双金属管标与倒垂孔结合在高摩赞工程中的应用

刘章腾，李庆云

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 概述

高摩赞大坝枢纽工程位于巴基斯坦境内的印度河支流——Gomal Zam河上，工程以灌溉为主，兼顾防洪发电。该工程在大坝的底部634 m高程基础廊道以双金属管标与倒垂相结合的方式布置了1套监测系统，即双标的两个管与倒垂的保护管相互套在一起，埋设在同一孔内，以同心圆的形式既设双金属管标，又设倒垂孔。

2 工作原理

根据弹性理论，在半空间体的边界上施加一定的荷载，所引起的竖直变形量在半空间体的深度方向上衰减的非常快，当其到达一定深度后，荷载所引起的竖直变形即可忽略不计。

双金属管标就是利用双金属管(一般采用钢管和铝管)线膨胀系数的差异，在确定一定的埋深以后，通过测定双金属管顶部相对于地表面的位移值，进而计算出双金属管锚固点至孔口地面之间基岩的竖直位移变化量。常用的双金属管标有两种，分别为双管并列式(图1)和三管合一式(图2)。

图1 双管并列式双金属管标示意图

图2 三管合一式双金属管标示意图

本工程采用的是后一种形式的双金属管标，设计孔深39 m，护管尺寸为φ168×8 mm，钢管尺寸为φ127×8 mm，铝管尺寸为 φ95×5 mm。设计要求开孔直径不小于φ220，安装铝管后有效孔径不小于φ60。

3 钻孔施工

本工程使用的钻孔设备为XY－4型钻机，在钻机就位后对钻机的倾斜进行了调平，使倾斜小于0.1%。在钻孔过程中，严格按照《混凝土坝安全监测技术规范》DL/T 5178－2003的要求执行，采用低转速、小压力及小水量钻进，并按要求对孔斜进行检查，历时35 d，完成了双标倒垂孔的钻进工作，钻孔流程见图3。

图3 钻孔流程图

4 有效孔径的测定

钻孔完成后，有效孔径的测定至关重要，其不仅是对孔本身的合格与否进行判断，也对随后进行的仪器安装有重要影响。

常用的有效孔径测定的方法是采用倒垂浮体配合弹性置中器完成。该方法的依据是:由于浮子在水箱中产生浮力，致使垂线总是处于铅直方向，若浮子偏离铅直线，浮体受浮力的影响，必有反力使其恢复至铅直位置。

有效孔径的测定可分以下几个步骤完成:

(1)将浮筒通过支架稳定的放在孔口正上方，并向筒中加入清水(加水的量要保证浮子不能碰到浮筒的底部，且要有足够的浮力)。

(2)调整弹性置中器的外径，使其自然悬垂时的外径比钻孔孔径大1～2 mm。

(3)将弹性置中器通过钢丝放入孔中，直至其接近孔底(图4)。

图4 弹性置中器示意图

(4)待浮筒中的浮子稳定后(注:浮子与浮筒壁不能接触，即不能碰壁)，用钢尺在孔口读数。

(5)读数时，先将1把钢尺放在孔口的十字刻划板(在开孔时已经埋设)的左右方向上，严格对准刻划线，然后用另1把钢尺读取钢丝在上下游方向上偏离中心的距离并记录。而后再测另外一个方向钢丝偏离中心的距离(图5)，此处应规定偏离方向的正负号。该工程为了绘图方便，规定向下游为正，向右岸为正，反之为负。

(6)当一个点读数完成后，将弹性置中器向上提0.5 m，再读取下一点的数据，依次读数，直至完成整个孔的测读。

图5 有效孔径测量示意图

(7)作图:孔内任意深度与相对孔口中心点圆周的投影圆相交的内切圆直径即为有效孔径。根据上述所测数据，绘制偏离孔口中心的等直径圆，最后绘制所有相交圆的最大内切圆，从而可以得到有效孔径。

按照上述方法，该工程对双标倒垂孔进行了测定，表1是选取的部分特征点，所做出的有效孔径见图6。根据图示，最终的有效孔径为φ194.82，完全满足要求。

图6 双标倒垂有效孔径图(mm)

表1 双标倒垂孔偏心记录表

5 安装工艺

5.1 保护管的安装

根据测定的有效孔径及其中心来确定保护管安装的中心位置，然后利用管夹和钻机逐节将保护管吊入孔中。为方便安装，保护管的单根长度一般为2 m左右，其接头为矩形的公、母螺扣。为了防水并保证管间的连接牢固，接头处应用麻纱蘸防锈漆进行处理。下保护管前，可在钻孔底部放入少量水泥浆(高于孔底约0.5 m)。保护管下到孔底后，宜略提起(不得提出水泥浆面)并用钻机或千斤顶固定，然后准确测定保护管的偏斜值，如偏斜过大，应加以调整，待其满足设计要求后，对管壁与孔壁之间的空隙进行灌浆。

5.2 双金属管标的安装

在测定保护管的偏斜值、确定其有效孔径的中心后，安装双金属标的钢管和铝管，安装方法与安装保护管基本相同。其区别是在保护管与钢管、钢管与铝管之间的空隙每隔2 m要设置1个橡胶环，用以扶正管子的整体方向。安装完后，测定铝管内的有效孔径，用以安装倒垂。该工程最终测定的铝管的有效孔径为φ78，大于设计要求的φ60，满足设计要求。

5.3 倒垂的安装

在确定铝管内的有效孔径和中心后，即可按照通常的方法安装倒垂线，安装完成后静置24 h，即可向管内注浆。为了保证锚固效果，需在双标管(钢管和铝管)的底部0.5 m范围内提前钻一些梅花孔，并应将护管底部内壁加工成粗糙面。

6 双标的计算

为了能更真实的反映所测位置的沉降变形，双标管的钢、铝管必须采用同炉材质的材料，对其线膨胀系数应进行专门的检验。垂直位移的计算公式为:

式中 α铝、α钢分别为铝标管、钢标管的线膨胀系数;h钢、h铝分别为钢标管、铝标管的位移读数。

通常认为铝管的线膨胀系数为钢管的2倍，即α铝=2α钢，所以式(1)可简化为:

但严格的讲，钢管和铝管的线膨胀系数并不是完全的2倍关系。比如，在该工程中，钢管和铝管的线膨胀系数分别为10.757 6×10－6(℃)和20.366 9 ×10－6(℃)，因此，笔者并不赞同将式(1)简化成式(2)，因为这样可能会给实测的位移值带来超过允许范围的人为误差。为了计算方便，可设定 α钢/α铝=k，则式(1)可简化为:

7 结语

双标倒垂孔相结合的模式对于孔的钻设、保护管和双标管的安装要求比较高，但对于空间狭小的部位，例如大坝的基础廊道则是一种较好的模式，同时，提高了生产效率并降低了成本。

[1]混凝土坝安全监测技术规范，DL/T5178－2003[S].

[2]二滩水电开发有限公司.岩土工程安全监测手册[M].北京:中国水利水电出版社，1999.