矩形防水墙设计方法与工程实例

王业建

（湖南第一工业设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011）

防水闸门硐室和防水墙是地下矿山井下防治水的主要安全设施，水文地质条件复杂、极复杂或者有突水淹井危险的矿井，应当在井底车场周围设置防水闸门，应当在其他巷道适当地点预留或设置防水闸门硐室和防水墙，使矿井形成分翼、分水平或分采区隔离开采，在水患发生时，能够使矿井分区隔离，缩小灾情影响范围，控制水害，确保矿井安全。

当井下巷道尚有运输、行人、通风等要求时，设置防水闸门硐室；其他情况下，可设置防水墙。对涌水量较大或存在突水淹井危险、资源价值不大的采掘区域，可以构筑防水墙封闭，以保证其他区域的安全生产，减少矿井涌水量，减少排水费用，防治矿井排水引发的地质灾害。

邻近矿井关闭退出后，在其积水威胁区域，构筑边界防水墙封闭，保证矿井的安全生产。

《采矿工程设计手册》（张荣立，何国纬，李铎主编，煤炭工业出版社，2003 年）采用的井下防水闸门硐室和防水墙结构形式有圆柱形、楔形和倒截锥形三种，并提出了相应的设计理论及计算公式。

现场有时需设置矩形防水墙，与圆柱形、楔形和倒截锥形三种形式比较，矩形防水墙：①施工容易，形状规整，施工工艺简单易懂；②不需要按异型结构掏槽，井巷工程量较省；③简单掏槽或不需要掏槽，构筑防水墙时的生产系统相对简单；④适用于应急处理，不需要按异型结构掏槽，施工工期短，为防治水抢险赢得时间；当矿井透水时，可选择适当地点紧急构筑防水墙，以保证其他井巷的安全生产，并赢得处理透水、恢复井巷的时间。

下面按粘结强度原理，结合井下防水墙的具体要求，导出墙体厚度计算公式。

1 矩形防水墙设计方法

1.1 矩形防水墙

1.1.1 概念

矩形防水墙就是平行巷道中心线的平面与防水墙的截面轮廓为矩形，利用混凝土与围岩的粘结抗剪力等平衡静水压力，其结构形式如图1。

图1 矩形防水墙结构形式

1.1.2 围岩内是否开凿掏槽

（1）是否开凿掏槽围岩。①静水压力小，I 级或II 级围岩，工程地质条件简单，可以不掏槽。②静水压力较高，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，工程地质条件复杂，需开凿掏槽。

（2）围岩开凿掏槽目的与作用。①观察防水墙所处位置围岩的岩石物理性质（岩性、强度、离层、破碎带、松动圏范围、节理裂隙发育情况，等等）及水文地质条件（围岩渗透系数、有无渗漏、水质等）。②不良工程地质问题处理。③延长渗水途径，改变渗水方向，减少渗水量。④改变围岩应力分布及其传递方向，降低围岩渗透系数，充分利用应力，提高围岩承载能力和抗渗透能力。

1.1.3 墙体内是否布设钢筋

为了增强防水墙墙体强度，可以在墙体内布设钢筋，可以锚固墙体于围岩。防水墙大多数情况下不需设钢筋，尤其是墙体较厚，跨度较小者；巷道跨度大、墙体薄应布设钢筋。

1.2 矩形防水墙设计原理及墙体厚度计算

1.2.1 不考虑锚杆抗剪力

（1）纵筋对混凝土有销栓作用，销栓作用很难计算，设计规范均不考虑。

（2）根据圣维南原理（Saint Venant"s Principle），分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。锚杆直径一般远小于间距，一般地，在锚杆（1 ～2）d 的外围，仅有混凝土的应力。

1.2.2 设计原理

矩形防水墙的设计原理为墙体的承载力超过静水压力，承载力考虑的是混凝土与围岩的粘结抗剪力，墙体的自重、锚杆抗剪力等作为富余强度。防水墙应满足抗渗条件要求。

1.2.3 墙体厚度计算公式

（1）混凝土与围岩的粘结抗剪力：

式中：F粘——混凝土与围岩的粘结抗剪力，MN。

S粘——防水墙承载区粘结面积，m2。

fmg——极限粘结强度标准值，MPa，如表1。

fjc——混凝土抗剪强度设计取值，MPa。

fj——混凝土抗剪强度设计值，MPa，如表2。

n——粘结强度与混凝土抗剪强度之比，取0.5 ～0.7，表面清理干净、平整度差、混凝土强度等级高、墙体厚、混凝土经标准养护后承载，取大值。

m——工作条件系数，取0.5 ～0.7，混凝土强度等级高、墙体厚，取小值。

C墙——防水墙周长，m。

L墙——防水墙厚度，m。

表1 混凝土与围岩极限粘结强度标准值表

表2 混凝土抗剪强度表

（2）静水压力作用于墙体上的剪力：

式中：F静——静水压力作用于墙体上的剪力，MN。

λ——超载系数，取1.2 ～1.3。

P——静水压力，MPa。

S墙——防水墙横截面积，m2。

（3）按粘结强度计算的墙体厚度。

根据设计原理，F静≤F粘，按公式（1）、（4），有：

（4）常见断面形式的墙体厚度计算公式。

防水墙一般设置在运输巷、石门等岩石巷道中，巷道断面形式多为圆弧拱、三心拱、半圆拱，根据公式⑸导出相应的防水墙厚度计算公式如表3。

（5）按达西线性渗流定律校验抗渗条件：

表3 墙体厚度计算公式表

式中：K——渗透系数，m/d，如表4。

Q——标准要求的抗渗条件，一般取0.5m3/d。

表4 混凝土抗渗等级与渗透系数值

1.2.4 加固锚杆设计

（1）加固锚杆应满足防渗、防锈蚀要求，可采用钢筋砂浆锚杆，采用16#或18#矿用右旋螺纹钢，不耦合系数2 ～2.5。

（2）锚杆锚入围岩的长度按悬吊理论计算，锚入稳定岩层的深度不小于0.3m。

（3）锚杆锚入墙体的长度《混凝土结构设计规范》（GB50010）计算、选取。

（4）锚杆间距按选取。

（5）注浆终压不小于1.5 倍静水压力。

2 工程实例

为防治11 采区之东北区域水害，湖南省煤业集团金竹山矿业有限公司土朱煤矿在-50m 东翼运输大巷、-50m 东翼回风大巷各建设1 座防水墙，墙体厚度计算参数。

断面形状半圆拱形，B=3.6m，h3=1.6m，静水压力2.4MPa，采用C30 混凝土，取n=0.55，=0.55×0.95×2.1=1.10MPa，m=0.55，λ=1.3。

将参数代入横截面为半圆拱形的矩形防水墙厚度计算公式，得，L墙=4.5m，设计取L墙=5m。

现场按照L墙=5m 施工矩形防水墙；加固锚杆采用18#矿用右旋螺纹钢，长度3.0m，其中，锚入围岩的长度2.1m、锚入墙体的长度0.9m，间、排距1.0m；并对周边围岩注浆；水压试验及运行结果表明，耐压、抗渗漏能力均符合要求。

3 结语

矩形防水墙有施工简单、适用于应急处理等优点。按粘结强度原理，导出的墙体厚度计算公式，满足安全生产要求。