南水北调中线渠道通过煤矿采空区变形监测设计研究

李乔，付超云，陈勤

(1.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038； 2.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016； 3.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

南水北调中线渠道通过煤矿采空区变形监测设计研究

李乔1*，付超云2，陈勤3

(1.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038； 2.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016； 3.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

为保障采空区南水北调中线渠道的安全稳定，结合采矿区煤层埋藏深度、开采情况和实施难易程度等特点，文章开展了变形监测设计，主要开展渠道表观变形和岩土体内部变形监测，重点对渠道段岩土体内部监测的监测项目和埋设位置进行分析研究，并分别在南水北调渠道充水前、充水期和通水初期进行监测，监测成果符合南水北调总干渠下部岩土体的变形规律，表明此次变形监测设计较为合理，可为类似工程安全监测设计提供参考。

南水北调；采空区；变形监测；埋设位置

1 引 言

南水北调中线总干渠现已成为沿线重要水源，若发生裂缝、塌陷漏水等事故，对沿线城市供水有重要的影响。因部分渠段经过河南省禹州市煤矿采空区，为保障南水北调安全稳定，实时掌握南水北调总干渠下部岩体变形情况，对禹州煤矿采空区监测仪器布置开展设计研究是有必要的，同时也可为类似工程安全监测设计提供参考。

2 工程概况

南水北调中线工程在河南省禹州市西南经过禹州煤矿采空区，占压的煤矿采空区主要有原新峰矿务局二矿、禹州市梁北镇郭村煤矿、梁北镇工贸公司煤矿、梁北镇福利煤矿和梁北镇刘垌村一组煤矿等，其累计长度达 3.11 km[1]，煤层埋藏深度 155.0 m～361.0 m。在南水北调工程查勘期间，经过调查发现在采空区多地曾出现有裂缝和错动现象，为避免输水渠道出现裂缝、塌陷漏水等事故的发生，在渠道建设期已对禹州采空区进行了充填注浆处理。

3 变形监测设计

总干渠变形监测内容主要为渠道表观变形和岩土体内部变形监测。

3.1 渠道表观变形监测

表观变形监测主要包括垂直位移监测和水平位移监测。在输水渠道的渠堤和挖方渠段的边坡表面设置垂直位移和水平位移的位移标点，位移标点的具体布置为：填方渠段设置在堤顶、内坡和外坡的一级马道上，深挖方渠段设置在各级马道上以及地面上。采用三角网法进行水平位移观测，布置三个工作基点，二个在渠道的一侧，另一个在渠道的另一侧，位置选在附近地基稳固可靠，又便于引测的位置。采用全站仪和水准仪进行表面垂直位移监测，采用全站仪和J1经纬仪进行表面水平位移监测。

3.2 渠道变形测量控制网布置

测量控制网包括平面控制网和垂直控制网(水准网)，本工程各渠道监测断面的外部变形(水平、垂直)观测，均是以设在各监测断面附近的工作基点为基准，采用三角网法、交会法，水准测量和变形观测仪器设备等进行的相对变形观测，即均为可动点，为求得绝对变形量，需要采用测量控制网定期测量这些工作基点和仪器站点的变化，以便对各渠道断面各仪器点的位移值进行修正，求出绝对变形值。

基准点是进行绝对变形测量的参照基准，利用基准点对不同监测对象或监测点分别构成控制网，建立渠道工程平面变形监测的整体联系。从理论上，基准点应设在变形影响区外，但考虑到变形监测精度要求和目前测量手段的限制，基准点又不宜离渠道太远。通过分析，并结合平面变形控制网的布设，在总干渠右岸设2个基准点，左岸设1个基准点，形成至少1个三角网，交会三角形边长一般为 300 m～500 m，最多不要超过 1 000 m，交会点的视线交角都要适当，相邻两边的夹角不宜太大。为了保证基准点的精度，在离渠道较远的地方选择两个校核标点，用于基准点的校核。校核标点的位置选在地质条件好、地层稳定的位置。垂直位移以水准基点为依据，按二等水准要求施测。

3.3 渠道段岩土体内部监测

采空区的内部变形监测设计中，主要考虑的是监测仪器的选型及其埋设位置。结合该矿区煤层埋藏深度、开采情况和实施难易程度等特点，采用测斜管配测斜仪读数仪和振弦式多点位移计。下面以采空区一个矿井为例，分析探讨监测埋置的深度。

根据某矿井地质和灌浆试验取芯资料统计，采空区覆盖层厚度在 17.0 m～48.0 m范围内，平均厚度为 32.5 m，基岩面下距煤层平均高度为 80.0 m～252.0 m。根据《大坝观测仪器测斜仪》SL362-2006和《土石坝安全监测技术规范》SL551-2012，测斜管下端应埋入岩基 2.0 m，或覆盖层足够深(如应力包以下约 2.0 m)处，钻孔测斜仪主要使用于观测土体或岩石的侧向和水平变形[2、3]。如果监测仪器埋设深度至煤层下基岩部位，最深处约 290 m，主要存在以下几个方面的问题。

(1)钻孔和仪器安装难度大。钻孔深度太深，钻孔的孔斜将难于保证，可能导致终孔垂直度偏差较大，超出规范允许标准。同时，随着孔深的增加，测斜管的长度及自重也会相应增加，测斜管在安装过程中接头易受损脱落，测斜管整体坠落孔内，测斜管在钻孔内呈“S”形分布等现象，最终导致废孔或测量精度不高等。

(2)测斜管扭曲变形增加。由于测斜管长度较大，安装过程中难免会出现测斜管扭曲变形较大的情况，测斜管内的卡槽方位将明显偏离设计方向，引起观测变形成果与实际变形成果相差较大的情况出现。

(3)仪器设备搬运困难。多达290 m长的仪器电缆会大大增加测斜仪的自重和绞盘系统的尺寸与重量，无论是仪器搬运还是现场量测过程中都会大大增加仪器设备的运输和保护难度。

(4)观测时间与观测难度增加。按最深孔 290 m计算，每 0.5 m观测一次，每次观测按A0和A180两个方向进行，再考虑到仪器读数稳定和静置的时间，则单孔的观测时间将长达 4 h～5 h。

(5)测斜仪电缆制造工艺难度增加。为保证电缆的抗拉强度和变形刚度，减小电缆的伸缩变形，提高测量精度，需在电缆内增加钢绞线。

(6)测斜仪探头的定位精度降低。

综合上述原因，较深的监测方案不仅难以实施，而且很难达到设计预期的监测成果。鉴于在南水北调建设期已对煤层采空区进行了充填灌浆，将测斜钻孔钻至覆盖层以下煤层以上基岩内，同时配合多点位移计对采空区渠道的内部变形进行监测。监测仪器布置如图1和图2所示。

图1 采空区渠道半侧测斜监测断图

图2 采空区渠道半侧多点位移计监测断图

3.4 人工巡视检查

自施工开始进行人工巡视检查。检查堤顶有无裂缝、异常变形、积水等现象；迎水坡或背水坡护面或护坡是否损坏、有无裂缝、剥落、滑动、隆起、塌坑、渗水坑或流土、管涌等现象。

4 变形监测成果及分析

为监测采空区渠道变形发展规律，分别在南水北调渠道充水前、充水期和通水初期进行监测取值，部分位移计监测成果特征值如表1所示，A向深度相对水平位移与深度关系曲线如图3所示。

采空区渠道6点位移计监测特征值成果 表1

图3 MIN9-1A向深度相对水平位移与深度关系曲线

监测结果可表明采空区六点位移计垂直位移在 -2.18 mm～3.11 mm之间变化，渠道充水试验和通水初期采空区垂直位移变化幅度很小。测斜孔目前实测顺坡(A向)相对水平位移在 3 mm以内变化，A向深度相对水平位移值基本围绕孔轴线左右变化，并且变化幅度很小。测孔的水平位移值变化值基本是在仪器观测系统误差范围内变化，目前未发现采空区有水平位移变化。

5 结 论

通过对采空区监测仪器测量数据的分析，监测项目及监测部位较为合理，测得数据与灌浆后各施工标段地质CT扫描检查情况对比，监测成果符合南水北调总干渠下部岩土体的变形规律。因此，本次变形监测设计是可行的，可为今后类似水利工程通过煤矿采空区变形监测设计、灌浆处理、工程运行管理提供技术依据和参考。

[1] 韩冬. 数字水准仪在南水北调中线工程穿越禹州矿区沉降观测中的应用[J]. 科技视野，2012，9(25)：260.

[2] SL551-2012. 土石坝安全监测技术规范[S].

[3] SL362-2006. 大坝观测仪器测斜仪[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 作者简介：李乔(1984—)，女，硕士，工程师，主要从事南水北调工程技术管理工作。