基于河道葫蘆洞采空區(qū)地質(zhì)影響勘察與模型分析

(江西省九江市柴桑區(qū)水利局，江西 九江 332100)

1 工程及其采砂葫蘆洞地質(zhì)勘察概況

長(zhǎng)溝泵站工程系第十一級(jí)東線南水北調(diào)工程的抽水梯級(jí)泵站，工程主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)抽引南四湖來水與泵站水位銜接，完成東線南水北調(diào)工程的梯級(jí)送水功能。梁濟(jì)運(yùn)河系人工開挖河道，運(yùn)河節(jié)制閘位于小新河入口和趙王河之間的梁濟(jì)運(yùn)河上，是第十一級(jí)抽水梯級(jí)泵站的組成部分之一。工程場(chǎng)區(qū)地貌屬于魯西南湖沖積平原與黃泛沖積平原的交互帶，以鉆探測(cè)量、原位測(cè)試、工程物探等形式進(jìn)行勘察，勘察操作內(nèi)容及各項(xiàng)工作量具體見表1。

表1 勘察操作內(nèi)容及各項(xiàng)工作量

續(xù)表

勘察發(fā)現(xiàn)，該閘址區(qū)域存在采砂葫蘆洞18個(gè)，

這些葫蘆洞井壁直立性完好，均未被填埋處理，分布為：翼墻的左岸存在采砂葫蘆洞1個(gè)，其編號(hào)為1號(hào)；閘室處存在采砂葫蘆洞2個(gè)，其編號(hào)為2號(hào)和3號(hào)；消力池的斜坡處存在采砂葫蘆洞2個(gè)，其編號(hào)為4號(hào)和5號(hào)；海漫處存在采砂葫蘆洞13個(gè)，其編號(hào)為6～18號(hào)，閘址區(qū)域采砂葫蘆洞各洞口直徑均為0.60m左右，不存在塌陷。閘址區(qū)域采砂葫蘆洞深度分布見表2。

表2 閘址區(qū)域采砂葫蘆洞深度分布

勘察確定，察測(cè)深度范圍內(nèi)，其地層屬于四系松散堆積層，主要構(gòu)成系全新統(tǒng)的沖積壤土、淤泥以及裂隙黏土，湖沖積黏土和洪積中細(xì)砂、黏土以及壤土。其中的中細(xì)砂基本呈現(xiàn)透鏡體狀態(tài)。

節(jié)制閘的底板高程在28.30m，處于黏土⑥層頂部，硬塑質(zhì)狀態(tài)，具有較高的力學(xué)強(qiáng)度、較低的壓縮性以及較好的層位穩(wěn)定性。地質(zhì)持力層牢固，地質(zhì)條件屬于良好。

基坑開挖在高程28.30m以上部位，主要分布著壤土、淤泥、黏土以及裂隙黏土，其中的裂隙黏土②層呈失水干裂以及遇水軟化特點(diǎn)，壤土③層則有著較高的粉粒含量，內(nèi)存局部粉細(xì)砂質(zhì)薄層，而黏土④層和壤土⑤層都位于地下水線的下方，屬于軟可塑狀態(tài)，對(duì)邊坡地質(zhì)穩(wěn)定一般有所影響。

基坑開挖高程31.50～32.00m范圍內(nèi)，含水層主要是壤土⑤層、黏土⑥層，它們的綜合滲透系數(shù)在2.74～5.40m/d之間，基坑的涌水量基本較小，可以實(shí)施輕型井點(diǎn)降水。該地質(zhì)的基坑開挖時(shí)需要有上下游圍堰支持。

節(jié)制閘通過交通橋連通東側(cè)大堤，區(qū)域裂隙黏土②層呈失水干裂、遇水軟化態(tài)，壤土③層以及黏土④層，分布厚度不均，差別大，壤土⑤層亦呈軟可塑狀態(tài)。上述土體的承載強(qiáng)度通常較低，地質(zhì)條件屬于較差級(jí)別；黏土⑥層、黏土⑦層以及壤土⑨層，均有較大厚度，呈硬可塑狀態(tài)，中粗砂⑧層的層厚亦較大，其力學(xué)強(qiáng)度亦較高，地質(zhì)條件屬于較好級(jí)別。

2 葫蘆洞地質(zhì)影響數(shù)理分析模型的建立

葫蘆洞地質(zhì)影響數(shù)理分析模型依托梁濟(jì)運(yùn)河段的節(jié)制閘工程，參照該工程的地質(zhì)勘測(cè)資料，結(jié)合軟件FLAC-3D的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以典型葫蘆洞狀態(tài)對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，進(jìn)而實(shí)施數(shù)理模擬演算。

2.1 參數(shù)的選取

以典型葫蘆洞狀態(tài)對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，設(shè)定葫蘆洞形態(tài)為橢球形，其深度選取3.50m，直徑選取5m。葫蘆洞設(shè)定位于閘底板的正中央，節(jié)制閘板底部至坑頂距離選取7.50m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，簡(jiǎn)化后地基土模型分五層，從下至上分別為：壤土⑨層，厚8m；中粗砂⑧層，厚12m；中細(xì)砂⑦-1層，厚4m；壤土⑦層，厚4m；黏土⑥層，厚2m。總長(zhǎng)、寬、厚度分別為40m、22.80m和30m。閘板長(zhǎng)、寬、厚分別取18m、22.80m和1.50m。地基反力設(shè)定為100kPa。材料物理力學(xué)參數(shù)選取見表3。

表3 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型的建立

單元選擇四面體單元，混凝土閘板選擇彈塑性模型，地基選擇庫侖-莫爾塑性模型。典型模型與網(wǎng)格劃分見圖1。

3 自然態(tài)和采空影響態(tài)地基數(shù)理模擬分析結(jié)果

本模擬計(jì)算的過程為：消除初始位移，地基采用應(yīng)力自重平衡；C25混凝土閘板澆筑后，實(shí)施應(yīng)力初始平衡分析；上部建筑施加后，閘板頂面應(yīng)力等效為傳至閘板的荷載。為便于之后的數(shù)據(jù)提取和采空區(qū)災(zāi)害影響分析，分別保存每次計(jì)算結(jié)果。

3.1 自然態(tài)地基數(shù)理模擬分析結(jié)果

河道常規(guī)天然地基內(nèi)部的砂石不被開采，長(zhǎng)期經(jīng)歷自然沉降，一般其承載力比較優(yōu)良。

以閘底板中間斷面，取順?biāo)鞣较?，采用FLAC-3D軟件對(duì)自然態(tài)地基進(jìn)行數(shù)理模擬分析，計(jì)算結(jié)果見表4和圖2～圖7。

圖1 典型模型與網(wǎng)格劃分

表4 自然態(tài)地基數(shù)理模擬分析結(jié)果

注自然態(tài)地基沒有采空洞，為了與下面有采空洞的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，特別設(shè)置洞頂土位移量。

表4和圖2～圖7揭示，天然地基在沒有采空區(qū)的狀態(tài)下，在施加閘室底板和上部結(jié)構(gòu)以后發(fā)生的位移，其應(yīng)力分布都表現(xiàn)均勻，基本沒有應(yīng)力過度集中現(xiàn)象，尤其是沒有發(fā)生大的拉應(yīng)力狀態(tài)，故完全可以滿足使用要求。

3.2 葫蘆洞地質(zhì)影響態(tài)的地基數(shù)理模擬分析結(jié)果

河道存在采空區(qū)，因?yàn)樯伴_采未進(jìn)行必要填充而形成葫蘆洞地質(zhì)影響，此時(shí)在該地質(zhì)基礎(chǔ)上構(gòu)筑建筑物，葫蘆洞承受傳遞載荷相對(duì)脆弱，形成結(jié)構(gòu)安全隱患的概率增加。以閘底板中間斷面，取順?biāo)鞣较?，采用FLAC-3D軟件對(duì)自然態(tài)地基進(jìn)行數(shù)理模擬分析，計(jì)算結(jié)果見表5和圖8～圖13。

圖2 沿深度方向的閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的水平向地基移位分布云圖

圖3 沿深度方向的閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的豎向地基移位分布云圖

圖4 閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的豎向頂部應(yīng)力云圖

圖5 閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的橫向頂部應(yīng)力云圖

圖6 閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的豎向閘板底部應(yīng)力云圖

圖7 閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的橫向閘板底部應(yīng)力云圖

表5 有葫蘆洞地質(zhì)影響態(tài)地基數(shù)理模擬分析結(jié)果

圖8 沿深度方向的閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的水平向地基移位分布云圖

圖9 沿深度方向的閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的豎向地基移位分布云圖

圖10 閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的豎向頂部應(yīng)力云圖

圖11 閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的橫向頂部應(yīng)力云圖

圖12 閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的豎向閘板底部應(yīng)力云圖

圖13 閘板與基于上部結(jié)構(gòu)的橫向閘板底部應(yīng)力云圖

依據(jù)表5和圖8～圖13的揭示，對(duì)比無采砂葫蘆洞地基結(jié)構(gòu)物的受力狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，存在葫蘆洞地質(zhì)影響，葫蘆洞的洞頂形變通常顯著加大，增量水平向位移要達(dá)到4cm，增量豎直向位移最高可達(dá)10.54cm，增量豎向閘板沉降達(dá)到0.46cm。閘板頂部橫向應(yīng)力因葫蘆洞地質(zhì)物理影響，應(yīng)力值由0.25MPa可加大到0.66MPa，發(fā)生0.41MPa增量。隨著葫蘆洞的不斷壓縮形變，結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力逐漸加大，形成上部結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重安全隱患，威脅結(jié)構(gòu)正常使用。故必須對(duì)河道采砂葫蘆洞地質(zhì)影響區(qū)進(jìn)行必要的治理，以盡可能降低地基結(jié)構(gòu)物的非安全結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)長(zhǎng)溝泵站工程閘址區(qū)采砂葫蘆洞問題，進(jìn)行了地質(zhì)勘察和模型分析，探究了河道葫蘆洞采空區(qū)的地質(zhì)影響。通過對(duì)無采空區(qū)和有采空區(qū)地質(zhì)影響的地質(zhì)基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)等參數(shù)條件的數(shù)理模擬分析，得出的主要結(jié)論是：河道葫蘆洞沙土采空區(qū)在其上有構(gòu)筑物存在時(shí)，上部荷載致使周邊地質(zhì)土體的承受應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)改變，地基形變發(fā)生的概率增加。隨著時(shí)間推移或環(huán)境演變，這種地質(zhì)影響會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

采砂葫蘆洞如果不能及時(shí)給與必要的充填治理，地質(zhì)不均勻沉陷會(huì)隨時(shí)發(fā)生，會(huì)使閘板以及上部建筑物發(fā)生顯著內(nèi)應(yīng)力改變，嚴(yán)重威脅上部結(jié)構(gòu)的安全性，需要加強(qiáng)治理。