堤下采煤对黄湖两用堤影响分析与评价

刘洪铖，邢旭飞，于士程

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021）

1 概述

黄湖两用堤是东平湖蓄滞洪区的重要组成部分，为1级大堤，其防洪作用不言而喻。泰西煤矿是拟建的中小型矿井，该矿井建成后，可以部分有效地缓解山东省资源短缺的状况，为该省的经济发展提供有力的支撑[1]。根据目前的规划，泰西煤矿部分采区位于东平湖蓄滞洪区范围内。这就导致了煤层开采和堤防安全运行之间的矛盾：煤层开采后，破坏了上覆岩土体的原有应力平衡状态，导致岩土体内应力重新调整，会引起采区附近的岩土体发生变形甚至破坏。当开采达到一定范围以后，必将引起地表产生较大的变形，进而对黄湖两用堤产生不利的影响。因此，应用综合的研究手段，研究开采对堤防的影响，为在保证黄湖两用堤（东平湖蓄滞洪区）安全运行的同时，使地下煤炭资源得到合理的开发利用提供依据，具有重大的社会意义和经济意义[2]。

2 黄湖两用堤安全保护范围确定

堤防工程是保证河流安全最为重要的建筑物，为了保证堤防的安全和正常运行，需要预留一定宽度的护堤地。根据《堤防工程管理设计规范》《山东河道管理条理》《山东省黄河工程管理办法》和黄委会颁布的《工程管理设计若干规定》[3]，临河堤背河护堤地宽度为10 m，安全保护区范围为背河护堤地以外100 m。根据上述规范和条例要求，确定黄湖两用堤安全煤护范围为堤脚以外110 m。

3 煤层开采对堤防工程稳定影响分析

地表沉陷后，在地面会形成一系列的裂缝。裂缝的出现，使地基由散体介质渗流改变为裂隙渗流或管流，使防洪工程附近地下水渗流渗径缩短，地表沉陷区内地基渗透系数增大，有可能使堤防和地基内渗透比降增大，对堤防的渗透稳定不利。同时，地表发生变形和沉陷后产生的裂缝，会降低变形区域土体的强度，如果变形区域临近堤防工程，则有可能影响到堤防工程堤坡的抗滑稳定性，给堤防工程安全带来不利影响[4]。因此，地表塌陷后，对堤防工程渗透稳定及抗滑稳定带来的影响程度尤为关键。

3.1 煤层开采对堤防工程渗透稳定影响分析

结合我国部分煤矿地表裂缝特征实测结果，假定在地表移动波及范围内岩土体裂缝深度最大为10 m，在地表移动区10 m埋深内岩土体的渗透系数扩大到原来的100倍，分析在该种情况下的堤防及地基中渗流场变化情况。

渗流计算参数的选取，对工程安全性判断影响较大。黄湖两用堤为近期加培、加固的工程。丰水期水位49.5 m下其地层渗透系数仍采用工程加固设计时的计算参数，以保持工程评价结论的准确性[5]。黄湖两用堤渗流计算参数见表1。

表1 渗流计算参数表

渗流计算采用GeoStudio软件中Seep/W模块进行。取黄湖两用堤横剖面作为计算剖面，模型长271 m，875个节点，780个单元，黄河水位为49.5 m。计算模型如图1所示。通过有限元渗流模型分析，现状断面单宽渗流量为2.88×10-6m3/s，最大渗透比降0.26，裂缝扩展至距堤防坡脚110 m处时，断面单宽渗流量为3.01×10-6m3/s，最大渗透比降为0.26，允许渗透比降为0.30。从计算分析看出，裂缝扩展到堤防的安全保护范围边界时，与现状断面情况对比可以看出，单宽渗流量有稍许增大，但很不明显；对堤防的渗透坡降影响也不显著，并且都不会带来堤防的渗透稳定问题。

图1 黄湖两用堤渗透分析计算模型

3.2 煤层开采对堤防工程抗滑稳定影响分析

采用中国水利水电科学研究院研发的STAB程序进行分析计算。计算参数如表2所示。

表2 抗滑计算参数表

黄湖两用堤首先自动搜索最危险滑裂面，然后应用简化毕肖普法进行稳定计算。黄湖两用堤的计算结果见图2。现状断面堤坡的稳定系数在1.92左右，裂缝扩展至距堤脚110 m处时，稳定系数仍为1.92左右，堤坡的抗滑稳定系数没有变化。

图2 黄湖两用堤抗滑计算成果图

4 结语

利用GeoStudio软件中Seep/W模块及STAB软件，对在煤层开采情况下黄湖两用堤防的渗透稳定及抗滑稳定进行分析。计算结果表明：在黄湖两用堤安全煤护范围为堤脚以外110 m条件下，黄湖两用堤不存在渗透稳定及抗滑稳定问题。在此方案下，既保证了河堤不产生破坏，又使煤炭资源得到最大量的开采，使综合社会效益和经济效益达到最大化。