某水電站DM金洞采空區(qū)場地穩(wěn)定性研究

季法強 景小青 李培福

摘? 要：某水電站具有水庫長（庫岸線200km）、兩岸居民多（三萬人）、地貌差異大、工程地質(zhì)問題復(fù)雜多樣等特點，沿岸分布有煤窯、金洞、防空洞等二十余處不同類型的采空區(qū)。大壩上游55km的DM金洞采空區(qū)規(guī)模最大，共集中分布37個采金洞，采金歷史達百余年，下部金洞分布密集，上部地表民宅多。水庫蓄水后DM金洞采空區(qū)將被淹沒，在庫水位升、降過程中金洞采空區(qū)內(nèi)壁發(fā)生垮塌時，地面是否會發(fā)生變化，進而引起地表建筑物產(chǎn)生變形破壞，是庫岸穩(wěn)定性評價時需關(guān)注的重要工程地質(zhì)問題。本次研究工作主要通過地質(zhì)測繪、調(diào)查、試驗及采空區(qū)場地滲流場、應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)的三維數(shù)值模擬等技術(shù)手段，研究和預(yù)測了采空區(qū)場地在水庫蓄水后的破壞情況和影響范圍，水庫運行后也逐步得到了實踐檢驗。本次研究成果為水庫征地移民搬遷工作提供了重要依據(jù)，對同類工程項目具有借鑒意義，對規(guī)程規(guī)范的完善也有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：金洞采空區(qū);穩(wěn)定性研究;水庫

中圖分類號：TV221.2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）17-0060-03

Abstract： The hydropower station is a long reservoir with 200 km shoreline， more than 30，000 inhabitants on both sides， great different landforms， complex and diverse engineering geological conditions， and other characteristics. There are more than 20 different types of goaves along the banks， such as coal pits， gold mines and air-raid shelters. The 55 km long DMGold Mineson the upstream of the damis the largest goaf， which with 37 gold mines distributed densely and more than a hundred years of history. The gold mines are densely distributed underground， and there are many houses on the ground. The goaves will be submerged after the reservoir impoundment. Whether the ground will change when the inside wall of the goaves collapse during the process of reservoir water level rising and falling， and then cause the deformation and destruction of the surface buildings， is an important engineering geological problem to be concerned in the stability evaluation of the reservoir bank. Through geological mapping， investigation， test and three-dimensional numerical simulation of seepage field， stress state and deformation state of the goaves， this research has studied， analyzed and predicted the damage situation and influence scope of the goaves after reservoir impoundment， and the results has been gradually tested in practice after actual reservoir operation. The research results will provide an important basis for land expropriation and resettlement in the reservoir area， and it provides reference for similar projects and for the improvement of regulations and norms.

Keywords： gold goaves; stability study; reservoir

1 概述

20世紀(jì)80年代以來，人們逐漸認(rèn)識到采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性理論研究的重要性，這也是我國地質(zhì)工程學(xué)領(lǐng)域的熱點和難點。對于水庫工程，國內(nèi)對金洞采空區(qū)的研究在金洞的數(shù)量和規(guī)模上都不是很大，而本文“DM金洞采空區(qū)”中所涉及的金洞分布數(shù)量之多（密集分布37個）、延伸規(guī)模之大、采金歷史之悠久（達百余年）在國內(nèi)少見。水庫蓄水前對DM金洞采空區(qū)進行了三維數(shù)值模擬分析，研究和預(yù)測了采空區(qū)場地在水庫蓄水后的破壞情況和影響范圍，為水庫征地移民搬遷工作提供了重要依據(jù)，并在水庫運行5年后逐步得到了實踐檢驗。

2 采空區(qū)場地穩(wěn)定性研究與評價

DM金洞采空區(qū)距離大壩55km，該河段階地發(fā)育，砂金富集，采金歷史悠久，金洞密集。

2.1 基本地質(zhì)條件

DM金洞采空區(qū)位于庫區(qū)右岸的階地上，其中Ⅰ、Ⅱ階地受庫水淹沒，Ⅲ級階地高于水庫正常蓄水位。該區(qū)出露的地層主要為二疊系統(tǒng)中玄武巖和第四系堆積體。該河段少有較大斷裂，巖體中有小斷層及層間錯動帶發(fā)育。

2.2 采空區(qū)空間分布及開采狀況調(diào)查

（1）金洞采空區(qū)的平面分布情況

該河段采金洞開采已有百余年的歷史，在現(xiàn)場共發(fā)現(xiàn)37個采金洞（圖1），它們主要分布在Ⅰ、Ⅱ級階地，其中Ⅱ級階地集中了90%的金洞。金洞開采部位主要靠近卵礫石層底部、砂層頂部的范圍，這種分布規(guī)律與砂金自身的特點是有關(guān)系的，砂金一般富集在砂卵礫石層的下部。Ⅲ級階地為侵蝕階地，無金洞分布。

（2）金洞采空區(qū)的空間位置

經(jīng)過近百年的時間，大部分金洞已經(jīng)坍塌，根據(jù)對洞口的調(diào)查，金洞的開挖方式一種是水平挖進，一種是斜著挖下數(shù)米，再水平挖進。由于過去開采金洞都是憑借經(jīng)驗開挖，主洞和支洞的形狀、規(guī)模、數(shù)量和位置都具有隨機性，根據(jù)可以進入的金洞結(jié)構(gòu)，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用裉峁┑男畔?，確定了部分金洞在空間上的展布位置（圖2）。

（3）金洞采空區(qū)地表變形

根據(jù)走訪，歷史上沒有發(fā)生過因金洞垮塌而引起的地表房屋倒塌事件，主要原因就在于金洞有一層膠結(jié)較好的砂層。雖然沒有發(fā)生過房屋垮塌，從整體上說也是穩(wěn)定的，但是局部還是有明顯的變形，少數(shù)房屋出現(xiàn)了寬幾厘米的裂縫和沉降。

（4）歷史上砂金開采狀況

該河段歷史上采金相當(dāng)盛行，清朝末年、民國時期開始采挖金洞，直至解放初期才終采。百余年以來，金洞開采隨意性很大，且年代久遠，多數(shù)金洞坍塌或被填埋，洞內(nèi)情況較復(fù)雜。

2.3 階地砂卵礫石物理力學(xué)特征

（1）結(jié)構(gòu)特征及物理性質(zhì)

Ⅱ級階地階面寬度較大，卵礫石嵌合緊密，局部有鈣質(zhì)膠結(jié)，呈密實狀態(tài)。為了解卵礫層的物理性狀，現(xiàn)場進行了密度及含水量試驗，利用灌水法獲得各層的天然密度。對試驗樣進行烘炒，得到了對應(yīng)的含水率數(shù)據(jù)，并可換算出干密度和孔隙比。

（2）參數(shù)取值

該河段卵礫石層較均一，主要物理指標(biāo)以扣除膠結(jié)狀卵石的指標(biāo)后的平均值作為基本值。通過現(xiàn)場相應(yīng)的試驗，并通過工程類比，根據(jù)卵礫石干密度、孔隙比與變形、強度參數(shù)的關(guān)系，結(jié)合卵礫石動探（N63.5）和物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系選取參數(shù)建議值（表1）。

2.4 研究區(qū)滲流場三維數(shù)值模擬

（1）水庫蓄水前滲流模擬

水庫蓄水前，對模擬區(qū)進行一個完整水文周期的地下水非穩(wěn)定流計算，獲得天然狀態(tài)下的含水層滲流場。模型中河谷兩岸150米范圍內(nèi)，地表淺層基本是干單元，與實際情況吻合。

（2）水庫蓄水后滲流模擬

水庫蓄水后，河谷兩岸地下水受河水的抬升而壅高。從模型上來看，水庫水位上升至正常蓄水位1223米，達到Ⅲ級階地前緣，所有金洞和部分房屋被淹沒，卵礫石層的固結(jié)程度逐漸降低，砂層被水流帶走，金洞會不斷擴大，直接影響到金洞上覆地層的穩(wěn)定性。

2.5 金洞采空區(qū)變形穩(wěn)定性分析與研究

金洞采空區(qū)大多在正常蓄水位以下，水庫水位升降會波及這些金洞采空區(qū)，周而復(fù)始，砂層會逐漸被淘空，卵礫石層失去下部支撐后會形成大范圍的破壞，進而引起上部土層及地面建筑的破壞。

（1）模型及邊界條件

平面計算時，垂直河流方向考慮支洞與平行河流方向考慮主洞兩種方式進行，平面計算模型以實際測繪的地質(zhì)平面圖進行剖切。考慮地層為卵石層、砂層、砂姜結(jié)核、洪積粘土、地面建筑、底部玄武巖、采金洞。根據(jù)調(diào)查、訪問及進洞測量資料分析，對金洞分布進行概化。

邊界條件除表部外，其余三方進行約束;應(yīng)力場按自重場考慮;庫水位漲落對土體的影響，以設(shè)定部分砂層淘空來模擬其影響。

（2）計算成果及穩(wěn)定性評價

a.應(yīng)力狀態(tài)。圖3為金洞區(qū)在砂層淘空后的最大主應(yīng)力分布圖，量值均較低，金洞的上方有拉應(yīng)力，沿金洞群有低應(yīng)力區(qū)。洞群周邊也存在拉應(yīng)力，應(yīng)力值均較低。

b.變形狀態(tài)。從圖4可知，金洞周邊出現(xiàn)大變形，進而引起上部土體的變形，從變形矢量的長短形狀可以看出，變形呈現(xiàn)漏斗狀，向兩邊展開，表明地面出現(xiàn)下陷。

c.破壞情況。圖5為金洞及周邊土體破壞狀況，拉應(yīng)力破壞遍及金洞及周邊大范圍地帶（○……表示拉破壞）。土體破壞時，上部房屋也隨之破壞。從蓄水后永久來看，金洞采空區(qū)將出現(xiàn)大變形、大范圍破壞。

2.6 水庫蓄水后金洞采空區(qū)現(xiàn)狀

自水庫蓄水5年來，DM金洞采空區(qū)地表局部出現(xiàn)了少量的裂縫和塌陷等新的變形跡象，其范圍也有逐年增大的趨勢，但目前總體來說場地變形均較輕微，未出現(xiàn)大規(guī)模的塌陷漏斗、陷坑、裂縫錯臺等變形破壞特征。前述的研究成果和評價是從水庫永久運行的角度考慮，庫水的升、降是個周而復(fù)始、長期作用的過程，卵礫石層的固結(jié)程度逐漸降低、砂層被水流帶走、金洞塌落度足夠大時，地表才可能會有明顯的、較劇烈的變形和破壞。水庫蓄水對DM金洞采空區(qū)最終的影響邊界和破壞狀態(tài)還需進一步研究和關(guān)注。

3 結(jié)束語

（1）水庫蓄水后DM金洞采空區(qū)局部出現(xiàn)

了輕微的變形和破壞，破壞范圍也有逐年擴大的趨勢，但最終的變形邊界需要時間驗證。DM金洞采空區(qū)最終的變形破壞狀態(tài)是下一步研究的重點和關(guān)注方向。

（2）建議《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》

（GB 50287-2016）中：a.“5.3.3”條款修改為“1 初步查明水庫區(qū)對工程建筑物、重要城鎮(zhèn)和居民區(qū)環(huán)境有影響的滑坡、崩塌、采空區(qū)和其他潛在不穩(wěn)定岸坡以及泥石流等的分布、范圍和體積”。

b.“6.2.4”條款修改為“1 查明庫區(qū)特別是近壩庫區(qū)、城鎮(zhèn)地段的滑坡、堆積體、采空區(qū)和潛在不穩(wěn)定岸坡……”。

（3）建議《水庫樞紐工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL 652-2014）中：

a.“5.2.1”條款修改為“3……初步確定崩塌、滑坡、泥石流、危巖體、采空區(qū)及潛在不穩(wěn)定岸坡的分部位置……”。b.“6.2.1”條款修改為“3 基本查明崩塌、滑坡、危巖體、潛在不穩(wěn)定岸坡、泥石流、采空區(qū)的分布位置、規(guī)模……”。c.“7.1.1”條款增列“查明采空區(qū)的工程地質(zhì)條件，評價其影響。查明工程治理部位的工程地質(zhì)條件”。

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