■王五洲 ■略陽縣水電安裝隊，陜西 漢中 724300

河堤是指為了保護工廠、農(nóng)田和人民的生命財產(chǎn)安全而逐步興建的沿著河、湖、渠、海等岸邊或分蓄洪區(qū)、行洪區(qū)等修筑起來的用于擋水的構(gòu)筑物，屬于重要的防洪工程。目前我國的土質(zhì)堤防大約為240000公里，而土質(zhì)堤防容易受到滲流穿透，從而形成裂縫或引發(fā)沉陷，如果防護不當或者不及時，將會給沿岸的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及百姓的生命財產(chǎn)造成極大威脅［1］。

河堤除了受到雨水、地下水滲流、地下洞穴、交通荷載的影響外，其沉降還會受到河道開采的影響。堤體會在各種力的作用下，不斷減少土中的孔隙氣和孔隙水，隨著孔隙體積的不斷減小，土體也會不斷壓縮［2］。本文將研究開采對河堤影響的變形規(guī)律，分析河堤在開采的影響下出現(xiàn)的移動變形的分布規(guī)律。

1 某河道采砂區(qū)概況

該采砂區(qū)位于天臺山的南段西側(cè)，河流向著東南方向流動。此地的地形較為復(fù)雜，且溝谷發(fā)育、地勢陡緩、切割劇烈，僅僅在河流的東岸有較為狹窄的平地。整體的地貌形態(tài)是西北高、東南低，屬于丘陵區(qū)。通過分析發(fā)現(xiàn)，地表的標高為650m－1160m之間，河流及其直流均流經(jīng)井田的東部和南部，河谷的兩側(cè)屬于侵蝕堆積的地形，從而構(gòu)成了河漫灘以上的三級階地。

該采砂區(qū)主要的含水層為奧陶系石灰?guī)r，該石灰?guī)r具有較強的富水性［3］。區(qū)內(nèi)的東南面和西北面都露出了大面積的奧陶系灰?guī)r，從而形成了補給區(qū)，補給的面積為3000km2，補給量為14m3/s，年平均降水量為516mm。靜水位的標高從西北向著東南逐漸遞減，水力坡度為1.0‰－11.0‰，地下水的流向為東北－西南方向。

該采砂區(qū)位于“山”字形的脊柱構(gòu)造上，構(gòu)造的形式主要是褶曲，很少有斷裂。奧陶系石灰?guī)r是主要的含水層，其上覆蓋了良好的粉砂巖和泥巖作為隔水層，因此在無斷裂貫通的情況下，在垂直的方向上對砂層沒有水力聯(lián)系，所以對采砂區(qū)的充水影響非常小。在經(jīng)過開采前期的準備后，明確了在河堤下使用長壁垮落法進行河砂開采時的導(dǎo)水裂縫帶的高度，從而保證了河床下的回采工作的安全。通過前期準備，我們還掌握了該河流流域地表裂縫的規(guī)律以及地表移動的規(guī)律，堤體和堤基的工程地質(zhì)條件，并測定、分析土層的力學(xué)特征，并以此為基礎(chǔ)研究河砂開采對堤壩造成的變形規(guī)律和預(yù)測預(yù)報模型，從而保證堤壩雖然受到采動影響，但是在不同的水位差的條件下均能夠保持動力穩(wěn)定、靜力穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定［4］。

2 河堤受開采影響的數(shù)值模擬計算

為了研究河道開采對河堤的變形影響，我們使用FLAC3D這種有限差分計算軟件對5201、5202、5203這三個開采工作面所產(chǎn)生的采動影響進行模擬。

在拉格朗日有限差分方法當中，將邊界條件和基本的方程組近似地通過差分方程進行表示，也就是說，將二者通過空間離散點的場變量相關(guān)的代數(shù)表達式來代替。注意這些單元內(nèi)的變量都是非確定的，因此能夠?qū)⑶蠼獾奈⒎址匠套儞Q成為代數(shù)方程，從而降低求解的難度。另一方面，在有限元的法則中，需要通過場變量使每個單元當中的特殊方程發(fā)生變化，而這些特殊方程還會受到某些參數(shù)的控制。在公式中會對這些參數(shù)進行調(diào)整，從而減小能量項和誤差項。

圖一 有限差分網(wǎng)格

有限差分的數(shù)值計算是通過有限差分網(wǎng)格實現(xiàn)的，各個網(wǎng)格間隔等距，均為h，且直線均平行于X軸和Y軸(如下圖所示)。因此如果加設(shè)f=f(x，y)表示彈性體內(nèi)的某個連續(xù)函數(shù)，那么它可能表示某個位移分量或者應(yīng)力分量，同時也可能表示應(yīng)力函數(shù)、滲流、溫度等等。

3 計算模型的建立及本構(gòu)關(guān)系

(1)建立計算模型。模型的東西方向長1500m，南北方向長1500m，地層的深度為600m。模型的基點位于地表的左下角，其坐標為(20374500.000，3703900.000，0)，該模型總共劃分了134681個單元，結(jié)點的總數(shù)是154216。X軸的方向是西－東走向，Y軸的方向是南－北走向，Z軸的方向是豎直向。這三個坐標軸之間均滿足右手規(guī)則［5］。該模型的4個側(cè)面均添加了位移邊界條件，而切斷工作面豎向邊界的位移限制，豎向及切向只有，模型底面與其余3個豎向邊界面三向固定。

(2)本構(gòu)關(guān)系分析。根據(jù)巖石力學(xué)的試驗結(jié)果和現(xiàn)場的取樣分析，計算中通過莫爾－庫侖屈服準則對巖體的破壞程度進行判斷，公式如下:

公式中的σ1表示最大主應(yīng)力，σ3表示最小主應(yīng)力，而c表示粘結(jié)力，ψ表示摩擦角。如果fs＞0，那么表示材料出現(xiàn)了剪切破壞，在一般應(yīng)力狀態(tài)下，巖體所具備的抗拉強度非常低，所以可以根據(jù)σ3≥σ3T這一抗拉強度準則來判斷巖體是否出現(xiàn)破壞。

通過圖解法對5201、5202、5203三個工作面的傾向邊界角進行計算，求得傾向邊界角為45.7°，傾向移動角為49.3°。根據(jù)分布曲線預(yù)測，河堤最大的下沉值在2000mm左右，而三個工作面所測得的最大的下沉值是1694mm。而從5201工作面進行開采到5203工作面最后開采的觀測來分析，連續(xù)觀測到的最大下沉值為2176mm。

4 結(jié)束語

綜上所述，開采對河堤會產(chǎn)生移動變形的影響，通過變形規(guī)律的分析和探究能夠為保護河堤提供可靠的依據(jù)，從而保證開采的正常安全進行。

［1］常西坤，郭惟嘉，黃冬梅等.伊家河河堤下河道采砂危害性分析［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，28(14):725 －729.

［2］田文書，陳長華，劉波等.河湖下厚煤層開采河道損害機理及綜合防治技術(shù)研究［J］.治淮，2012，17(23):1021 －1022.

［3］王廟春.孔莊礦湖堤下河道采砂沉陷規(guī)律實測研究［J］.煤礦開采，2011，16(24):655 －657.

［4］王柏榮.淮南礦區(qū)淮河堤下煤層的開采實踐——堤體采動變形規(guī)律與維護［C］.中國煤炭學(xué)會2010年綜合性學(xué)術(shù)年會論文集.:204～212頁.

［5］陳玉平，鄧喀中.皖北礦區(qū)河流下煤炭安全開采技術(shù)［J］.煤礦安全，2012，43(17):182 －184.