平朔东露天工业场地地下水位变化特征及对策

平朔东露天工业场地地下水位变化特征及对策
陆伦;张银洲
【摘要】采用地下水流三维稳定流数值模型,对平朔东露天矿工业场地人工填土所造成的地下水位变化特征进行了分析,表明人工回填抬高了地下水排泄基准面,将导致地下水位大幅上升,进而造成场地地基失稳,有必要采取工程措施进行控制.提出了采用槽仓、输煤暗道侧壁排水孔与槽仓、工业场地周边大口径渗水(降水)井排结合的防治措施,控制场地内地下水位上升,并采用数值模型验证了降水措施的有效性.【期刊名称】《露天采矿技术》
【年(卷),期】2010(000)005
【总页数】4页(P50-52,54)
【关键词】人工填土;地下水位变化;数值模型;降水
【作者】陆伦;张银洲
【作者单位】中煤平朔煤业有限责任公司,山西,朔州,036006;中煤西安设计工程公司,陕西,西安,710054
【正文语种】中文
【中图分类】TD22
Abstract:This paper analyzed the change character of water table caused by artificial fill in the industry field of Pingshuo eastern mine area by used three dimensional steady state flow numerical model of groundwater,it shows that artificial fill can raise the drainage base level of ground
water,then lead the large increment of ground water head,and thismay cause foundation failure of industry field,it is necessary to employ certain engineering measures to control this head increment.An integral controlmeasure is proposed that combining dewater boreholes,which are set on the side wall of the coal storage bin and coal transport gallery,and large diameter soakaway(dewater)well rows,which are set around the coal storage bin and industry field,to control the unexpected groundwater head increment,the validity of proposed controlmeasures was verified by numericalmodel.
Key words:artificial fill;groundwater level
change;numericalmodel;dewatering
山区修建工业场地多通过人工挖填方的方式实现。

人工回填将局部抬高地下水排泄基准面，造成场地地下水位变化，并由此引起回填土层力学指标下降，导致场地失效等危害[1][2]，有必要通过一定的工程手段控制地下水位，确保场地稳定[3][4]。

平朔东露天煤矿位于山西省宁武煤田北端，行政隶属朔州市平鲁区管辖。

设计生产能力2 000万t/a，服务年限75 a。

煤矿选煤厂及工业场地拟建在露天矿东部麻
地沟沟域黄土低山丘陵区，区内沟谷发育，需要将原先的沟谷用土回填，由此可能会导致地下水水位上升，并由此引起场地失稳、威胁对产品槽仓的稳定性等。

为此迫切需要分析由于挖填方造成的地下水水位变化趋势，评价其对工程的影响，并提出相应的防治措施和解决方案。

为研究人工回填造成的地下水位变化，选择工业场地所在沟域的汇水区作为研究范围。

研究区内和本次渗流场研究有关的地层有[5]：Q4人工填土、Q4冲洪积卵砾石层、粉质粘土、Q3黄土（粉土）、Q2红粘土、Q1残积砂岩碎块与粘性土混合堆积物、P1x砂泥岩。

整个介质为非均质各向同性介质，而同一地层可概化为均质
各向同性介质。

研究区周边边界为麻地沟与相邻沟域的分水岭，可概化为第二类零流量边界；北部麻地沟出口处存在地下水侧向径流排泄，可概化为第三类通用水头边界；分布于区内的麻地沟沟谷系统为区内地下水排泄的主要场所，可概化为第三类通用水头边界；底边界为二叠系完整砂泥岩，裂隙不发育，可概化为隔水边界；计算区顶界为潜水面，此处发生大气降水入渗补给；在沟谷切割处，还存在泉、溢流、潜水蒸发等方式的地下水排泄，可概化为潜水面边界。

计算区地下水主要补给源为大气降水入渗补给。

进入地下的水，顺地势由分水岭向沟谷径流。

地下水主要排泄方式为沟谷切割部位泉、溢流，潜水蒸发排泄以及北部麻地沟出口处地下水侧向径流排泄。

区内地下水水力性质总体为潜水，地下水运动三维流特征显著，水流服从达西定律。

根据以上水文地质概念模型，研究区的地下水三维稳定流数学模型可建立为：
式中：H—地下水位标高，m；K—渗透系数，m/d；x，y，z—坐标变量，m；n—二类边界外法线方向；Γ2—二类边界；Q—麻地沟沟谷排水系统排水量，
m3/d；C—麻地沟沟谷排水系统渗透性能，m3/d；Hd—麻地沟沟谷排水系统排
水标高，m；W—大气降水入渗补给强度，m3/（d·m2）；D—研究区范围。

与本次工作有关的水文地质参数主要有渗透系数K、大气降水入渗补给系数α等。

根据历年历次勘查成果资料确定：Q3黄土（粉土）渗透系数为0.122 m/d；Q2
红粘土渗透系数为0.000 665m/d；Q1残积土渗透系数为0.029m/d；麻地沟下
游Q4冲洪积卵石层渗透系数为0.3m/d；上游Q4冲洪积粉质粘土渗透系数为
0.01m/d；P1x风化砂泥岩渗透系数为0.5 m/d；P1x完整砂泥岩渗透系数为
0.002 28m/d，人工填土渗透系数为0.14m/d。

黄土沟梁区大气降水入渗补给系
数为0.03，考虑到工业场地建成后地面硬化、现状填土表层红粘土以及场地地面
排水系统的影响，对挖填方地区，大气降水入渗补给系数取为0.01。

上述数学模型可采用规则网格有限差分法进行求解。

对研究区域5.62 km2按地面标高，地层分布出露特征，可获得模型各地层空间分布特征。

对于不同的地层赋以相应的参数值。

模拟区属黄土沟梁地貌单元，由于模拟区范围小，在计算天然状态下地下水渗流场时，不再进行大气降水入渗系数分区。

在计算工业场地建成后地下水渗流场时，由于场地人工硬化等改变了地表入渗性能，计算时需根据场地及填土分布特征进行大气降水入渗系数分区。

模拟区内发育有麻地沟及其支沟，这些沟谷构成模拟区天然沟谷排水系统，排泄区内地下水。

这些沟谷可处理为Drain边界[6]，采用下式计算沟谷排水系统与地下
水的交换水量：
式中：Qr—沟谷排水量，m3/d；Hi、j—沟谷所在单元（节点）地下水位，m；Hd—沟谷排水标高，m；K′—沟谷淤积物垂向渗透系数，m/d；M′—沟谷淤积物厚度，m；A—沟谷淤积物在河流所在单元的面积，m2；C—沟谷淤积物导水性能，m2/d。

将各类有关资料代入模型，可计算天然条件下地下水渗流稳定流场（图1）。

计算结果表明天然条件下，地下水位标高在1 305-1 370m之间。

当工程建完成后，研究区地下水渗流发生的空间的地质结构、边界条件等将发生较大的改变，可在前述模型的基础上，进行相应的修改后，对工业场地等范围内渗流场变化特征进行计算。

按场地平场标高1 370m考虑，在模拟模型中，当某单元顶面标高大于1 370m，该单元设置为非活动单元，当某单元顶面标高小于1 370m且底面标高大于1
370m时，取为人工填土的参数值刻画人工填土对渗流场的影响。

根据设计要求在整个计算范围内的沟谷中均敷设盲沟。

在计算时将盲沟充填物的渗透系数换算为盲沟所在网格的等效渗透系数，以适应计算需要。

现有麻地沟沟谷排水系统因被回填土覆盖，不再起排水作用，为此模型中与之对应
的Drain边界予以取消。

模拟区北部边界为人工填土形成的临空面，填土下方及其下游均设有盲沟。

考虑到回填后地下水可能从填土边界处的临空面上渗出，采用Drain边界进行刻画，对应各单元排水标高设置为该单元底面标高。

模型经修改运行后可得到回填条件下地下水流场，由于渗流发生的介质、边界条件发生了显著的改变，其稳定渗流场相对天然条件下的稳定渗流场也发生了显著的改变（见图2）。

计算结果在整个工业场地范围内，稳定地下水位也出现了一定幅度的上升，回填后稳定地下水位上升幅度10～24m，在场地的西、南后缘处地下水位较高、埋藏较浅。

为保证场地地基稳定，有必要采取一定的工程措施降低场地地下水位。

根据设计方案，在槽仓、输煤暗道的侧壁上均预设有排水孔用以排除槽仓、输煤暗道周围的地下水。

同时在槽仓的南北两侧各布设有一排大口径渗水（降水）井排，每排4口，井间距50m，井排距离槽仓侧壁31m，单井井深50m，井内径
750mm，设计降水水位为1 325.6m。

在槽仓底部布设有两排施工渗水（降水）井排，每排6口，井间距30m，单井井深以井底与槽仓外侧渗水（降水）井相同为宜，井内径750mm，设计降水水位为1 325.6m。

在场地的北、西、南边处布设大口径渗水（降水）井排，设计降水水位为1 325.6 m，各渗水（降水）井间距为120m，井径、井深等同槽仓渗水（降水）井。

按设计方案，在模型中，可采用Drain模块来刻画槽仓、输煤暗道侧壁排水孔，即将槽仓、输煤暗道侧壁所在单元设置为Drain边界，其排水标高为所在单元的地面标高，用以刻画槽仓、输煤暗道侧壁的排水效果。

同时因渗水（降水）井揭露多个模型层，模型中将采用一类边界刻画渗水（降水）井，将渗水（降水）井所在单元的渗透系数设置为一个非常大的值，以刻画井筒内基本无渗透阻力，然后再最低下渗水（降水）井单元设置为一类边界，其水位为设计排水水位1325.6m。

将上述处理方法代入模型，可得到刻画设计降水方案的计算模型。

计算结果表明（见图3），工业场地地下水位下降了18.48～37.75m，计算结果也表明，在槽仓附近渗水（降水）井排的降水作用下，槽仓整体位于稳定地下水位之上。

（1）工业场地内人工回填将导致区内稳定地下水位显著上升，这可能导致场地地基土强度下降而引发场地失效，有必要采取工程措施降低地下水位。

（2）采用槽仓、输煤暗道侧壁排水孔与槽仓、工业场地周边大口径渗水（降水）井排结合的方式能有效降低槽仓周围及整个工业场地地下水位，保持地基土强度，有利于槽仓护壁边坡及场地地基的稳定。

（3）建议尽早在场地范围内布设地下水位监测孔，边施工边监测，监测人工回填后地下水位变化情况，为采取工程措施预防地下水位上升造成的危害提供依据。

【相关文献】
［1］明海燕，李相崧，张瑞华.地下水位上升引起斜坡变形的完全耦合分析［J］.岩土工程学报，2007，29（4）：510-516.
［2］赵春宏，戴福初.深圳某填土滑坡破坏机理研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2007，18（2）：1-8.
［3］赵龙.露天煤矿工程降水设计的理论研究及应用［D］.吉林大学，2008.
［4］骆祖江，刘昌军，瞿成松，等.深基坑降水疏干过程中三维渗流场数值模拟研究［J］.水文地质工程地质，2005，（5）：48-53.
［5］平朔煤炭工业公司.山西省朔州市平朔矿区东露天矿田煤炭勘探地质报告［R］.2004，10. ［6］Harbaugh,A.W.,2005,MODFLOW-2005,The U.S.Geological Survey modular ground-water model—the Ground-Water Flow Process:U.S.Geological Survey Techniques and Methods 6-A16,Reston,Virginia,2005.。