工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工、工程運(yùn)行管理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。