平朔東露天煤礦工業(yè)場地地下水位變化影響因素分析

林杜軍，宮守才，張銀洲

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，西安 710054)

1 前言

近年來，隨著我國煤炭資源的不斷開采，輔助的地面建設(shè)工程也隨之增多。在山區(qū)地帶滿足建設(shè)工程需求的場地很少，就必然會(huì)采取挖填方來實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程的需要，從而導(dǎo)致建設(shè)場地的大面積、大厚度填方或挖方，這就會(huì)改變地下水的排泄條件，如地下水位的排泄基準(zhǔn)面抬高或降低，地下水位的徑流條件改變，排泄系統(tǒng)改變等，造成場地地下水位變化，尤其是對(duì)回填土層，地下水位的上升必然會(huì)引起回填土層的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)下降，引發(fā)建設(shè)工程場地環(huán)境巖土工程問題，導(dǎo)致場地失效等危害［1，2］。為了建設(shè)場地的安全穩(wěn)定，進(jìn)行建設(shè)場地大厚度大面積填方引起的地下水位變化影響因素分析研究非常必要。文章以平朔東露天煤礦工業(yè)場地為例，探討因場地大面積、大厚度回填引起地下水位變化的影響因素，為設(shè)計(jì)場地地面排水系統(tǒng)、控制盲溝質(zhì)量等提供有力依據(jù)。

2 建設(shè)工程概況

平朔東露天煤礦位于山西省朔州市平魯區(qū)，是平朔礦區(qū)三大露天礦之一，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力20．00 Mt/a，服務(wù)年限75 a。平朔東露天煤礦工業(yè)場地包括選煤廠及礦井工業(yè)場地，場地北側(cè)為排土場，西側(cè)為露天坑，東側(cè)為麻地溝。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件，需要挖填平場，最大回填厚度達(dá)59．00 m，由此必然會(huì)引起地下水位變化，可能導(dǎo)致場地失穩(wěn)，威脅工業(yè)場地建設(shè)工程的安全。

平朔東露天煤礦工業(yè)場地地處黃土低山丘陵地貌。場地所在區(qū)域沖溝發(fā)育，山體破碎，沖蝕嚴(yán)重。場地地層有第四系全新統(tǒng)人工填土(Qml4)、第四系全新統(tǒng)沖洪積砂礫卵石層(Qal+pl4)、上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Qeol3)、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Qeol2)、下更新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)粘土(Qel+pl1)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1s)的強(qiáng)、中風(fēng)化砂、泥巖互層。

3 敏感度分析方法

根據(jù)野外調(diào)查，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，在能反映大面積填土引起工業(yè)場地地下水位變化特征的地下水三維流數(shù)值模型基礎(chǔ)上［3］，采用參數(shù)敏感度分析方法來確定地下水位變化與各影響因素之間的關(guān)系。靈敏度分析的目的就是尋找出改變某一參數(shù)的單位值，目標(biāo)函數(shù)的增量。可分以下幾步［4］:a．Xi改變，其余值不變，取常量，約束Xi在一定范圍內(nèi)變化，求目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)值;b．通過Xi單位值的變化，求解目標(biāo)函數(shù)梯度變化值，記為△＆i;c．重復(fù)上述步驟，直到所有設(shè)計(jì)變量求解完成;d．比較得到的所有變量的△＆i，從中找出最大值，確定靈敏度最大參數(shù)。

通過分析，對(duì)地下水位變化起控制作用的影響因素有:場地各地層(如人工填土)的滲透性能、場地降水入滲能力、盲溝排水能力、露天坑開挖及排土場堆土標(biāo)高等。

4 對(duì)地下水位變化影響因素分析

4．1 各地層滲透性能的影響

根據(jù)場地地層特性分析，與滲流場有關(guān)的地層有人工填土(Qml4)、黃土(Qeol3)、紅粘土(Qeol2)、殘積砂巖碎塊與粘性土混合堆積物(Qel+pl1)、砂泥巖(P1s)［3］。在模型建立中，將整體地層視為非均質(zhì)各向同性介質(zhì)，而同一地層視為均質(zhì)各向同性介質(zhì)［5］。

在模型計(jì)算中各地層所選用的參數(shù)基本代表了研究場地各地層的滲透性能。但根據(jù)試驗(yàn)獲得的各地層參數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，而是在某個(gè)區(qū)間內(nèi)分布，一個(gè)地層僅采用一個(gè)參數(shù)刻畫其滲透性，計(jì)算結(jié)果可能存在一定的偏差，為確定各地層滲透性變化對(duì)地下水位計(jì)算結(jié)果的影響，在所選用參數(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)各地層參數(shù)進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析，得到靈敏度分析結(jié)果，來確定各地層參數(shù)對(duì)水位上升的影響程度。

具體操作:選擇一個(gè)地層的滲透系數(shù)在其變化范圍內(nèi)進(jìn)行改變，而固定其他地層的滲透系數(shù)，用以計(jì)算該地層不同滲透系數(shù)條件下的水位分布。選取流場典型點(diǎn)，其中Obs1位于原麻地溝溝谷中，Obs2位于槽倉內(nèi)，Obs3位于工業(yè)場地西南角，Obs4位于工業(yè)場地東北角。根據(jù)典型點(diǎn)水位隨該地層滲透系數(shù)變化而變化的特征，確定該地層滲透系數(shù)對(duì)水位變化程度的影響;然后針對(duì)每一地層均重復(fù)上述步驟，即可確定各地層滲透系數(shù)對(duì)水位變化程度的影響。各地層滲透系數(shù)隨水頭變化的關(guān)系曲線見圖1。

從圖1中可以看出，對(duì)東露天煤礦工業(yè)場地回填后的穩(wěn)定流場影響最大的地層為強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖(圖1(e))。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖的滲透系數(shù)取低值(0．1 m/d)，工業(yè)場地內(nèi)穩(wěn)定地下水位相對(duì)取0．5 m/d時(shí)，呈顯著上升;當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖的滲透系數(shù)取高值(0．9 m/d)，工業(yè)場地內(nèi)穩(wěn)定地下水位相對(duì)取0．5 m/d時(shí)，略有下降。這表明強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖地層為工業(yè)場地回填后區(qū)內(nèi)地下水提供了排泄通道。當(dāng)該通道滲透性能較差時(shí)，排泄不暢，地下水位就顯著上升，當(dāng)該通道滲透性能較強(qiáng)時(shí)，排泄通暢，地下水位就顯著下降。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖的滲透系數(shù)大于0．9 m/d時(shí)，地下水位下降幅度顯著減小。

4．2 場地大氣降水入滲能力的影響

場地大氣降水入滲能力也是地下水位變化的主要影響因素，大氣降水入滲能力隨水頭變化的關(guān)系曲線見圖2，從圖2中可以看出，大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)對(duì)工業(yè)場地回填后穩(wěn)定流場也有顯著的影響，說明隨著非填土區(qū)、填土區(qū)的入滲補(bǔ)給系數(shù)增大，地下水獲得的補(bǔ)給量增多，地下水位上升，反之下降。由圖2還可知，填土區(qū)的大氣降水入滲能力明顯強(qiáng)于非填土區(qū)，說明大面積填土對(duì)東露天煤礦工業(yè)場地的地下水位變化影響明顯。

4．3 盲溝排水能力的影響

結(jié)合野外調(diào)查和盲溝施工設(shè)計(jì)，可知盲溝尺寸和充填物情況等對(duì)盲溝的排水效果有較大的影響，進(jìn)而對(duì)工業(yè)場地回填后模擬區(qū)地下水滲流場有較大的影響。為此，有必要對(duì)不同尺寸、不同充填物盲溝對(duì)滲流場的影響做進(jìn)一步的計(jì)算分析。模型中綜合考慮了盲溝尺寸、充填物透水性以及模型單元格大小的等效滲透系數(shù)來刻畫盲溝的排水能力，為此可通過改變模型中與盲溝相對(duì)應(yīng)單元的等效滲透系數(shù)，來刻畫不同尺寸、不同充填物的盲溝。盲溝所在單元等效滲透系數(shù)增加代表盲溝尺寸增加或充填物透水性增強(qiáng)，等效滲透系數(shù)減小代表盲溝尺寸減小或充填物透水性減弱。

根據(jù)模擬結(jié)果，從盲溝等效滲透系數(shù)隨水頭變化的關(guān)系曲線(見圖3)可知，不同等效滲透系數(shù)的盲溝對(duì)模擬工業(yè)場地回填后穩(wěn)定地下水滲流場有著較大的影響，主盲溝等效滲透系數(shù)對(duì)工業(yè)場地地下水位的影響要比支盲溝的影響大得多。隨著盲溝等效滲透系數(shù)的增大，工業(yè)場地地下水上升的幅度逐漸減少，但等效滲透系數(shù)增加幅度相同條件下，等效滲透系數(shù)越大，地下水位上升幅度的減少速度越小。隨著等效滲透系數(shù)的減小，工業(yè)場地地下水上升的幅度逐漸增加，等效滲透系數(shù)減小幅度相同條件下，等效滲透系數(shù)越大，地下水位上升幅度的增加速度越大。

4．4 露天坑、排土場的影響

東露天煤礦工業(yè)場地的西部為露天坑，距離西部分水嶺以西約500 m，露天坑將開挖至標(biāo)高1225 m以下，地下水可能由工業(yè)場地向西排泄到露天坑中。同時(shí)，露天坑北部為東露天煤礦排土場，屆時(shí)排土場的填后標(biāo)高將達(dá)到1490 m，受此影響，排土場范圍內(nèi)所獲得的部分地下水補(bǔ)給量將向工業(yè)場地徑流，并由麻地溝盲溝排水系統(tǒng)排泄，這勢必造成工業(yè)場地范圍內(nèi)地下水位進(jìn)一步上升。

圖1 各地層滲透系數(shù)對(duì)典型點(diǎn)水位的影響Fig．1 Influence of typical points water level by coefficient of permeability of each soil

為模擬露天坑低標(biāo)高排水及排土場對(duì)模擬區(qū)地下水滲流場的影響，在原基礎(chǔ)上，將模擬區(qū)西部的非活動(dòng)單元改為活動(dòng)單元，露天坑所在位置的分水嶺邊界修改為Drain邊界，排水高程為1225 m。模型經(jīng)修改計(jì)算后可得到露天坑、排土場影響下模擬區(qū)地下水滲流場等值線圖(見圖4)。由圖4可知，露天坑的存在，將顯著降低露天坑周邊地區(qū)地下水位，但是，由于東露天煤礦工業(yè)場地區(qū)滲透介質(zhì)透水性較差，導(dǎo)致露天坑降水影響范圍較小。

同時(shí)，計(jì)算模型中僅考慮了不足1 km2的排土場地下水對(duì)工業(yè)場地的徑流影響，且在露天坑降水的有利條件下，工業(yè)場地內(nèi)，部分地段地下水位仍然有一定幅度的上升，即當(dāng)排土場地帶向工業(yè)場地區(qū)的匯流面積較大時(shí)，工業(yè)場地的地下水位將進(jìn)一步顯著上升。

圖2 大氣降水入滲系數(shù)對(duì)典型點(diǎn)水位的影響Fig．2 Influence of typical points water level by precipitation coefficient of atmospheric precipitation

5 分析討論與建議

1)平朔東露天煤礦工業(yè)場地各地層滲透性能對(duì)地下水位變化有一定影響，雖然各地層滲透性能不能人為控制，但準(zhǔn)確求取各地層滲透系數(shù)，關(guān)系到因人工填土引起的地下水位變化定量計(jì)算準(zhǔn)確性。因此，建議在工業(yè)場地勘察、施工過程中應(yīng)加強(qiáng)各地層滲透性能測定工作，尤其是強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖的滲透性能對(duì)地下水位變化影響最為顯著。

圖3 盲溝等效滲透系數(shù)對(duì)典型點(diǎn)水位的影響Fig．3 Influence of typical points water level by equivalent coefficient of permeability of blind ditch

2)填土的透水性能可通過填土材料及壓實(shí)度等進(jìn)行控制，其滲透性能良好有利于降低地下水位，但對(duì)地下水位變化影響程度相對(duì)較小。另外，填土滲透性能的提高可能導(dǎo)致其力學(xué)性能的降低，建議填土過程中應(yīng)首先滿足場地對(duì)填土力學(xué)性能的要求。

3)場地大氣降水入滲能力對(duì)地下水位變化有顯著的影響，建議對(duì)工業(yè)場地范圍內(nèi)地表采取防水措施，完善地面排水系統(tǒng)。對(duì)綠化帶也應(yīng)控制灌溉強(qiáng)度，避免因綠化帶灌溉而增加地下水的補(bǔ)給強(qiáng)度。

4)盲溝對(duì)地下水變化也有顯著影響，盲溝的尺寸、充填物等對(duì)場地地下水位高低起著重要的控制作用，建議嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工。另外，輸煤暗道施工時(shí)將會(huì)挖斷已敷設(shè)的盲溝，為確保盲溝排水通暢，暗道施工結(jié)束后，應(yīng)按要求修復(fù)盲溝。

圖4 露天坑、排土場引起的地下水位變化圖Fig．4 Change chart of ground water lever by dumping site and open pit

5)北排土場的存在將引起地下水向工業(yè)場地徑流，進(jìn)而抬高場地地下水位。建議在排土場范圍內(nèi)設(shè)計(jì)排水盲溝，防止排土場內(nèi)地下水向工業(yè)場地徑流;在工業(yè)場地西側(cè)采取工程措施，攔截排土場對(duì)工業(yè)場地的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量。

［1］明海燕，李相崧，張瑞華．地下水位上升引起斜坡變形的完全耦合分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(4):510 －516．

［2］趙春宏，戴福初．深圳某填土滑坡破壞機(jī)理研究［J］．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，18(2):1 －8．

［3］平朔煤炭工業(yè)公司．山西省朔州市平朔礦區(qū)東露天礦田煤炭勘探地質(zhì)報(bào)告［R］．山西省朔州市平魯區(qū)．2004，10．

［4］毛子首，馬震岳．水輪發(fā)電機(jī)組上機(jī)架一定子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)敏感性分析［J］．黑龍江水專學(xué)報(bào)，2010，37(3):1 －3．

［5］陸 倫，張銀州．平朔東露天工業(yè)場地地下水位變化特征及對(duì)策［J］．露天采礦技術(shù)，2010(5):50 －52，54．