李幸麗，田迎斌

(中煤科工集團唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012)

水庫的興建是為了促進國民經濟發(fā)展和保障人民生命財產安全的重大措施,可以調節(jié)水資源,除害興利[1-2]。鄆城城南水庫就是鄆城縣政府的重大戰(zhàn)略舉措,是為了引調黃河水解決城區(qū)和農村居民飲水安全,改善城區(qū)供水矛盾而建立起來的,它承擔著優(yōu)化水資源配置,實現(xiàn)“優(yōu)水優(yōu)用”的重要作用。但由于城南水庫壓覆礦產資源的開采,導致了水庫大壩產生了不同程度的塌陷和裂縫等變形,嚴重危害了水庫防洪及引水安全,急需對大壩進行除險加固。國內外已有許多學者對土石壩病險水庫存在的問題進行了分析,并提出了較多的工程措施[3-10],比如加高大壩,增加調蓄能力；解決土石壩的滲漏、滑坡和裂縫問題；使用加固垂直防滲措施等等。由于城南水庫大壩下開采仍在進行,大壩屬于未穩(wěn)沉狀態(tài)下的除險,并且水庫水源屬于飲用水源,在制定除險方案和措施時必須考慮井下開采沉陷的影響和工程措施對環(huán)境和水源的影響。

論文通過分析城南水庫工程區(qū)域水文和工程地質,結合井下開采計劃,采用概率積分法[11-18]對水庫將要產生的變形進行預測,在考慮環(huán)境和水源水質影響的條件下制定了有針對性的大壩除險工程措施,消除了大壩隱患,緩解了地企矛盾。

1 城南水庫概況

1.1 水庫樞紐工程

城南水庫為小(1)型平原水庫,設計蓄水位43.45 m,相應設計庫容9.16×106m3,死水位36.70 m,死庫容1.23×106m3,水庫調節(jié)庫容7.93×106m3。樞紐工程包括水庫圍壩、出庫泵站、入庫閘、北關沙河引水閘、北關沙河節(jié)制閘等建筑物。水庫圍壩圍壩為均質土壩,多頭小直徑水泥攪拌樁防滲墻防滲。圍壩軸線長10 399 m,壩頂寬6.0 m,壩頂高程45.90 m,壩頂設瀝青砼路面；圍壩臨水側壩坡為1∶3,背水側壩坡為1∶2.5,壩坡采用草皮護坡,壩腳外設排水溝,邊坡1∶1.5。水庫工程等別為Ⅳ等,工程規(guī)模為小(1)型；水庫圍壩、出庫泵站、入庫閘等主要建筑物級別為4級,過路涵洞、排水溝涵閘等次要建筑物級別為5級。

城南水庫庫區(qū)遙感位置圖見圖1。

圖1 水庫大壩遙感位置圖

1.2 工程區(qū)域工程及水文地質

城南水庫位于魯西南黃河沖積平原,地貌單元屬微傾斜低平原區(qū)(Ⅵ)—黃河沖積平原亞區(qū)(Ⅵ1),地勢較為平緩。地表巖性以砂壤土、粉砂為主,局部分布少量黏性土。工程區(qū)所揭露的地層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)及上更新統(tǒng)(Q3)沖積堆積物。第四系全新統(tǒng)沖積堆積物中上部主要為褐黃色、淺褐色砂壤土,夾粉砂及黏土薄層,厚度4.60～13.60 m；下部主要為灰褐色、淺灰色黏土及中粉質壤土,局部夾砂壤土薄層,厚度3.40～8.70 m。上更新統(tǒng)沖積堆積物主要為棕褐色、紅褐色黏土,夾砂壤土、細砂層,見鐵錳質結核,揭露厚度1.20～8.50 m。

地下水為第四系孔隙潛水,地下水流向為東北,主要含水層為砂壤土和粉砂。(1)層砂壤土、(1-1)層粉砂、(1-2)層黏土、(2)層黏土、(2-1)層砂壤土滲透系數一般3.70×10-4～6.87×10-3cm/s,屬中等透水層,含水層間水力聯(lián)系密切。地下水位為40.36～41.35 m,平均40.82 m,水位與地形基本一致,呈西高東低之勢,地下水位高于河水水位,地下水補給河水。豐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,多年水位變幅3.0 m左右。淺層地下水補給源以大氣降水為主,其次是地表徑流側滲灌溉回滲、地下徑流等。地下水以1～2‰水力坡降自西向東緩慢運動,排泄方式以垂直蒸發(fā)和人工開采為主。

工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g,相應地震基本烈度為Ⅶ度。

2 水庫下開采及移動變形預測

2.1 水庫下開采的工作面概況

城南水庫下開采的煤礦是郭屯煤礦,根據該礦提供的井上下對照圖和采掘工程平面圖,城南水庫下開采的工作面為3301工作面,開采3煤層，實際采厚4.0 m,平均采深660 m,采煤方法為綜采,全部垮落法管理頂板。該工作面自2018年10月開始開采,2019年4月遇到斷層時停采,已推進長度305 m。斷層煤柱留設24 m，后期開切眼距大壩垂直距離98 m，工作面設計采厚4.0 m，設計推進長度500 m。

3煤層偽頂為泥巖、粉砂巖或炭質泥巖，厚0.21～0.65 m，直接頂板多為粉砂巖，巖石抗壓強度為39.3～148.2 Mpa；次為泥巖厚0.88～4.55 m，巖石抗壓強度38.0～110.6 Mpa；局部為細、中砂巖；老頂厚2.50～27.8 m，主要為細砂巖和中砂巖。

圖2 水庫與3301工作面的相對位置關系

2.2 大壩地表移動變形預計

本次預計采用具有參數容易確定、實用性強等特點的概率積分法,也是在我國應用最廣泛和常用的方法[19-20]。根據郭屯煤礦1301、1303、1304、1308工作面地表移動變形監(jiān)測數據及技術總結報告,確定郭屯煤礦的開采沉陷預計參數,見表1。

表1 郭屯煤礦地表移動變形預計參數

為預計水庫大壩受開采影響的程度,沿大壩縱軸線布置相應的預計離散點。預計離散點按等間距布置,間隔為50 m。自大壩西端向東端布置,共布置40個預計離散點。預計離散點分布見圖2。依據采掘工程平面圖采區(qū)的工作面設計,將煤層開采要素(包括開采厚度、開采深度、煤層傾角)等數據與預測參數同時輸入計算機,然后按設計要求進行多種方案的地表移動變形預測。所有計算均采用中煤科工集團唐山研究院有限公司研制的《地表移動變形預測系統(tǒng)》軟件進行。

由于大壩為線狀構筑物,其軸線為多段線,以沿其軸線方向為計算方向當預計離散點某項指標(傾斜或水平移動)發(fā)生與計算方位角相同的移動與變形時,計算結果為正,反之為負。通過預計,3301工作面開采沉陷影響下壩體最大下沉、最大水平移動和最大水平變形值及其離散點號見表2。壩體離散點下沉曲線如圖3～圖4。

圖3 3301工作面已采部分壩體離散點下沉曲線圖

圖4 3301工作面全采后壩體離散點下沉曲線圖

2.3 開采沉陷對壩體安全影響分析

受3301工作面開采影響,壩體目前下沉最大實測值約為2 600 mm,但工作面已開采部分沉陷尚未穩(wěn)沉,穩(wěn)沉后地表變形最大預測值為3 481 mm。3301工作面全部開采穩(wěn)沉后,下沉值最大約3 512 mm,受3301工作面剩余區(qū)域開采影響壩體下沉值增加31 mm,即后期開采對壩體影響較小。根據開采沉陷理論,以下沉10 mm位置作為開采影響邊界。3301開采后對壩體的影響長度為1 200 m,樁號從4+50～2+850。下沉造成水庫蓄水能力降低,壩體應采取加高處理措施。

當開采沉陷波及壩體時,壩體開始下沉,壩體與壩基的土質較為一致,可視為一個整體,采動后壩基與壩體的移動變形及破壞也應該是一致的。通過對路基不同深度的應力觀測,路基在下沉過程中,在豎直方向上不產生拉伸變形(實測深度2.7 m),路基不會發(fā)生松動現(xiàn)象,因此,可認為壩體在豎直方向上不會產生拉伸變形。根據“三下”開采長期的觀測證明,壩體的橫向移動具有大范圍、連續(xù)漸變的分布特性,它的移動范圍與下沉范圍基本相同。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》,土壩和堤的允許水平變形值為4～6.0 mm/m,極限水平變形值約為9.0 mm/m；對比表2,受3301工作面開采影響,水庫壩體最大拉伸變形值5.87 mm/m,在允許水平變形值范圍內。

工作面開采后壓縮變形較大,壓縮變形會降低壩體孔隙度,不會造成壩體防滲能力降低。但壓縮變形會對壩體附屬物產生影響,如護欄變形,護坡起鼓等,如圖5。

圖5 護坡及壩頂道路受損現(xiàn)狀

3 受采動損害壩體除險加固措施

3.1 對壩體下沉的處理

對壩體下沉的處理主要是填土加高,計算填高時考慮未來下沉的影響。水庫設計蓄水位(43.45m)保持不變,對現(xiàn)狀沉陷段壩體進行應急加固,樁號3+172～4+97,長度925 m,采用12%水泥土回填。壩頂高程45.90 m,壩頂寬6.0 m；圍壩臨水側邊坡1∶3；39.40 m高程以下邊坡1∶8,自然邊坡,庫底高程35.20 m。圍壩背水側邊坡1∶2。按原設計恢復原壩后的橫向排水溝。壩體填筑前對原壩坡做挖臺階處理,臺階寬度1.0 m,并做成2%的倒坡后再填筑,壩體填筑壓實度采用96%。

根據沉陷預計結果,圍壩樁號3+392～3+830處沉陷較大,在上下游戧臺處新建磚石擋土墻,擋土墻后填筑12%水泥土,與原截滲墻銜接在一起；塌陷較小的地方新建0.4×0.8齒墻與原C30連鎖式混凝土塊銜接。

3.2 截滲墻處理

截滲墻周圍換填水泥土,換填范圍為上下游0.35 m范圍內,開挖坡比為1∶1.5,采用12%水泥土換填,與加固壩體水泥土銜接為一體，如圖6。

3.3 對壩體道路的處理

由于現(xiàn)狀地表尚不穩(wěn)沉,壩體道路采取臨時道路修筑措施,臨時道路按原設計寬度6 m修筑,壩體道路路面結構采用200 mm厚的C20混凝土路面,200 mm的級配碎石基礎。待地表穩(wěn)沉后再按原設計最終進行瀝青混凝土路面修建。由于道路護欄受損嚴重，在恢復時需將護欄按原狀修復重建。

3.4 對壩體邊坡的處理

施工時破壞原迎水坡C30連鎖塊護砌,按原設計恢復其護砌,護砌坡比為1∶3,采用12cm厚C30預制混凝土聯(lián)鎖砌塊護坡,下設碎石墊層厚10 cm,300 g/m2土工布、中粗砂墊層厚10cm,與新建擋墻或齒墻銜接。

圖6 水泥土與截滲墻連接示意圖

4 結 語

通過分析城南水庫大壩水文工程地質及井下開采工作面情況,依據概率積分法進行了3301工作面已采部分和未來開采對大壩產生的影響。結合開采預計結果,水庫設計蓄水位(43.45 m)保持不變,對現(xiàn)狀沉陷段壩體進行應急加固,在沉陷較大位置采用擋墻措施,在沉陷較小位置采用齒墻,節(jié)約了成本，達到了加固除險的目的。