露天煤礦蓄水池的修建對周圍建筑的影響

馬 可

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽 110015）

大型蓄水池的修建會(huì)改變修建位置的原始地應(yīng)力，原始地應(yīng)力的改變導(dǎo)致周圍地表土體的沉降變形，當(dāng)周圍土體被作為地基使用時(shí)，土體的變形會(huì)直接導(dǎo)致基礎(chǔ)的不均勻沉降從而影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。目前，對開挖蓄水池引起周圍土體或建筑物變形情況的研究上處于發(fā)展階段，關(guān)于基坑周圍地表的沉降計(jì)算，具有代表性的有1969 年佩克（Peck）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量結(jié)果得出地表變形計(jì)算方法[1]。張尚根等于1999 年提出了按正態(tài)分布密度函數(shù)擬合基坑周圍地表的沉降曲線的方法[2]等。目前對基坑引起周邊土體變形大小的常用計(jì)算方法主要有3種：經(jīng)驗(yàn)法、試驗(yàn)法、數(shù)值分析法[3]。

1 工程概況

露天煤礦采掘場坑內(nèi)集水坑蓄水量較大，根據(jù)環(huán)保要求疏干水不允許外排到場區(qū)以外，給露天煤礦的生產(chǎn)造成不小的影響，為給采場留足夠的蓄水空間以保證安全生產(chǎn)，計(jì)劃在礦區(qū)內(nèi)地表修建蓄水池導(dǎo)水，再通過灑水降塵、綠化噴灌方式合理利用。

1）地層巖性。擬建場地揭露的地層自上而下依次為：①人工填土：沉積時(shí)代、成因Q4，雜色，松散、稍濕，以粉土、碎石為主，層厚0.30～1.50 m；②細(xì)砂：沉積時(shí)代、成因Q4，土黃色，中密、稍濕、飽和，成分以石英、長石為主，顆粒均勻，級配一般，局部夾有礫石，風(fēng)積形，層厚6.30～19.50 m；③粉質(zhì)黏土：沉積時(shí)代、成因Q4，灰色、土黃、紅褐色，可塑，稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度中等，無搖震反應(yīng)，層厚0.90～5.90 m；④細(xì)砂：沉積時(shí)代、成因Q4，土黃色，中密、稍濕、飽和，成分以石英、長石為主，顆粒均勻，級配一般，局部夾有礫石，風(fēng)積形成，未揭穿。

2）巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。根據(jù)該擬建場地勘察報(bào)告和室內(nèi)巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，最終確定巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 基坑開挖對周圍建筑物的影響研究

2.1 蓄水池開挖的變形理論

蓄水池開挖的過程就是蓄水池豎直方向的回彈位移及池壁水平方向的卸荷過程[4-5]，因此蓄水池底部會(huì)產(chǎn)生卸荷回彈[6]。蓄水池壁土壓力的作用下產(chǎn)生水平位移，表現(xiàn)為池底垂直位移，池壁水平位移。當(dāng)蓄水池開挖深度較淺時(shí)，應(yīng)力場變化較小，因此隨著距蓄水池中心變遠(yuǎn)，應(yīng)力也逐漸恢復(fù)正常水平，此時(shí)蓄水池底部中央隆起量最大，兩邊較小。當(dāng)蓄水池開挖深度較深時(shí)，應(yīng)力場的變化變大，表現(xiàn)為池壁及池壁以外一定范圍內(nèi)的土體均發(fā)生位移[7]。

蓄水池壁的側(cè)移的變形形式有2 種：水平位移和垂直位移。在實(shí)際工程中，池壁支擋結(jié)構(gòu)豎直位移是被忽略的，但事實(shí)上由于蓄水池開挖引起土體內(nèi)部應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致池壁支護(hù)結(jié)構(gòu)有所上升，給蓄水池的整體穩(wěn)定、地表變形均帶來較大的影響。蓄水池開挖引起地應(yīng)力改變，導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生位移，引起周圍建筑物及周圍管線的變形，影響其正常使用[8]。

蓄水池開挖引起的變形過程主要分為：池底隆起變形、池壁水平變形、池壁外側(cè)地表及建筑的沉降。彼此相互影響，其中以蓄水池外側(cè)地表沉降對安全生產(chǎn)的影響最大。

2.2 研究方法與模型

通過三維有限差分軟件FLAC3D對由于基坑開挖而引起的周圍土體沉降進(jìn)行模擬。FLAC3D軟件采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠較為準(zhǔn)確地模擬巖土體的塑性破壞和流動(dòng)。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題，是目前較為流行的模擬巖土工程問題的軟件[9]。

在計(jì)算前根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果建立蓄水池開挖剖面圖，蓄水池?cái)M開挖深度為10.0 m，采用坡率法對池壁放坡，坡率為1:3.4。蓄水池距建筑物的距離為55.0 m。建筑物寬38.0 m，高16.1 m，基礎(chǔ)埋深2.9 m。地層自上而下依次為人工填土和細(xì)砂，其中人工填土厚1.0 m，下部為細(xì)砂層。工程地質(zhì)剖面圖如圖1。

2.3 有限差分模型及初始平衡

根據(jù)工程地質(zhì)剖面模型建立有限差分模型，考慮到邊界效應(yīng)的影響，模型的左右以及下部均有部分?jǐn)U展。最終建立的有限差分模型，建筑物下人工填土為0～1.0 m，砂土為1.0 m。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

計(jì)算模型邊界條件采用固定位移邊界條件，即固定模型邊界的速度。模型四周固定水平位移，底部規(guī)定豎直位移。為了使模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符，計(jì)算模型在開挖前應(yīng)首先達(dá)到初始平衡，即模型體系內(nèi)的最大不平衡力接近0。根據(jù)初始平衡計(jì)算結(jié)果，當(dāng)計(jì)算時(shí)步約16 000 步時(shí)，模型內(nèi)的最大不平衡力接近0，此時(shí)模型達(dá)到初始平衡。計(jì)算模型內(nèi)部最大不平衡力如圖2。

圖2 計(jì)算模型內(nèi)部最大不平衡力

2.4 模擬結(jié)果

蓄水池開挖采用坡率法直接開挖，在計(jì)算模型中將開挖土體部分設(shè)置成“空單元”，開挖土體距建筑物約62.0 m，采用1∶3.4 坡率開挖，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型。

由于蓄水池開挖引起建筑物的變形的方式為不均勻沉降，因此，模擬結(jié)果只需考慮蓄水池開挖引起的垂直位移變化即可。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，由于開挖引起位移變化較大的區(qū)域主要集中在開挖蓄水池的底部，這是因?yàn)樵谛钏亻_挖過程中和開挖后由于蓄水池部分土體被挖出引起了該部分下部土體的應(yīng)力釋放，產(chǎn)生了變形回彈[10]。而由于采用坡率法進(jìn)行蓄水池開挖，因此應(yīng)力回彈程度隨著開挖土體深度的變淺而變小，即從池底到池頂逐漸減小。從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于蓄水池開挖引起的池底回彈變形量約為60 mm，由于蓄水池開挖引起建筑物沉降量約10 mm。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定多層建筑，對于體型簡單的高層建筑物基礎(chǔ)平均沉降量小于200 mm，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，基坑開挖引起建筑的沉降量約為10 mm，滿足規(guī)范要求，因此可判定該蓄水池的修建對周圍建筑物的影響滿足建筑物穩(wěn)定要求。

3 結(jié)語

1）根據(jù)勘察結(jié)果，蓄水池開挖揭露地層分別為人工填土層和砂層，人工填土雜色，松散、稍濕，以粉土、碎石為主。細(xì)砂層呈土黃色，中密、稍濕、飽和，成分以石英、長石為主，顆粒均勻，級配一般，局部夾有礫石，風(fēng)積形成。

2）采用數(shù)值模擬對蓄水池開挖產(chǎn)生的變形進(jìn)行模擬分析，由于蓄水池開挖引起的池底回彈變形量約為60 mm。開挖引起位移變化趨勢隨著開挖位置的減小，回彈量也隨之減小，池頂由于蓄水池開挖引起的卸荷回彈量約為20 mm，蓄水池開挖引起周圍建筑的沉降量約為10 mm。

3）由于蓄水池屬于永久建筑，周圍邊坡的變化可能會(huì)對蓄水池的結(jié)構(gòu)造成影響，因此應(yīng)做好周圍邊坡的監(jiān)測。同時(shí)，在蓄水池開挖和使用過程中，應(yīng)對周圍建筑的變形進(jìn)行監(jiān)測，一旦周圍建筑變形過大，應(yīng)及時(shí)采取必要的防護(hù)措施對建筑物進(jìn)行加固。

4）蓄水池周圍應(yīng)修建截水溝，防止因蓄水池的修建影響原有地表水系的排泄通道。

5）由于礦區(qū)冬季溫度較低，因此應(yīng)做好防凍措施，防止因凍脹作用造成蓄水池池壁防水層開裂，造成池水滲漏。