趙允亮

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110006）

煤田開采區(qū)水庫除險工程設(shè)計方案

趙允亮

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110006）

隨著煤田開采的不斷深入，水庫大壩逐漸受到井下工作面開采的影響，壩體變形范圍將達到1000 m左右，最大下沉可達6.64 m；最大水平移動1.5～2.0 m之間。在壩體360～400 m處將產(chǎn)生交錯裂隙，對大壩的影響期、變形衰退期將長達2—3年左右。設(shè)計單位在綜合考慮各方案技術(shù)上的可行性，經(jīng)濟的合理性，除險加固安全的可靠性及環(huán)境保護、水土保持后，選定設(shè)計方案。

采煤沉陷區(qū)；變形計算；水庫大壩；除險加固

1 工程概況

1.1 水庫樞紐工程

水庫壩址在遼河一級支流的上游，河道長21 km。平均比降0.3.6%。壩址以上集水面積143 km2，總庫容4 500×104m3，是一座以防洪為主、兼有灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游功能的中型水庫。水庫的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。大壩、輸水涵閘等永久主要建筑物為Ⅲ級建筑物。樞紐工程主要由土壩（主壩和副壩）、輸水涵閘等構(gòu)成?，F(xiàn)狀主副壩全長5 020 m，其中主壩長4 120 m、副壩長900 m，為粉質(zhì)粘土均質(zhì)土壩。壩頂高程85.78 m，壩頂寬度5.00 m，主壩最大壩高7.00 m，副壩最大壩高3.80 m；迎水坡采用干砌石護坡，背水坡為采用碎石護坡，排水體采用干砌石貼坡。南北2座輸水涵閘均為壩下埋管式現(xiàn)澆鋼筋混凝土矩形方涵。

1.2 工程區(qū)域水文及工程地質(zhì)

1.2.1 水文

水庫多年平均年降雨量為553 mm；多年平均年徑流深為94 mm；年徑流變差系數(shù)：Cv=0.64，Cs=2Cv；多年平均年水面蒸發(fā)量（20 cm口徑）：1 700 mm；多年平均懸移質(zhì)年輸沙模數(shù)：150 t/km2。地下水類型主要為第四系孔隙潛水與基巖裂隙水，第四系孔隙潛水富存于上覆沖洪積層中，基巖裂隙水儲存于下部基巖裂隙中。

煤礦沉陷影響區(qū)即大壩左端壩基巖土為粉質(zhì)粘土，下伏基巖為白堊系泉頭組砂巖、泥巖，據(jù)鉆探成果，該段穩(wěn)定地下水位高程80.8～81.0 m，幾乎與庫水位持平，受庫水位直接影響，其中粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)值為6.59×10-5cm/s，砂巖、泥巖巖體透水率平均值為0.044 1 L/（min·m·m），均屬弱透水，屬地下水貧乏區(qū)。

1.2.2 工程地質(zhì)

大壩筑壩土及壩基各巖土層從上到下如下：

1）層：筑壩土，填筑材料主要為粉質(zhì)粘土，黃褐色—灰褐色，硬塑～可塑，具中等壓縮性。局部夾粉砂及粉土薄層。

2）層：粉質(zhì)粘土，黃褐色為主，為主要的沖洪積地層，分布穩(wěn)定，且范圍較廣，多呈軟塑狀，局部硬塑或軟塑，具中等壓縮性～高壓縮性，層底埋深1.8～9.4 m，層厚最大4.8 m。

3）層：砂巖、泥巖，為白堊紀(jì)泉頭組地層，紫紅色，全風(fēng)化～強風(fēng)化，礦物蝕變較強，但保留原巖結(jié)構(gòu)，局部呈土狀，手可捏碎。

粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)為6.59×10-5cm/s，砂巖、泥巖巖體透水率平均值為0.044 1 L/（min·m·m），均屬弱透水。

工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

1.3 工程等別

該工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，水庫建筑物級別為：永久性主要建筑物（包括主壩、副壩、輸水涵）為3級；永久性次要建筑物（輸水涵尾水渠等）為4級；臨時性建筑物為5級。

2 除險加固內(nèi)容

2.1 大壩沉陷的原因

某水庫處于大平煤礦井田中部，庫下壓煤工業(yè)占全礦工業(yè)儲量的49.4%。庫下煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度大且煤質(zhì)好，構(gòu)造簡單。煤礦水庫下采煤始于2005年4月，隨著開采的不斷深入，水庫大壩將逐漸受到井下工作面開采的影響，試采段S2S9工作面煤層最大厚度9.96 m，開采深度760～800 m。該工作面位于水庫大壩北側(cè)的正下方，開采將對大壩產(chǎn)生一定的影響，主要影響北壩頭約1 000 m范圍的壩體及北閘。

2.2 大壩地表移動變形計算

采用概率積分法對影響區(qū)地表移動變形進行預(yù)測。S2S9工作面開采后影響壩體的變形范圍將達1 000 m左右；最大下沉（豎向移動）可達6.64 m；最大水平移動1.5～2.0 m之間。在壩體360～400 m（從北到南）處將產(chǎn)生兩組交錯裂隙（一組與壩體走向夾角大約30°，另一組與壩體走向夾角130°），地表裂縫發(fā)育，3～5 m一組，裂縫寬度2～20 cm，裂縫深度3～8 m；最大下沉速度將達到60～90 mm/d左右，影響壩體的變形活躍期達5個月左右時間，工作面推進800 m大壩開始受到影響，大壩影響主要時間1年左右，變形衰退期將長達2～3年左右，總的采動變形時間將達3.5年左右。隨著開采進行，地表出現(xiàn)豎直沉降同時發(fā)生水平位移。最大沉降量出現(xiàn)在工作面后方，隨著開采推進，最大沉降點距離工作面逐漸推后。

從二維模擬看出，開采推進200 m后，地表沉降超過35 mm，地面將出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。推進800 m后，最大沉降量達到0.7 m。推進1 100 m后，最大沉降量超過1.5 m。隨后沉降速度加快，開采到1 900 m后的最終沉降量達到6 m，出現(xiàn)在開采工作面后1 200 m左右（大壩位置）。開采擾動導(dǎo)致地表水平位移，開采推進至1 500 m，壩體水平位移最大，最大水平位移近734 mm。

3 除險加固設(shè)計方案

方案一

1）汛限水位（正常高水位）由82.0 m降低至80.5 m，汛期利用兩孔南輸水涵泄洪，由南輸水涵后重新設(shè)渠道引水至北輸水涵出口尾渠，再排入中央排干。新建渠道總長2 100 m。

3）考慮沉陷過程壩體、基礎(chǔ)將產(chǎn)生一系列的裂縫，可能成為上下游滲漏的道，待開采區(qū)沉降穩(wěn)定后，在壩體及第四系覆蓋層內(nèi)設(shè)置最小有效厚度為30 cm的水泥土防滲墻，防滲墻抗壓強度不小于1.0 MPa，滲透破壞比降不小于200，分三序孔施工，防滲灌漿標(biāo)準(zhǔn)為小于0.05 L/（min·m·m）。

4）壩體填筑前拆除原北輸水涵，在沉陷完成后，在原位置恢復(fù)修建北輸水涵，輸水涵中心樁號為0+266，為3孔鋼筋混凝土方涵。閘后沉陷破壞的渠道重新修建，渠道總長1 500 m，渠道底寬為7.5 m，堤頂寬為3.0 m，堤內(nèi)坡為1∶2.0，堤外坡為1∶2.5。

方案二

1）汛限水位（正常高水位）由82.0 m降低至80.5 m，汛期利用兩孔南輸水涵泄洪，考慮三臺子水庫在2005—2006年期間的除險加固工程中二期部分沒有實施，包括南、北輸水涵后的渠道沒有改建，在南輸水涵后重新設(shè)21 00 m渠道引致北輸水涵出口尾渠，再排入中央排干。

2）在大壩沉降部位上游修建臨時圍堰，沉陷段壩體采用后期加高培厚的方法，壩體為粉質(zhì)粘土均質(zhì)壩，壩頂寬5.0 m，上、下游壩坡均為1∶2.5。

3）考慮沉陷過程壩體、基礎(chǔ)將產(chǎn)生一系列的裂縫，可能成為上下游滲漏的通道，待開采區(qū)沉降穩(wěn)定后，在原壩體上游壩腳第四系覆蓋層內(nèi)開挖防滲齒槽，齒槽底部設(shè)混凝土灌漿蓋板，蓋板厚1.5 m，寬2.0 m，蓋板以下的巖石部位設(shè)置15 m深的防滲帷幕。防滲灌漿標(biāo)準(zhǔn)為小于0.05 L/（min· m·m），灌漿后齒槽部位采用粉質(zhì)粘土回填壓實。

4）壩體填筑前拆除原北輸水涵，設(shè)計方案與方案一相同。

方案三

1）汛限水位保持在82 m不變，北輸水涵拆除并回填，在北輸水涵南側(cè)沉降影響范圍之外新修3孔輸水涵，規(guī)模與原北輸水涵相同，輸水涵中心樁號為1+366，為3孔鋼筋混凝土方涵。閘后沉陷破壞的渠道重新修建，渠道總長1 500 m。

苗頭預(yù)測法的運用需要勞動爭議調(diào)解員必須有“糾紛具有復(fù)雜性、預(yù)防工作具有艱巨性和長期性、遏制糾紛繼續(xù)發(fā)展和擴大的重要性”的認識，并在思想上高度重視，有意識地觀察和分析苗頭性問題。要做到這一點，勞動爭議調(diào)解員必須具備敏銳的信息意識，要善于發(fā)現(xiàn)信息、搜集信息，捕捉其中的帶有傾向性、苗頭性的信息。在預(yù)測苗頭時，還要注意對糾紛的變化有影響的因索，并區(qū)分不同的糾紛進行具體分析。

2）沉陷段壩體采用先期一次性加高培厚的方法，壩體為粉質(zhì)粘土均質(zhì)壩，壩頂寬5.0 m，上、下游壩坡均為1∶3.0。

3）考慮壩體在沉陷過程中將產(chǎn)生裂縫，沉陷期在壩體上游壩坡設(shè)復(fù)合土工膜防滲，防滲體在前壩腳處與垂直鋪塑相連接，沉陷期護坡采用沙袋防護，后期采用砌石護坡?？紤]沉陷過程壩體、基礎(chǔ)將產(chǎn)生一系列的裂縫，可能成為上下游滲漏的通道，待開采區(qū)沉降穩(wěn)定后，在壩體及第四系覆蓋層內(nèi)設(shè)置最小有效厚度為30 cm的水泥土防滲墻，防滲墻抗壓強度不小于1.0 MPa，滲透破壞比降≥200，分三序孔施工，防滲灌漿標(biāo)準(zhǔn)為小于0.05 L/（min·m·m）。

方案四

1）汛限水位保持在82 m不變，北輸水涵拆除并回填，在北輸水涵南側(cè)沉降影響范圍之外新修3孔輸水涵，規(guī)模與原北輸水涵相同，輸水涵中心樁號為1+366，為3孔鋼筋混凝土方涵。閘后沉陷破壞的渠道重新修建，渠道總長1 500 m。

2）在大壩沉降部位上游修建臨時圍堰，沉陷段壩體采用后期加高培厚的方法，壩體為粉質(zhì)粘土均質(zhì)壩，壩頂寬5.0 m，上、下游壩坡均為1∶2.5。

3）考慮沉陷過程壩體、基礎(chǔ)將產(chǎn)生一系列的裂縫，可能成為上下游滲漏的通道，待開采區(qū)沉降穩(wěn)定后，在原壩體上游壩腳處進行壩基帷幕灌漿，設(shè)計方案與方案一相同。

4 設(shè)計方案比選

4.1 技術(shù)方案比選

方案優(yōu)、缺點對比，見表1。

表1 方案優(yōu)、缺點對比表

4.2 方案投資比選

方案投資比選結(jié)果，見表2。

表2 各方案樞紐投資比較表萬元

4.3 方案選定及主要設(shè)計指標(biāo)

綜合考慮上述方案的優(yōu)缺點，適當(dāng)兼顧煤田長遠開采的影響，為煤礦其它段開采時大壩加固提供條件和經(jīng)驗借鑒，本階段選擇方案一作為推薦方案。

4.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮沉陷過程壩體、基礎(chǔ)將產(chǎn)生一系列的裂縫，可能成為上下游滲漏的通道，待開采區(qū)沉降穩(wěn)定后，在壩體及第四系覆蓋層內(nèi)設(shè)置最小有效厚度為30 cm的水泥土防滲墻，防滲墻抗壓強度不小于1.0 MPa，滲透破壞比降不小于200，防滲墻以下的巖石部位設(shè)置15 m深的防滲帷幕，帷幕采用單排孔，孔距為2.0 m，分三序孔施工，防滲灌漿標(biāo)準(zhǔn)為小于0.05 L/（min·m·m）。

4.3.2 安全監(jiān)測設(shè)計

1）水平位移監(jiān)測。監(jiān)測網(wǎng)由壩兩端的工作基點及壩上39個水平位移監(jiān)測點組成。沉陷區(qū)壩體共布置13個水平位移監(jiān)測斷面，沉陷最大部位間距50 m布置1個斷面，其兩側(cè)沉陷小的部位間距100 m布置1個斷面，每個斷面設(shè)置3個測點。

2）垂直位移監(jiān)測。垂直位移監(jiān)測網(wǎng)是由起測基點（起測基點水平位移的工作基點共用一個點）與壩上位移監(jiān)測點（水平位移監(jiān)測點與垂直位移監(jiān)測點共用一點）組成。

3）滲流監(jiān)測。沉陷區(qū)壩體共布置8個水平位移監(jiān)測斷面，沉陷最大部位間50 m布置一個斷面，其兩側(cè)沉陷較大的部位間距100 m布置一個斷面，每個斷面設(shè)3個壩體浸潤線監(jiān)測點。共計24個浸潤線監(jiān)測點。

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