浅谈高地下水位地区煤矿工业场地竖向设计

王 锋

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

近年来随着环境气候的改善，在蒙陕地区降雨频率逐渐增加、雨量增大且持续时间加长，造成区域地下水位升高，如果在设计过程中此种现象未引起足够重视，则容易造成基础埋深较浅的建构筑物在设计过程中需要考虑抗浮设计、防渗设计，施工过程中需采用降水措施，同时企业在正常生产运行过程中容易出现冻胀、冻融、渗水等问题，这不仅增加项目建设成本、影响项目的正常建设进度，同时也影响项目生产期间的安全运行。因此此类问题应引起设计者的高度重视，避免在该类地下水位较高的区域出现类似问题。本文则以可可盖煤矿项目为例，阐述高地下水位地区场地竖向设计，并提出一种针对高地形水位的设计思路及方法。

1 项目概况

可可盖井田位于陕西省榆林市境内，东南距榆林城约32 km，行政区划隶属榆林市榆阳区小纪汗乡、岔河则乡、马合镇管辖。井田西部与大海则井田相邻，东部与小纪汗井田相邻，南部与西红墩井田相邻，北部与孟家湾二号井田相邻[1]。

本井田位于毛乌素沙漠与陕北黄土高原的过渡地带，区内绝大部分面积为沙漠滩地区，该区沙丘常以中新月形沙丘和链状沙丘为主要特点，无明显的排水方向。沙漠滩地区内除20%左右低洼处为滩地外，其余地段均为第四系全新统风积沙堆积。

井田内地表径流不发育，无常年河流及溪沟，属温带大陆性季风干旱、半干旱草原气候区。天气多变，春季多风沙，夏季较炎热，秋季多暴雨，冬季长而严寒。年平均气温8.8 ℃，7～8月最高气温38.9 ℃，元月份最低气温-29.7 ℃，日温差15～20 ℃。年平均降水量436.6 mm，年平均蒸发量1 774.1 mm。7月份为雨季，10月中旬降雪，翌年2月解冻，无霜期150～180 d，最大冻土深度1 460 mm。

2 竖向设计

竖向设计的目的是对工业场地所处的自然地形加以利用和改造，合理处理与场地相关的自然地形，选择合理的竖向布置形式[2]，确定合理的场地标高，以适应企业建设和生产的需要[3]。

可可盖煤矿地处毛乌素沙漠边缘地带，该区沙丘常以中新月形沙丘和链状沙丘为主要特点，无明显的排水方向，设计者往往注重场地总平面布置，地表防洪排涝，而忽略了地下水对场地竖向设计的影响[4]。因此项目在设计之初，对其所处场地进行踏勘、调研发现该区域内有小海子零星分布，位于井田西侧的大海则矿井、西南侧巴拉素矿井、南侧西红墩矿井、东南侧袁大滩矿井等工业场地地下水均较高，因此初步判断可可盖煤矿属于高地下水影响较大的场地。设计时借鉴了上述煤矿的设计经验，结合平面布置在考虑场地防洪排涝的同时重点考虑地下水对场地竖向设计的影响。并从地下水的成因、高程、流向以及对建构筑物影响的角度出发，阐述高地下水地区如何确定场地竖向布置形式及标高。

2.1 地下水成因的分析

根据井田地质勘探报告所述[5]，本区域内地下水的形成、分布特征主要受地貌的制约，此外还受地层岩性、地质构造及水文气象诸因素综合控制[6]。地下水类型分为新生界松散岩类孔隙及裂隙孔隙潜水，中生界碎屑岩类裂隙孔隙潜水与层间承压水两大类。影响场地竖向设计的主要是新生界松散岩类孔隙及裂隙孔隙潜水(以下简称潜层水)，潜层水的径流方向由西北向东南，基本与现代地形相吻合，河谷区潜水径流方向与地表水径流方向斜交。其地下水的排泄为蒸发、人工开采及基岩裸露地段有大小不等的泉水出露外，大部分以泄流的方式排入河流[6-7]。

根据工业场地工程地质报告(详勘)[6]、井田勘探资料揭露的钻孔综合判断，场地所处地区为富水区-中等富水区，地下水位埋深在0.7～5.3 m之间，渗透系数9.11～24.672 6 m/d。井田范围内地下水位标高大致在1 240～1 280 m之间，工业场地区域地下水位高程在1 263.00～1 269.00 m之间。区域水文地质略图如图1所示[5]，区域基岩潜水等水位线如图2所示[5]。地下水位等值线如图3所示。

1-沙漠滩地区(中等富水区-富水区)；2-河区阶地区(中等富水区)；3-黄土梁岗区(弱富水-中等富水区)；4-黄土梁峁区(极弱富水区)；5-井田位置；6-3号煤自燃边界；7-大泉及流量(L/s)图1 区域水文地质略图Fig.1 Regional hydrogeology

1-居民地；2-水系；3-等水位线(m);4-地下水流向；5-井田位置图2 区域基岩潜水等水位线Fig.2 Regional bedrock diving water table contour

图3 地下水位等值线Fig.3 Groundwater level contour

2.2 工业场地竖向设计

在充分了解并掌握地下水的成因、水位高程的情况下，分析自然地形、地下水位与场地竖向设计相互关系，在满足场地排水要求的条件下，通过合理的竖向设计，降低地下水对场地地下构筑物的影响。

2.2.1 自然地形对竖向设计的影响

该区内地表径流不发育，无常年河流及溪沟，沙丘常以中新月形沙丘和链状沙丘为主要特点[8]，无明显的排水方向，容易产生内涝。同时本区地下水位较高，沙漠地面雨水下渗速度快[7]，冻结深度大，冻胀现象严重，这些是影响工业场地平场标高确定的最主要因素。因此在竖向设计前，首先对场地所处地形进行分析，场地所处自然地形高程由西南向东北方向降低，西南最高处的自然地形标高为1 280.00 m，东北角最低自然地形标高为1 264.00 m，自然地形坡度为1.6%。由于自然地形坡度较小，竖向布置采用平坡式[9]；为保障厂区地表雨水可以顺利排至外部低洼处并流至下游区域，避免产生内涝[10]，场地设计标高不应低于1 268.00 m。矿井工业场地地形分析图如图4所示。

图4 矿井工业场地地形分析Fig.4 Terrain analysis of mine industrial site

2.2.2 地下水对场地竖向设计的影响

通过对自然地形的分析，初步确定场地竖向布置形式以及场地标高，然后再通过分析地下水对地下构筑物的危害以及与地下构筑物的埋深的关系后，进一步优化场地竖向设计方案即设计标高。

冻融、冻胀：地下水产生的冻胀、冻融等不利影响，其产生的危险形变会破坏道路、硬化场地面层的平整度，甚至有时还会导致建构筑物某个结构层的破坏而影响建构筑物的安全性和稳定性。

管沟渗水：地下水暖综合沟、电缆沟等敷设深度在2.0～3.0 m之间，管沟基础基本位于地下水位线附近，在丰水期则处于地下水位线以下，地下管沟主沟与支沟、支沟与建筑物衔接的薄弱处极易渗水，并且较难封堵，管沟渗水后对其安全运营造成很大威胁，并且加大了后期运营的费用。

抗浮设计：由于场地地下水埋深较浅，考虑水位变幅，拟建有地下室或基础埋深较深的水池等建(构)筑物应进行抗浮设计。

2.2.3 地下构筑物埋深分析

根据同类型矿井建设经验及本项目已完成的初步设计文件，通过对场地建筑物埋深、地下管沟埋深以及道路、硬化场地结构厚度的分析，大致可归为埋深小于3.0 m的浅层基础类和埋深大于3.0 m的深层基础类两大类。对于浅层基础类埋深的建构筑物，由于埋藏深度小，如果场地标高确定的较低，容易使其位于地下水位以下，不仅在设计时需要考虑抗浮、防冻胀、防渗等问题，同时在施工过程中需要考虑降水施工，增加总的投资费用等；地下构筑物长期位于水位以下，存在安全隐患；如果场地标高确定的较高，虽然解决了上述抗浮、冻胀等问题，但是随之而来的则是填土量过大[10]，土的来源的问题无法解决或者运距过远，投资过大。建构筑物基础埋深详见表1。

表1 建构筑物基础埋深一览Table 1 List of buried depths of building foundations

因此场地竖向设计首先应满足防洪排涝的要求[11]，其次结合场地建构筑物的埋深，确保浅埋深的建构筑物位于地下水位以上，即场地设计标高应高于地下水位高程约3.5～4.0 m(考虑水位上浮0.5～1.0 m)，这样不仅既避免了由于考虑建构筑物抗浮、防渗、防冻等问题增加建设投资，同时又减小了生产运行期间安全运行的管理费用。

结合工业场地工程勘察报告(详勘)[6]中钻孔揭露的地下水位情况绘制地下水位等值线图，该场地范围内地下水位高程在1 263.00～1 269.00 m之间，其平均流水坡度为0.5%[9]。因此场地竖向设计时平场综合坡率宜不小于0.5%[11]，同时考虑各区域内的浅层埋深类建筑基础位于地下水位高程以上，确定场地设计标高不应低于1 268.50 m，结合防洪排涝最终确定的场地标高不低于1 268.50 m。地下水位与竖向设计关系如图5所示。

图5 地下水位与竖向设计关系示意Fig.5 Relationship between groundwater level and vertical design

3 结语

结合可可盖煤矿项目，通过对地下水位的成因、高程以及场地建构筑物基础埋设深度、自然地形等基础数据的分析，在场地竖向设计时不仅考虑了防洪排涝等因素，重点从地下水位对场地竖向设计影响角度出发，通过场地竖向设计合理的确定场地标高，避免在建设及生产运行过程中造成建设成本、运营成本的增加以及对安全生产的影响，为解决冻胀、降水、渗水等一系列问题，提供一种设计思路。