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        地下水控制對布沼壩露天礦龍橋變電站安全性的影響

        2022-10-04 06:34:52彭繼楊駱大軍張傳偉肖國強(qiáng)何以劍李兆霖
        露天采礦技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:變電站變形

        彭繼楊,駱大軍,張傳偉,肖國強(qiáng),何以劍,李兆霖

        (1.云南布沼壩礦務(wù)局有限責(zé)任公司,云南 開遠(yuǎn) 650032;2.云南國能煤電有限公司,云南 紅河 655211;3.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650000;4.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116;5.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

        露天采礦工程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程,根據(jù)露天礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)要求、生產(chǎn)規(guī)模及地質(zhì)條件的不同,露天礦的地面設(shè)施及建構(gòu)筑物的布置方式也靈活多變[1]。為了保證露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)的合理協(xié)調(diào),有些地面設(shè)施會在確保一定安全性的前提下布置在地質(zhì)條件相對較差的區(qū)域,如靠近露天礦邊坡坡頂線的位置。此類地面設(shè)施在設(shè)計(jì)時,一般會考慮安全距離等影響設(shè)施及礦坑安全的條件,但隨著時間的推移及環(huán)境變化,這些地面設(shè)施不再滿足安全要求,從而給礦山生產(chǎn)帶來極大的安全隱患[2-3]。

        云南布沼壩露天礦龍橋變電站所處的邊幫,因多次發(fā)生滑塌和削坡治理,導(dǎo)致龍橋變電站距離邊坡坡頂線的距離僅剩25 m。加之變電站所處邊坡正處于高水位區(qū),變電站邊坡在地下水的長期作用下,將對龍橋變電站的安全性造成極大威脅。為此,從地下水控制的角度,研究布沼壩露天礦龍橋變電站安全性的影響因素,論證通過地下水控制措施提高龍橋變電站安全的可行性。

        1 水文及工程地質(zhì)條件

        龍橋變電站位于布沼壩露天礦西幫邊坡坡頂,其地基巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r和黏土。其中,黏土層厚度為15~30 m,遇水易膨脹。此處分布1 條寬度約15 m 的斷層破碎帶,使變電站所處邊坡地層連續(xù)性降低。變電站處于高水位區(qū),各地層的水力補(bǔ)給、徑流、排泄自成體系,其所在邊坡有多處涌水點(diǎn)。變電站所處邊坡在水的長期作用下,易引發(fā)局部滑塌、地表變形開裂,對變電站的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。龍橋變電站邊坡典型剖面圖如圖1。

        圖1 龍橋變電站邊坡典型剖面圖

        此前布沼壩露天礦西幫發(fā)生過多處邊坡失穩(wěn),水的影響是此前西幫邊坡失穩(wěn)的重要原因。龍橋變電站淺部巖土體構(gòu)成與此前的失穩(wěn)區(qū)域類似,在地下高水位的影響下,表層土體很容易達(dá)到飽和狀態(tài),存在極大的安全隱患。因此擬在變電站后方通過設(shè)置輻射井的方式對變電站邊坡進(jìn)行地下水控制。

        2 地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響

        大量工程實(shí)例和研究證明,地下水對邊坡穩(wěn)定性有著非常重要的影響,尤其對于膨脹土,土體含水量更是控制邊坡穩(wěn)定性的主要決定因素[4-6]。關(guān)于地下水對邊坡穩(wěn)定性影響,國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。其中Terzaghi[7]結(jié)合莫爾庫倫強(qiáng)度理論提出了飽和土體的有效應(yīng)力的概念:

        式中:τf為剪切破壞面的剪應(yīng)力,kPa;c′為有效黏聚力,kPa;σ 為剪切破壞面上的法向應(yīng)力,kPa;uw為剪切面上的水壓力,kPa;φ′為有效內(nèi)摩擦角,(°)。

        由有效應(yīng)力表達(dá)式可知,地下水可直接降低剪切破壞面上的法向有效應(yīng)力,使巖土體內(nèi)摩擦角的抗剪效率降低,進(jìn)而降低邊坡的整體抗滑性能。因此降低地下水位可直接提升邊坡的穩(wěn)定性。

        3 邊坡穩(wěn)定性

        對于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的求解,極限平衡分析方法是目前普遍使用的一種定量分析方法[8]。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用Morgenstern-Price 法對龍橋變電站邊坡的自然工況和地下水控制工況進(jìn)行求解。變電站邊坡巖土體力物理學(xué)參數(shù)見表1。變電站邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

        表1 變電站邊坡巖土體力物理學(xué)參數(shù)

        表2 變電站邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

        在僅考慮孔隙水壓力變化的情況下,利用極限平衡法求得的自然工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.04,根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)[9],邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài);地下水控制工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.21,處于穩(wěn)定狀態(tài)??梢姷叵滤刂颇軜O大地提升龍橋變電站所處邊坡的穩(wěn)定性,使邊坡從欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。

        4 地下水對邊坡變形的影響

        4.1 數(shù)值模型

        根據(jù)地勘資料可知,此處淺部巖土體彈性模量極低,這就意味著西幫邊坡在達(dá)到“靜力平衡”的臨界狀態(tài)前會產(chǎn)生極大的塑性變形,意味著邊坡可能在穩(wěn)定性系數(shù)高于1.0 的情況下產(chǎn)生局部破壞,邊坡變形對變電站地基的影響不可忽略[10-11]。為此,基于此處巖土體彈性模量較低的現(xiàn)實(shí)情況,除了對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析,還將對龍橋變電站邊坡的巖土體變形情況進(jìn)行研究。

        為了較為全面地探明龍橋變電站邊坡在達(dá)到臨界狀態(tài)前的淺部巖土體變形情況。以距離變電站約25 m 處的邊坡坡頂線位置為坐標(biāo)原點(diǎn),設(shè)置3 條向坡后方延伸110 m 的監(jiān)測線(變電站距坡坐標(biāo)原點(diǎn)最大距離為85 m),3 條監(jiān)測線分別位于地表、地下10 m、地下20 m 的位置。龍橋變電站邊坡數(shù)值模型如圖2。

        圖2 龍橋變電站邊坡數(shù)值模型

        4.2 變形分析

        自然工況位移云圖如圖3,地下水控制工況位移云圖如圖4。

        由圖3 和圖4 已知:變電站邊坡相對變形量較大區(qū)域集中于坡頂臨空面附近的第四系黏土、碎石及炭質(zhì)黏土巖處;坡頂?shù)谒南叼ね吝\(yùn)動趨勢以坐落為主,坡底炭質(zhì)黏土巖的運(yùn)動趨勢以底鼓為主;地下水控制工況下的變形量和變形范圍明顯小于自然工況,具體表現(xiàn)為變形區(qū)后緣向坡前方收縮,變形區(qū)前緣向坡后方收縮。

        圖3 自然工況位移云圖

        圖4 地下水控制工況位移云圖

        提取監(jiān)測線上各處的位移,即可獲得監(jiān)測線上的位移突變點(diǎn)。設(shè)監(jiān)測線上位移突變點(diǎn)的橫坐標(biāo)為邊坡變形區(qū)向坡后方發(fā)展的最大范圍Lmax,龍橋變電站距坡頂線的最小距離為l,則邊坡變形區(qū)對龍橋變電站的影響范圍L=Lmax-l。

        地表監(jiān)測線變形曲線如圖5,地下10 m 監(jiān)測線變形曲線如圖6,地下20 m 監(jiān)測線變形曲線如圖7。

        圖5 地表監(jiān)測線變形曲線

        圖6 地下10 m 監(jiān)測線變形曲線

        圖7 地下20 m 監(jiān)測線變形曲線

        不同深度下的監(jiān)測線變形曲線表明,自然工況下,地表巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax=47 m 處,而龍橋變電站距離坡頂線最近的位置l 僅為25 m,即地表變形對變電站的地基的影響范圍L=22 m;地下10 m 深度,巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax=40 m 處,即地下10 m 深度巖土體變形對變電站地基的影響范圍l=15 m;地下20 m 深度,巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax=32 m 處,即地下20 m 深度巖土體變形對變電站地基的影響范圍l=7 m。

        地下水控制工況下,地表巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax=33 m 處,變形范圍比自然工況降低14 m,即地表變形對變電站的影響范圍范l 從22 m 降至8 m,降幅63.6%;地下10 m 深度,巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax=30 m處,變形范圍比自然工況降低10 m,即地下10 m 深度巖土體變形對變電站的影響范圍范l 從15 m 降至5 m,降幅66.7%;地下20 m 深度,巖土體的變形范圍從坡頂線延伸至坡后方Lmax=18 m 處(已小于變電站距坡頂線25 m 的距離),即地下20 m 深度巖土體變形對變電站地基的影響范圍l 從7 m 降至0 m,降幅100%,地下20 m 深度巖土體的變形對變電站地基不再產(chǎn)生影響??梢?,地下水控制可使邊坡變形對龍橋變電站地基的影響范圍降低63.6%以上,并將變形影響深度控制在20 m 以內(nèi)。因此,地下水控制對龍橋變電站地基變形有明顯的控制效果。

        5 結(jié)語

        1)利用剛體極限平衡法求得了龍橋變電站邊坡在進(jìn)行地下水控制后,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從自然狀態(tài)的1.04 提升至1.21,使邊坡從欠穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。

        2)利用數(shù)值模擬分析了地下水控制前后邊坡坡頂變形規(guī)律:地下水控制使邊坡變形對變電站地基的影響范圍降低63.6%以上,并將變形影響深度控制在20 m 以內(nèi)。

        3)地下水控制對提升龍橋變電站的邊坡穩(wěn)定性和減小對變電站地基的變形影響范圍均有明顯成效,地下水控制可顯著提高龍橋變電站的安全性。

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