撫順東露天煤礦第四系邊坡疏排水設(shè)計(jì)

董志龍，李 明

（1.新疆天池能源有限責(zé)任公司將軍戈壁二號(hào)露天煤礦，新疆昌吉 831100；2 煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順，113122）

當(dāng)露天煤礦發(fā)生片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，會(huì)給礦山企業(yè)生產(chǎn)、安全帶來(lái)嚴(yán)重危害，邊坡內(nèi)富存的地下水又是影響露天煤礦邊坡穩(wěn)定性的重要因素。暴雨時(shí)，邊坡內(nèi)水位往往升高，邊坡內(nèi)巖體遇水強(qiáng)度會(huì)大大降低，且地下水對(duì)邊坡會(huì)產(chǎn)生一定的浮托力，邊坡自重也會(huì)隨之增大，此時(shí)露天煤礦邊坡最易發(fā)生片幫和滑坡的地質(zhì)災(zāi)害，因此露天煤礦地下水治理一直是生產(chǎn)過(guò)程中的重點(diǎn)[1-3]。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

撫順東露天煤礦南幫邊坡位于交通公路正下方，臺(tái)階高約15 m，邊坡角42°，平盤(pán)寬10 m。交通公路南側(cè)緊鄰山坡，公路為二級(jí)，南幫邊坡為永久性邊坡，邊坡重要等級(jí)為一級(jí)。邊坡一旦失穩(wěn)將連帶上部交通公路一同垮塌，存在安全隱患，現(xiàn)已對(duì)該區(qū)域采取了格構(gòu)梁加固措施[4-5]。加固區(qū)域巖層主要由上覆第四系坡積土、雜填土及下覆炭質(zhì)泥巖、玄武巖組成。上覆第四系坡積土、雜填土為透水層，下覆炭質(zhì)泥巖、玄武巖為隔水層，當(dāng)巖層中含水量增大時(shí)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性極為不利。所以在掌握撫順東露天煤礦南幫的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的前提下，設(shè)計(jì)合理的地表水截排及地下水疏干系統(tǒng)是很必要的。

1.2 地層巖性與水文地質(zhì)

研究區(qū)上部為山坡型式的露天邊坡，構(gòu)成邊坡淺部主要地層為碎石土、坡積土、炭質(zhì)頁(yè)巖、玄武巖，受風(fēng)化影響物理力學(xué)性質(zhì)較差。

邊坡地表水不發(fā)育，無(wú)泉點(diǎn)出露，主要為大氣降雨沿低洼部位向坡面方向排泄。邊坡中段有1 個(gè)蓄水池，用于路面、地表、部分地下水的排棄。該地區(qū)平均降雨量808.1 mm，7—8 月份降雨量較多，日最大降雨量180.3 mm/d，最大年降雨量為963.5 mm。

通過(guò)以往地質(zhì)勘察及水文地質(zhì)調(diào)查可知，研究區(qū)內(nèi)由于下伏基巖為玄武巖，巖石透水性極弱，地下水主要為第四系松散層中的孔隙水和基巖風(fēng)化裂隙水，流量小，主要為降雨補(bǔ)給。由于山坡上部存在陡崖、溝谷及凹陷坑等地貌，其在研究區(qū)域存在多處上層滯水順坡面涌出及淋水情況。

2 疏排水設(shè)計(jì)

2.1 截水排水溝設(shè)計(jì)

2.1.1 暴雨強(qiáng)度計(jì)算

露天礦地面防排水系統(tǒng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，按照《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，應(yīng)根據(jù)露天礦的規(guī)模、服務(wù)年限等因素確定[6]，并符合排水溝防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期的規(guī)定，排水溝防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期見(jiàn)表1。根據(jù)撫順東露天煤礦防排水工程實(shí)踐，排水溝設(shè)計(jì)同時(shí)考慮排水溝斷面尺寸即排水溝的工程造價(jià)，防洪標(biāo)準(zhǔn)選取重現(xiàn)期為50 年的暴雨。

表1 排水溝防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期 年

根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算:

式中：q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；P 為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，50 年；t 為降雨歷時(shí)，min。

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》，排水溝的徑流量應(yīng)該采用短歷時(shí)暴雨量，本次計(jì)算選取降雨歷時(shí)為60 min。

根據(jù)式（1）得設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為191.5 L/（s·hm2）。

2.1.2 暴雨徑流量計(jì)算

地表徑流系數(shù)見(jiàn)表2，根據(jù)匯水區(qū)地形地貌特征，將匯水區(qū)域分為公路南側(cè)山坡、公路、坡面3 個(gè)匯水區(qū)域，分別計(jì)算各自的匯水面積，撫順東露天煤礦各匯水區(qū)匯水面積及徑流系數(shù)見(jiàn)表3。

表2 徑流系數(shù)表

表3 撫順東露天煤礦各匯水區(qū)匯水面積及徑流系數(shù)表

暴雨徑流量按式（2）計(jì)算：

式中：Q 為暴雨徑流量，m3/s；q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度；αi為各區(qū)域徑流系數(shù)；Fi為各區(qū)域匯水面積。

2.1.3 截排水溝參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

截排水溝設(shè)于加固坡面下方的坡腳處，平盤(pán)走向坡度相對(duì)平緩，截排水溝可按明渠恒定均勻流的水力特性和計(jì)算理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

矩形和梯形斷面是溝渠工程中最常用的2 種斷面形式。矩形斷面的優(yōu)點(diǎn)是頂部開(kāi)挖面寬小，深度可隨意控制，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易坍塌堵塞溝渠，維護(hù)頻率高；梯形斷面的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，建成后不用經(jīng)常維護(hù)，缺點(diǎn)是開(kāi)挖面寬大，工程土方量大。根據(jù)撫順東露天煤礦修建水溝的土巖條件、工程位置、施工設(shè)備條件和難易程度，本次水溝的設(shè)計(jì)選擇梯形斷面。

修建水溝往往涉及大量的工程材料、土石方量和工程投資，因此，從水力條件出發(fā)，選擇輸水性能最優(yōu)的過(guò)流斷面，可節(jié)省水溝護(hù)壁材料，減少滲水量損失。寬深比為：

式中：β 為水溝梯形斷面寬深比；b 為水溝梯形斷面底部寬；h 為水溝梯形斷面深。

梯形斷面的過(guò)流面積和濕周（流體與固體壁面接觸的周界線）分別為：

式中：A 為水溝梯形斷面的過(guò)流面積，m2；m 為水溝梯形傾斜度，即邊坡系數(shù)。

式中：χ 為水溝梯形斷面的濕周。

按水力最優(yōu)斷面定義，則

聯(lián)立求解以上2 式，得梯形水溝水力最優(yōu)斷面的寬深比β0。

可以看出：梯形水力最優(yōu)斷面的寬深比是邊坡系數(shù)m 的函數(shù)，對(duì)于不同邊坡有不同的β0值。根據(jù)本次設(shè)計(jì)水溝土巖條件，梯形水溝的坡面設(shè)計(jì)為60°，即邊坡系數(shù)m 為0.578，則根據(jù)式（6）計(jì)算最優(yōu)斷面的寬深比β0=1.154，即b=1.154h。

相應(yīng)于水力最優(yōu)斷面的水力半徑（過(guò)流面積與濕周之比）為：

式中：R 為水力最優(yōu)斷面的水力半徑。

水溝設(shè)計(jì)流量即暴雨60 min 歷時(shí)雨強(qiáng)的徑流量0.48 m3/s；按平盤(pán)走向坡度，水溝底坡斷面系數(shù)i=0.01；邊坡系數(shù)m 為0.578；本次設(shè)計(jì)水溝的護(hù)壁方式選用漿砌塊石，按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，水溝粗糙系數(shù)n 為0.017，管渠粗糙系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 管渠粗糙系數(shù)

根據(jù)曼寧公式，謝才系數(shù)C 按下式計(jì)算：

式中：C 為謝才系數(shù)；n 為水溝粗糙系數(shù)。

式中：Q 為暴雨徑流量，m3／s；A 為水溝梯形斷面的過(guò)流面積，m2；C 為謝才系數(shù)；R 為水力最優(yōu)斷面的水力半徑；i 為水溝梯形斷面槽底縱坡系數(shù)。

聯(lián)立式（8）和式（9）推得：

依據(jù)上述參數(shù)計(jì)算得設(shè)計(jì)水深h=0.38 m，底寬b=0.44 m，上寬0.87 m。

由水流速度A=(b+mh)h=（0.578+1.154）×0.382=0.248 m2得V=1.94 m/s。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，漿砌塊石水溝最大流速不超過(guò)3 m/s。最小流速不小于0.4m/s，斷面平均流速在允許流速范圍內(nèi)。明渠最大流速見(jiàn)表5。

表5 明渠最大流速

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》，排水溝的安全高度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)水深確定。當(dāng)水深小于2 m 時(shí)，安全高度不應(yīng)小于0.3 m；當(dāng)水深大于2 m 時(shí)，安全高度不應(yīng)小于0.5 m。由于設(shè)計(jì)水深遠(yuǎn)小于2 m，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)稍作調(diào)整，作為安全儲(chǔ)備，亦方便施工，調(diào)整后設(shè)計(jì)水溝深度h=0.4 m，底寬b=0.5 m，上寬1.0 m。在施工截排水溝時(shí)，注意所選漿砌塊石尺寸、規(guī)格滿足室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范，并在漿砌完成后，對(duì)水溝進(jìn)行壓蓋、勾縫，確保截排水溝強(qiáng)度。最后應(yīng)檢查水溝坡度，保證地表水及地下水從坡面滲入水溝后，按指定方向流入該礦地下水處理系統(tǒng)，避免水溝內(nèi)的水二次滲入邊坡，影響邊坡穩(wěn)定性。

2.2 水平放水孔設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)格構(gòu)梁加固施工鉆孔時(shí)出現(xiàn)的涌水情況，共設(shè)置9 個(gè)水平放水孔進(jìn)行邊坡疏干,編號(hào)1#～9#，水平放水孔間距50 m，南北向選取坡底線向上1 m 位置，以此確定放水孔位置。按現(xiàn)場(chǎng)放水孔施工過(guò)程中實(shí)際出水情況為主，出水量較大位置適當(dāng)加密放水孔，可將間距加密至25 m。

該邊坡主要富水層位為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，因此確定放水孔深度時(shí)應(yīng)以穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化玄武巖為準(zhǔn)。為使孔內(nèi)水外流方便，水平放水孔施工角度選取向上5°，且能利用重力自清孔中的泥沙[7-9]。根據(jù)鉆孔涌水量大小及設(shè)備條件確定鉆孔直徑選取108 mm。鉆孔完成后應(yīng)立即下入鉆孔濾水管，濾水管參數(shù)為材質(zhì)選用鋼材Q235，外徑為89 mm，壁厚3 mm，開(kāi)孔密度為每m 200 個(gè)，為防止孔壁坍塌阻塞管壁上的濾水孔，應(yīng)在下入濾水管之前用透水紗布包裹濾水管，且保證每根管均已內(nèi)外打磨拋光，去除毛刺。相鄰濾水管之間應(yīng)以絲扣鏈接，防止產(chǎn)生縫隙落入泥沙阻塞孔口[10]。

為防止孔中流水沖蝕邊坡，應(yīng)在孔口處安放集水管，將水引流匯集于坡底水溝，利用排水系統(tǒng)將水排出坑外。

3 結(jié)語(yǔ)

分析了撫順東露天煤礦南幫加固區(qū)域邊坡穩(wěn)定性受巖層中含水情況影響，制定了地表水截排及地下水疏干措施；確定了撫順東露天煤礦加固區(qū)域暴雨強(qiáng)度為191.5 L/（s·hm2）；通過(guò)計(jì)算，得出了設(shè)計(jì)水溝參數(shù)：深度h=0.4 m，底寬b=0.5 m，上寬1.0 m；根據(jù)撫順東露天煤礦南幫邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，及實(shí)際施工坡面涌水情況，確定了水平放水孔設(shè)計(jì)參數(shù)。