采动影响下水库大坝的除险加固技术研究*

李幸丽，田迎斌

(中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012)

水库的兴建是为了促进国民经济发展和保障人民生命财产安全的重大措施,可以调节水资源,除害兴利[1-2]。郓城城南水库就是郓城县政府的重大战略举措,是为了引调黄河水解决城区和农村居民饮水安全,改善城区供水矛盾而建立起来的,它承担着优化水资源配置,实现“优水优用”的重要作用。但由于城南水库压覆矿产资源的开采,导致了水库大坝产生了不同程度的塌陷和裂缝等变形,严重危害了水库防洪及引水安全,急需对大坝进行除险加固。国内外已有许多学者对土石坝病险水库存在的问题进行了分析,并提出了较多的工程措施[3-10],比如加高大坝,增加调蓄能力；解决土石坝的渗漏、滑坡和裂缝问题；使用加固垂直防渗措施等等。由于城南水库大坝下开采仍在进行,大坝属于未稳沉状态下的除险,并且水库水源属于饮用水源,在制定除险方案和措施时必须考虑井下开采沉陷的影响和工程措施对环境和水源的影响。

论文通过分析城南水库工程区域水文和工程地质,结合井下开采计划,采用概率积分法[11-18]对水库将要产生的变形进行预测,在考虑环境和水源水质影响的条件下制定了有针对性的大坝除险工程措施,消除了大坝隐患,缓解了地企矛盾。

1 城南水库概况

1.1 水库枢纽工程

城南水库为小(1)型平原水库,设计蓄水位43.45 m,相应设计库容9.16×106m3,死水位36.70 m,死库容1.23×106m3,水库调节库容7.93×106m3。枢纽工程包括水库围坝、出库泵站、入库闸、北关沙河引水闸、北关沙河节制闸等建筑物。水库围坝围坝为均质土坝,多头小直径水泥搅拌桩防渗墙防渗。围坝轴线长10 399 m,坝顶宽6.0 m,坝顶高程45.90 m,坝顶设沥青砼路面；围坝临水侧坝坡为1∶3,背水侧坝坡为1∶2.5,坝坡采用草皮护坡,坝脚外设排水沟,边坡1∶1.5。水库工程等别为Ⅳ等,工程规模为小(1)型；水库围坝、出库泵站、入库闸等主要建筑物级别为4级,过路涵洞、排水沟涵闸等次要建筑物级别为5级。

城南水库库区遥感位置图见图1。

图1 水库大坝遥感位置图

1.2 工程区域工程及水文地质

城南水库位于鲁西南黄河冲积平原,地貌单元属微倾斜低平原区(Ⅵ)—黄河冲积平原亚区(Ⅵ1),地势较为平缓。地表岩性以砂壤土、粉砂为主,局部分布少量黏性土。工程区所揭露的地层主要为第四系全新统(Q4)及上更新统(Q3)冲积堆积物。第四系全新统冲积堆积物中上部主要为褐黄色、浅褐色砂壤土,夹粉砂及黏土薄层,厚度4.60～13.60 m；下部主要为灰褐色、浅灰色黏土及中粉质壤土,局部夹砂壤土薄层,厚度3.40～8.70 m。上更新统冲积堆积物主要为棕褐色、红褐色黏土,夹砂壤土、细砂层,见铁锰质结核,揭露厚度1.20～8.50 m。

地下水为第四系孔隙潜水,地下水流向为东北,主要含水层为砂壤土和粉砂。(1)层砂壤土、(1-1)层粉砂、(1-2)层黏土、(2)层黏土、(2-1)层砂壤土渗透系数一般3.70×10-4～6.87×10-3cm/s,属中等透水层,含水层间水力联系密切。地下水位为40.36～41.35 m,平均40.82 m,水位与地形基本一致,呈西高东低之势,地下水位高于河水水位,地下水补给河水。丰水期地下水位埋深一般在1.0 m左右,枯水期一般在4.0 m左右,多年水位变幅3.0 m左右。浅层地下水补给源以大气降水为主,其次是地表径流侧渗灌溉回渗、地下径流等。地下水以1～2‰水力坡降自西向东缓慢运动,排泄方式以垂直蒸发和人工开采为主。

工程区地震动峰值加速度为0.15 g,相应地震基本烈度为Ⅶ度。

2 水库下开采及移动变形预测

2.1 水库下开采的工作面概况

城南水库下开采的煤矿是郭屯煤矿,根据该矿提供的井上下对照图和采掘工程平面图,城南水库下开采的工作面为3301工作面,开采3煤层，实际采厚4.0 m,平均采深660 m,采煤方法为综采,全部垮落法管理顶板。该工作面自2018年10月开始开采,2019年4月遇到断层时停采,已推进长度305 m。断层煤柱留设24 m，后期开切眼距大坝垂直距离98 m，工作面设计采厚4.0 m，设计推进长度500 m。

3煤层伪顶为泥岩、粉砂岩或炭质泥岩，厚0.21～0.65 m，直接顶板多为粉砂岩，岩石抗压强度为39.3～148.2 Mpa；次为泥岩厚0.88～4.55 m，岩石抗压强度38.0～110.6 Mpa；局部为细、中砂岩；老顶厚2.50～27.8 m，主要为细砂岩和中砂岩。

图2 水库与3301工作面的相对位置关系

2.2 大坝地表移动变形预计

本次预计采用具有参数容易确定、实用性强等特点的概率积分法,也是在我国应用最广泛和常用的方法[19-20]。根据郭屯煤矿1301、1303、1304、1308工作面地表移动变形监测数据及技术总结报告,确定郭屯煤矿的开采沉陷预计参数,见表1。

表1 郭屯煤矿地表移动变形预计参数

为预计水库大坝受开采影响的程度,沿大坝纵轴线布置相应的预计离散点。预计离散点按等间距布置,间隔为50 m。自大坝西端向东端布置,共布置40个预计离散点。预计离散点分布见图2。依据采掘工程平面图采区的工作面设计,将煤层开采要素(包括开采厚度、开采深度、煤层倾角)等数据与预测参数同时输入计算机,然后按设计要求进行多种方案的地表移动变形预测。所有计算均采用中煤科工集团唐山研究院有限公司研制的《地表移动变形预测系统》软件进行。

由于大坝为线状构筑物,其轴线为多段线,以沿其轴线方向为计算方向当预计离散点某项指标(倾斜或水平移动)发生与计算方位角相同的移动与变形时,计算结果为正,反之为负。通过预计,3301工作面开采沉陷影响下坝体最大下沉、最大水平移动和最大水平变形值及其离散点号见表2。坝体离散点下沉曲线如图3～图4。

图3 3301工作面已采部分坝体离散点下沉曲线图

图4 3301工作面全采后坝体离散点下沉曲线图

2.3 开采沉陷对坝体安全影响分析

受3301工作面开采影响,坝体目前下沉最大实测值约为2 600 mm,但工作面已开采部分沉陷尚未稳沉,稳沉后地表变形最大预测值为3 481 mm。3301工作面全部开采稳沉后,下沉值最大约3 512 mm,受3301工作面剩余区域开采影响坝体下沉值增加31 mm,即后期开采对坝体影响较小。根据开采沉陷理论,以下沉10 mm位置作为开采影响边界。3301开采后对坝体的影响长度为1 200 m,桩号从4+50～2+850。下沉造成水库蓄水能力降低,坝体应采取加高处理措施。

当开采沉陷波及坝体时,坝体开始下沉,坝体与坝基的土质较为一致,可视为一个整体,采动后坝基与坝体的移动变形及破坏也应该是一致的。通过对路基不同深度的应力观测,路基在下沉过程中,在竖直方向上不产生拉伸变形(实测深度2.7 m),路基不会发生松动现象,因此,可认为坝体在竖直方向上不会产生拉伸变形。根据“三下”开采长期的观测证明,坝体的横向移动具有大范围、连续渐变的分布特性,它的移动范围与下沉范围基本相同。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》,土坝和堤的允许水平变形值为4～6.0 mm/m,极限水平变形值约为9.0 mm/m；对比表2,受3301工作面开采影响,水库坝体最大拉伸变形值5.87 mm/m,在允许水平变形值范围内。

工作面开采后压缩变形较大,压缩变形会降低坝体孔隙度,不会造成坝体防渗能力降低。但压缩变形会对坝体附属物产生影响,如护栏变形,护坡起鼓等,如图5。

图5 护坡及坝顶道路受损现状

3 受采动损害坝体除险加固措施

3.1 对坝体下沉的处理

对坝体下沉的处理主要是填土加高,计算填高时考虑未来下沉的影响。水库设计蓄水位(43.45m)保持不变,对现状沉陷段坝体进行应急加固,桩号3+172～4+97,长度925 m,采用12%水泥土回填。坝顶高程45.90 m,坝顶宽6.0 m；围坝临水侧边坡1∶3；39.40 m高程以下边坡1∶8,自然边坡,库底高程35.20 m。围坝背水侧边坡1∶2。按原设计恢复原坝后的横向排水沟。坝体填筑前对原坝坡做挖台阶处理,台阶宽度1.0 m,并做成2%的倒坡后再填筑,坝体填筑压实度采用96%。

根据沉陷预计结果,围坝桩号3+392～3+830处沉陷较大,在上下游戗台处新建砖石挡土墙,挡土墙后填筑12%水泥土,与原截渗墙衔接在一起；塌陷较小的地方新建0.4×0.8齿墙与原C30连锁式混凝土块衔接。

3.2 截渗墙处理

截渗墙周围换填水泥土,换填范围为上下游0.35 m范围内,开挖坡比为1∶1.5,采用12%水泥土换填,与加固坝体水泥土衔接为一体，如图6。

3.3 对坝体道路的处理

由于现状地表尚不稳沉,坝体道路采取临时道路修筑措施,临时道路按原设计宽度6 m修筑,坝体道路路面结构采用200 mm厚的C20混凝土路面,200 mm的级配碎石基础。待地表稳沉后再按原设计最终进行沥青混凝土路面修建。由于道路护栏受损严重，在恢复时需将护栏按原状修复重建。

3.4 对坝体边坡的处理

施工时破坏原迎水坡C30连锁块护砌,按原设计恢复其护砌,护砌坡比为1∶3,采用12cm厚C30预制混凝土联锁砌块护坡,下设碎石垫层厚10 cm,300 g/m2土工布、中粗砂垫层厚10cm,与新建挡墙或齿墙衔接。

图6 水泥土与截渗墙连接示意图

4 结 语

通过分析城南水库大坝水文工程地质及井下开采工作面情况,依据概率积分法进行了3301工作面已采部分和未来开采对大坝产生的影响。结合开采预计结果,水库设计蓄水位(43.45 m)保持不变,对现状沉陷段坝体进行应急加固,在沉陷较大位置采用挡墙措施,在沉陷较小位置采用齿墙,节约了成本，达到了加固除险的目的。