抚顺西露天矿大型沉陷滑移边坡

摘　要　本文在对抚顺西露天矿北帮E1000边坡变形及水压动态监测资料分析的基础上，建立了双
层渗流分析计算模型，依据流量平衡原理和有限元数值方法，进行了边坡降雨入渗量、冲积层汇水量、疏干井及放水孔涌水量计算和动态模拟，提出了有实际意义的疏干排水方案。实践表明，效果良好。
关键词　渗流模型　水压动态　疏干设计

RESEARCH INTO THE WATER-PRESSURE TRENDS
CONTROLLING MEASURES FOR LARGE SUBSIDANCE SLIDENCE
SLOPE OF THE FUSHUN WESTERN OPEN-PIT COAL MINE

Yang Tianhong　Rui Yongqin　Tang Chunan　Zheng Yutian
（Northeastern University）
Shen li　Huo Qiyuan
（Fushun Branch of CCMRI）

　　Abstract:This paper,on the basis of an analysis of the variant and water-pressure trends monitoring record data of E1000 side-slope of the Fushun Western Open-pit Coal Mine,establishes the two-layers seepage flow analysing and computing model;in the light of the flow-balancing principle and FEM computer simulation,makes an analogue calculation and dynamic simulation of such values as penetration of rain-fall into the side-slope,the sink water volume of the alluvial deposit,the flow of water in the drainage well and drain holes;and puts forward a drainage and pressure-reduction scheme of real significance.Practice indicates the effect is favorable.
　　Keywords:Seepage flow model,Water-pressure trends,Drainage design

1　引　言
　　抚顺西露天矿是我国大型露天煤矿，矿区北帮边坡由于受浑河水头补给，水文地质条件十分恶劣。1993、1994年来，每年汛期由于水压影响致使E1000区段边坡发生剧烈的沉陷滑移变形，严重影响北帮干线运输安全。
　　该区变形体东西宽460m(E800～E1260)，南北长360m(N920～N1280)，平均厚度50～70m，见图1。根据该变形体的位移和水压动态资料^［1］，两者之间的相关性很好，并存在一个变形速度加速及减速的临界水压值。所以研究边坡变形及水压作用机理，依据地下水的动态规律，控制水压变化是控制边坡变形的有效手段。

图1　E1000边坡平面图

2　渗流分析模型
　　边坡岩体表层长期遭受风化作用，浅部强风化裂隙带和深部构造裂隙带的渗透差异明显^［2］。E1000边坡浅部边坡(50～70m以上)，十四段之上，由南向北发育有次向2、次背3、次向3、次背2复式褶曲及拌生的小断层等构造(图2)，而且该区边坡多次发生局部沉陷变形，岩体裂隙十分发育，节理密度为3.1条/m。现场渗透性试验，浅部岩体渗透系数为10^-5m/s量级，比深部岩体高一个数量级。通过钻孔岩心采取率和RQD随深度变化统计资料分析，以滑动面为界两带分界明显。据E2号孔勘察，垂深60m之内的RQD仅为10%。而60m之下RQD值明显升高至30%～40%左右。
　　由于该区岩体两带渗透性的差异，同时该区边坡雨季补给水量较大且变化急剧，将出现这样一种现象：地表降雨和冲积层潜水很容易进入强风化带(滑坡体)内，当降雨强度大于构造裂隙带的下渗率时，将产生浅部风化带的瞬态自由面。尤其当风化带底层岩体渗透结构面饱和之后，地表水渗入则主要在强风化带层中贮积和流动，降雨强度超过入渗率的降雨历时越长，瞬态自由面受构造裂隙带下渗率的影响越小。因其量值较大，且作用在边坡沉陷滑移体内，对边坡稳定极为不利。根据研究，本文提出了于研究E1000边坡岩体渗流的分析模型(图2)。

图2　E1000边坡渗流模型

　　图中参数：Q₁—贮存在强风化带(滑坡体)中的地下水总量，m³/d；Q₂—从强风化带(滑坡体)下渗到构造裂隙带中的水量，m³/d；Q_i—十四段排水孔的排水量，m³/d；Q_b—冲积层潜水的汇水量，m³/d；Q_j—降雨入渗量，m³/d；Q_s—冲积层疏干井的疏干水量，m³/d。
　　模型中，风化带(滑坡体)中岩体视为均质各向同性的孔隙介质，由模型中的流量平衡原理，有：

Q_j+Q_b-Q_s=Q₁+Q₂+Q_i　　(1)

　　为了达到降低风化带中水压的目的，排水方案设计的原则：

　Q_b-Q_s-Q_i≤Q_1min(2)

式中　Q_1min——风化带中保证边坡稳定时的极限贮水量，m³/d。
　　根据上述双层渗流分析模型可见，取与Q₁相对应的入渗系数为ε₁，与Q₂相对应的入渗系数为ε₂。降雨期间ε₁＞＞ε₂，则地表入渗水在强风化带岩体中的快速积蓄必然要从风化带中出溢，并抬高地下水位而形成瞬态自由面，这时可视其底部为不透水的第二类边界条件。这样可针对强风化带岩体建立独立的渗流模型。
3　冲积层潜水补给量及疏干井涌水量估算
　　冲积层是E1000边坡的补给边界，在北帮地面布设的冲积层疏干井排是拦截冲积层潜水汇入边坡的主要排水工程。其中在E600～E1400区段共有疏干井22个(疏25～疏46)。疏干井每半个月统计一次流量、监测一次冲积层潜水水位。1994年8月，由于冲积层部分疏干井停泵，导致潜水水位(以39号疏干井为例)由4月中旬埋深12.3m上升到10m左右，致使29～40号疏干井之间的潜水位由3、4月的1～1.5m上升至2.3m， E800～E1100区间的冲积层过水断面明显增大。E600～E1400区段冲积层潜水的汇水水量：

　　Q_b=B^.K^.H^.I　　　(3)

　　式中：B—过水断面，m；K—渗透系数，m/d；H—含水层潜水疏干井工作状态下的残余水头高度，m；I—水力坡度，由潜水位等值线估算。

　　Q_b=1382.4m³/d～2073.6m³/d　H=1.0～1.5m(非雨季)　　(4)

　　Q_b=3179.52m³/d　　H=2.3(雨季)
　　1994年4月～10月，疏干井涌水量情况如图3，表明涌水量和汛期降雨动态变化较一致。7月份的3415m³/d，是22眼疏干井中只有15眼工作状态下的涌水量，表明若停泵的7眼(33～39)疏干井恢复工作，尚具有1500～1700m³/d的疏干能力。
4　E1000边坡水平放水孔涌水量与水压动态特征
　　1994年春季，为防止雨季该区边坡变形，1994年3月22～4月11日期间，在E750～E1250区间的14段平盘上，以3°～5°仰角向边坡体内施工11组33个水平放水孔，组间距50m，孔间水平向夹角9°。
　　随着水平放水孔的陆续竣工，位于E1000，十段的监4孔内地下水埋深由3月22日的24m降到3月28日的30m左右。在此期间内，十四段放水孔的涌水量逐渐下降，见图3变化情况，由1460m³/d降到570m³/d，这表明老滑体内的补、迳、排区形成动平衡。进入雨季，7、8月份之后，E4孔水位曾上升到埋深20m和15m，放水孔涌水量也随之增大到1000m³/d以上，E4孔水位埋深1994年8月17日和9月6日先后两次上升到15m，这时该处发生大幅度沉陷滑移变形。
　　分析上述现象，研究认为：3月～6月份之间，为非雨季，冲积层补给量较小，实施放水孔工程之后，排泄量增大，曾一度造成水压下降6m之多，这时边坡比较稳定。但7～8月份，进入雨季，冲积层及地表入渗补给量明显增大，现有的十四段放水孔排水能力明显不足，使边坡体水位上升到15m，促使沉陷滑移变形多次发生，破坏了7段干线。这些现象表明：水位15m埋深是产生该区沉陷滑移变形的临界值(图3)。

图3　1994年降雨量、水位、涌水量、边坡变形相关曲线

5　边坡水压动态过程的数值模拟分析
　　针对于该区边坡的渗流分析模型，结合疏干工程及水压动态资料，应用有限元数值分析方法，模拟边坡在水平放水孔疏干过程中(1994年3月～1994年5 月)的渗流场变化特征。通过数值解与实测水压的拟合，解析出水文地质参数。目的是为了校验渗流模型的合理性，根据该模型，模拟计算暴雨期边坡水位、冲积层补给量、降雨入渗量的动态变化，为疏干工程设计提供依据。
　　(1)水平放水孔流量的概化
　　十四段水平放水孔孔深15m，一组三孔，呈扇状分布。放水孔流量的处理分两部分：一半处理成流量边界，另一半处理成十一条带状面井，并概化为其影响单元的开采强度。其边界流量和强度值根据实测资料随时间的变化而改变。
　　(2)初始条件的概化
　　初始水位是根据1994年3月份施工水平放水孔之前观测的水位资料，给出计算区在初始时刻的各水位值。然后，在放水孔疏干过程，模拟不同时刻的水位降落过程。
　　(3)网格剖分
　　计算区的含水层共剖分108个单元和80个结点。如图4，单元为三角形单元，其中38号结点为E4观测孔点，补给边界水量按冲积层用过水断面法估算，十四段排泄边界为放水孔水量的一半，量值随时间动态变化。根据掌握的水文地质参数资料及注水试验资料，将参数的变化范围限制在：K=1～10m/d，μ= 10^-3～10^-2m^-1。

图4　北帮E600～E1400区间数值模拟单元剖分图

　　(4)目标函数的求解
　　模型识别过程中为根据概化的水文模型，以上述流量和水位的实测资料为依据，模拟1994年3月22日～4月期间，放水孔疏干排水的过程，根据水压实测资料确定其目标函数。
　　为使目标函数值不断减少，采用单纯形优化方法，反求水文地质参数。进而应用这个模型模拟7～9月雨季当E4水位埋深上升到15m时，冲积层及降雨入渗量分别为3179.57m³/d和1106.98m³/d。
　　(5)计算结果
　　模拟过程选取的计算参数见表1。求得的参数为K=5.17m/d,μ=0.014m^-1。模拟过程的水位动态变化见图5，图6，表1。

图5　E600—E1400放水孔施工中(1994年3月28日，E1000处3组没有施工)水位等值线图

表1　E1000边坡地下水动态过程数值模拟结果评价表