淺談高地下水位地區(qū)煤礦工業(yè)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)

王 鋒

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

0 引言

近年來(lái)隨著環(huán)境氣候的改善，在蒙陜地區(qū)降雨頻率逐漸增加、雨量增大且持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，造成區(qū)域地下水位升高，如果在設(shè)計(jì)過程中此種現(xiàn)象未引起足夠重視，則容易造成基礎(chǔ)埋深較淺的建構(gòu)筑物在設(shè)計(jì)過程中需要考慮抗浮設(shè)計(jì)、防滲設(shè)計(jì)，施工過程中需采用降水措施，同時(shí)企業(yè)在正常生產(chǎn)運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)凍脹、凍融、滲水等問題，這不僅增加項(xiàng)目建設(shè)成本、影響項(xiàng)目的正常建設(shè)進(jìn)度，同時(shí)也影響項(xiàng)目生產(chǎn)期間的安全運(yùn)行。因此此類問題應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的高度重視，避免在該類地下水位較高的區(qū)域出現(xiàn)類似問題。本文則以可可蓋煤礦項(xiàng)目為例，闡述高地下水位地區(qū)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)，并提出一種針對(duì)高地形水位的設(shè)計(jì)思路及方法。

1 項(xiàng)目概況

可可蓋井田位于陜西省榆林市境內(nèi)，東南距榆林城約32 km，行政區(qū)劃隸屬榆林市榆陽(yáng)區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)、岔河則鄉(xiāng)、馬合鎮(zhèn)管轄。井田西部與大海則井田相鄰，東部與小紀(jì)汗井田相鄰，南部與西紅墩井田相鄰，北部與孟家灣二號(hào)井田相鄰[1]。

本井田位于毛烏素沙漠與陜北黃土高原的過渡地帶，區(qū)內(nèi)絕大部分面積為沙漠灘地區(qū)，該區(qū)沙丘常以中新月形沙丘和鏈狀沙丘為主要特點(diǎn)，無(wú)明顯的排水方向。沙漠灘地區(qū)內(nèi)除20%左右低洼處為灘地外，其余地段均為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙堆積。

井田內(nèi)地表徑流不發(fā)育，無(wú)常年河流及溪溝，屬溫帶大陸性季風(fēng)干旱、半干旱草原氣候區(qū)。天氣多變，春季多風(fēng)沙，夏季較炎熱，秋季多暴雨，冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒。年平均氣溫8.8 ℃，7～8月最高氣溫38.9 ℃，元月份最低氣溫-29.7 ℃，日溫差15～20 ℃。年平均降水量436.6 mm，年平均蒸發(fā)量1 774.1 mm。7月份為雨季，10月中旬降雪，翌年2月解凍，無(wú)霜期150～180 d，最大凍土深度1 460 mm。

2 豎向設(shè)計(jì)

豎向設(shè)計(jì)的目的是對(duì)工業(yè)場(chǎng)地所處的自然地形加以利用和改造，合理處理與場(chǎng)地相關(guān)的自然地形，選擇合理的豎向布置形式[2]，確定合理的場(chǎng)地標(biāo)高，以適應(yīng)企業(yè)建設(shè)和生產(chǎn)的需要[3]。

可可蓋煤礦地處毛烏素沙漠邊緣地帶，該區(qū)沙丘常以中新月形沙丘和鏈狀沙丘為主要特點(diǎn)，無(wú)明顯的排水方向，設(shè)計(jì)者往往注重場(chǎng)地總平面布置，地表防洪排澇，而忽略了地下水對(duì)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)的影響[4]。因此項(xiàng)目在設(shè)計(jì)之初，對(duì)其所處場(chǎng)地進(jìn)行踏勘、調(diào)研發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)有小海子零星分布，位于井田西側(cè)的大海則礦井、西南側(cè)巴拉素礦井、南側(cè)西紅墩礦井、東南側(cè)袁大灘礦井等工業(yè)場(chǎng)地地下水均較高，因此初步判斷可可蓋煤礦屬于高地下水影響較大的場(chǎng)地。設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了上述煤礦的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合平面布置在考慮場(chǎng)地防洪排澇的同時(shí)重點(diǎn)考慮地下水對(duì)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)的影響。并從地下水的成因、高程、流向以及對(duì)建構(gòu)筑物影響的角度出發(fā)，闡述高地下水地區(qū)如何確定場(chǎng)地豎向布置形式及標(biāo)高。

2.1 地下水成因的分析

根據(jù)井田地質(zhì)勘探報(bào)告所述[5]，本區(qū)域內(nèi)地下水的形成、分布特征主要受地貌的制約，此外還受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文氣象諸因素綜合控制[6]。地下水類型分為新生界松散巖類孔隙及裂隙孔隙潛水，中生界碎屑巖類裂隙孔隙潛水與層間承壓水兩大類。影響場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)的主要是新生界松散巖類孔隙及裂隙孔隙潛水(以下簡(jiǎn)稱潛層水)，潛層水的徑流方向由西北向東南，基本與現(xiàn)代地形相吻合，河谷區(qū)潛水徑流方向與地表水徑流方向斜交。其地下水的排泄為蒸發(fā)、人工開采及基巖裸露地段有大小不等的泉水出露外，大部分以泄流的方式排入河流[6-7]。

根據(jù)工業(yè)場(chǎng)地工程地質(zhì)報(bào)告(詳勘)[6]、井田勘探資料揭露的鉆孔綜合判斷，場(chǎng)地所處地區(qū)為富水區(qū)-中等富水區(qū)，地下水位埋深在0.7～5.3 m之間，滲透系數(shù)9.11～24.672 6 m/d。井田范圍內(nèi)地下水位標(biāo)高大致在1 240～1 280 m之間，工業(yè)場(chǎng)地區(qū)域地下水位高程在1 263.00～1 269.00 m之間。區(qū)域水文地質(zhì)略圖如圖1所示[5]，區(qū)域基巖潛水等水位線如圖2所示[5]。地下水位等值線如圖3所示。

1-沙漠灘地區(qū)(中等富水區(qū)-富水區(qū))；2-河區(qū)階地區(qū)(中等富水區(qū))；3-黃土梁崗區(qū)(弱富水-中等富水區(qū))；4-黃土梁峁區(qū)(極弱富水區(qū))；5-井田位置；6-3號(hào)煤自燃邊界；7-大泉及流量(L/s)圖1 區(qū)域水文地質(zhì)略圖Fig.1 Regional hydrogeology

1-居民地；2-水系；3-等水位線(m);4-地下水流向；5-井田位置圖2 區(qū)域基巖潛水等水位線Fig.2 Regional bedrock diving water table contour

圖3 地下水位等值線Fig.3 Groundwater level contour

2.2 工業(yè)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)

在充分了解并掌握地下水的成因、水位高程的情況下，分析自然地形、地下水位與場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)相互關(guān)系，在滿足場(chǎng)地排水要求的條件下，通過合理的豎向設(shè)計(jì)，降低地下水對(duì)場(chǎng)地地下構(gòu)筑物的影響。

2.2.1 自然地形對(duì)豎向設(shè)計(jì)的影響

該區(qū)內(nèi)地表徑流不發(fā)育，無(wú)常年河流及溪溝，沙丘常以中新月形沙丘和鏈狀沙丘為主要特點(diǎn)[8]，無(wú)明顯的排水方向，容易產(chǎn)生內(nèi)澇。同時(shí)本區(qū)地下水位較高，沙漠地面雨水下滲速度快[7]，凍結(jié)深度大，凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重，這些是影響工業(yè)場(chǎng)地平場(chǎng)標(biāo)高確定的最主要因素。因此在豎向設(shè)計(jì)前，首先對(duì)場(chǎng)地所處地形進(jìn)行分析，場(chǎng)地所處自然地形高程由西南向東北方向降低，西南最高處的自然地形標(biāo)高為1 280.00 m，東北角最低自然地形標(biāo)高為1 264.00 m，自然地形坡度為1.6%。由于自然地形坡度較小，豎向布置采用平坡式[9]；為保障廠區(qū)地表雨水可以順利排至外部低洼處并流至下游區(qū)域，避免產(chǎn)生內(nèi)澇[10]，場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高不應(yīng)低于1 268.00 m。礦井工業(yè)場(chǎng)地地形分析圖如圖4所示。

圖4 礦井工業(yè)場(chǎng)地地形分析Fig.4 Terrain analysis of mine industrial site

2.2.2 地下水對(duì)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)的影響

通過對(duì)自然地形的分析，初步確定場(chǎng)地豎向布置形式以及場(chǎng)地標(biāo)高，然后再通過分析地下水對(duì)地下構(gòu)筑物的危害以及與地下構(gòu)筑物的埋深的關(guān)系后，進(jìn)一步優(yōu)化場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)方案即設(shè)計(jì)標(biāo)高。

凍融、凍脹：地下水產(chǎn)生的凍脹、凍融等不利影響，其產(chǎn)生的危險(xiǎn)形變會(huì)破壞道路、硬化場(chǎng)地面層的平整度，甚至有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致建構(gòu)筑物某個(gè)結(jié)構(gòu)層的破壞而影響建構(gòu)筑物的安全性和穩(wěn)定性。

管溝滲水：地下水暖綜合溝、電纜溝等敷設(shè)深度在2.0～3.0 m之間，管溝基礎(chǔ)基本位于地下水位線附近，在豐水期則處于地下水位線以下，地下管溝主溝與支溝、支溝與建筑物銜接的薄弱處極易滲水，并且較難封堵，管溝滲水后對(duì)其安全運(yùn)營(yíng)造成很大威脅，并且加大了后期運(yùn)營(yíng)的費(fèi)用。

抗浮設(shè)計(jì)：由于場(chǎng)地地下水埋深較淺，考慮水位變幅，擬建有地下室或基礎(chǔ)埋深較深的水池等建(構(gòu))筑物應(yīng)進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

2.2.3 地下構(gòu)筑物埋深分析

根據(jù)同類型礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及本項(xiàng)目已完成的初步設(shè)計(jì)文件，通過對(duì)場(chǎng)地建筑物埋深、地下管溝埋深以及道路、硬化場(chǎng)地結(jié)構(gòu)厚度的分析，大致可歸為埋深小于3.0 m的淺層基礎(chǔ)類和埋深大于3.0 m的深層基礎(chǔ)類兩大類。對(duì)于淺層基礎(chǔ)類埋深的建構(gòu)筑物，由于埋藏深度小，如果場(chǎng)地標(biāo)高確定的較低，容易使其位于地下水位以下，不僅在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮抗浮、防凍脹、防滲等問題，同時(shí)在施工過程中需要考慮降水施工，增加總的投資費(fèi)用等；地下構(gòu)筑物長(zhǎng)期位于水位以下，存在安全隱患；如果場(chǎng)地標(biāo)高確定的較高，雖然解決了上述抗浮、凍脹等問題，但是隨之而來(lái)的則是填土量過大[10]，土的來(lái)源的問題無(wú)法解決或者運(yùn)距過遠(yuǎn)，投資過大。建構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋深詳見表1。

表1 建構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋深一覽Table 1 List of buried depths of building foundations

因此場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足防洪排澇的要求[11]，其次結(jié)合場(chǎng)地建構(gòu)筑物的埋深，確保淺埋深的建構(gòu)筑物位于地下水位以上，即場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高應(yīng)高于地下水位高程約3.5～4.0 m(考慮水位上浮0.5～1.0 m)，這樣不僅既避免了由于考慮建構(gòu)筑物抗浮、防滲、防凍等問題增加建設(shè)投資，同時(shí)又減小了生產(chǎn)運(yùn)行期間安全運(yùn)行的管理費(fèi)用。

結(jié)合工業(yè)場(chǎng)地工程勘察報(bào)告(詳勘)[6]中鉆孔揭露的地下水位情況繪制地下水位等值線圖，該場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水位高程在1 263.00～1 269.00 m之間，其平均流水坡度為0.5%[9]。因此場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)時(shí)平場(chǎng)綜合坡率宜不小于0.5%[11]，同時(shí)考慮各區(qū)域內(nèi)的淺層埋深類建筑基礎(chǔ)位于地下水位高程以上，確定場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高不應(yīng)低于1 268.50 m，結(jié)合防洪排澇最終確定的場(chǎng)地標(biāo)高不低于1 268.50 m。地下水位與豎向設(shè)計(jì)關(guān)系如圖5所示。

圖5 地下水位與豎向設(shè)計(jì)關(guān)系示意Fig.5 Relationship between groundwater level and vertical design

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合可可蓋煤礦項(xiàng)目，通過對(duì)地下水位的成因、高程以及場(chǎng)地建構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋設(shè)深度、自然地形等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，在場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮了防洪排澇等因素，重點(diǎn)從地下水位對(duì)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)影響角度出發(fā)，通過場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)合理的確定場(chǎng)地標(biāo)高，避免在建設(shè)及生產(chǎn)運(yùn)行過程中造成建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本的增加以及對(duì)安全生產(chǎn)的影響，為解決凍脹、降水、滲水等一系列問題，提供一種設(shè)計(jì)思路。