矿山砂卵石地层中截水帷幕长幅槽段稳定性研究

2022-08-09苗贺朝褚振尧黄选明曹海东

煤田地质与勘探 2022年7期

苗贺朝，褚振尧，黄选明，曹海东，姚恒，王海

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710077；3.内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司，内蒙古赤峰 024050)

地下连续墙式截水帷幕以其整体性强、隔水性好、耐久性佳等优点被广泛应用于防水工程及地下围护结构中[1-2]。随着地下空间资源及地下能源开发利用的深入发展，构筑截水帷幕时遇到的地质条件也日趋复杂。尤其是矿山截水帷幕工程，其目标截水层位一般为强渗透含水层，穿越地层较多，往往会遇到砂卵石、风化泥岩破碎带等地质体[3-6]。这些复杂地质条件极易诱发帷幕中槽段发生滑塌、槽孔缩颈等失稳现象，严重威胁帷幕的成槽安全及墙体质量。因此，在复杂地质条件下进行帷幕成槽施工的重要前提是控制槽段稳定[7-8]。

目前，针对帷幕成槽时槽段失稳问题，诸多学者主要采用理论分析、数值模拟、模型试验、现场试验等方法从局部稳定性和整体稳定性2 方面开展研究工作。张厚美等[9]将抛物线法、半圆柱法与三维分析法等进行对比计算，研究了泥浆槽段稳定的主要影响因素；缪圆冰等[10]采用极限分析法和强度折减法，推导了槽段局部稳定临界高度计算公式；路乾等[11]基于土体相关联流动法则及塑性极限破坏理论，应用整体失稳机理建立了槽段破坏滑动体模型，采用极限平衡分析法，得到槽段整体稳定安全系数及槽段内泥浆密度的计算方法；丁勇春[12]、夏元友[13]等采用三维有限差分数值模拟方法研究了槽段在成槽、混凝土浇筑及硬化过程中的力学性状；ZHUO Hongchun 等[14]采用离心模型试验研究了软土地层中帷幕成槽时不同类型泥浆对槽段稳定性的影响规律；邱明明等[15]通过现场试验和数值模拟相结合的方法，对深厚富水砂层帷幕泥浆槽段稳定性特征及其影响因素进行了研究。上述研究方法大都假定开挖槽段土体为均质岩土体，并未考虑实际工程中土体分层情况。为此，夏元友等[16]将土体沿水平方向划分为若干份，并以经典的二维楔形滑体破坏模型为研究对象，在此基础上提出了分层地基中槽段稳定性分析的二维水平条分法。由于二维验算方法未考虑槽段端部土体的有利约束，其计算结果相对保守，因而有学者基于三维楔形体模式对成槽稳定性进行分析[17]，提出可考虑端部土体抗剪力作用的三维水平条分法[18]，并对饱和黏土中的槽段采用二维和三维水平条分法进行稳定性验算[19]。

现有研究成果中单幅槽段开挖长度大都为6～8 m，针对砂卵石等复杂地层地质条件且单幅开挖长度超过8 m 的长幅槽段稳定性研究则少有报道。鉴于此，笔者以我国内蒙古东部某露天煤矿截水帷幕工程为研究背景，通过理论分析、数值模拟并结合现场验证，对砂卵石地层帷幕某长幅槽段的稳定性进行研究，以期为同类帷幕槽段稳定性控制和施工参数优化提供参考。

1 某露天煤矿截水帷幕工程概况

某露天煤矿位于我国内蒙古东部英金河冲积平原内缘，河谷两侧为低山丘陵地段，其间沿河谷两侧分布有河漫滩与阶地。该矿属于我国水文地质条件极复杂的特大富水型露天煤矿[20]，矿坑水主要来自矿坑东南侧第四系含水层，其涌水通过强渗透砾石层对矿坑进行动态补给。自矿坑剥采生产以来，一直采用群井疏降和明排疏干方式对地下水进行控制，长期大量疏排水给生态环境、边坡安全及企业经济效益等方面带来巨大压力。采用帷幕截流方案取代疏排降水是解决上述问题的根本措施，为此，露天煤矿在矿区东南侧实施截水帷幕工程，截流目标层为砂砾石含水层，帷幕垂向深度16～40 m，平均深度25.5 m，工程平面布置如图1所示。本次研究帷幕段地层信息如图2 所示。

图1 某露天煤矿截水帷幕工程平面图Fig.1 Schematic diagram of the water cutoff curtain in the open-pit coal mine

图2 截水帷幕地段地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of the water cutoff curtain

2 截水帷幕槽段稳定性分析方法

2.1 槽段失稳

帷幕在成槽过程中，设计深度范围内的岩土体不断被挖出，原本处于稳定状态的地层出现临空槽段。受地层构造应力、静止土压力和地下水压力影响，槽段侧壁受力不平衡，当槽内泥浆压力对槽段支撑不足时，槽段侧壁岩土体会向槽内方向产生一定位移，使槽段表面处的静止土压力降低至主动土压力。当泥浆压力仍不能平衡主动土压力和地下水压力时，岩土体将继续向槽内移动，直至沿某一平面或曲面整体滑塌，造成失稳[11]。单幅槽段横向剖面如图3 所示。

图3 截水帷幕成槽断面Fig.3 Diagram of grooved section of the water cutoff curtain

2.2 水平条分法

工程实践中，当沟槽最大开挖深度较小，开挖范围内土层参数差异不大时，可将其近似为均质土层进行验算；但当成槽深度较大，开挖范围内为多个地层时，将不同地层均质化已明显不符合实际情况，则应把土体沿水平方向分为若干份土条进行受力分析，再进行槽段稳定性验算，即采用水平条分法[19]。

2.2.1 二维水平条分法

如图4 所示，二维水平条分法[19]认为滑动岩土体内每个土条的滑动面同时达到极限状态，并将滑动面所能提供的最大抗剪力τmax与维持静力平衡所需最小抗剪力τmin的比值定义为成槽稳定安全系数ηs。

图4 二维水平条分法Fig.4 Schematic graph for 2D horizontal slice method

2.2.2 三维水平条分法

如图5 所示，三维水平条分法[19]是在考虑岩土体水平分层的基础上，还考虑槽段长度对于槽段稳定性的影响，即在求解滑动土体平衡方程时，需计算作用在滑动土体侧面上的抗剪力。该方法假设滑动土体内每个土条的滑动面及侧面均同时达到极限状态，且将滑动面所能提供的最大抗剪力τmax与维持静力平衡所需最小抗剪力τmin的比值，或者侧面所能提供的最大抗剪力fsmax与维持静力平衡所需最小抗剪力fsmin的比值定义为成槽稳定安全系数ηs。

图5 三维水平条分法Fig.5 Schematic graph for 3D horizontal slice method

3 槽段稳定性结果分析

3.1 二维和三维水平条分法验算

根据钻探、原位测试及室内试验结果，各岩土(石)层岩性及物理学性质见表1。

表1 岩土(石)层物理力学性质Table 1 Physico-mechanical properties of soil (rock) layers

本次所研究槽段宽度为0.8 m，最大开挖深度为40 m，帷幕底部嵌入细砂岩层3 m，槽段验算主要考虑上部4 个地层的稳定性。由于水平条分法认为滑动岩土体内每个土条的滑动面同时达到极限状态，因此，仅取表层最易失稳的砂砾石地层进行稳定性验算。二维水平条分法验算时考虑槽深、泥浆液面、泥浆密度、泥浆液面(或槽底)与地下水位高差4 项影响因素；三维水平条分法验算时，除考虑上述4 项影响因素外，还考虑单幅槽段的开挖长度。各项因素的取值分别为：槽深取5、10、15、21 m 4 种情况，泥浆液面取0、5、10、15、21 m 5 种情况，泥浆密度取1.15、1.20、1.25、1.30 g/cm34 种情况，泥浆液面(或槽底)与地下水位高差取0、7、14、21 m 4 种情况，单幅槽段长度取7.0、14.0、21.0、22.5 m 4 种情况。为了更清晰地探究每个因素对成槽稳定性的影响规律，采用控制变量法设置验算方案，二维水平条分法共验算14 种工况，三维水平条分法共验算17 种工况。验算方案及结果见表2。其中，泥浆液面是指槽段内泥浆液面高度，下文将泥浆液面(或槽底)与地下水位高差简称液位高差。

表2 二维和三维水平条分法验算方案及结果Table 2 The schemes and results of checking for 2D and 3D horizontal slice method

续表 2

将二维水平条分法与三维水平条分法验算结果综合考虑，分别绘制出各影响因素与槽段安全系数的关系曲线，如图6 所示。

图6 各影响因素与安全系数关系曲线Fig.6 Relation curves between influencing factors and safety factors

由图6 可知：当其他影响因素一定时，二维水平条分法与三维水平条分法验算所得的安全系数均随着槽深的增加而减小，且槽深对槽段稳定安全系数影响较大；随着泥浆液面、泥浆密度、液位高差的增大，二维与三维水平条分法验算所得的安全系数均增大；三维水平条分法验算所得的安全系数随着单幅槽段长度的增加而减小(图6e)。槽段开挖过深、单幅长度过大均增加了槽段失稳的风险，适当提高泥浆液面、增大护壁泥浆密度、提高液位高差有利于控制槽段稳定。

由图6 可以看出，泥浆液面、密度、液位高差这3 项因素对槽段稳定性具有较大影响。这是由于护壁泥浆中主要固相物质是膨润土，其矿物成分主要为含水铝硅酸盐，具有特殊的晶体结构；颗粒粒径一般为10-11～10-9m，较小的粒径及较大的比表面积，可以吸附大量水；随着水分子进入其晶格层间，晶体结构就会产生膨胀；每个颗粒表面均带有负电荷，可以吸引极性水分子。因此，膨润土颗粒具有极强的吸水性和膨胀性，其遇水膨胀后体积最大可达原体积的10～20 倍[21]。

当槽段内泥浆与地下水位高差为正值时，就会形成一定渗透压差。在渗透压差的作用下，泥浆携带水化膨胀后的膨润土颗粒逐渐向砂卵石地层孔隙通道进行渗透。在槽段入渗面及渗透范围内一定界面处发生过滤作用，膨润土颗粒与水分发生分离，在该处不断附着并凝胶化，初步形成泥皮。泥皮充填槽段部分渗水通道，且在渗透压差作用下，膨润土凝胶颗粒在泥皮上继续堆积，泥皮的厚度进一步增大，透水性降低，泥皮在持续的渗透压力作用下愈加致密。泥浆液柱对槽段侧壁施加向外的作用力，平衡地层内土、水压力，对槽段起到有效支撑、防塌落的作用。

泥浆密度一定时，泥浆液面以及液位高差越大，产生的渗透压差越大，泥浆在初始阶段向地层的渗透速率就越大，泥皮形成所需时间就越短，泥浆从渗透开始到泥皮形成的过程中损失量越少，泥浆渗透范围也越小，泥浆中的膨润土水化凝胶颗粒越容易附着，越有助于形成泥皮，且泥皮的致密程度更高，对槽段的保护效果越显著。

当影响因素均相同时，三维水平条分法较二维水平条分法验算所得的安全系数大。主要是由于二维水平条分法未能考虑端部土体的有利约束作用，而三维水平条分法考虑了这一影响因素，其更符合实际的破坏模式，因此，计算所得安全系数更大[22]。这也进一步说明三维水平条分法作为验算分层地基中帷幕成槽稳定性的合理性，工程实际中对槽段进行稳定性验算时应优先选用该方法。

为了明确各影响因素对安全系数影响程度大小，用多元线性回归方法分别求出二维水平条分法与三维水平条分法计算时影响因素指标的标准化系数[23]，绘制各因素影响程度分布图，如图7 所示。

图7 各因素影响程度Fig.7 Influence degree of each factor

由图7 得知：采用二维水平条分法验算时，4 项因素影响程度大小依次为：槽深、液位高差、泥浆液面、泥浆密度；采用三维水平条分法验算时，5 项因素影响程度大小依次为：槽深、单幅槽段长度、液位高差、泥浆液面、泥浆密度。工程实际中，必须结合地层条件进而控制槽段开挖深度；保持槽内泥浆液面高度高液位运行，当槽内泥浆液面下降后，必须立即补浆，一般控制泥浆液面距槽口地表高差小于50 cm；施工前降低槽段两侧地下水位，保持泥浆与地下水位之间具有一定压力差；在泥浆满足其他性能的情况下，适当提高泥浆密度；同时，在施工时不能一味追求施工效率，还得控制好单幅槽段开挖长度以保证槽段安全稳定。

3.2 数值模拟

3.2.1 模拟方案与条件

为了进一步验证砂卵石地层在长幅槽段开挖时的稳定性，采用FLAC3D模拟开挖17.5、22.5 m 2 种长幅槽段时槽段稳定性。根据该露天煤矿帷幕工程现场地形地貌、勘察资料，将地层概化为图8 所示模型。考虑地层的无限性及施工扰动影响范围，以帷幕走向为x轴，与帷幕垂向为y轴，帷幕深度方向为z轴进行建模。模型沿x、y及z轴3 个方向的最大尺寸分别为82.5、80.8 及43.0 m；x、y轴外侧面边界限制水平位移；z轴底部固定边界，限制水平移动和垂直移动，上部地表为自由边界。帷幕槽段宽为0.8 m，矿区平盘台阶宽度约为11.2 m，砂卵石层上、下2 平盘边坡坡度角分别为72.3°、73.8°。计算地层时采用Mohr-Coulomb 塑性本构关系和屈服准则，地层参数选取见表1。网格划分原则为：距离槽段近的区域密集，距离槽段远的区域稀疏。

图8 长幅槽段稳定性模拟模型Fig.8 Stability simulation model of the long trench section

根据泥浆护壁原理，槽段开挖后，护壁泥浆在槽壁粘附并凝胶化形成隔水“泥皮”，随后循环泥浆静水压力直接作用在“泥皮”上以支护槽段侧壁，本文通过在槽段内4 个侧壁施加渐变应力、在槽段底部施加均布荷载来模拟39.5 m 深泥浆液体对槽段的支护及影响，图9 为泥浆支护槽段示意图。现场在施工作业前对区域内地下水位进行了疏降，以保证地层在截水帷幕施工过程中无流动地下水，故本次数值模拟未考虑地下水影响。帷幕槽段最易失稳或破坏的方式一般为沿轴线垂向产生向槽内的位移或滑塌，因此，文中分析时着重考虑槽段沿y方向的稳定性。

图9 泥浆支护槽段Fig.9 Section diagram of mud support trench section

3.2.2 模拟结果

按照上述模拟方法和条件，分别获得槽段开挖前原始地应力场云图(图10)和2 种长幅槽段开挖后槽段及地层稳定性分析云图(图11、图12)。

综合图10-图12 可以看到，单幅槽段开挖后槽段及附近地层呈现如下规律：

图10 槽段开挖前原始地应力场云图Fig.10 Nephogram of the original in-situ stress field before trench excavation

图11 17.5 m 长幅槽段稳定性分析云图Fig.11 Stability analysis cloud image of 17.5 m long trench section

图12 22.5 m 长幅槽段稳定性分析Fig.12 Stability analysis cloud image of 22.5 m long trench section

(1) 地层应力场重新分布，竖向应力等值线下移，槽段两侧地层应力等值线出现不同程度的“错台”现象，槽段背离边坡一侧的底部地层出现1 个应力集中区域(深蓝区)。17.5 m 槽段开挖后，槽段中部最大竖向应力出现在应力集中区域，应力值可达1.16×106Pa，较开挖前增加了36.5%；槽段端部处应力集中区域竖向应力值为1.00×106Pa，较开挖前增加了17.6%。22.5 m 槽段开挖后，槽段及地层竖向应力分布情况与17.5 m 槽段大致相同，槽段中部最大竖向应力也出现在应力集中区域，其值为1.18×106Pa，较开挖前增加了38.8%；槽段端部处应力集中区竖向应力值也为1.00×106Pa，较开挖前增加了17.6%。槽段中部的应力集中区最大竖向应力比端部的更大；22.5 m 槽段开挖后地层的最大竖向应力比17.5 m 槽段开挖后更大。

(2) 上部砂卵石层在槽段开挖后向槽内发生不同程度的位移，槽段底部应力集中区域地层也发生向槽内的位移。17.5 m 槽段开挖后，槽段中部最大位移发生在槽口地表层，值为1.23×10-4m；槽段端部最大位移发生在距槽口约5 m 地表层处，值为3.41×10-5m；槽段中部应力集中区最大位移为2.0×10-5m，槽段端部应力集中区最大位移为1.5×10-5m。22.5 m 槽段开挖后，槽段中部最大位移也发生在槽口地表层，值为1.45×10-4m；槽段端部最大位移发生在距槽口约8 m地表层处，值为4.02×10-5m；槽段中部应力集中区最大位移为2.5×10-5m，槽段端部应力集中区最大位移为2.0×10-5m。槽段中部地层向槽内的最大位移比端部地层更大；22.5 m 槽段比17.5 m 槽段开挖后地层发生位移更大，且发生位移的范围更大。

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(3) 17.5 m 槽段在中部与端部的槽段口、砂卵石层上平盘坡顶处、下平盘坡脚处均产生塑性区，中部塑性区比端部塑性区更大。22.5 m 槽段不仅在中部与端部的槽段口、砂卵石层上平盘坡顶处、下平盘坡脚处，还在距离槽段20 m 地表处产生塑性区。槽段中部塑性区比端部塑性区大，22.5 m 槽段塑性区范围比17.5 m 的更大。

由此可以说明：相比较于槽段中部，槽段端部受到地层的约束更大，槽段中部比端部更易发生失稳破坏，因此，在施工过程中应重点监视槽段中部地层变化情况；单幅槽段开挖长度越大，对地层扰动越明显，越不利于槽段稳定，在槽段开挖时要控制好单幅槽段长度以确保工程安全。

4 稳定性控制及效果验证

4.1 控制措施

截水帷幕在成槽时，通过以下措施保障槽段稳定性：

(1) 观察地层变化。成槽过程中时刻关注地层及地质条件变化情况并留取岩土样，同一地层中每延伸2 m 取样一次，在地层变化时也取样；根据取样实时掌握截水帷幕槽段地质条件，必要时对岩土样进行相应测试，以便及时调整相应成槽工艺。

(2) 调整泥浆参数。调整泥浆配方使其具备稳定的物理性质和化学性质、良好的流动性、适当的密度及良好的泥皮形成能力，新制泥浆及循环泥浆各项性能指标见表3。

表3 泥浆的性能指标Table 3 Performance indicators of mud

(3) 提高泥浆液面，降低地下水位。保持泥浆液面距槽口高差在30～50 cm，施工前降低槽段两侧地下水位，使泥浆与地下水位形成较高压力差。

(4) 优化成槽次序，控制成槽时间。根据施工场地布局及槽段分幅情况，采用“间隔跳抓”的成槽次序，合理布局现场施工作业面，提高单幅槽段成槽效率，减少成槽结束至防渗材料浇筑之间的时间。

(5) 严控单幅槽段长度。在提高施工效率的同时严格控制单幅槽段长度。现场采用防渗膜垂向铺设与混凝土浇筑回填的工艺，防渗膜单幅幅宽为8 m，每幅防渗膜与上一幅搭接1 m，综合考虑防渗膜铺设工艺及槽段稳定性要求，施工现场单幅槽段最大长度控制在21 m。

4.2 效果验证

为了确保砂卵石地层中长幅槽段开挖的安全稳定，项目现场在每一幅槽段结束后，用UDM100 超声波测壁仪分别对槽段端部及中部进行成槽质量及稳定性检测。图13 为21 m 长幅槽段开挖深度为16、40 m时槽段中部最不利位置处的超声波检测结果。

图13 超声波检测成槽记录Fig.13 Ultrasonic inspection record of the trench section

由图13 可看出，当开挖深度为16 m 时，帷幕槽段侧壁保持直立稳定状态。当开挖深度为40 m 时，槽段侧壁也基本保持直立状态，槽段在30 m 深度处出现一小块岩土剥蚀，初步分析是由于成槽机械上下运行时出现剐蹭导致槽段掉块。超声波检测结果再次验证了在护壁泥浆及施工工艺满足条件下，该砂卵石地层中槽段开挖单幅长度不超过21 m 时槽段可以保持稳定，也说明该技术在该地层具有一定安全可靠性。长幅成槽技术在现场使用后既保证了成槽施工质量，同时大大提高了施工效率。