论湿陷性黄土引水隧洞变形监测

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1、论湿陷性黄土引水隧洞变形监测山西省万家寨引黄工程总公司郭满金【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

2、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。1Q3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。2Q3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

3、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，

4、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.

5、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

6、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

7、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℃。测缝计水平测斜仪测电缆走向图中单位cm图1典型隧洞浇筑段不均匀沉降监测断面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

8、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