地下水控制對(duì)布沼壩露天礦龍橋變電站安全性的影響

彭繼楊，駱大軍，張傳偉，肖國(guó)強(qiáng)，何以劍，李兆霖

（1.云南布沼壩礦務(wù)局有限責(zé)任公司，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 650032；2.云南國(guó)能煤電有限公司，云南 紅河 655211；3.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；5.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

露天采礦工程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，根據(jù)露天礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)要求、生產(chǎn)規(guī)模及地質(zhì)條件的不同，露天礦的地面設(shè)施及建構(gòu)筑物的布置方式也靈活多變[1]。為了保證露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)的合理協(xié)調(diào)，有些地面設(shè)施會(huì)在確保一定安全性的前提下布置在地質(zhì)條件相對(duì)較差的區(qū)域，如靠近露天礦邊坡坡頂線的位置。此類(lèi)地面設(shè)施在設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)考慮安全距離等影響設(shè)施及礦坑安全的條件，但隨著時(shí)間的推移及環(huán)境變化，這些地面設(shè)施不再滿足安全要求，從而給礦山生產(chǎn)帶來(lái)極大的安全隱患[2-3]。

云南布沼壩露天礦龍橋變電站所處的邊幫，因多次發(fā)生滑塌和削坡治理，導(dǎo)致龍橋變電站距離邊坡坡頂線的距離僅剩25 m。加之變電站所處邊坡正處于高水位區(qū)，變電站邊坡在地下水的長(zhǎng)期作用下，將對(duì)龍橋變電站的安全性造成極大威脅。為此，從地下水控制的角度，研究布沼壩露天礦龍橋變電站安全性的影響因素，論證通過(guò)地下水控制措施提高龍橋變電站安全的可行性。

1 水文及工程地質(zhì)條件

龍橋變電站位于布沼壩露天礦西幫邊坡坡頂，其地基巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r和黏土。其中，黏土層厚度為15～30 m，遇水易膨脹。此處分布1 條寬度約15 m 的斷層破碎帶，使變電站所處邊坡地層連續(xù)性降低。變電站處于高水位區(qū)，各地層的水力補(bǔ)給、徑流、排泄自成體系，其所在邊坡有多處涌水點(diǎn)。變電站所處邊坡在水的長(zhǎng)期作用下，易引發(fā)局部滑塌、地表變形開(kāi)裂，對(duì)變電站的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。龍橋變電站邊坡典型剖面圖如圖1。

圖1 龍橋變電站邊坡典型剖面圖

此前布沼壩露天礦西幫發(fā)生過(guò)多處邊坡失穩(wěn)，水的影響是此前西幫邊坡失穩(wěn)的重要原因。龍橋變電站淺部巖土體構(gòu)成與此前的失穩(wěn)區(qū)域類(lèi)似，在地下高水位的影響下，表層土體很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，存在極大的安全隱患。因此擬在變電站后方通過(guò)設(shè)置輻射井的方式對(duì)變電站邊坡進(jìn)行地下水控制。

2 地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

大量工程實(shí)例和研究證明，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性有著非常重要的影響，尤其對(duì)于膨脹土，土體含水量更是控制邊坡穩(wěn)定性的主要決定因素[4-6]。關(guān)于地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。其中Terzaghi[7]結(jié)合莫爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論提出了飽和土體的有效應(yīng)力的概念：

式中：τf為剪切破壞面的剪應(yīng)力，kPa；c′為有效黏聚力，kPa；σ 為剪切破壞面上的法向應(yīng)力，kPa；uw為剪切面上的水壓力，kPa；φ′為有效內(nèi)摩擦角，（°）。

由有效應(yīng)力表達(dá)式可知，地下水可直接降低剪切破壞面上的法向有效應(yīng)力，使巖土體內(nèi)摩擦角的抗剪效率降低，進(jìn)而降低邊坡的整體抗滑性能。因此降低地下水位可直接提升邊坡的穩(wěn)定性。

3 邊坡穩(wěn)定性

對(duì)于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的求解，極限平衡分析方法是目前普遍使用的一種定量分析方法[8]。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用Morgenstern－Price 法對(duì)龍橋變電站邊坡的自然工況和地下水控制工況進(jìn)行求解。變電站邊坡巖土體力物理學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。變電站邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 變電站邊坡巖土體力物理學(xué)參數(shù)

表2 變電站邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

在僅考慮孔隙水壓力變化的情況下，利用極限平衡法求得的自然工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.04，根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)[9]，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；地下水控制工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.21，處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?jiàn)地下水控制能極大地提升龍橋變電站所處邊坡的穩(wěn)定性，使邊坡從欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。

4 地下水對(duì)邊坡變形的影響

4.1 數(shù)值模型

根據(jù)地勘資料可知，此處淺部巖土體彈性模量極低，這就意味著西幫邊坡在達(dá)到“靜力平衡”的臨界狀態(tài)前會(huì)產(chǎn)生極大的塑性變形，意味著邊坡可能在穩(wěn)定性系數(shù)高于1.0 的情況下產(chǎn)生局部破壞，邊坡變形對(duì)變電站地基的影響不可忽略[10-11]。為此，基于此處巖土體彈性模量較低的現(xiàn)實(shí)情況，除了對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，還將對(duì)龍橋變電站邊坡的巖土體變形情況進(jìn)行研究。

為了較為全面地探明龍橋變電站邊坡在達(dá)到臨界狀態(tài)前的淺部巖土體變形情況。以距離變電站約25 m 處的邊坡坡頂線位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)置3 條向坡后方延伸110 m 的監(jiān)測(cè)線（變電站距坡坐標(biāo)原點(diǎn)最大距離為85 m），3 條監(jiān)測(cè)線分別位于地表、地下10 m、地下20 m 的位置。龍橋變電站邊坡數(shù)值模型如圖2。

圖2 龍橋變電站邊坡數(shù)值模型

4.2 變形分析

自然工況位移云圖如圖3，地下水控制工況位移云圖如圖4。

由圖3 和圖4 已知：變電站邊坡相對(duì)變形量較大區(qū)域集中于坡頂臨空面附近的第四系黏土、碎石及炭質(zhì)黏土巖處；坡頂?shù)谒南叼ね吝\(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以坐落為主，坡底炭質(zhì)黏土巖的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以底鼓為主；地下水控制工況下的變形量和變形范圍明顯小于自然工況，具體表現(xiàn)為變形區(qū)后緣向坡前方收縮，變形區(qū)前緣向坡后方收縮。

圖3 自然工況位移云圖

圖4 地下水控制工況位移云圖

提取監(jiān)測(cè)線上各處的位移，即可獲得監(jiān)測(cè)線上的位移突變點(diǎn)。設(shè)監(jiān)測(cè)線上位移突變點(diǎn)的橫坐標(biāo)為邊坡變形區(qū)向坡后方發(fā)展的最大范圍Lmax，龍橋變電站距坡頂線的最小距離為l，則邊坡變形區(qū)對(duì)龍橋變電站的影響范圍L＝Lmax－l。

地表監(jiān)測(cè)線變形曲線如圖5，地下10 m 監(jiān)測(cè)線變形曲線如圖6，地下20 m 監(jiān)測(cè)線變形曲線如圖7。

圖5 地表監(jiān)測(cè)線變形曲線

圖6 地下10 m 監(jiān)測(cè)線變形曲線

圖7 地下20 m 監(jiān)測(cè)線變形曲線

不同深度下的監(jiān)測(cè)線變形曲線表明，自然工況下，地表巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax＝47 m 處，而龍橋變電站距離坡頂線最近的位置l 僅為25 m，即地表變形對(duì)變電站的地基的影響范圍L＝22 m；地下10 m 深度，巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax＝40 m 處，即地下10 m 深度巖土體變形對(duì)變電站地基的影響范圍l＝15 m；地下20 m 深度，巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax＝32 m 處，即地下20 m 深度巖土體變形對(duì)變電站地基的影響范圍l＝7 m。

地下水控制工況下，地表巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax＝33 m 處，變形范圍比自然工況降低14 m，即地表變形對(duì)變電站的影響范圍范l 從22 m 降至8 m，降幅63.6%；地下10 m 深度，巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax＝30 m處，變形范圍比自然工況降低10 m，即地下10 m 深度巖土體變形對(duì)變電站的影響范圍范l 從15 m 降至5 m，降幅66.7%；地下20 m 深度，巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax＝18 m 處（已小于變電站距坡頂線25 m 的距離），即地下20 m 深度巖土體變形對(duì)變電站地基的影響范圍l 從7 m 降至0 m，降幅100%，地下20 m 深度巖土體的變形對(duì)變電站地基不再產(chǎn)生影響?？梢?jiàn)，地下水控制可使邊坡變形對(duì)龍橋變電站地基的影響范圍降低63.6%以上，并將變形影響深度控制在20 m 以?xún)?nèi)。因此，地下水控制對(duì)龍橋變電站地基變形有明顯的控制效果。

5 結(jié)語(yǔ)

1）利用剛體極限平衡法求得了龍橋變電站邊坡在進(jìn)行地下水控制后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從自然狀態(tài)的1.04 提升至1.21，使邊坡從欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。

2）利用數(shù)值模擬分析了地下水控制前后邊坡坡頂變形規(guī)律：地下水控制使邊坡變形對(duì)變電站地基的影響范圍降低63.6%以上，并將變形影響深度控制在20 m 以?xún)?nèi)。

3）地下水控制對(duì)提升龍橋變電站的邊坡穩(wěn)定性和減小對(duì)變電站地基的變形影響范圍均有明顯成效，地下水控制可顯著提高龍橋變電站的安全性。