基于河道葫芦洞采空区地质影响勘察与模型分析

(江西省九江市柴桑区水利局，江西 九江 332100)

1 工程及其采砂葫芦洞地质勘察概况

长沟泵站工程系第十一级东线南水北调工程的抽水梯级泵站，工程主要任务是实现抽引南四湖来水与泵站水位衔接，完成东线南水北调工程的梯级送水功能。梁济运河系人工开挖河道，运河节制闸位于小新河入口和赵王河之间的梁济运河上，是第十一级抽水梯级泵站的组成部分之一。工程场区地貌属于鲁西南湖冲积平原与黄泛冲积平原的交互带，以钻探测量、原位测试、工程物探等形式进行勘察，勘察操作内容及各项工作量具体见表1。

表1 勘察操作内容及各项工作量

续表

勘察发现，该闸址区域存在采砂葫芦洞18个，

这些葫芦洞井壁直立性完好，均未被填埋处理，分布为：翼墙的左岸存在采砂葫芦洞1个，其编号为1号；闸室处存在采砂葫芦洞2个，其编号为2号和3号；消力池的斜坡处存在采砂葫芦洞2个，其编号为4号和5号；海漫处存在采砂葫芦洞13个，其编号为6～18号，闸址区域采砂葫芦洞各洞口直径均为0.60m左右，不存在塌陷。闸址区域采砂葫芦洞深度分布见表2。

表2 闸址区域采砂葫芦洞深度分布

勘察确定，察测深度范围内，其地层属于四系松散堆积层，主要构成系全新统的冲积壤土、淤泥以及裂隙黏土，湖冲积黏土和洪积中细砂、黏土以及壤土。其中的中细砂基本呈现透镜体状态。

节制闸的底板高程在28.30m，处于黏土⑥层顶部，硬塑质状态，具有较高的力学强度、较低的压缩性以及较好的层位稳定性。地质持力层牢固，地质条件属于良好。

基坑开挖在高程28.30m以上部位，主要分布着壤土、淤泥、黏土以及裂隙黏土，其中的裂隙黏土②层呈失水干裂以及遇水软化特点，壤土③层则有着较高的粉粒含量，内存局部粉细砂质薄层，而黏土④层和壤土⑤层都位于地下水线的下方，属于软可塑状态，对边坡地质稳定一般有所影响。

基坑开挖高程31.50～32.00m范围内，含水层主要是壤土⑤层、黏土⑥层，它们的综合渗透系数在2.74～5.40m/d之间，基坑的涌水量基本较小，可以实施轻型井点降水。该地质的基坑开挖时需要有上下游围堰支持。

节制闸通过交通桥连通东侧大堤，区域裂隙黏土②层呈失水干裂、遇水软化态，壤土③层以及黏土④层，分布厚度不均，差别大，壤土⑤层亦呈软可塑状态。上述土体的承载强度通常较低，地质条件属于较差级别；黏土⑥层、黏土⑦层以及壤土⑨层，均有较大厚度，呈硬可塑状态，中粗砂⑧层的层厚亦较大，其力学强度亦较高，地质条件属于较好级别。

2 葫芦洞地质影响数理分析模型的建立

葫芦洞地质影响数理分析模型依托梁济运河段的节制闸工程，参照该工程的地质勘测资料，结合软件FLAC-3D的技术优势，以典型葫芦洞状态对分析模型进行简化处理，进而实施数理模拟演算。

2.1 参数的选取

以典型葫芦洞状态对分析模型进行简化处理，设定葫芦洞形态为椭球形，其深度选取3.50m，直径选取5m。葫芦洞设定位于闸底板的正中央，节制闸板底部至坑顶距离选取7.50m。根据地质勘探资料，简化后地基土模型分五层，从下至上分别为：壤土⑨层，厚8m；中粗砂⑧层，厚12m；中细砂⑦-1层，厚4m；壤土⑦层，厚4m；黏土⑥层，厚2m。总长、宽、厚度分别为40m、22.80m和30m。闸板长、宽、厚分别取18m、22.80m和1.50m。地基反力设定为100kPa。材料物理力学参数选取见表3。

表3 材料物理力学参数

2.2 模型的建立

单元选择四面体单元，混凝土闸板选择弹塑性模型，地基选择库仑-莫尔塑性模型。典型模型与网格划分见图1。

3 自然态和采空影响态地基数理模拟分析结果

本模拟计算的过程为：消除初始位移，地基采用应力自重平衡；C25混凝土闸板浇筑后，实施应力初始平衡分析；上部建筑施加后，闸板顶面应力等效为传至闸板的荷载。为便于之后的数据提取和采空区灾害影响分析，分别保存每次计算结果。

3.1 自然态地基数理模拟分析结果

河道常规天然地基内部的砂石不被开采，长期经历自然沉降，一般其承载力比较优良。

以闸底板中间断面，取顺水流方向，采用FLAC-3D软件对自然态地基进行数理模拟分析，计算结果见表4和图2～图7。

图1 典型模型与网格划分

表4 自然态地基数理模拟分析结果

注自然态地基没有采空洞，为了与下面有采空洞的计算结果进行比较，特别设置洞顶土位移量。

表4和图2～图7揭示，天然地基在没有采空区的状态下，在施加闸室底板和上部结构以后发生的位移，其应力分布都表现均匀，基本没有应力过度集中现象，尤其是没有发生大的拉应力状态，故完全可以满足使用要求。

3.2 葫芦洞地质影响态的地基数理模拟分析结果

河道存在采空区，因为砂开采未进行必要填充而形成葫芦洞地质影响，此时在该地质基础上构筑建筑物，葫芦洞承受传递载荷相对脆弱，形成结构安全隐患的概率增加。以闸底板中间断面，取顺水流方向，采用FLAC-3D软件对自然态地基进行数理模拟分析，计算结果见表5和图8～图13。

图2 沿深度方向的闸板与基于上部结构的水平向地基移位分布云图

图3 沿深度方向的闸板与基于上部结构的竖向地基移位分布云图

图4 闸板与基于上部结构的竖向顶部应力云图

图5 闸板与基于上部结构的横向顶部应力云图

图6 闸板与基于上部结构的竖向闸板底部应力云图

图7 闸板与基于上部结构的横向闸板底部应力云图

表5 有葫芦洞地质影响态地基数理模拟分析结果

图8 沿深度方向的闸板与基于上部结构的水平向地基移位分布云图

图9 沿深度方向的闸板与基于上部结构的竖向地基移位分布云图

图10 闸板与基于上部结构的竖向顶部应力云图

图11 闸板与基于上部结构的横向顶部应力云图

图12 闸板与基于上部结构的竖向闸板底部应力云图

图13 闸板与基于上部结构的横向闸板底部应力云图

依据表5和图8～图13的揭示，对比无采砂葫芦洞地基结构物的受力状态可以发现，存在葫芦洞地质影响，葫芦洞的洞顶形变通常显著加大，增量水平向位移要达到4cm，增量竖直向位移最高可达10.54cm，增量竖向闸板沉降达到0.46cm。闸板顶部横向应力因葫芦洞地质物理影响，应力值由0.25MPa可加大到0.66MPa，发生0.41MPa增量。随着葫芦洞的不断压缩形变，结构的拉应力逐渐加大，形成上部结构的严重安全隐患，威胁结构正常使用。故必须对河道采砂葫芦洞地质影响区进行必要的治理，以尽可能降低地基结构物的非安全结构承受应力。

4 结 论

本文针对长沟泵站工程闸址区采砂葫芦洞问题，进行了地质勘察和模型分析，探究了河道葫芦洞采空区的地质影响。通过对无采空区和有采空区地质影响的地质基础进行对等参数条件的数理模拟分析，得出的主要结论是：河道葫芦洞沙土采空区在其上有构筑物存在时，上部荷载致使周边地质土体的承受应力状态产生相应改变，地基形变发生的概率增加。随着时间推移或环境演变，这种地质影响会进一步发展。

采砂葫芦洞如果不能及时给与必要的充填治理，地质不均匀沉陷会随时发生，会使闸板以及上部建筑物发生显著内应力改变，严重威胁上部结构的安全性，需要加强治理。