水电高边坡施工安全监测技术.doc
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1、水电高边坡施工安全监测技术姚卓英(中铁十一局集团第三工程有限公司 湖北十堰 442012)摘 要 通过高边坡施工期安全监测的实例,说明了高边坡的深层变形观测、结构应力观测、荷载观测和表观变形观测的安全监测设置概况、工作原理和施工方法,并根据观测观测数据、曲线的分析,对边坡不同时段的边坡稳定性进行判断,为进行高边坡的安全生产和科学施工方面的提供重要依据,进而说明了高边坡安全监测的重要性和必要性。关键词 高边坡; 监测; 成果分析1 工程概况1.1 工程概况EL1560m平台工程是锦屏水电站引水隧洞主要施工场地,位于雅砻江干流锦屏大河湾上,地处高山峡谷,地面坡度一般在4050,该平台由原始边坡直接
2、开挖形成,主要施工区段为K4+576K4+985,开挖主要形成高程为1560和1605两个功能平台(简称1560平台与1605平台),最大开挖高度约120m(坡顶高程1680m)。1605平台长约100m,宽1520m,布置有引水隧洞混凝土系统;1560平台长约400m,宽1540m,布置有机车修理厂、调车场地及引水隧洞、上游调压室施工支洞洞口等。根据地质情况的不同,开挖坡比为1:0.31:0.5,依次布置有1560、1575、1590、1605、1620、1635、1650m共计7级马道(台阶),台阶高度为15m,马道宽度为2m。边坡喷锚支护4.4万平方米,设置有锚筋桩、锚索等支护形式。1.
3、2地质概况根据本工程的地质情况以及边坡支护情况,决定对K4+700K4+985段边坡进行安全监测,其地质情况如下:(1)K4+700K4+800段:上覆有14m不等的半胶结角砾岩,下伏为T2y5灰白色厚层大理岩,岩体以弱风化为主,局部为强风化,完整性较差,结构面发育,沿结构面常见有溶蚀现象。另外,K4+700K4+760(EL15801605m)段边坡发生过塌方,岩体完整性相当差,存在明显的滑移面。(2)K4+800K4+985段: K4+800K4+930段边坡发育一变形体,后缘高程约1900m,前缘高程约1520m,高差约380m,完整性差,性状差,岩层已明显变形弯曲。变形体的最大铅直厚度
4、达2530m,变形体稳定性较差,下伏基岩为T2y5灰色厚层大理岩,完整性较好;K4+930K5+985段上覆有24m不等的半胶结角砾岩,下伏为T2y5灰灰黑色大理岩,以中厚状为主,局部为中薄层,岩体以弱风化为主,局部为强风化,存在局部倾倒变形问题;完整性较差,结构面发育,发育有一条宽11.5m、产状为N10E,NW6270顺层挤压带。 2 监测目的、内容及机理2.1监测目的边坡工程监测是高危边坡开挖支护施工中的一个必不可少的重要环节,通过对开挖支护形成临空面的不稳定岩体实施监测,及时掌握工程边坡岩体应力和变形的动态变化过程,将各种监测信息及时反馈给边坡设计者和开挖组织者,提出下一步开挖支护施工
5、建议,实现信息化施工,及时控制施工速率,确保工程边坡的安全稳定。2.2 监测内容与设备选型按照本工程的特点,安全监测可分为深部变形观测、结构应力观测、荷载观测和表观位移观测4大类,采用多因素综合判断的方法对边坡进行整体稳定性判断。针对本工程上述监测类别,在设备选型时充分考虑现场条件,要求设备的稳定性好,并满足本工程的精度和量程要求,据此,选定由基康仪器(北京)有限公司生产的监测仪器,多点变位计、锚筋桩应力计(振弦式钢筋计)和锚索测力计的设备型号分别为BGK4450-100型、BGK4911A-28型、BGK4900-1000/2000KN型,对应测读仪器为美国Geokon公司原装进口的GK-4
6、03型振弦式读数仪。测斜管的测度仪器为美国Sinco公司生产的50302510型伺服加速度式测斜仪,配有专用读数仪。具体安全监测设置工程数量、主要监测设备技术指标如下: 表1 EL1560平台监测项目内容统计表序号类别监测形式编号工程量单位主要技术指标备注1深部变形观测多点变位计MP1MP15651.5m量程:100mm;精度:0.1%F.S.;孔径90mm,四点式,上倾5孔深4050m2MP1605-1254m2套多点变位计,孔深27m3测斜管INP1INP10525.2mABS管,外径71mm,内径68mm孔深5065m4结构应力观测锚筋桩应力计KLP7KLP126套量程:310MPa;精
7、度:0.1%F.S.;三点式,传感器间距3m5荷载观测锚索测力计DP1DP2121台量程:1500KN;精度:0.25%F.S.;适用100T级锚索6D1605-166台量程:2500KN;精度:0.25%F.S.;适用200T级锚索7表观位移观测水平位移测点TP1605-133个误差限值:3mm每月观测一次8垂直位移测点LD1605-166个进行二等水准测量塌方段张拉期间垂直位移测点每天观测两次9垂直位移基点LN1605-122个2.3 监测的机理针对本工程原形监测设备、设施的施工情况,现对本工程的多点变位计、测斜管、锚筋桩应力计、锚索测力计以及变形观测的工作原理和计算方法进行简要说明如下:
8、2.3.1钢弦式多点变位计(4点)(1) 工作原理本工程采用的是4点式多点变位计,即按照设计要求的间距安装好4个锚头和传力杆,锚头距孔口的位置分别为2m9m24m40m(实际的位置可根据待测部位的地质情况可做适当调整),以及孔口处的传感器,封孔后通过灌净水泥浆定位锚固锚头。当基岩产生位移时,锚头随之移动,并经过传递杆传到孔口处的传感器,通过测读仪表(振弦式读数仪)进行观测,进而计算出各测点对应的变形情况。(2) 变形量计算位移上式中L变形量,mm;G传感器系数,mm/Digit;、分别为锚固点发生位移后和埋设前的测值(Hz2),GK-403型振弦式读数仪现场测读温度修正系数,mm/;、分别为实
9、测温度和初始温度2.3.2 测斜管(1) 工作原理本工程通过把带有滑轮的伺服加速度式测斜仪作为敏感原件在测斜管中移动,伺服加速度的输出电压正比于被测加速度,通过测值可以逐段计算出位移后管轴线与铅垂线的夹角,分段求出水平位移,累加得出总位移量及延管轴线整个孔深位移的变化情况。(2)变形量计算 变形量 : 上式中:测斜仪轮长为L的相对铅垂线的位移量,mm,本仪器L=500mm; 、分别表示测斜仪延某一方向的读数以及旋转180的读数。2.3.3 锚筋桩应力计(三点式)(1) 工作原理在同一根钢筋上布置有三个钢筋计,钢筋计与受力钢筋对焊连接成整体,距孔口的距离分别为3、6和9m,锚头的编号分别为1#、
10、2#和3#,当钢筋收到轴向拉力时,与钢筋紧固在一起的钢筋计将发生变形,从而改变钢弦的自振频率,测读仪表通过钢筋计频率的改变可以求得轴向应力的变化。(2)荷载计算锚筋桩应力计的计算原理与多点变位计的计算原理相同。 荷载式中应力值,KN;其它参数同多点变位计。2.3.4锚索测力计(1)工作原理本工程采用的是钢弦式锚索测力计(荷载盒式),该仪器是由钢筒和布置在其周边的4个钢弦式应变计组成,通过应变计测读作用在荷载盒上的荷载(频率),并取平均值,然后,计算出锚索的受力情况。(2)应力计算锚筋桩应力计的计算原理与多点变位计的计算原理相同。荷载式中应力值,KN;其它参数同多点变位计。2.3.5表观位移观测
11、(1)工作原理本工程水平变形观测采用全站仪(GPT-3002LN,标称精度为1.6mm),通过控制网上的测量基点(分别为JP146、145和147号)进行边角交汇法观测,观测1605平台上的3个水平位移测点的坐标,观测桩编号分别为:TP1605-13,以了解水平变形情况。垂直位移观测采用二等水准观测,由布置在在1605平台上两个不受张拉影响的垂直位移基点(LN1605-1、2),观测2个基点之间的6个垂直位移测点,分别为LD1605-16,测量设备为德国蔡司制造的型号为DiNi12型电子水准仪,准确度U=0.51。通过(2)数据处理当按照上述设计要求布置好水平、垂直位移测点后,首先,测量并按照
12、规范要求取得初值,将施工期观测数据与锚索张拉前表面变形测点的基准值(初值)对比,算出水平位移和垂直位移的变化量,并分析其对边坡稳定的影响。3 安全监测布置安全监测设施的布置既要以高边坡整体稳定性为主,也要兼顾局部断裂等岩体缺陷的监测。根据边坡地质情况,需要对K4+700K4+985段(1560m以上)边坡进行安全监测,其中K4+700K4+760段1605m平台表观位移、以及K4+800K4+985(1560m以上)段边坡为本工程安全监测的重点。3.1 K4+700K4+800段(1560m以上)监测布置该区段共设置了3个监测断面,测斜管共计3个,编号:INP79,锚筋桩应力计(三点式)6套K
13、LP712,多点位移计共计7个,编号:MP713,锚索测力计共计5台,编号:DP1014。3.2 K4+700K4+760段1605m平台表观位移监测布置该段边坡开挖过程发生塌方,后进行了贴坡混凝土施工,并采用压力分散型锚索加固,1605m平台布置有混凝土骨料仓,荷载为25t/m2。为了了解锚索张拉过程中边坡的变形和受力情况,K4+700K4+760(15801605m)段边坡共设置多点位移计2个,编号:MP1605-12,锚索测力计6台,编号:D1605-16。同时,在1605平台上设置3个水平位移测点,6个垂直位移测点,2个垂直位移基点,用以观测1605平台在锚索张拉过程中的变形情况。表观
14、位移为该部位的监测重点,具体见图1。图1 K4+700K4+760段表观位移测点布置图3.3 K4+800K4+985段(1560m以上)监测布置该区段为本工程的监测重点,共设置了4个监测断面,分别为:K4+830、K4+880、K4+930、K4+970,每个监测断面均布置有多点变位计、测斜孔、锚索测力计。测斜管共计7个,编号:INP16、10;多点位移计共计8个,编号:MP16、14、15;锚索测力计共计16台,编号:DP19、DP1521。具体见图2。图2 K4+800K4+985段(1560m以上)高边坡监测布置图以下为K4+830监测断面的监测仪器布置示意图说明监测设施的布置情况,详
15、细情况见图3。图3 K4+830段(1560m以上)高边坡监测断面图4安全监测施工4.1 安全监测仪器设备的检验、率定用于本工程的所有仪器设备运到工地现场后,在现场对全部监测仪器设备进行全面测试、检验、率定。具体内容包括:出厂时仪器资料参数卡片是否齐全,仪器数量与发货单是否一致; 进行外观检查,仔细查看仪器外部有无损伤痕迹,锈斑等;用万用表测量仪器线路有无断线,用兆欧表量测仪器本身的绝缘是否达到出厂值;用测读仪表测试仪器设计出场参数是否正常,主要是针对现场使用的弦式多点变位计、弦式锚筋桩应力计、弦式锚索测力计的灵敏度系数G、仪器误差、以及进行温度性能及防水性能检验等。4.2 监测仪器埋设关键控
16、制工艺(1)研究现场条件并进行监测仪器测量定位。监测工程的施工是与土建工程施工交叉进行的,仪器安装埋设施工,既要达到设计的要求,又要克服环境的影响,尽量避免施工干扰。所有监测设施施工前,需要按照设计图纸给定的断面位置(或更准确的坐标)进行定位。如果发现现场条件不能(或不便)进行监测设施施工,需要改变位置时,需要征得监理和现场设计代表的同意。(2)深部变形观测和结构应力观测设施施工。完成监测设施(多点变位计、测斜孔、锚筋桩应力计)的钻孔、设备安装、灌浆和基准值的测读。施工过程中,应特别注意:多点变位计(4点式)的锚固点应该跨越断裂带和软弱夹层,在钻孔过程中,应对钻孔取芯做好记录,并绘制钻孔岩芯柱
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