河堤受河道采砂開(kāi)采影響的變形規(guī)律研究

■王五洲 ■略陽(yáng)縣水電安裝隊(duì)，陜西 漢中 724300

河堤是指為了保護(hù)工廠、農(nóng)田和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全而逐步興建的沿著河、湖、渠、海等岸邊或分蓄洪區(qū)、行洪區(qū)等修筑起來(lái)的用于擋水的構(gòu)筑物，屬于重要的防洪工程。目前我國(guó)的土質(zhì)堤防大約為240000公里，而土質(zhì)堤防容易受到滲流穿透，從而形成裂縫或引發(fā)沉陷，如果防護(hù)不當(dāng)或者不及時(shí)，將會(huì)給沿岸的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及百姓的生命財(cái)產(chǎn)造成極大威脅［1］。

河堤除了受到雨水、地下水滲流、地下洞穴、交通荷載的影響外，其沉降還會(huì)受到河道開(kāi)采的影響。堤體會(huì)在各種力的作用下，不斷減少土中的孔隙氣和孔隙水，隨著孔隙體積的不斷減小，土體也會(huì)不斷壓縮［2］。本文將研究開(kāi)采對(duì)河堤影響的變形規(guī)律，分析河堤在開(kāi)采的影響下出現(xiàn)的移動(dòng)變形的分布規(guī)律。

1 某河道采砂區(qū)概況

該采砂區(qū)位于天臺(tái)山的南段西側(cè)，河流向著東南方向流動(dòng)。此地的地形較為復(fù)雜，且溝谷發(fā)育、地勢(shì)陡緩、切割劇烈，僅僅在河流的東岸有較為狹窄的平地。整體的地貌形態(tài)是西北高、東南低，屬于丘陵區(qū)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，地表的標(biāo)高為650m－1160m之間，河流及其直流均流經(jīng)井田的東部和南部，河谷的兩側(cè)屬于侵蝕堆積的地形，從而構(gòu)成了河漫灘以上的三級(jí)階地。

該采砂區(qū)主要的含水層為奧陶系石灰?guī)r，該石灰?guī)r具有較強(qiáng)的富水性［3］。區(qū)內(nèi)的東南面和西北面都露出了大面積的奧陶系灰?guī)r，從而形成了補(bǔ)給區(qū)，補(bǔ)給的面積為3000km2，補(bǔ)給量為14m3/s，年平均降水量為516mm。靜水位的標(biāo)高從西北向著東南逐漸遞減，水力坡度為1.0‰－11.0‰，地下水的流向?yàn)闁|北－西南方向。

該采砂區(qū)位于“山”字形的脊柱構(gòu)造上，構(gòu)造的形式主要是褶曲，很少有斷裂。奧陶系石灰?guī)r是主要的含水層，其上覆蓋了良好的粉砂巖和泥巖作為隔水層，因此在無(wú)斷裂貫通的情況下，在垂直的方向上對(duì)砂層沒(méi)有水力聯(lián)系，所以對(duì)采砂區(qū)的充水影響非常小。在經(jīng)過(guò)開(kāi)采前期的準(zhǔn)備后，明確了在河堤下使用長(zhǎng)壁垮落法進(jìn)行河砂開(kāi)采時(shí)的導(dǎo)水裂縫帶的高度，從而保證了河床下的回采工作的安全。通過(guò)前期準(zhǔn)備，我們還掌握了該河流流域地表裂縫的規(guī)律以及地表移動(dòng)的規(guī)律，堤體和堤基的工程地質(zhì)條件，并測(cè)定、分析土層的力學(xué)特征，并以此為基礎(chǔ)研究河砂開(kāi)采對(duì)堤壩造成的變形規(guī)律和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型，從而保證堤壩雖然受到采動(dòng)影響，但是在不同的水位差的條件下均能夠保持動(dòng)力穩(wěn)定、靜力穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定［4］。

2 河堤受開(kāi)采影響的數(shù)值模擬計(jì)算

為了研究河道開(kāi)采對(duì)河堤的變形影響，我們使用FLAC3D這種有限差分計(jì)算軟件對(duì)5201、5202、5203這三個(gè)開(kāi)采工作面所產(chǎn)生的采動(dòng)影響進(jìn)行模擬。

在拉格朗日有限差分方法當(dāng)中，將邊界條件和基本的方程組近似地通過(guò)差分方程進(jìn)行表示，也就是說(shuō)，將二者通過(guò)空間離散點(diǎn)的場(chǎng)變量相關(guān)的代數(shù)表達(dá)式來(lái)代替。注意這些單元內(nèi)的變量都是非確定的，因此能夠?qū)⑶蠼獾奈⒎址匠套儞Q成為代數(shù)方程，從而降低求解的難度。另一方面，在有限元的法則中，需要通過(guò)場(chǎng)變量使每個(gè)單元當(dāng)中的特殊方程發(fā)生變化，而這些特殊方程還會(huì)受到某些參數(shù)的控制。在公式中會(huì)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而減小能量項(xiàng)和誤差項(xiàng)。

圖一 有限差分網(wǎng)格

有限差分的數(shù)值計(jì)算是通過(guò)有限差分網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)的，各個(gè)網(wǎng)格間隔等距，均為h，且直線均平行于X軸和Y軸(如下圖所示)。因此如果加設(shè)f=f(x，y)表示彈性體內(nèi)的某個(gè)連續(xù)函數(shù)，那么它可能表示某個(gè)位移分量或者應(yīng)力分量，同時(shí)也可能表示應(yīng)力函數(shù)、滲流、溫度等等。

3 計(jì)算模型的建立及本構(gòu)關(guān)系

(1)建立計(jì)算模型。模型的東西方向長(zhǎng)1500m，南北方向長(zhǎng)1500m，地層的深度為600m。模型的基點(diǎn)位于地表的左下角，其坐標(biāo)為(20374500.000，3703900.000，0)，該模型總共劃分了134681個(gè)單元，結(jié)點(diǎn)的總數(shù)是154216。X軸的方向是西－東走向，Y軸的方向是南－北走向，Z軸的方向是豎直向。這三個(gè)坐標(biāo)軸之間均滿(mǎn)足右手規(guī)則［5］。該模型的4個(gè)側(cè)面均添加了位移邊界條件，而切斷工作面豎向邊界的位移限制，豎向及切向只有，模型底面與其余3個(gè)豎向邊界面三向固定。

(2)本構(gòu)關(guān)系分析。根據(jù)巖石力學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)的取樣分析，計(jì)算中通過(guò)莫爾－庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則對(duì)巖體的破壞程度進(jìn)行判斷，公式如下:

公式中的σ1表示最大主應(yīng)力，σ3表示最小主應(yīng)力，而c表示粘結(jié)力，ψ表示摩擦角。如果fs＞0，那么表示材料出現(xiàn)了剪切破壞，在一般應(yīng)力狀態(tài)下，巖體所具備的抗拉強(qiáng)度非常低，所以可以根據(jù)σ3≥σ3T這一抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)判斷巖體是否出現(xiàn)破壞。

通過(guò)圖解法對(duì)5201、5202、5203三個(gè)工作面的傾向邊界角進(jìn)行計(jì)算，求得傾向邊界角為45.7°，傾向移動(dòng)角為49.3°。根據(jù)分布曲線預(yù)測(cè)，河堤最大的下沉值在2000mm左右，而三個(gè)工作面所測(cè)得的最大的下沉值是1694mm。而從5201工作面進(jìn)行開(kāi)采到5203工作面最后開(kāi)采的觀測(cè)來(lái)分析，連續(xù)觀測(cè)到的最大下沉值為2176mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，開(kāi)采對(duì)河堤會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)變形的影響，通過(guò)變形規(guī)律的分析和探究能夠?yàn)楸Ｗo(hù)河堤提供可靠的依據(jù)，從而保證開(kāi)采的正常安全進(jìn)行。

［1］常西坤，郭惟嘉，黃冬梅等.伊家河河堤下河道采砂危害性分析［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，28(14):725 －729.

［2］田文書(shū)，陳長(zhǎng)華，劉波等.河湖下厚煤層開(kāi)采河道損害機(jī)理及綜合防治技術(shù)研究［J］.治淮，2012，17(23):1021 －1022.

［3］王廟春.孔莊礦湖堤下河道采砂沉陷規(guī)律實(shí)測(cè)研究［J］.煤礦開(kāi)采，2011，16(24):655 －657.

［4］王柏榮.淮南礦區(qū)淮河堤下煤層的開(kāi)采實(shí)踐——堤體采動(dòng)變形規(guī)律與維護(hù)［C］.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)2010年綜合性學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.:204～212頁(yè).

［5］陳玉平，鄧喀中.皖北礦區(qū)河流下煤炭安全開(kāi)采技術(shù)［J］.煤礦安全，2012，43(17):182 －184.