劉章騰，李慶云

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 概述

高摩贊大壩樞紐工程位于巴基斯坦境內(nèi)的印度河支流——Gomal Zam河上，工程以灌溉為主，兼顧防洪發(fā)電。該工程在大壩的底部634 m高程基礎(chǔ)廊道以雙金屬管標(biāo)與倒垂相結(jié)合的方式布置了1套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即雙標(biāo)的兩個(gè)管與倒垂的保護(hù)管相互套在一起，埋設(shè)在同一孔內(nèi)，以同心圓的形式既設(shè)雙金屬管標(biāo)，又設(shè)倒垂孔。

2 工作原理

根據(jù)彈性理論，在半空間體的邊界上施加一定的荷載，所引起的豎直變形量在半空間體的深度方向上衰減的非?？?，當(dāng)其到達(dá)一定深度后，荷載所引起的豎直變形即可忽略不計(jì)。

雙金屬管標(biāo)就是利用雙金屬管(一般采用鋼管和鋁管)線膨脹系數(shù)的差異，在確定一定的埋深以后，通過測(cè)定雙金屬管頂部相對(duì)于地表面的位移值，進(jìn)而計(jì)算出雙金屬管錨固點(diǎn)至孔口地面之間基巖的豎直位移變化量。常用的雙金屬管標(biāo)有兩種，分別為雙管并列式(圖1)和三管合一式(圖2)。

圖1 雙管并列式雙金屬管標(biāo)示意圖

圖2 三管合一式雙金屬管標(biāo)示意圖

本工程采用的是后一種形式的雙金屬管標(biāo)，設(shè)計(jì)孔深39 m，護(hù)管尺寸為φ168×8 mm，鋼管尺寸為φ127×8 mm，鋁管尺寸為 φ95×5 mm。設(shè)計(jì)要求開孔直徑不小于φ220，安裝鋁管后有效孔徑不小于φ60。

3 鉆孔施工

本工程使用的鉆孔設(shè)備為XY－4型鉆機(jī)，在鉆機(jī)就位后對(duì)鉆機(jī)的傾斜進(jìn)行了調(diào)平，使傾斜小于0.1%。在鉆孔過程中，嚴(yán)格按照《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》DL/T 5178－2003的要求執(zhí)行，采用低轉(zhuǎn)速、小壓力及小水量鉆進(jìn)，并按要求對(duì)孔斜進(jìn)行檢查，歷時(shí)35 d，完成了雙標(biāo)倒垂孔的鉆進(jìn)工作，鉆孔流程見圖3。

圖3 鉆孔流程圖

4 有效孔徑的測(cè)定

鉆孔完成后，有效孔徑的測(cè)定至關(guān)重要，其不僅是對(duì)孔本身的合格與否進(jìn)行判斷，也對(duì)隨后進(jìn)行的儀器安裝有重要影響。

常用的有效孔徑測(cè)定的方法是采用倒垂浮體配合彈性置中器完成。該方法的依據(jù)是:由于浮子在水箱中產(chǎn)生浮力，致使垂線總是處于鉛直方向，若浮子偏離鉛直線，浮體受浮力的影響，必有反力使其恢復(fù)至鉛直位置。

有效孔徑的測(cè)定可分以下幾個(gè)步驟完成:

(1)將浮筒通過支架穩(wěn)定的放在孔口正上方，并向筒中加入清水(加水的量要保證浮子不能碰到浮筒的底部，且要有足夠的浮力)。

(2)調(diào)整彈性置中器的外徑，使其自然懸垂時(shí)的外徑比鉆孔孔徑大1～2 mm。

(3)將彈性置中器通過鋼絲放入孔中，直至其接近孔底(圖4)。

圖4 彈性置中器示意圖

(4)待浮筒中的浮子穩(wěn)定后(注:浮子與浮筒壁不能接觸，即不能碰壁)，用鋼尺在孔口讀數(shù)。

(5)讀數(shù)時(shí)，先將1把鋼尺放在孔口的十字刻劃板(在開孔時(shí)已經(jīng)埋設(shè))的左右方向上，嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)刻劃線，然后用另1把鋼尺讀取鋼絲在上下游方向上偏離中心的距離并記錄。而后再測(cè)另外一個(gè)方向鋼絲偏離中心的距離(圖5)，此處應(yīng)規(guī)定偏離方向的正負(fù)號(hào)。該工程為了繪圖方便，規(guī)定向下游為正，向右岸為正，反之為負(fù)。

(6)當(dāng)一個(gè)點(diǎn)讀數(shù)完成后，將彈性置中器向上提0.5 m，再讀取下一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，依次讀數(shù)，直至完成整個(gè)孔的測(cè)讀。

圖5 有效孔徑測(cè)量示意圖

(7)作圖:孔內(nèi)任意深度與相對(duì)孔口中心點(diǎn)圓周的投影圓相交的內(nèi)切圓直徑即為有效孔徑。根據(jù)上述所測(cè)數(shù)據(jù)，繪制偏離孔口中心的等直徑圓，最后繪制所有相交圓的最大內(nèi)切圓，從而可以得到有效孔徑。

按照上述方法，該工程對(duì)雙標(biāo)倒垂孔進(jìn)行了測(cè)定，表1是選取的部分特征點(diǎn)，所做出的有效孔徑見圖6。根據(jù)圖示，最終的有效孔徑為φ194.82，完全滿足要求。

圖6 雙標(biāo)倒垂有效孔徑圖(mm)

表1 雙標(biāo)倒垂孔偏心記錄表

5 安裝工藝

5.1 保護(hù)管的安裝

根據(jù)測(cè)定的有效孔徑及其中心來確定保護(hù)管安裝的中心位置，然后利用管夾和鉆機(jī)逐節(jié)將保護(hù)管吊入孔中。為方便安裝，保護(hù)管的單根長(zhǎng)度一般為2 m左右，其接頭為矩形的公、母螺扣。為了防水并保證管間的連接牢固，接頭處應(yīng)用麻紗蘸防銹漆進(jìn)行處理。下保護(hù)管前，可在鉆孔底部放入少量水泥漿(高于孔底約0.5 m)。保護(hù)管下到孔底后，宜略提起(不得提出水泥漿面)并用鉆機(jī)或千斤頂固定，然后準(zhǔn)確測(cè)定保護(hù)管的偏斜值，如偏斜過大，應(yīng)加以調(diào)整，待其滿足設(shè)計(jì)要求后，對(duì)管壁與孔壁之間的空隙進(jìn)行灌漿。

5.2 雙金屬管標(biāo)的安裝

在測(cè)定保護(hù)管的偏斜值、確定其有效孔徑的中心后，安裝雙金屬標(biāo)的鋼管和鋁管，安裝方法與安裝保護(hù)管基本相同。其區(qū)別是在保護(hù)管與鋼管、鋼管與鋁管之間的空隙每隔2 m要設(shè)置1個(gè)橡膠環(huán)，用以扶正管子的整體方向。安裝完后，測(cè)定鋁管內(nèi)的有效孔徑，用以安裝倒垂。該工程最終測(cè)定的鋁管的有效孔徑為φ78，大于設(shè)計(jì)要求的φ60，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 倒垂的安裝

在確定鋁管內(nèi)的有效孔徑和中心后，即可按照通常的方法安裝倒垂線，安裝完成后靜置24 h，即可向管內(nèi)注漿。為了保證錨固效果，需在雙標(biāo)管(鋼管和鋁管)的底部0.5 m范圍內(nèi)提前鉆一些梅花孔，并應(yīng)將護(hù)管底部?jī)?nèi)壁加工成粗糙面。

6 雙標(biāo)的計(jì)算

為了能更真實(shí)的反映所測(cè)位置的沉降變形，雙標(biāo)管的鋼、鋁管必須采用同爐材質(zhì)的材料，對(duì)其線膨脹系數(shù)應(yīng)進(jìn)行專門的檢驗(yàn)。垂直位移的計(jì)算公式為:

式中 α鋁、α鋼分別為鋁標(biāo)管、鋼標(biāo)管的線膨脹系數(shù);h鋼、h鋁分別為鋼標(biāo)管、鋁標(biāo)管的位移讀數(shù)。

通常認(rèn)為鋁管的線膨脹系數(shù)為鋼管的2倍，即α鋁=2α鋼，所以式(1)可簡(jiǎn)化為:

但嚴(yán)格的講，鋼管和鋁管的線膨脹系數(shù)并不是完全的2倍關(guān)系。比如，在該工程中，鋼管和鋁管的線膨脹系數(shù)分別為10.757 6×10－6(℃)和20.366 9 ×10－6(℃)，因此，筆者并不贊同將式(1)簡(jiǎn)化成式(2)，因?yàn)檫@樣可能會(huì)給實(shí)測(cè)的位移值帶來超過允許范圍的人為誤差。為了計(jì)算方便，可設(shè)定 α鋼/α鋁=k，則式(1)可簡(jiǎn)化為:

7 結(jié)語

雙標(biāo)倒垂孔相結(jié)合的模式對(duì)于孔的鉆設(shè)、保護(hù)管和雙標(biāo)管的安裝要求比較高，但對(duì)于空間狹小的部位，例如大壩的基礎(chǔ)廊道則是一種較好的模式，同時(shí)，提高了生產(chǎn)效率并降低了成本。

[1]混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，DL/T5178－2003[S].

[2]二灘水電開發(fā)有限公司.巖土工程安全監(jiān)測(cè)手冊(cè)[M].北京:中國水利水電出版社，1999.