河堤受河道采砂開采影響的變形規律研究

■王五洲 ■略陽縣水電安裝隊，陜西 漢中 724300

河堤是指為了保護工廠、農田和人民的生命財產安全而逐步興建的沿著河、湖、渠、海等岸邊或分蓄洪區、行洪區等修筑起來的用于擋水的構筑物，屬于重要的防洪工程。目前我國的土質堤防大約為240000公里，而土質堤防容易受到滲流穿透，從而形成裂縫或引發沉陷，如果防護不當或者不及時，將會給沿岸的工農業生產以及百姓的生命財產造成極大威脅［1］。

河堤除了受到雨水、地下水滲流、地下洞穴、交通荷載的影響外，其沉降還會受到河道開采的影響。堤體會在各種力的作用下，不斷減少土中的孔隙氣和孔隙水，隨著孔隙體積的不斷減小，土體也會不斷壓縮［2］。本文將研究開采對河堤影響的變形規律，分析河堤在開采的影響下出現的移動變形的分布規律。

1 某河道采砂區概況

該采砂區位于天臺山的南段西側，河流向著東南方向流動。此地的地形較為復雜，且溝谷發育、地勢陡緩、切割劇烈，僅僅在河流的東岸有較為狹窄的平地。整體的地貌形態是西北高、東南低，屬于丘陵區。通過分析發現，地表的標高為650m－1160m之間，河流及其直流均流經井田的東部和南部，河谷的兩側屬于侵蝕堆積的地形，從而構成了河漫灘以上的三級階地。

該采砂區主要的含水層為奧陶系石灰巖，該石灰巖具有較強的富水性［3］。區內的東南面和西北面都露出了大面積的奧陶系灰巖，從而形成了補給區，補給的面積為3000km2，補給量為14m3/s，年平均降水量為516mm。靜水位的標高從西北向著東南逐漸遞減，水力坡度為1.0‰－11.0‰，地下水的流向為東北－西南方向。

該采砂區位于“山”字形的脊柱構造上，構造的形式主要是褶曲，很少有斷裂。奧陶系石灰巖是主要的含水層，其上覆蓋了良好的粉砂巖和泥巖作為隔水層，因此在無斷裂貫通的情況下，在垂直的方向上對砂層沒有水力聯系，所以對采砂區的充水影響非常小。在經過開采前期的準備后，明確了在河堤下使用長壁垮落法進行河砂開采時的導水裂縫帶的高度，從而保證了河床下的回采工作的安全。通過前期準備，我們還掌握了該河流流域地表裂縫的規律以及地表移動的規律，堤體和堤基的工程地質條件，并測定、分析土層的力學特征，并以此為基礎研究河砂開采對堤壩造成的變形規律和預測預報模型，從而保證堤壩雖然受到采動影響，但是在不同的水位差的條件下均能夠保持動力穩定、靜力穩定和滲流穩定［4］。

2 河堤受開采影響的數值模擬計算

為了研究河道開采對河堤的變形影響，我們使用FLAC3D這種有限差分計算軟件對5201、5202、5203這三個開采工作面所產生的采動影響進行模擬。

在拉格朗日有限差分方法當中，將邊界條件和基本的方程組近似地通過差分方程進行表示，也就是說，將二者通過空間離散點的場變量相關的代數表達式來代替。注意這些單元內的變量都是非確定的，因此能夠將求解的微分方程變換成為代數方程，從而降低求解的難度。另一方面，在有限元的法則中，需要通過場變量使每個單元當中的特殊方程發生變化，而這些特殊方程還會受到某些參數的控制。在公式中會對這些參數進行調整，從而減小能量項和誤差項。

圖一 有限差分網格

有限差分的數值計算是通過有限差分網格實現的，各個網格間隔等距，均為h，且直線均平行于X軸和Y軸(如下圖所示)。因此如果加設f=f(x，y)表示彈性體內的某個連續函數，那么它可能表示某個位移分量或者應力分量，同時也可能表示應力函數、滲流、溫度等等。

3 計算模型的建立及本構關系

(1)建立計算模型。模型的東西方向長1500m，南北方向長1500m，地層的深度為600m。模型的基點位于地表的左下角，其坐標為(20374500.000，3703900.000，0)，該模型總共劃分了134681個單元，結點的總數是154216。X軸的方向是西－東走向，Y軸的方向是南－北走向，Z軸的方向是豎直向。這三個坐標軸之間均滿足右手規則［5］。該模型的4個側面均添加了位移邊界條件，而切斷工作面豎向邊界的位移限制，豎向及切向只有，模型底面與其余3個豎向邊界面三向固定。

(2)本構關系分析。根據巖石力學的試驗結果和現場的取樣分析，計算中通過莫爾－庫侖屈服準則對巖體的破壞程度進行判斷，公式如下:

公式中的σ1表示最大主應力，σ3表示最小主應力，而c表示粘結力，ψ表示摩擦角。如果fs＞0，那么表示材料出現了剪切破壞，在一般應力狀態下，巖體所具備的抗拉強度非常低，所以可以根據σ3≥σ3T這一抗拉強度準則來判斷巖體是否出現破壞。

通過圖解法對5201、5202、5203三個工作面的傾向邊界角進行計算，求得傾向邊界角為45.7°，傾向移動角為49.3°。根據分布曲線預測，河堤最大的下沉值在2000mm左右，而三個工作面所測得的最大的下沉值是1694mm。而從5201工作面進行開采到5203工作面最后開采的觀測來分析，連續觀測到的最大下沉值為2176mm。

4 結束語

綜上所述，開采對河堤會產生移動變形的影響，通過變形規律的分析和探究能夠為保護河堤提供可靠的依據，從而保證開采的正常安全進行。

［1］常西坤，郭惟嘉，黃冬梅等.伊家河河堤下河道采砂危害性分析［J］.山東科技大學學報(自然科學版)，2011，28(14):725 －729.

［2］田文書，陳長華，劉波等.河湖下厚煤層開采河道損害機理及綜合防治技術研究［J］.治淮，2012，17(23):1021 －1022.

［3］王廟春.孔莊礦湖堤下河道采砂沉陷規律實測研究［J］.煤礦開采，2011，16(24):655 －657.

［4］王柏榮.淮南礦區淮河堤下煤層的開采實踐——堤體采動變形規律與維護［C］.中國煤炭學會2010年綜合性學術年會論文集.:204～212頁.

［5］陳玉平，鄧喀中.皖北礦區河流下煤炭安全開采技術［J］.煤礦安全，2012，43(17):182 －184.