抬动监测在工程固结灌浆过程中的应用

2011-09-06胡伟华冷元宝赵志华杨红云

水利水电科技进展 2011年5期

胡伟华,冷元宝,赵志华,杨红云

(1.黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院,河南郑州 450003;2.黄河水利科学研究院,河南郑州 450003)

1 工程概况

“5.12”汶川特大地震发生后,紫平铺水电站2号泄洪排沙洞受到震损,必须对该泄洪排沙洞洞身进行固结灌浆加固。为了防止隧洞衬砌、底板等部位在固结灌浆过程中出现抬动而造成破坏,必须对隧洞内灌浆全过程进行抬动变形监测,指导灌浆工作,保证灌浆工作的顺利进行。灌浆过程中常常因为各种原因引起结构的抬动变形。目前,国内外的研究分析认为,对趾板等结构抬动变形影响的因素主要包括:灌浆压力、注入率、抬动观测孔离灌浆点的距离、基础地质条件、趾板与基岩接触情况、浆液水灰比、孔深、孔距和灌浆次序等。但主要影响因素是灌浆压力与注入率,因此,在灌浆过程中灌浆压力和注入率的控制就显得十分重要[1]。

紫坪铺水电站2号泄洪排沙洞总长641.00m,分龙抬头段和导泄结合段,固结灌浆共分8个单元,龙抬头段4个单元(1～4单元),导泄结合段4个单元(5～8单元)。龙抬头段设计灌浆深度为进入基岩15.0m,1次成孔,自下而上分4段灌浆,各段长度分别为2.0m,3.0m,5.0m,5.0m,最高灌浆压力为3.0MPa;导泄结合段设计灌浆深度为进入基岩25.0m,分6段成孔,自上而下分5段灌浆,各段长度分别为2.0m,3.0m,5.0m,5.0m,5.0m,设计灌浆压力为0.7～2.0MPa。灌浆孔呈梅花形布置[2]。

2 地质概况

龙抬头段以中厚层状含煤含砾中细粒砂岩及泥质粉砂岩为主,局部为煤质页岩,围岩类别以Ⅲ类和Ⅳ类为主。导泄结合段桩号 0+509.00 m～0+595.00m段为F3断层破碎带及影响带,断层带由鳞片岩、糜棱角砾岩、断层泥和砂岩透镜体组成,岩体软弱破碎,为Ⅴ类围岩。桩号0+595.00 m～0+641.00m段为中厚层～薄层状中细粒砂岩与泥质粉砂岩、煤质页岩互层,受构造挤压和F3断层影响,次级小断层和层间剪切破碎带发育,为Ⅴ类围岩。

3 抬动监测点的布置

抬动变形量的大小不仅与抬动监测孔与灌浆点间的距离有关,同时还与灌浆的压力大小、基础的地质条件、基岩与砌体及底板的胶结情况等诸多因素有关[3]。根据现场情况,按照设计意图,在每个单元(2单元由于各方面的原因,未布置抬动监测点)的中间断面埋设3个抬动监测点,即左壁、右壁、底板各1个监测点,共计21个抬动监测点。

4 抬动监测装置的安装

在混凝土衬砌和围岩内钻孔(监测孔深度均为30m)后,埋设钢管和传感器支架,保护管需嵌入围岩中,钻孔与保护管之间充填细砂,内管位于保护管中,末端被水泥浆锚固固定,保护管与内管之间用麻丝堵塞,孔口段用10cm厚砂浆固定,支架固定在灌浆部位的混凝土衬砌中。位移传感器用支架固定好并与监测仪器相连,压力传感器分别与灌浆泵压力接口和监测仪器相连接,如图1所示(该抬动孔由施工单位设计安装)。

图1 抬动变形监测装置结构示意图

5 仪器设备

选用黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院研制的TDS-A型变形观测仪,该仪器具有24h自动采集记录、报警功能(超过限值自动报警),记录时间可任意设置,最小记录时间为1min。位移传感器采用HY-65数码型位移传感器,精度为1μ m。压力传感器选用ST3000LBCⅢER压力变送器,通过油杯与灌浆机对接,可实时监测灌浆压力。

6 抬动变形监测

在灌浆过程中,安排专人进行抬动监测,自动记录仪每1min采集记录1次数据,当抬动变形值增大明显或达到 150 μ m(设计允许最大抬动值为200μ m)[2]时,仪器自动报警,立即采取措施进行降压和限流控制[4-5]。在非灌浆过程中,自动记录仪每10min采集记录1次数据。在整个施工过程中加强日常巡视,防止产生较大的抬动变形。

7 成果分析

7.1 数据分析

a.从所监测的数据看,整个灌浆过程中抬动变形很小,最大值为80μ m,最小值为2μ m,一般在3～5μ m,整个灌浆过程平稳。

b.图2为龙抬头段1单元底板灌浆底板监测抬动曲线,该处地质条件较好,当灌浆压力达到3.0MPa时,最大抬动值为 6μ m,最小抬动值为零。图3为F3断层处底板灌浆底板监测抬动曲线,当灌浆压力3.0MPa时,最大抬动值为72μ m,最小抬动值为零。说明岩体越破碎,裂隙越发育,抬动变形值越大,越容易造成破坏,因此在灌浆前应充分了解地质情况。

图2 一单元底板灌浆底板监测抬动曲线

图3 F3断层处底板灌浆底板监测抬动曲线

c.监测过程除显示了抬动与灌浆压力具有相关性以外,还反映了抬动反应明显滞后于灌浆压力,从图2、图3中可以看出,最大抬动值峰值明显后移,在灌浆过程中要特别注意一旦产生突变性抬动,即使立即实行降压与限流控制,抬动峰值也不会马上回落。因此,在抬动监测过程中,抬动变形控制限值应留有充分的余地。

图4 一单元底板灌浆底板最大抬动与监测距离关系曲线

d.在监测过程中对抬动最大值与监测距离(灌浆抬动影响半径)作了统计,从图4可以看出,该处地质条件较好,当灌浆压力达到3.0 MPa时,在100cm处灌浆其最大抬动值为6μ m,在300 cm处灌浆其最大抬动值为3μ m,当灌浆距离大于400cm时其最大抬动值为零,呈递减趋势,这是因为该单元灌浆影响范围(抬动半径)最大只有400 cm以及随着灌浆距离增加而抬动值变小。图5为F3断层处最大抬动值与灌浆距离关系曲线,灌浆压力3.0MPa,从图5中可以看出,抬动值基本上也是随灌浆距离的增加而变小,且在F3断层处其灌浆影响范围不超过500cm。以上情况说明了地质条件越差,裂隙越发育,其影响范围越大;同时在底板灌浆,左右洞壁的抬动值基本为零,说明在底板灌浆对左右洞壁影响不大;反之亦然(图6,图7)。