近松散層突水涌砂誘發(fā)的沉降試驗(yàn)研究

張 翔，劉成禹,2，陳博文

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116；2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116)

近松散層突水涌砂誘發(fā)的沉降試驗(yàn)研究

張 翔1，劉成禹1,2，陳博文1

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116；2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116)

針對近松散層突水、涌砂誘發(fā)的沉降問題，設(shè)計(jì)了一套可以改變涌口直徑模擬砂、水涌出的可視化試驗(yàn)裝置，對粒徑0.075 mm～2 mm標(biāo)準(zhǔn)砂、5 mm～10 mm粗砂構(gòu)成的砂體，在不同涌口尺寸及不同水力比降下突水、涌砂誘發(fā)的沉降規(guī)律進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：細(xì)顆粒含量87%、粗顆粒含量13%組成的砂體，當(dāng)涌口直徑大于8 mm時(shí)，砂體會(huì)發(fā)生沉降；繼續(xù)增大涌口直徑，大于16 mm后，砂體會(huì)發(fā)生潰砂；細(xì)顆粒含量60%、粗顆粒含量40%組成的砂體，當(dāng)水力比降為3.5時(shí)，砂體會(huì)發(fā)生潰砂；當(dāng)水力比降在6.0～7.5時(shí)，細(xì)顆粒在滲流力的作用下會(huì)在涌口上方形成土拱和濾層，阻止顆粒流失，砂體不會(huì)發(fā)生沉降。砂體發(fā)生沉降時(shí)，沉降影響半徑和沉降中心深度與涌口直徑和水力比降呈線性關(guān)系。

沉降；涌口直徑；水力比降；潰砂

隨著我國許多礦區(qū)進(jìn)行高強(qiáng)度的開采，引起礦區(qū)上部松散含水層發(fā)生水、砂突涌事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為了能夠安全高效地開采礦區(qū)煤炭資源，松散層突水、涌砂的誘發(fā)機(jī)制及影響因素已成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。

王云平等[1]利用有限元ADNIA分析了不同覆巖結(jié)構(gòu)下的沉降規(guī)律。張冬冬等[2]基于ADNIA對滲流進(jìn)行有限元分析。這些學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行了滲流分析，但未能基于試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。許延春等[3]模擬了某礦區(qū)近松散層的潰砂機(jī)理。連會(huì)青等[4]以某礦區(qū)為例，分析了突水、潰砂的影響因素。李江華[5]分析了某礦區(qū)水壓作用下薄基巖層突水、潰砂的機(jī)理。趙啟峰等[6]針對某礦區(qū)突水、潰砂現(xiàn)象，研發(fā)了突水、潰砂氣液聯(lián)動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置。這些學(xué)者的研究對象是某特定礦區(qū)突水、潰砂的機(jī)制，未能考慮突水、潰砂誘發(fā)的地表沉降問題。楊偉峰等[7]通過自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，研究了砂、水混流時(shí)孔隙水壓在裂縫通道中的變化特征。杜峰[8]利用室內(nèi)測試，分析了砂粒粒徑等因素對顆粒流失的影響。鄭剛等[9]通過自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，研究了砂體自不同縫寬漏出時(shí)，土顆粒應(yīng)力鏈的發(fā)展變化規(guī)律。這些學(xué)者針對的是各種因素對裂隙上覆松散層突水、涌砂的影響，未考慮涌口為圓形時(shí)的情況，也未考慮突水、涌砂誘發(fā)的地表沉降問題。對于特定的土層，底部涌口直徑、水力比降(水壓高度與土層厚度的比值)等因素決定了土層是否會(huì)發(fā)生突水、涌砂現(xiàn)象以及是否會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)土層發(fā)生沉降、潰砂[10](松散地層中的顆粒物質(zhì)在自然或人為作用下，大規(guī)模通過孔隙通道，流動(dòng)、轉(zhuǎn)移的災(zāi)害性結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象)等，這些都是以往學(xué)者很少考慮到的。為了研究圓形涌口下水土流失誘發(fā)沉降的發(fā)展規(guī)律，本文自行設(shè)計(jì)了一套可以改變涌口直徑模擬砂、水涌出的可視化試驗(yàn)裝置，通過改變涌口直徑和水力比降分析了不同涌口直徑、不同水力比降對突水、涌砂誘發(fā)土體沉降的規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/h3>

自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置由3部分組成：上部為供水裝置，由蓄水桶、進(jìn)水管組成；中間為突水、涌砂綜合沉降裝置，由沉降發(fā)生裝置、可控涌口直徑不銹鋼板、測量裝置構(gòu)成；下部由支座系統(tǒng)和水、砂收集裝置組成。

試驗(yàn)中通過改變供水桶的高度來控制水壓的大小。綜合沉降裝置為直徑500 mm、高800 mm的透明鋼化玻璃圓桶。圓桶上方中心裝有傘狀降水器，用以減輕水流對土體表面的沖力。傘狀降水器一側(cè)裝有防水?dāng)z像機(jī)，用以拍攝記錄土體流動(dòng)以及沉降情況。圓桶底部不銹鋼板中心處鉆有直徑40 mm的螺旋孔洞，在底部外側(cè)用蓋子旋住，內(nèi)側(cè)螺旋孔洞上方可放置不同涌口直徑的不銹鋼板，涌口直徑可在2 mm～40 mm范圍，每級(jí)增加2 mm內(nèi)選擇，見圖2。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

圖2涌口控制板

根據(jù)試驗(yàn)要求放置不同涌口直徑的不銹鋼板、配制不同級(jí)配的填土至設(shè)計(jì)標(biāo)高、控制水壓，打開底部外側(cè)螺口，模擬不同直徑涌口、不同水力比降下的突水、涌砂。在圓桶底部螺旋孔洞正下方放有若干相同容積的量筒，隔一定時(shí)間后更換量筒對涌出的砂進(jìn)行收集。

測量數(shù)據(jù)包括水土流失誘發(fā)的沉降范圍以及沉降范圍內(nèi)不同部位的沉降深度。沉降影響范圍可用不銹鋼做成的最小刻度1 mm細(xì)柱狀刻度針從漏斗中心向外每隔10 mm布設(shè)進(jìn)行沉降范圍以及沉降深度的測量。

1.2 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)選用粒徑0.075 mm～2 mm的標(biāo)準(zhǔn)砂作為填充細(xì)顆粒，5 mm～10 mm的粗砂作為骨架粗顆粒。試驗(yàn)中根據(jù)需要對粗、細(xì)顆粒按不同比例進(jìn)行摻配。

1.3 試驗(yàn)方法和內(nèi)容

本次試驗(yàn)操作和過程參照土工試驗(yàn)規(guī)程[11]進(jìn)行。

根據(jù)試驗(yàn)方案要求放置相應(yīng)涌口直徑不銹鋼板、配置土樣，加入相應(yīng)高度的水，保持水壓穩(wěn)定，待穩(wěn)定后，打開底部螺旋孔口，觀測、記錄突水、涌砂現(xiàn)象，待試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉水閥，進(jìn)行沉降測量。

為了得出涌口直徑、水力比降與突水、涌砂誘發(fā)土體沉降的影響規(guī)律，試驗(yàn)做了如下設(shè)計(jì)：(1) 保持試驗(yàn)參數(shù)不變，改變涌口直徑，研究不同涌口直徑下的沉降規(guī)律；(2) 保持土層厚度不變，改變水位高度，研究不同水力比降下的沉降規(guī)律。

試驗(yàn)土樣厚度100 mm，試驗(yàn)1細(xì)顆粒含量87%粗顆粒含量13%，水力比降3.0；實(shí)驗(yàn)2細(xì)顆粒含量60%粗顆粒含量40%，涌口直徑20 mm。具體試驗(yàn)方案見表1、表2。

表1 試驗(yàn)1試驗(yàn)方案

表2 試驗(yàn)2試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 沉降特點(diǎn)

對試驗(yàn)現(xiàn)象觀察發(fā)現(xiàn)：

(1) 圓形涌口突水、涌砂誘發(fā)的沉降范圍在平面上呈圓形，見圖3(a)。

(2) 土體潰砂后，隨著時(shí)間流逝，底部涌口周圍顆粒會(huì)被水流帶走，致使底板裸露并不斷向四周擴(kuò)張，出現(xiàn)擴(kuò)徑效應(yīng)，如圖3(b)所示。

圖3沉降范圍俯視圖

(3) 圓形涌口突水、涌砂誘發(fā)的沉降范圍內(nèi)不同部位的沉降深度在側(cè)面上呈漏斗狀，沉降影響范圍可用沉降影響半徑表示，見圖4。

圖4沉降范圍側(cè)視圖

2.2 不同涌口下的沉降規(guī)律

按試驗(yàn)1的方案，對不同涌口突水、涌砂誘發(fā)沉降的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1) 當(dāng)涌口直徑小于某一數(shù)值時(shí)，土體不會(huì)發(fā)生沉降，大于這一數(shù)值后土體會(huì)發(fā)生沉降；若涌口直徑繼續(xù)增大，當(dāng)涌口直徑大于另一數(shù)值時(shí)，土體會(huì)發(fā)生潰砂。

(2) 當(dāng)涌口直徑小于8 mm時(shí)，底部基本沒有顆粒涌出，土體也未見沉降。

(3) 當(dāng)涌口直徑達(dá)到8 mm后，底部會(huì)有砂、水涌出，土體會(huì)發(fā)生沉降。

(4) 當(dāng)涌口直徑達(dá)到16 mm后，底部會(huì)涌出大量砂、水，土體會(huì)發(fā)生潰砂，且潰砂的范圍受時(shí)間影響。

本文定義臨界涌口直徑為未發(fā)生沉降的最大涌口直徑；界限涌口直徑為發(fā)生沉降但不會(huì)發(fā)生潰砂的最大涌口直徑。

試驗(yàn)結(jié)果表明：不同直徑涌口突水、涌砂的情況下，存在臨界涌口直徑和界限涌口直徑，當(dāng)涌口直徑小于臨界涌口直徑時(shí)，土體不會(huì)發(fā)生沉降；當(dāng)涌口直徑大于臨界涌口直徑小于界限涌口直徑時(shí)，土體僅會(huì)發(fā)生沉降；當(dāng)涌口直徑大于界限涌口直徑后，土體會(huì)發(fā)生潰砂，且潰砂誘發(fā)的沉降范圍受時(shí)間影響。

本節(jié)只考慮僅發(fā)生沉降時(shí)涌口直徑與沉降量的關(guān)系。通過試驗(yàn)得出涌口直徑8 mm～18 mm下的沉降影響半徑和沉降中心深度的變化曲線，見圖5。

圖5涌口直徑-沉降曲線

由圖5可以看出：沉降影響半徑和沉降中心深度隨涌口直徑的增大而增大，它們之間存在很好的相關(guān)關(guān)系。

對圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)直徑8 mm～16 mm的涌口與沉降影響半徑和沉降中心深度與之間存在線性關(guān)系，其式如下：

r=7.3d-56.4

(1)

H=4.25d-32.80

(2)

式中：r為沉降影響半徑，mm；H為沉降中心深度，mm；d為圓形涌口直徑，mm。

2.3 沉降范圍隨涌口的變化機(jī)制

由試驗(yàn)1可知，土體的沉降范圍與涌口的直徑有關(guān)，但涌口直徑如何引起沉降范圍發(fā)生變化的機(jī)制卻尚未可知，當(dāng)涌口直徑小于臨界涌口直徑時(shí)，土體無沉降，故本節(jié)只對涌口直徑10 mm～24 mm下的沉降曲線進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6不同涌口直徑下的沉降曲線

從圖6可以看出：

(1) 水土流失誘發(fā)的破壞面在豎向呈二次曲線，這與文獻(xiàn)[12]所得結(jié)論基本一致。

(2) 涌口直徑10 mm～16 mm范圍內(nèi)，涌口直徑增大，沉降范圍會(huì)在橫、縱向同時(shí)發(fā)生延伸。

(3) 涌口直徑18 mm～24 mm范圍內(nèi)，涌口直徑增大，沉降范圍在縱向上停止延伸，橫向上只有輕微變化。

結(jié)合圖5、圖6，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 當(dāng)涌口直徑大于8 mm時(shí)，涌口直徑增大，涌口上方土體的沉降范圍也會(huì)增大，涌口打開后，顆粒能流出的范圍也將增大，誘發(fā)的沉降范圍將同時(shí)發(fā)生橫、縱向的延伸。

(2) 當(dāng)涌口直徑達(dá)到16 mm時(shí)，土體會(huì)發(fā)生潰砂，由于土層厚度一定，破壞面無法向下繼續(xù)延伸，沉降中心深度不變；涌口會(huì)發(fā)生擴(kuò)徑效應(yīng)，沉降影響半徑會(huì)隨時(shí)間的流逝而繼續(xù)進(jìn)行橫向的延伸。

從圖6土體的沉降曲線可以看出：以破壞面為界，可以將破壞面內(nèi)部土體稱為“沉降區(qū)”，破壞面外部土體稱為“隨動(dòng)區(qū)”，土體的沉降模式與活門試驗(yàn)得到的結(jié)果[13]類似，見圖7。

圖7破壞面示意圖

本文定義沉降中心最低處A(潰砂后擴(kuò)徑邊緣D)與沉降范圍邊界C(F)的連線AC(DF)和水平面AB(DE)的夾角稱為形狀破壞角。

測算并統(tǒng)計(jì)各涌口的形狀破壞角θ，采用TP-1型天然坡角儀測出各涌口對應(yīng)細(xì)顆粒含量下的土體自然休止角a，見表3。

表3 角度參數(shù)測量結(jié)果

注：0 mm～8 mm直徑涌口，未發(fā)生沉降，無形狀破壞角。

從表3可以看出：

(1) 沉降下的形狀破壞角θ與土體自然休止角a有關(guān)，θ與a的差值約為2°。

(2) 潰砂下的形狀破壞角θ與土體自然休止角a也有關(guān)，θ與a的差值約為9°。

(3) 土體的形狀破壞角與涌口直徑無關(guān)，與土體所處的破壞狀態(tài)有關(guān)，由于潰砂后土層厚度無法改變，會(huì)發(fā)生擴(kuò)徑效應(yīng)，破壞面變陡，致使形狀破壞角θ變大。

2.4 不同水力比降下的沉降規(guī)律

按表2試驗(yàn)2的方案，對不同水力比降下突水、涌砂誘發(fā)沉降的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1) 當(dāng)水力比降小于3.5時(shí)，底部會(huì)有部分砂、水涌出，土體會(huì)發(fā)生沉降。

(2) 當(dāng)水力比降為3.5時(shí)，底部會(huì)涌出大量砂、水，土體會(huì)發(fā)生潰砂。

(3) 當(dāng)水力比降大于3.5時(shí)，底部又會(huì)有部分砂、水涌出，土體會(huì)發(fā)生沉降。

(4) 當(dāng)水力比降為6.0～7.5時(shí)，底部基本沒有顆粒流出，土體也未見沉降。

本文定義臨界水力比降為發(fā)生沉降的最小水力比降，破壞水力比降為發(fā)生潰砂的水力比降。

試驗(yàn)現(xiàn)象表明：

(1) 在水力比降大于臨界水力比降小于破壞水力比降時(shí)，土體會(huì)發(fā)生沉降；

(2) 當(dāng)水力比降等于破壞水力比降時(shí)，土體會(huì)發(fā)生潰砂，且沉降到潰砂是瞬間發(fā)生的，這與文獻(xiàn)[14]中的試驗(yàn)現(xiàn)象相似。

(3) 當(dāng)水力比降在大于破壞水力比降后的一定范圍內(nèi)時(shí)，土體的沉降范圍會(huì)隨著水力比降的增大慢慢縮小直至不會(huì)發(fā)生沉降。這是因?yàn)樯喜客翆蛹?xì)顆粒在較大滲流力的作用下會(huì)向涌口中心處匯聚，匯聚后涌口上方的細(xì)顆粒能較好地填充于粗顆粒間的孔隙，并與涌口周圍土體形成較為穩(wěn)定的土拱[15]，對上部沉降土體起到支撐作用，防止涌口上方顆粒流失，見圖8；同時(shí)剩余過多的細(xì)顆粒在土拱上方形成天然濾層[9]，阻止遠(yuǎn)處的顆粒向涌口中心移動(dòng)，見圖9；隨著水壓力的增大，細(xì)顆粒向下匯聚的越多，土拱和天然濾層越穩(wěn)定，直至最后底部不再有顆粒的流出，土體不會(huì)發(fā)生沉降。但水壓如果繼續(xù)上升至某值時(shí)，可能會(huì)由于水壓過大，將土拱和天然濾層沖毀，土體會(huì)再次發(fā)生沉降。

圖8 土顆粒成拱(從底部看)

圖9濾層

通過試驗(yàn)得出水力比降1.0～7.5下的沉降影響半徑和沉降中心深度的變化曲線，見圖10。

由圖10可以看出：

(1) 當(dāng)水力比降小于3.5時(shí)，沉降影響半徑和沉降中心深度隨水力比降的增大而增大，它們之間存在很好的相關(guān)關(guān)系。

(2) 水力比降為3.5時(shí)，沉降影響半徑和沉降中心深度到達(dá)最大值。

(3) 當(dāng)水力比降大于3.5時(shí)，沉降影響半徑和沉降中心深度隨水力比降的減小而減小，它們之間也存在很好的相關(guān)關(guān)系。

(4) 當(dāng)水力比降為6.0～7.5時(shí)，沉降影響半徑和沉降中為0。

圖10水力比降-沉降范圍曲線

對圖10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)1～3和4～6之間的水力比降與沉降影響半徑和沉降中心深度之間存在線性關(guān)系，其式：

r=16.8J+27.2J=1～3

(3)

H=11J+21.2J=1～3

(4)

r=-28.6J+181.6J=4～6

(5)

H=-25.4J+154.8J=4～6

(6)

式中：r為沉降影響半徑，mm；H為沉降中心深度，mm；J為水力比降。

2.5 沉降范圍隨水力比降的變化機(jī)制

由實(shí)驗(yàn)2可知，當(dāng)水力比降小于3.5時(shí)，沉降范圍在擴(kuò)大；當(dāng)水力比降在3.5～6.0之間時(shí)，沉降在縮小。本文定義水力比降在3.5以前稱為沉降擴(kuò)大區(qū)，水力比降在3.5～6.0之間稱為沉降縮小區(qū)。

對沉降擴(kuò)大區(qū)進(jìn)行分析，見圖11。

圖11沉降擴(kuò)大區(qū)

從圖11中可以看出：對于沉降擴(kuò)大區(qū)，當(dāng)水力比降不斷增大時(shí)，沉降范圍先進(jìn)行縱向地延伸，再進(jìn)行橫向地延伸，是縱、橫向交替進(jìn)行的。

對沉降縮小區(qū)進(jìn)行分析，見圖12。

圖12沉降縮小區(qū)

從圖12中可以看出：對于沉降縮小區(qū)，當(dāng)水力比降不斷增大時(shí)，沉降范圍先進(jìn)行縱向地收縮，再進(jìn)行橫向地收縮，也是縱、橫向交替進(jìn)行的。

由圖11、圖12可以看出：水力比降發(fā)生變化后，打開底部涌口，涌口上方的土體失去了支持力，顆粒將在重力和滲流力的作用下從涌口涌出，發(fā)生縱向變化；同時(shí)涌口周圍的顆粒將在滲流力的作用下向涌口中心處匯聚，從而引發(fā)橫向的變化；水力比降引起的沉降變化是先縱向再橫向。

3 結(jié) 語

本文僅針對不同涌口直徑以及不同水力比降對突水、涌砂誘發(fā)沉降影響的研究。進(jìn)一步的研究應(yīng)考慮不同級(jí)配、不同流失部位(如隧道頂部、側(cè)面等)對突水、涌砂誘發(fā)土體沉降的影響。這對于預(yù)測、預(yù)防近松散層中的災(zāi)害是非常有必要的。

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ExperimentalStudyonSettlementCausedbyWaterandSandOutburstofNearUnconsolidatedSoilLayers

ZHANG Xiang1, LIU Chengyu1,2, CHEN Bowen1

(1.CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China;2.ResearchCenterofGeologicalEngineering,Fuzhou,Fujian350116,China)

In order to understand the mechanism of the underground engineering settlement caused by water and soil outburst, a set of visual test device that can change the blow mouth diameter and simulate gushing of water and sand is designed. This device is then used to study the water and sand outburst rule of standard sand (particle size is 0.075 mm～2 mm) and coarse sand (particle size is 5 mm～10 mm) under the condition of different pouring mouth sizes and different hydraulic gradient. Experiment results show that: (1) For the soil consisted of 87% fine particle and 13% coarse particle, when the blow mouth diameter is more than 8mm, settlement happens; when it keeps being larger until reach 16 mm, quicksand happens. (2) For the soil consisted of 60% fine particle and 40% coarse particle, when hydraulic gradient reaches 3.5 quicksand happens; when hydraulic gradient is within 6～7.5, fine particles build soil arch and filters above the blow mouth by seepage force, which preventing particles loss, the soil will not settle. (3) As the soil settling, the diameter and middle depth influenced by settlement have a linear relationship with blow mouth diameter and hydraulic gradient.

settlement;blowmouthdiameter;hydraulicgradient;quicksand

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.023

2017-07-16

2017-08-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272300)

張 翔(1992—)，男，福建三明人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程。 E-mail：790612102@qq.com

劉成禹(1970—)，男，云南富源人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程地質(zhì)、隧道與地下工程方面的研究工作。E-mail：Liuchengyuphd@163.com

TU411

A

1672—1144(2017)06—0116—06