露天煤矿蓄水池的修建对周围建筑的影响

马 可

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

大型蓄水池的修建会改变修建位置的原始地应力，原始地应力的改变导致周围地表土体的沉降变形，当周围土体被作为地基使用时，土体的变形会直接导致基础的不均匀沉降从而影响建筑结构的稳定。目前，对开挖蓄水池引起周围土体或建筑物变形情况的研究上处于发展阶段，关于基坑周围地表的沉降计算，具有代表性的有1969 年佩克（Peck）根据现场实际测量结果得出地表变形计算方法[1]。张尚根等于1999 年提出了按正态分布密度函数拟合基坑周围地表的沉降曲线的方法[2]等。目前对基坑引起周边土体变形大小的常用计算方法主要有3种：经验法、试验法、数值分析法[3]。

1 工程概况

露天煤矿采掘场坑内集水坑蓄水量较大，根据环保要求疏干水不允许外排到场区以外，给露天煤矿的生产造成不小的影响，为给采场留足够的蓄水空间以保证安全生产，计划在矿区内地表修建蓄水池导水，再通过洒水降尘、绿化喷灌方式合理利用。

1）地层岩性。拟建场地揭露的地层自上而下依次为：①人工填土：沉积时代、成因Q4，杂色，松散、稍湿，以粉土、碎石为主，层厚0.30～1.50 m；②细砂：沉积时代、成因Q4，土黄色，中密、稍湿、饱和，成分以石英、长石为主，颗粒均匀，级配一般，局部夹有砾石，风积形，层厚6.30～19.50 m；③粉质黏土：沉积时代、成因Q4，灰色、土黄、红褐色，可塑，稍有光泽，韧性中等，干强度中等，无摇震反应，层厚0.90～5.90 m；④细砂：沉积时代、成因Q4，土黄色，中密、稍湿、饱和，成分以石英、长石为主，颗粒均匀，级配一般，局部夹有砾石，风积形成，未揭穿。

2）岩土物理力学性质指标。根据该拟建场地勘察报告和室内岩土物理力学性质试验，最终确定岩土物理力学性质指标，岩土物理力学性质指标见表1。

表1 岩土物理力学性质指标

2 基坑开挖对周围建筑物的影响研究

2.1 蓄水池开挖的变形理论

蓄水池开挖的过程就是蓄水池竖直方向的回弹位移及池壁水平方向的卸荷过程[4-5]，因此蓄水池底部会产生卸荷回弹[6]。蓄水池壁土压力的作用下产生水平位移，表现为池底垂直位移，池壁水平位移。当蓄水池开挖深度较浅时，应力场变化较小，因此随着距蓄水池中心变远，应力也逐渐恢复正常水平，此时蓄水池底部中央隆起量最大，两边较小。当蓄水池开挖深度较深时，应力场的变化变大，表现为池壁及池壁以外一定范围内的土体均发生位移[7]。

蓄水池壁的侧移的变形形式有2 种：水平位移和垂直位移。在实际工程中，池壁支挡结构竖直位移是被忽略的，但事实上由于蓄水池开挖引起土体内部应力的释放，导致池壁支护结构有所上升，给蓄水池的整体稳定、地表变形均带来较大的影响。蓄水池开挖引起地应力改变，导致周围土体产生位移，引起周围建筑物及周围管线的变形，影响其正常使用[8]。

蓄水池开挖引起的变形过程主要分为：池底隆起变形、池壁水平变形、池壁外侧地表及建筑的沉降。彼此相互影响，其中以蓄水池外侧地表沉降对安全生产的影响最大。

2.2 研究方法与模型

通过三维有限差分软件FLAC3D对由于基坑开挖而引起的周围土体沉降进行模拟。FLAC3D软件采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够较为准确地模拟岩土体的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题，是目前较为流行的模拟岩土工程问题的软件[9]。

在计算前根据地质勘察结果建立蓄水池开挖剖面图，蓄水池拟开挖深度为10.0 m，采用坡率法对池壁放坡，坡率为1:3.4。蓄水池距建筑物的距离为55.0 m。建筑物宽38.0 m，高16.1 m，基础埋深2.9 m。地层自上而下依次为人工填土和细砂，其中人工填土厚1.0 m，下部为细砂层。工程地质剖面图如图1。

2.3 有限差分模型及初始平衡

根据工程地质剖面模型建立有限差分模型，考虑到边界效应的影响，模型的左右以及下部均有部分扩展。最终建立的有限差分模型，建筑物下人工填土为0～1.0 m，砂土为1.0 m。

图1 工程地质剖面图

计算模型边界条件采用固定位移边界条件，即固定模型边界的速度。模型四周固定水平位移，底部规定竖直位移。为了使模拟结果与实际结果相符，计算模型在开挖前应首先达到初始平衡，即模型体系内的最大不平衡力接近0。根据初始平衡计算结果，当计算时步约16 000 步时，模型内的最大不平衡力接近0，此时模型达到初始平衡。计算模型内部最大不平衡力如图2。

图2 计算模型内部最大不平衡力

2.4 模拟结果

蓄水池开挖采用坡率法直接开挖，在计算模型中将开挖土体部分设置成“空单元”，开挖土体距建筑物约62.0 m，采用1∶3.4 坡率开挖，本构关系采用摩尔-库伦模型。

由于蓄水池开挖引起建筑物的变形的方式为不均匀沉降，因此，模拟结果只需考虑蓄水池开挖引起的垂直位移变化即可。根据数值模拟结果可知，由于开挖引起位移变化较大的区域主要集中在开挖蓄水池的底部，这是因为在蓄水池开挖过程中和开挖后由于蓄水池部分土体被挖出引起了该部分下部土体的应力释放，产生了变形回弹[10]。而由于采用坡率法进行蓄水池开挖，因此应力回弹程度随着开挖土体深度的变浅而变小，即从池底到池顶逐渐减小。从计算结果可以看出，由于蓄水池开挖引起的池底回弹变形量约为60 mm，由于蓄水池开挖引起建筑物沉降量约10 mm。

根据国家标准规定多层建筑，对于体型简单的高层建筑物基础平均沉降量小于200 mm，根据数值模拟结果，基坑开挖引起建筑的沉降量约为10 mm，满足规范要求，因此可判定该蓄水池的修建对周围建筑物的影响满足建筑物稳定要求。

3 结语

1）根据勘察结果，蓄水池开挖揭露地层分别为人工填土层和砂层，人工填土杂色，松散、稍湿，以粉土、碎石为主。细砂层呈土黄色，中密、稍湿、饱和，成分以石英、长石为主，颗粒均匀，级配一般，局部夹有砾石，风积形成。

2）采用数值模拟对蓄水池开挖产生的变形进行模拟分析，由于蓄水池开挖引起的池底回弹变形量约为60 mm。开挖引起位移变化趋势随着开挖位置的减小，回弹量也随之减小，池顶由于蓄水池开挖引起的卸荷回弹量约为20 mm，蓄水池开挖引起周围建筑的沉降量约为10 mm。

3）由于蓄水池属于永久建筑，周围边坡的变化可能会对蓄水池的结构造成影响，因此应做好周围边坡的监测。同时，在蓄水池开挖和使用过程中，应对周围建筑的变形进行监测，一旦周围建筑变形过大，应及时采取必要的防护措施对建筑物进行加固。

4）蓄水池周围应修建截水沟，防止因蓄水池的修建影响原有地表水系的排泄通道。

5）由于矿区冬季温度较低，因此应做好防冻措施，防止因冻胀作用造成蓄水池池壁防水层开裂，造成池水渗漏。