堤下采煤對黃湖兩用堤影響分析與評價

劉洪鋮，邢旭飛，于士程

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林長春 130021）

1 概述

黃湖兩用堤是東平湖蓄滯洪區(qū)的重要組成部分，為1級大堤，其防洪作用不言而喻。泰西煤礦是擬建的中小型礦井，該礦井建成后，可以部分有效地緩解山東省資源短缺的狀況，為該省的經(jīng)濟發(fā)展提供有力的支撐[1]。根據(jù)目前的規(guī)劃，泰西煤礦部分采區(qū)位于東平湖蓄滯洪區(qū)范圍內(nèi)。這就導致了煤層開采和堤防安全運行之間的矛盾：煤層開采后，破壞了上覆巖土體的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，導致巖土體內(nèi)應(yīng)力重新調(diào)整，會引起采區(qū)附近的巖土體發(fā)生變形甚至破壞。當開采達到一定范圍以后，必將引起地表產(chǎn)生較大的變形，進而對黃湖兩用堤產(chǎn)生不利的影響。因此，應(yīng)用綜合的研究手段，研究開采對堤防的影響，為在保證黃湖兩用堤（東平湖蓄滯洪區(qū)）安全運行的同時，使地下煤炭資源得到合理的開發(fā)利用提供依據(jù)，具有重大的社會意義和經(jīng)濟意義[2]。

2 黃湖兩用堤安全保護范圍確定

堤防工程是保證河流安全最為重要的建筑物，為了保證堤防的安全和正常運行，需要預留一定寬度的護堤地。根據(jù)《堤防工程管理設(shè)計規(guī)范》《山東河道管理條理》《山東省黃河工程管理辦法》和黃委會頒布的《工程管理設(shè)計若干規(guī)定》[3]，臨河堤背河護堤地寬度為10 m，安全保護區(qū)范圍為背河護堤地以外100 m。根據(jù)上述規(guī)范和條例要求，確定黃湖兩用堤安全煤護范圍為堤腳以外110 m。

3 煤層開采對堤防工程穩(wěn)定影響分析

地表沉陷后，在地面會形成一系列的裂縫。裂縫的出現(xiàn)，使地基由散體介質(zhì)滲流改變?yōu)榱严稘B流或管流，使防洪工程附近地下水滲流滲徑縮短，地表沉陷區(qū)內(nèi)地基滲透系數(shù)增大，有可能使堤防和地基內(nèi)滲透比降增大，對堤防的滲透穩(wěn)定不利。同時，地表發(fā)生變形和沉陷后產(chǎn)生的裂縫，會降低變形區(qū)域土體的強度，如果變形區(qū)域臨近堤防工程，則有可能影響到堤防工程堤坡的抗滑穩(wěn)定性，給堤防工程安全帶來不利影響[4]。因此，地表塌陷后，對堤防工程滲透穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定帶來的影響程度尤為關(guān)鍵。

3.1 煤層開采對堤防工程滲透穩(wěn)定影響分析

結(jié)合我國部分煤礦地表裂縫特征實測結(jié)果，假定在地表移動波及范圍內(nèi)巖土體裂縫深度最大為10 m，在地表移動區(qū)10 m埋深內(nèi)巖土體的滲透系數(shù)擴大到原來的100倍，分析在該種情況下的堤防及地基中滲流場變化情況。

滲流計算參數(shù)的選取，對工程安全性判斷影響較大。黃湖兩用堤為近期加培、加固的工程。豐水期水位49.5 m下其地層滲透系數(shù)仍采用工程加固設(shè)計時的計算參數(shù)，以保持工程評價結(jié)論的準確性[5]。黃湖兩用堤滲流計算參數(shù)見表1。

表1 滲流計算參數(shù)表

滲流計算采用GeoStudio軟件中Seep/W模塊進行。取黃湖兩用堤橫剖面作為計算剖面，模型長271 m，875個節(jié)點，780個單元，黃河水位為49.5 m。計算模型如圖1所示。通過有限元滲流模型分析，現(xiàn)狀斷面單寬滲流量為2.88×10-6m3/s，最大滲透比降0.26，裂縫擴展至距堤防坡腳110 m處時，斷面單寬滲流量為3.01×10-6m3/s，最大滲透比降為0.26，允許滲透比降為0.30。從計算分析看出，裂縫擴展到堤防的安全保護范圍邊界時，與現(xiàn)狀斷面情況對比可以看出，單寬滲流量有稍許增大，但很不明顯；對堤防的滲透坡降影響也不顯著，并且都不會帶來堤防的滲透穩(wěn)定問題。

圖1 黃湖兩用堤滲透分析計算模型

3.2 煤層開采對堤防工程抗滑穩(wěn)定影響分析

采用中國水利水電科學研究院研發(fā)的STAB程序進行分析計算。計算參數(shù)如表2所示。

表2 抗滑計算參數(shù)表

黃湖兩用堤首先自動搜索最危險滑裂面，然后應(yīng)用簡化畢肖普法進行穩(wěn)定計算。黃湖兩用堤的計算結(jié)果見圖2?，F(xiàn)狀斷面堤坡的穩(wěn)定系數(shù)在1.92左右，裂縫擴展至距堤腳110 m處時，穩(wěn)定系數(shù)仍為1.92左右，堤坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)沒有變化。

圖2 黃湖兩用堤抗滑計算成果圖

4 結(jié)語

利用GeoStudio軟件中Seep/W模塊及STAB軟件，對在煤層開采情況下黃湖兩用堤防的滲透穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定進行分析。計算結(jié)果表明：在黃湖兩用堤安全煤護范圍為堤腳以外110 m條件下，黃湖兩用堤不存在滲透穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定問題。在此方案下，既保證了河堤不產(chǎn)生破壞，又使煤炭資源得到最大量的開采，使綜合社會效益和經(jīng)濟效益達到最大化。