论湿陷性黄土引水隧洞变形监测

　　【摘 要】本文介绍了山西省万家寨引黄工程总干线、南干线隧洞湿陷性黄土的物理力学性质、隧洞黄土洞段变形监测目的、仪器的布置、性能及监测原理，通过建立一套优良的安全监测系统，对湿陷性黄土洞段进行有效监控，确保隧洞工程安全运行。

　　【关键词】湿陷性 黄土 变形监测

　　前 言

　　山西省万家寨引黄工程总干线和南干线位于山西省西北部，地形沟壑相间，起伏不平，地貌形态有中低山区，黄土丘陵区及山间断陷盆地等类型。工程以隧洞建筑物为主，隧洞围岩主要为古生界、中生界及新生界地层，工程地质条件极为复杂，特别是新生界第四系上更新统(Q3)土层，由于具湿陷性，将影响隧洞建筑物的稳定性。为掌握黄土洞段在运行期的工作性态，对总干线与南干线部分Q3土层洞段进行变形监测，以便采取相应措施，确保工程安全运行。

　　1 Q3黄土的分布条件

　　总干线隧洞总长42.3km，Q3土层段约320m;南干线隧洞总长97.8km，Q3土层段约530m。Q3黄土多为风积层和冲洪积层，大部分布在隧洞穿越沟谷地段，即隧洞进出口地段，隧洞埋深10～30m，下覆Q2黄土及N2红粘土，如总干线6#～11#隧洞，南干线1#～3#隧洞。

　　2 Q3黄土的物理力学性质特征

　　Q3土层具大孔隙及柱状节理，结构疏松，颗粒组成以粉粒、砂粒为主，粘粒含量较低(6～15%)，孔隙比e=0.883～0.977，塑限含水量Wp=18～20%，液限含水量Wl=25～27%，塑性指数=5.7～9.6。Q3黄土多属中等压缩性土层(压缩系数α1-2=0.015～0.05MPa-1)，当埋深≥18～25m时，多属弱压缩性土层。Q3土层内摩擦角Ф=19～21度，凝聚力c=(1～2)×10(2～3)，坚固系数f=0.35～0.5，属极不稳定围岩。

　　Q3土层的湿陷性是十分复杂的，与土层埋深(h)、干密度及附加荷载有着十分密切的关系，其基本规律如下：

　　①黄土湿陷性与干密度(ρ)的关系是：ρ愈小，湿陷性就愈强，当ρ=1.52g/cm3时就不明显了。而黄土的干密度与埋深关系最大，埋深h=0～7m时，ρ值平均在1.33g/cm3左右;h=7～18m时，ρ值平均在1.38g/cm3;h=18～25m时，ρ值平均为1.48g/cm3;h>25m时，ρ值平均可达1.50g/cm3。

　　②自重式湿陷性黄土多在埋深h≤7m范围内，h>7m多为非自重湿陷性黄土。

　　③黄土的湿陷性与所承受的附加荷载有密切关系，附加荷载愈大，黄土湿陷性就愈强。大量的试验数据表明，埋深0～18m的黄土在0.05～0.4MPa压力下就会出现湿陷峰值;埋深≥18m，湿陷峰值多在0.4～1.0MPa压力下出现。

　　④根据电子显微镜对Q3土层微观结构进行观测，黄土颗粒集合体的联结物为少量的粘粒和可溶盐;高湿陷性黄土为开放式架空结构，弱湿陷性黄土为局部架空结构，非湿陷性黄土为镶嵌式结构。

　　3 监测目的

　　综上所述，Q3黄土在隧洞工程中所占长度比重虽然很小(约占0.6%)，但黄土的工程地质性质很差，是隧洞工程上的薄弱环节，从隧洞开挖情况看，Q3黄土自稳时间短，易产生变形及塌方，总干线7#与9#隧洞的大塌方就是很好的例证。在工程运行过程中，一旦黄土洞段发生渗漏使黄土饱和，在水的物理与化学作用下，破坏黄土的结构形式，引起Q3黄土湿陷变形，若随着时间的进展，渗漏通道不断发展，将有可能造成部分黄土地基的潜蚀和管涌，从而导致黄土隧洞的破坏，影响工程安全。

　　鉴于黄土洞段工程地质问题的复杂性和引黄工程的重要性与高可靠性，在黄土洞段的薄弱部位布置一套监测系统，通过对监测数据进行全面的分析、评价，掌握黄土洞段的工作性状，对工程运行进行有效监控和做出预测与预报。

　　4 监测仪器布置及监测原理

　　4.1 差动电阻式测缝计

　　在总干线9#～11#隧洞、南干线1#～3#隧洞，根据隧洞开挖情况，选择代表性强，有可能引起较大变形的部位，连续取10个伸缩缝，每缝洞顶设一组双向(水平与垂直方向)测缝计(见图1)。测缝计为差动电阻式测缝计，其量程12mm，最小读数0.04mm，分辩率0.02%F.S，同时测量测点的温度，温度测量精度为±0.5℃。

　　差动电阻式仪器是利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感元件将仪器受到的物理量转变为模拟量，利用物理学原理钢丝长度的变化和钢丝的电阻变化是线性关系，测定电阻变化比从而求得仪器的变形。另外，利用钢丝的温度改变时，钢丝电阻随其温度变化之间的近似的线性关系，只要测定钢丝的电阻值，就可计算出仪器所在环境的温度。

　　测缝计由上接座、钢管、波纹管、接线座和接座套筒组成仪器外壳。电阻感应组件由两根方铁杆、弹簧、高频瓷绝缘子和直径为0.05mm的弹性电阻丝组成。

　　当测缝计承受外部变形时，由于外壳波纹管以及传感部件中的吊拉弹簧将大部分变形承担了，小部分变形引起钢丝电阻变化。而且两根钢丝的电阻变化是差动的，电阻变化与变形成正比，测出电阻的比值可算出测缝计承受的变形量。当温度改变时，引起两根钢丝的电阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻则都减少，测定两根钢丝的电阻值可得出测点的温度值。通过每次测量的电阻比值及电阻值，利用以下公式进行计算。

　　J=f△Z+b△t

　　式中 J—缝的开合度，mm

　　f—测缝计的最小读数，由厂家给出，mm/0.01%

　　b—测缝计的温度修正系数，由厂家给出，mm/℃

　　△ Z—电阻比相对基准值的变化量，0.01%

　　△ T—温度相对于基准值的变化量，℃

　　t=α′(Rt-R0′) (当60℃≥t≥0℃)

　　t=α″(Rt-R0′) (当0℃>t≥-25℃)

　　式中 t—测点湿度，℃

　　Rt—仪器总电阻Rt =R1+R2，Ω α′—仪器零上温度系数，℃/Ω

　　α″—仪器零下温度系数，℃/Ω R0′—温度为0℃时的电阻，Ω

　　利用测缝计测量缝的开合度原理，即测缝计输出的电阻比变化量与位移变化量成正比，从而测量建筑物间的相对位移。由此，一方面测量水平方向缝的开合度，另一方面测量垂直方向黄土由于浸水湿陷变形产生的相对位移。

　　4.2 电解质水平测斜仪

　　在总干线9#～11#隧洞、南干线1#～3#隧洞，Q3黄土不同程度地覆盖于Q2、N2土层上，接触面多为倾斜面，由于两种或两种以上介质强度相差较大，在上部荷载及水的物理与化学作用下，容易产生不均匀沉降变形。根据隧洞开挖情况，在有代表性部位，一个测量段选择5个浇筑段，隔段布置3支进口电解质水平测斜仪(见图1)，将仪器固定在2m长的金属梁上。该仪器精度高，信号传输距离远(>600m)，测量范围±30′，测量分辩率2″，重复性1″，线性度1%F.S,可满足引黄工程长隧洞监测的要求。

　　电解质水平测斜仪传感器是一个精密的水准泡，电学上是一电解电桥，桥路输出的电压正比于传感器的倾角。将2米长的金属梁锚固在隧洞顶部，传感器调零(初始零读数可调整)并固定在梁上。当隧洞发生不均匀沉降位移即改变了梁的倾斜角，由此测出传感器标准测距范围内的转动位移。其位移可利用下式进行计算：

　　S=L(Sinθ1-Sinθ2)

　　式中 S—隧洞位移，mm

　　L—传感器标准测距，mm θ1—梁的现时倾角，℃

　　θ2—梁的初始倾角，℃

　　通过水平测斜仪电解质气泡的变化，传感器输出的电压信号由电缆引到洞外测站，利用数据接收仪表监测传感器的角度变化，从而监控由Q3土层湿陷变形引起的隧洞建筑物浇筑段不均匀沉降位移的变化情况。

　　4.3 钢弦式孔隙水压力计

　　总干线3#～11#隧洞、南干线1#～3#隧洞均处在地下水位以上。由于黄土洞段具有N2红粘土相对隔水层，当洞内水渗向洞外后，极易形成上层滞水。为配合Q3土层湿陷变形监测，了解隧洞外水压力大小，在黄土洞段选择具代表性部位，每个断面洞底布置2支进口钢弦式孔隙水压力计(见图2)，为提高测量精度，选择了量程为0.1与0.2MPa，分辩率为0.01%F.S，线性度0.1% F.S，。该仪器钢弦频率信号传输距离远(>600m)，且信号不受导线电阻影响，灵敏度高。稳定性好。

　　钢弦式仪器的敏感元件是一根金属丝弦，它与仪器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量。钢弦式仪器的激振由一个电磁圈(称磁芯)来完成，在磁芯的激发下，使钢弦的自振频率随张力的变化而变化，通过频率变化换算出被测的物理量的变化值。

　　钢弦式仪器还可利用电磁线圈钢导线的电阻随温度变化的特性可以进行仪器所在环境的温度测量。

　　钢弦式孔隙水压力计由透水板、承压膜、钢弦、支架、线圈、壳体和电缆等组成。钢弦的一端固定于承压膜中心处，另一端固定在支架上，钢弦中段旁边安装一电磁线圈，用以激励和感应频率信号。张拉的钢弦，在一定的应力条件下，其自振频率是固定的，当应力变化时，其自振频率随之发生变化。当孔隙水压力经透水板传至仪器内腔作用到承压膜上，承压膜连带钢弦一同变形，测定钢弦自振频率的变化，从而把液体压力转化为等同的频率信号测量出来。钢弦自振频率与孔隙水压力有如下关系：

　　U=K(f02-fi2)

　　式中 U—孔隙水压力，MPa

　　K—传感器系数，由室内标定给出，Mpa/HZ2

　　F0—零压力(大气压力)下钢弦的自振频率，HZ

　　Fi—任一时刻的孔隙水压力U作用下钢弦自振频率，HZ通过测读不同时刻钢弦的自振频率，便可求出隧洞外水压力大小。

　　5 监测概况

　　引黄工程所有建筑物均已埋设监测仪器，为获得较多的监测数据，为了监测数据的连续性，同时为了减少人员的工作量，在监测站安装了测控单元，利用测控单元的多功能性，就是可人为随时调整测次，测控单元自动储存，人员随时采用便携式电脑读取监测，在一定的时间段内对监测数据进行整理和分析，对建筑物的工作性状做出判断，出现问题以便采取有关措施。典型的如南干线3#隧洞南7+810(桩号)断面通水过程中发生内水外渗，渗压水头高达3m，高出隧洞底部约2m，长期渗水将使Q3土层发生湿陷变形，同时会引起隧洞建筑物产生沉降变形，为保证工程安全，于2004年对隧洞渗水段进行了灌浆处理。

　　5 结语

　　引黄一期工程于2002年10月18日全线试通水，从2003年5月进入正式运行，在工程运行中安全监测系统运行稳定正常，取得了宝贵的第一手资料，对隧洞建筑物的工作性态做出了较为准确预测与预报，对工程的安全运行发挥了重要作用。

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文章名称： 论湿陷性黄土引水隧洞变形监测

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