煤田开采区水库除险工程设计方案

赵允亮

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

煤田开采区水库除险工程设计方案

赵允亮

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

随着煤田开采的不断深入，水库大坝逐渐受到井下工作面开采的影响，坝体变形范围将达到1000 m左右，最大下沉可达6.64 m；最大水平移动1.5～2.0 m之间。在坝体360～400 m处将产生交错裂隙，对大坝的影响期、变形衰退期将长达2—3年左右。设计单位在综合考虑各方案技术上的可行性，经济的合理性，除险加固安全的可靠性及环境保护、水土保持后，选定设计方案。

采煤沉陷区；变形计算；水库大坝；除险加固

1 工程概况

1.1 水库枢纽工程

水库坝址在辽河一级支流的上游，河道长21 km。平均比降0.3.6%。坝址以上集水面积143 km2，总库容4 500×104m3，是一座以防洪为主、兼有灌溉、水产养殖和旅游功能的中型水库。水库的设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为300年一遇。大坝、输水涵闸等永久主要建筑物为Ⅲ级建筑物。枢纽工程主要由土坝（主坝和副坝）、输水涵闸等构成。现状主副坝全长5 020 m，其中主坝长4 120 m、副坝长900 m，为粉质粘土均质土坝。坝顶高程85.78 m，坝顶宽度5.00 m，主坝最大坝高7.00 m，副坝最大坝高3.80 m；迎水坡采用干砌石护坡，背水坡为采用碎石护坡，排水体采用干砌石贴坡。南北2座输水涵闸均为坝下埋管式现浇钢筋混凝土矩形方涵。

1.2 工程区域水文及工程地质

1.2.1 水文

水库多年平均年降雨量为553 mm；多年平均年径流深为94 mm；年径流变差系数：Cv=0.64，Cs=2Cv；多年平均年水面蒸发量（20 cm口径）：1 700 mm；多年平均悬移质年输沙模数：150 t/km2。地下水类型主要为第四系孔隙潜水与基岩裂隙水，第四系孔隙潜水富存于上覆冲洪积层中，基岩裂隙水储存于下部基岩裂隙中。

煤矿沉陷影响区即大坝左端坝基岩土为粉质粘土，下伏基岩为白垩系泉头组砂岩、泥岩，据钻探成果，该段稳定地下水位高程80.8～81.0 m，几乎与库水位持平，受库水位直接影响，其中粉质粘土渗透系数值为6.59×10-5cm/s，砂岩、泥岩岩体透水率平均值为0.044 1 L/（min·m·m），均属弱透水，属地下水贫乏区。

1.2.2 工程地质

大坝筑坝土及坝基各岩土层从上到下如下：

1）层：筑坝土，填筑材料主要为粉质粘土，黄褐色—灰褐色，硬塑～可塑，具中等压缩性。局部夹粉砂及粉土薄层。

2）层：粉质粘土，黄褐色为主，为主要的冲洪积地层，分布稳定，且范围较广，多呈软塑状，局部硬塑或软塑，具中等压缩性～高压缩性，层底埋深1.8～9.4 m，层厚最大4.8 m。

3）层：砂岩、泥岩，为白垩纪泉头组地层，紫红色，全风化～强风化，矿物蚀变较强，但保留原岩结构，局部呈土状，手可捏碎。

粉质粘土渗透系数为6.59×10-5cm/s，砂岩、泥岩岩体透水率平均值为0.044 1 L/（min·m·m），均属弱透水。

工程区地震动峰值加速度为0.05 g，对应地震基本烈度为Ⅵ度。

1.3 工程等别

该工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，水库建筑物级别为：永久性主要建筑物（包括主坝、副坝、输水涵）为3级；永久性次要建筑物（输水涵尾水渠等）为4级；临时性建筑物为5级。

2 除险加固内容

2.1 大坝沉陷的原因

某水库处于大平煤矿井田中部，库下压煤工业占全矿工业储量的49.4%。库下煤层赋存稳定，煤层厚度大且煤质好，构造简单。煤矿水库下采煤始于2005年4月，随着开采的不断深入，水库大坝将逐渐受到井下工作面开采的影响，试采段S2S9工作面煤层最大厚度9.96 m，开采深度760～800 m。该工作面位于水库大坝北侧的正下方，开采将对大坝产生一定的影响，主要影响北坝头约1 000 m范围的坝体及北闸。

2.2 大坝地表移动变形计算

采用概率积分法对影响区地表移动变形进行预测。S2S9工作面开采后影响坝体的变形范围将达1 000 m左右；最大下沉（竖向移动）可达6.64 m；最大水平移动1.5～2.0 m之间。在坝体360～400 m（从北到南）处将产生两组交错裂隙（一组与坝体走向夹角大约30°，另一组与坝体走向夹角130°），地表裂缝发育，3～5 m一组，裂缝宽度2～20 cm，裂缝深度3～8 m；最大下沉速度将达到60～90 mm/d左右，影响坝体的变形活跃期达5个月左右时间，工作面推进800 m大坝开始受到影响，大坝影响主要时间1年左右，变形衰退期将长达2～3年左右，总的采动变形时间将达3.5年左右。随着开采进行，地表出现竖直沉降同时发生水平位移。最大沉降量出现在工作面后方，随着开采推进，最大沉降点距离工作面逐渐推后。

从二维模拟看出，开采推进200 m后，地表沉降超过35 mm，地面将出现开裂现象。推进800 m后，最大沉降量达到0.7 m。推进1 100 m后，最大沉降量超过1.5 m。随后沉降速度加快，开采到1 900 m后的最终沉降量达到6 m，出现在开采工作面后1 200 m左右（大坝位置）。开采扰动导致地表水平位移，开采推进至1 500 m，坝体水平位移最大，最大水平位移近734 mm。

3 除险加固设计方案

方案一

1）汛限水位（正常高水位）由82.0 m降低至80.5 m，汛期利用两孔南输水涵泄洪，由南输水涵后重新设渠道引水至北输水涵出口尾渠，再排入中央排干。新建渠道总长2 100 m。

3）考虑沉陷过程坝体、基础将产生一系列的裂缝，可能成为上下游渗漏的道，待开采区沉降稳定后，在坝体及第四系覆盖层内设置最小有效厚度为30 cm的水泥土防渗墙，防渗墙抗压强度不小于1.0 MPa，渗透破坏比降不小于200，分三序孔施工，防渗灌浆标准为小于0.05 L/（min·m·m）。

4）坝体填筑前拆除原北输水涵，在沉陷完成后，在原位置恢复修建北输水涵，输水涵中心桩号为0+266，为3孔钢筋混凝土方涵。闸后沉陷破坏的渠道重新修建，渠道总长1 500 m，渠道底宽为7.5 m，堤顶宽为3.0 m，堤内坡为1∶2.0，堤外坡为1∶2.5。

方案二

1）汛限水位（正常高水位）由82.0 m降低至80.5 m，汛期利用两孔南输水涵泄洪，考虑三台子水库在2005—2006年期间的除险加固工程中二期部分没有实施，包括南、北输水涵后的渠道没有改建，在南输水涵后重新设21 00 m渠道引致北输水涵出口尾渠，再排入中央排干。

2）在大坝沉降部位上游修建临时围堰，沉陷段坝体采用后期加高培厚的方法，坝体为粉质粘土均质坝，坝顶宽5.0 m，上、下游坝坡均为1∶2.5。

3）考虑沉陷过程坝体、基础将产生一系列的裂缝，可能成为上下游渗漏的通道，待开采区沉降稳定后，在原坝体上游坝脚第四系覆盖层内开挖防渗齿槽，齿槽底部设混凝土灌浆盖板，盖板厚1.5 m，宽2.0 m，盖板以下的岩石部位设置15 m深的防渗帷幕。防渗灌浆标准为小于0.05 L/（min· m·m），灌浆后齿槽部位采用粉质粘土回填压实。

4）坝体填筑前拆除原北输水涵，设计方案与方案一相同。

方案三

1）汛限水位保持在82 m不变，北输水涵拆除并回填，在北输水涵南侧沉降影响范围之外新修3孔输水涵，规模与原北输水涵相同，输水涵中心桩号为1+366，为3孔钢筋混凝土方涵。闸后沉陷破坏的渠道重新修建，渠道总长1 500 m。

苗头预测法的运用需要劳动争议调解员必须有“纠纷具有复杂性、预防工作具有艰巨性和长期性、遏制纠纷继续发展和扩大的重要性”的认识，并在思想上高度重视，有意识地观察和分析苗头性问题。要做到这一点，劳动争议调解员必须具备敏锐的信息意识，要善于发现信息、搜集信息，捕捉其中的带有倾向性、苗头性的信息。在预测苗头时，还要注意对纠纷的变化有影响的因索，并区分不同的纠纷进行具体分析。

2）沉陷段坝体采用先期一次性加高培厚的方法，坝体为粉质粘土均质坝，坝顶宽5.0 m，上、下游坝坡均为1∶3.0。

3）考虑坝体在沉陷过程中将产生裂缝，沉陷期在坝体上游坝坡设复合土工膜防渗，防渗体在前坝脚处与垂直铺塑相连接，沉陷期护坡采用沙袋防护，后期采用砌石护坡。考虑沉陷过程坝体、基础将产生一系列的裂缝，可能成为上下游渗漏的通道，待开采区沉降稳定后，在坝体及第四系覆盖层内设置最小有效厚度为30 cm的水泥土防渗墙，防渗墙抗压强度不小于1.0 MPa，渗透破坏比降≥200，分三序孔施工，防渗灌浆标准为小于0.05 L/（min·m·m）。

方案四

1）汛限水位保持在82 m不变，北输水涵拆除并回填，在北输水涵南侧沉降影响范围之外新修3孔输水涵，规模与原北输水涵相同，输水涵中心桩号为1+366，为3孔钢筋混凝土方涵。闸后沉陷破坏的渠道重新修建，渠道总长1 500 m。

2）在大坝沉降部位上游修建临时围堰，沉陷段坝体采用后期加高培厚的方法，坝体为粉质粘土均质坝，坝顶宽5.0 m，上、下游坝坡均为1∶2.5。

3）考虑沉陷过程坝体、基础将产生一系列的裂缝，可能成为上下游渗漏的通道，待开采区沉降稳定后，在原坝体上游坝脚处进行坝基帷幕灌浆，设计方案与方案一相同。

4 设计方案比选

4.1 技术方案比选

方案优、缺点对比，见表1。

表1 方案优、缺点对比表

4.2 方案投资比选

方案投资比选结果，见表2。

表2 各方案枢纽投资比较表万元

4.3 方案选定及主要设计指标

综合考虑上述方案的优缺点，适当兼顾煤田长远开采的影响，为煤矿其它段开采时大坝加固提供条件和经验借鉴，本阶段选择方案一作为推荐方案。

4.3.1 结构设计

考虑沉陷过程坝体、基础将产生一系列的裂缝，可能成为上下游渗漏的通道，待开采区沉降稳定后，在坝体及第四系覆盖层内设置最小有效厚度为30 cm的水泥土防渗墙，防渗墙抗压强度不小于1.0 MPa，渗透破坏比降不小于200，防渗墙以下的岩石部位设置15 m深的防渗帷幕，帷幕采用单排孔，孔距为2.0 m，分三序孔施工，防渗灌浆标准为小于0.05 L/（min·m·m）。

4.3.2 安全监测设计

1）水平位移监测。监测网由坝两端的工作基点及坝上39个水平位移监测点组成。沉陷区坝体共布置13个水平位移监测断面，沉陷最大部位间距50 m布置1个断面，其两侧沉陷小的部位间距100 m布置1个断面，每个断面设置3个测点。

2）垂直位移监测。垂直位移监测网是由起测基点（起测基点水平位移的工作基点共用一个点）与坝上位移监测点（水平位移监测点与垂直位移监测点共用一点）组成。

3）渗流监测。沉陷区坝体共布置8个水平位移监测断面，沉陷最大部位间50 m布置一个断面，其两侧沉陷较大的部位间距100 m布置一个断面，每个断面设3个坝体浸润线监测点。共计24个浸润线监测点。

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2016-11-30