某尾礦庫(kù)壩體對(duì)排洪隧道的影響評(píng)價(jià)

張小強(qiáng)

(華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊 050021)

某尾礦庫(kù)壩體對(duì)排洪隧道的影響評(píng)價(jià)

張小強(qiáng)

(華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊 050021)

尾礦庫(kù)的排洪構(gòu)筑物多以隧洞、涵洞、溢洪道的形式體現(xiàn)，且大多避開了排洪構(gòu)筑物上部重要建筑物在尾礦庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間對(duì)其可能造成的影響，而從主壩側(cè)部或地下深部進(jìn)行排洪構(gòu)筑物的建設(shè)。某某尾礦庫(kù)附屬排洪隧道從主壩軸線下深約80 m處通過(guò)，為考慮尾礦庫(kù)建成運(yùn)營(yíng)期間壩體上部荷載作用對(duì)排洪隧道的影響，通對(duì)對(duì)隧道圍巖質(zhì)量、隧道涌水量的計(jì)算，建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

尾礦庫(kù);排洪隧道;涌水量;圍巖應(yīng)力

隧洞、涵洞、溢洪道是尾礦庫(kù)常用的排洪構(gòu)筑物，也是尾礦庫(kù)的大動(dòng)脈，其主要作用是排泄洪水及澄清水，保護(hù)尾礦壩的安全，隧洞及溢洪道一般受地形及地質(zhì)因素限制。不光施工有一定的難度，其上部的建筑物或圍巖對(duì)其的運(yùn)營(yíng)影響也是很大，一旦出現(xiàn)故障或者排水排泄不順暢，將對(duì)尾礦庫(kù)造成嚴(yán)重的危害，甚至?xí)o環(huán)境、下游的居民帶來(lái)嚴(yán)重的后果［1］。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)材料的顯示，國(guó)內(nèi)尾礦庫(kù)病害事故中，排洪系統(tǒng)病害事故占到33.3%，洪水漫頂?shù)恼嫉?4.4%，由此可見(jiàn)，尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)不僅重要，而且一旦破壞很難修復(fù)，損失重大［2］。

某尾礦庫(kù)已建好排洪隧道正好穿過(guò)擬建庫(kù)區(qū)最終壩壩軸線，通過(guò)對(duì)排洪隧道的勘察及評(píng)價(jià)隧址區(qū)構(gòu)造地質(zhì)較簡(jiǎn)單，地層為單斜構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)斷層等不良災(zāi)害地質(zhì)體，無(wú)高應(yīng)力區(qū)、集中應(yīng)力區(qū)作用，也無(wú)偏壓作用，隧道距離尾礦庫(kù)壩軸線頂約70～80 m，已施工完成的隧道對(duì)尾礦庫(kù)建設(shè)基本無(wú)影響。但在壩址建設(shè)期間或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，壩體上部荷載作用會(huì)對(duì)排洪隧道造成一定的影響。本文主要通過(guò)分析隧道周圍圍巖質(zhì)量及隧道涌水量，在上部壩體施工期間或運(yùn)營(yíng)后上部荷載作用對(duì)排洪隧道是否造成影響建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。1

1 排洪隧道概況

排洪隧道:全長(zhǎng)1 145.71 m，進(jìn)口標(biāo)高為4 273 m，出口標(biāo)高為4 250 m，上部壩體最高標(biāo)高4 400 m，坡比為0.02。隧道通過(guò)地段內(nèi)地表海拔高程在4 249.96～4 362.13 m間，自然坡度角在5°～45°左右。排洪隧道為2×2.5 m城門洞型，襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

擬建隧址區(qū)位于傍山斜坡地帶，為高山峽谷地形，以風(fēng)化剝蝕作用為主，屬于構(gòu)造剝蝕地貌。溶蝕作用強(qiáng)烈，巖溶比較發(fā)育，溶溝、溶槽、溶蝕裂隙主要分布于山頂及位置高地段。

2 排洪隧道圍巖質(zhì)量

巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值與鉆探施工工藝有直接關(guān)系，勘察中對(duì)所有鉆孔全孔鉆探施工均采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)雙管單動(dòng)半合取芯管取芯工藝施工，其全孔巖芯采取率可達(dá)85%～100%，對(duì)圍巖區(qū)的RQD值統(tǒng)計(jì)能正確反映其巖石完整性。

勘察區(qū)內(nèi)頁(yè)巖強(qiáng)風(fēng)化帶鉆孔巖芯多呈碎塊狀，局部可呈短柱狀及柱狀，RQD值一般小于40%，局部可達(dá)40% ～90%;頁(yè)巖構(gòu)造破碎帶鉆孔巖芯多呈角礫狀、碎塊狀，RQD值為0，巖石質(zhì)量極差;頁(yè)巖中風(fēng)化帶巖芯多呈短柱狀及柱狀，巖石質(zhì)量相對(duì)較好，RQD值一般為30% ～100%，局部小于30%?；?guī)r強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀，RQD值為0～11%;灰?guī)r中風(fēng)化帶裂隙較發(fā)育，巖體完整性及巖石質(zhì)量波動(dòng)大，RQD值為0～64%，局部可達(dá)100%;溶蝕破碎帶處巖石多呈碎塊狀，RQD值一般為0，局部可達(dá)10%。巖石質(zhì)量從差至好均有分布，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，中風(fēng)化頁(yè)巖飽和極限抗壓強(qiáng)度 4.16 ～7.52 Mpa，修正值為 4.575 Mpa，屬軟巖。中風(fēng)化灰?guī)r飽和極限抗壓強(qiáng)度29.68～45.78 Mpa，修正值為 31.288 Mpa，屬較硬巖。

3 隧道涌水量計(jì)算

3.1 涌水特征

隧道區(qū)地下水類型主要為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水，擬建場(chǎng)地地勢(shì)開闊，匯水面積大，地層主要為結(jié)構(gòu)松散的碎石土以及頁(yè)巖、灰?guī)r，巖體較破碎，滲透系數(shù)較大，在強(qiáng)降雨情況下會(huì)對(duì)擬建隧道產(chǎn)生影響。隧道進(jìn)口段由于埋藏較深，地層處于強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖體內(nèi)，巖體完整程度相對(duì)較好，出水形態(tài)以潮濕或點(diǎn)滴狀出水為主。隧道出口段埋藏淺，地層處于第四系殘坡積松散碎石土層，主要靠大氣降水補(bǔ)給，一般呈潮濕或干燥狀態(tài)，暴雨期間出水形態(tài)以淋水、股狀出水為主。洞身段穿越區(qū)內(nèi)一構(gòu)造破碎帶，巖體受其影響，節(jié)理強(qiáng)發(fā)育，在隧道通過(guò)構(gòu)造破碎帶段及附近區(qū)段時(shí)，隧道會(huì)揭穿構(gòu)造破碎帶的排水通道，會(huì)出現(xiàn)涌水、突水;其它巖體段，巖體裂隙較發(fā)育，地下水主要為巖石裂隙滲透水，中風(fēng)化頁(yè)巖隔水性相對(duì)較好，洞身經(jīng)過(guò)頁(yè)巖地段時(shí)洞體一般呈潮濕狀態(tài)或有少量涌水，而灰?guī)r裂隙貫通性較好，洞身經(jīng)過(guò)灰?guī)r時(shí)會(huì)有點(diǎn)滴狀或股狀地下水浸入洞身或有少量涌水。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，粉質(zhì)粘土、碎塊石土(夾少量礫石)屬第四系早、中更新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)，其碎石、礫石及塊石大小混雜而呈漸變關(guān)系，同時(shí)，其中可能會(huì)夾雜一些粉狀砂土或細(xì)粒粘性土，滲透系數(shù)極小，可能會(huì)出現(xiàn)雞窩狀的含水土體，洞身遇含水土體時(shí)可能會(huì)有涌水。

3.2 隧道涌水量計(jì)算

該隧道總體地下水相對(duì)較貧乏，且上部有較厚的粉質(zhì)粘土和碎石土，為相對(duì)隔水層，現(xiàn)采用大氣降水滲入量法對(duì)隧道的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)［3］。

式中:Q為隧道涌水量，m3/d;F為匯水面積(由平面圖量測(cè))，為3.12×106m2;X 為多年平均降雨量，510.6 mm，即0.510 6 m;α為入滲系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.35;T為時(shí)間，365 d;計(jì)算結(jié)果:Q=1 527.60 m3/d。

經(jīng)以上初步計(jì)算并結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況:在無(wú)降雨情況下，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地表水和地下水對(duì)隧道影響較小;但場(chǎng)區(qū)內(nèi)雨量充沛，而基巖以較破碎—破碎的灰?guī)r、頁(yè)巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)較大，在強(qiáng)降雨情況下，降水易下滲，在隧道施工時(shí)可能產(chǎn)生較大的涌水量。根據(jù)隧址區(qū)地層情況及巖層節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)分析:預(yù)計(jì)最大涌水量可達(dá)4 000 m3/d。

4 壩體均布荷載下對(duì)排洪隧道的影響

4.1 計(jì)算參數(shù)的選擇

尾礦庫(kù)最大壩高h(yuǎn)=143 m，壩體重度r=2.2 g/cm3，重力加速度g=10 m/s2考慮，重力G=r*g*h=3 MPa。本次勘察在結(jié)合排洪隧道前期資料的基礎(chǔ)上，按照壩體建成均布荷載3 MPa考慮，分析了壩體對(duì)現(xiàn)有排洪隧道的影響。

有限元計(jì)算模型建議參數(shù)計(jì)

4.2 排洪隧道圍巖應(yīng)力與變形特征

1)荷載條件下圍巖的應(yīng)力特征

選取排洪隧道工程地質(zhì)橫斷面圖建立的有限元計(jì)算模型如圖1。

通過(guò)計(jì)算，在加載狀態(tài)下，隧洞開挖前應(yīng)力場(chǎng)的分布較為均勻，且隨深度變化符合一般地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，其中最大主應(yīng)力σ1方向基本上為洞周方向，最小主應(yīng)力σ3方向基本沿洞徑方向。從坡體表面向坡體內(nèi)，應(yīng)力逐漸增大，在引水隧洞開挖范圍內(nèi)，應(yīng)力較小，最大主應(yīng)力σ1一般在6.0 MPa左右，最小主應(yīng)力σ3多在2.20 MPa以下。

圖1 有限元計(jì)算模型

2)開挖條件下圍巖應(yīng)力特征

洞室開挖后，由于圍巖應(yīng)力重分布，加載狀態(tài)下，開挖后在洞室的頂拱、底板位置形成低應(yīng)力區(qū)，σ1量值大小為0.50 MPa～1.50 MPa;而洞壁兩側(cè)處形成新的應(yīng)力增高區(qū)，σ1量值增大為 7.0 MPa～ 10.0 MPa，σ3量值大小在 0.60 MPa～1.05 MPa左右。除隧洞底部外，洞周圍巖應(yīng)力多為壓應(yīng)力，基本上未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。

3)開挖后無(wú)支護(hù)條件下圍巖變形特征

計(jì)算開挖無(wú)支護(hù)條件下硐室圍巖位移特征如圖8。位移均向開挖臨空方向，硐室頂拱、底板的位移量約4.5～5.5 mm;左右側(cè)邊墻圍巖總位移為2.0～3.25 mm，圍巖位移相對(duì)較小。

開挖完成后兩側(cè)洞壁發(fā)生剪應(yīng)變集中量值約為0.00 195 ～0.00 225，頂拱、底板剪應(yīng)變集中量值較小，約為0.00 015。

開挖后隧洞周圍基本未出現(xiàn)屈服單元。

根據(jù)壩體建成均布荷載后對(duì)排洪隧道的評(píng)價(jià)可知，排洪隧道周圍巖應(yīng)力多為壓應(yīng)力，基本上未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，尾礦庫(kù)后期堆積壩對(duì)現(xiàn)有排洪隧道基本無(wú)影響。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)已建排洪隧道預(yù)計(jì)最大涌水量可達(dá)4 000 m3/d，隧道出洞口位于斜坡上，總體地形開闊，一旦排洪隧道排水，洪水直接進(jìn)入下游，對(duì)下游截滲壩壩基和壩體的穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此需要在排洪隧道口至截滲壩段進(jìn)行洪水排放處理，以排水管道或開挖排水溝等形式讓洪水自然流到截滲壩壩體外，以預(yù)防對(duì)下游截滲壩的影響。

(2)尾礦庫(kù)建設(shè)中必須對(duì)附屬構(gòu)筑物可能對(duì)壩體運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的負(fù)面影響進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，一旦出現(xiàn)故障，將對(duì)尾礦庫(kù)造成嚴(yán)重的危害，甚至?xí)o下游生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

［1］時(shí)煒.淺議尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.有色礦山，2001，(1)39 －400.

［2］許宏達(dá).我國(guó)尾礦庫(kù)病害事故統(tǒng)計(jì)分析［J］.工業(yè)建筑，2001，(1)69 －713.

［3］陳崇希.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.

P641.4

B

1004－1184(2013)05－0168－02

2013-04-11

張小強(qiáng)(1979-)，男，河北石家莊人，工程師，主要從事巖土工程勘察及相關(guān)專業(yè)的研究工作。