煤礦地下水庫人工壩體抗震性能數值模擬研究

宋丹青，劉曉麗，王恩志，張建民

(清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100091)

針對水資源時空分布不均的問題，我國一些學者提出了地下水庫建設的理念[1- 2]。自上世紀80年始，河北省修建了第一個地下水庫，為我國相應的地下水庫建設提供了寶貴的原始經驗[3- 4]。目前，我國煤炭開采面臨諸多問題，包括引發的環境問題、廢棄采空區的處置問題、礦區水資源缺乏等，煤礦開采作業對水資源浪費的嚴重性及對環境的破壞程度不容忽視。因此，為實現煤炭資源的綠色開采，大力推進保水開采技術勢在必行。對煤礦地下水進行資源化再利用可以有效地保護礦區水資源，有助于解決水資源流失所引起的一系列的環境問題，開展煤礦地下水庫方面的研究也尤為迫切。

地下水庫是由天然的儲水結構組成的庫區，根據其儲水結構形式的不同可劃分為松散介質，裂隙介質，巖溶介質等；也可根據其擋水工程結構形式不同分為有壩，無壩和混合型3種類型[5- 8]，其中有壩地下水庫主要建在山前坡積區，由于這種地勢坡度大，會導致地下水的水力坡度陡，流速大，在其下游處有出口，需要修建地下壩截斷水流，保持庫容[9- 11]。許多學者針對地下水庫開展了大量的研究，并取得了諸多的研究成果。張春輝等結合平潭蘆洋埔地區的水文地質條件，研究了興建地下水庫的可行性，規劃了地下水庫地下壩、回灌系統和開采系統[11]。王興超闡明了地下水庫應用于海綿城市建設中的優勢及地下水庫調蓄、凈化、水循環路徑等基本原理，論證了地下水庫系統應用于海綿城市建設的可行性[12]。李鳳麗等結合母豬河下游的水文地質條件，利用Visual Modflow進行數值模擬，對地下水庫進行調蓄分析，確定較為合理的開采方案[13]。王文才等通過采用公式推導和實驗室相似模擬實驗的方法，分析研究地震或其他震動持續存在的情況下，采空區水庫各主要部分的穩定性以及安全度的變化情況[14]。姚旭初等以南水北調工程中線工程受水區北京市密懷順區域為例，研究探討了地下水庫庫容和特征水位的計算方法，并通過數值模型計算了地下水庫的回補規模和合理的調蓄能力[15]。姚強嶺等通過試驗研究了地下水庫人工壩體強度損傷演化特征[16]。曹志國采用數值模擬方法對地下水庫的地震動力響應特征進行了研究，分析了地下水庫的抗震性能[17]。顧大釗等采用振動臺模型試驗及數值模擬方法對地下水庫的抗震性能進行了分析，研究了地震作用下地下水庫的破壞特征及其影響因素[18- 19]。

目前，修建地下水庫人工壩體將會面臨諸多工程問題，壩體與圍巖的協調性及壩體的安全性等將會對地下水庫的建設和運營產生十分不利的影響。然而，目前針對覆巖及水頭荷載作用煤礦采空區地下水庫人工壩體抗震性能方面的研究不足。本文以我國北方某煤礦為例，采用有限元方法對地下水庫結構開展動力分析，通過分析采強震作用下地下水庫人工壩體、煤柱壩體及整體性結構的動力響應及破壞特征，研究了煤礦地下水庫的抗震性能，為煤礦地下水庫類似工程建設提供借鑒。

1 工程地質概況

內蒙古和陜西都是我國的煤炭儲量大省，鄂爾多斯盆地有這樣一個三角地帶，被稱為我國能源領域的“金三角”[18]。該地帶北起鄂爾多斯市，南連陜西榆林市，西接寧夏寧東。“金三角”區域水資源存儲量少，蒸發量大。礦區地處“金三角”核心，區域水資源僅占全國的0.37%，蒸發量超過降雨量的6倍。礦區內大部分煤層埋深淺，易開挖；基巖薄，易導通含水層。該區域屬于河流沉積相，且巖相變化很大，后期的構造運動導致結構面發育。本文所研究的煤礦位于陜西省神木縣，地處烏蘭木倫河畔，煤礦地下水庫示意圖如圖1所示[20]。地下水庫擋水壩體由煤柱壩體和人工壩體交替連接而成，煤柱壩體寬約25m，高約5m，人工壩體厚度約1m，長度5m。

圖1 地下水庫示意圖[20]

分布式地下水庫對礦區水資源的保護起到了十分積極的作用。但同時，如何對分布式地下水庫的安全性進行評價是地下水庫技術應用和推廣過程中亟待解決的關鍵問題之一。特別是在礦震、地震等極端條件下，地下水庫能否安全運行既是關注的重點，也是最大的疑慮。為此，針對地下水庫的抗震安全問題，結合前期的振動臺模型試驗工作，開展了一系列數值模擬的研究，以期評估在不同的地震烈度下地下水庫的安全性。

2 地下水庫結構及計算模型介紹

2.1 數值模型建模

根據實際工程情況，本著從局部到整體的研究思路，共選擇了3種結構進行抗震分析，分別為單壩體結構、多壩體結構和上下層水庫結構。本研究主要以單壩體結構為例，開展地下水庫人工壩體抗震分析。煤礦分布式地下水庫主要是由采空區、周圍的留設煤柱及煤柱間的擋水建筑物-人工壩體組成，即地下留設煤柱通過人工壩體的連接，使采空區形成封閉空間。留設煤柱的寬度約為20～30m，典型的人工壩體結構如圖2所示。人工壩體的整體結構由擋水墻與支墩組成，如圖2(a)所示，其中擋水墻包括混凝土墻等4層結構，主要承載部分為混凝土墻，其余3層起到防滲保護作用。施工過程中，將兩側煤柱及頂、底板巖體進行掏槽處理，掏槽深度為300mm。支墩位于擋水墻凌空面(背水面)的中間位置，長1.7m，寬0.8m，高度與擋水墻一致，且上下均嵌入巷道的頂、底板中，其作用是為了增強壩體的穩定性，提高其抗傾覆的能力。根據實際工程的情況，選取了長100m，寬60m，深約150m的巖體范圍為計算模型，其中煤柱高度約3.5m，寬度30m。實際工程中的人工壩體共有4層，在計算模型中并未考慮磚墻和黏土墻結構。

圖2 地下水庫人工壩體(單位：m)

采用ABAQUS開展數值模擬，不僅可勝任復雜結構的靜態與動態分析，而且計算精度高，在爆炸、沖擊、地震等非線性動力學分析中應用十分廣泛。在單壩體結構的數值模擬過程中，由于主要考察的是人工壩體、煤柱壩體的抗震性能和破壞情況，而上層覆巖和底層巖體只起到提供地應力和支撐的作用，因此為了減少計算量、提高計算效率，模型中采用彈塑性本構模型來描述人工壩體和煤柱壩體，并結合巖土力學中常用的摩爾庫倫屈服準則來判定材料狀態，針對上層覆巖和底層巖體，則采用線彈性本構模型來描述其力學行為。數值模型中相關的材料參數見表1。壩體結構數值模型如圖3所示。

表1 壩體物理力學參數

圖3 壩體結構數值模型

2.2 地震載荷加載

采用EI-centro作為地震動加載波形，加載波的持時約為50s，其時程曲線如圖4所示。從波形可以看出其破壞性較強的時間段約為前30s，因此為節省計算時間，在數值模擬過程中截取前30s的波形作為地震波的輸入，并通過調整峰值加速度的方法模擬不同的地震烈度(模擬過程中選取了6～10度)，地震烈度與水平加速度峰值的對應關系見表2。地震波施加于計算模型的底部，以模擬地震波從下方傳來的情況。

圖4 EI-Centro地震波的時程曲線

表2 地震烈度與水平加速度峰值的對應關系

3 計算結果分析

3.1 人工壩體動力響應特征

在數值模擬中，主要通過塑性區范圍來表達在地震載荷作用下，煤柱壩體、人工壩體及結構整體的響應特性及破壞情況。等效塑性應變大的地方巖土體的塑性變形都較大，可認為巖土體已經發生了破壞。為研究強震作用下地下水庫整體結構、人工壩體結構及擋水墻動力響應及其破壞特征，輸入不同地震烈度作用下的等效塑性應變如圖5—9所示。地震烈度小于7度時，地下水庫整體結構、人工壩體結構及擋水墻的等效塑性應變如圖5所示。圖5(a)和圖6(a)表明，地震作用下地下水庫的整體性結構的等效塑性應變主要集中在人工壩體區域，而在上覆巖體及基巖中數值很小，這說明地震作用下地下水庫的主要表現出現在人工壩體區域。圖5(b)、(c)和圖6(b)、(c)表明，擋水墻的等效塑性應變較小，最大等效塑性應變集中在煤柱壩體與人工壩體交界處，最大值約為0.002715。地震作用下煤礦地下水庫的變形破壞區域主要集中在煤柱壩體與人工壩體的交界處，上覆巖體及基巖變形較小，地震動對人工壩體及擋水墻變形的影響較小。由此可知，人工壩體的破壞特點主要有：壩體凌空面處容易破壞，特別是與地震波的運動方向垂直的凌空面，是最容易破壞的位置，較其他位置而言，這些地方比其他約束力較強的地方更容易發生破壞。

圖5 6度地震作用后壩體破壞情況

圖6 7度地震作用后壩體的破壞情況

圖7 8度地震作用后壩體的破壞情況

3.2 強震作用下人工壩體損傷特征分析

為進一步研究強震作用下地下水庫人工壩體結構的損傷特征，以輸入地震烈度6～10度為例進行研究。輸入地震烈度小于7度時，圖5—6表明，人工壩體的損傷及破壞區域較小，地下水庫整體性損傷破壞變形較小，主要在煤柱壩體區域出現了輕微的損傷變形，人工壩體及擋水墻區域未出現明顯的損傷破壞，這說明地下水庫抗震設計滿足七級抗震標準。圖7表明，地震烈度為8度時地下水庫整體結構的等效塑性應變主要出現在煤柱區域，其他區域的等效塑性應變較小，這說明8度強震作用下地下水庫的損傷變形主要出現在煤柱壩體區域，與6度和7度地震烈度相比，在8度和9度地震條件下，煤柱壩體出現了較為嚴重的損傷破壞，并且其損傷變形區域出現了一定程度的擴大，人工壩體幾乎沒有發生損傷破壞。

圖8 9度地震作用后壩體破壞情況

圖9 10度地震作用后壩體的破壞情況

此外，圖8表明，地震烈度為9度時，擋水墻與煤柱接觸區域的等效塑性應變出現了一定程度的增加；煤柱壩體的等效塑性應變范圍出現了擴展增加，不僅在煤柱壩體與人工壩體交界處的等效塑性應變較大，而且在煤柱壩體的中央區域出現了條帶式分布，煤柱的損傷變形規模及程度出現了較大的增加。輸入10度地震烈度時，整個煤柱壩體均表現出了損傷變形特征，擋水墻與煤柱壩體接觸區域的損傷變形十分嚴重。由此可知，隨著地震烈度增加，煤柱壩體及擋水墻的損傷變形規模及程度逐漸增加，地震烈度6度和7度時，地下水庫的損傷變形較小；地震烈度8度和9度時，煤柱壩體的損傷變形進一步增加，擋水墻的波形變形較小；地震烈度10度時，煤柱壩體出現了整體性破壞變形，擋水墻結構也隨之出現了大變形破壞。

3.3 地震強度對地下水庫人工壩體動力響應的影響

為研究地震強度對煤礦地下水庫動力特性的影響，選取不同地震動強度下煤柱壩體的最大等效塑性應變及其放大倍率進行分析，如圖10所示。圖10(a)表明，隨著地震烈度的增加，地下水庫壩體結構的最大等效塑性應變逐漸增加，在地震烈度小于7度時，地下水庫及煤柱壩體的最大等效塑性應變較小，整體上小于0.01。地震烈度8度時，煤柱壩體的最大塑性應變出現了一定程度的增加，最大等效塑性應變增加至0.035。地震烈度9度時，煤柱壩體的最大塑性應變出現了較大程度的增加，最大等效塑性應變增加至0.75。地震烈度10度時，煤柱壩體的最大等效塑性應變出現了大幅度的增加。圖10(b)表明，擋水墻結構最大等效塑性應變水地震烈度增加逐漸變大，與煤柱壩體有相似的變化規律。基于上述數值模擬分析結果可知，在地震烈度7度以內，地下水庫及煤柱壩體未出現明顯的變形破壞，地震烈度大于8度后開始出現損傷變形破壞。

圖10 最大等效塑性應變

4 結論

本文采用有限元方法研究了煤礦地下水庫人工壩體的抗震性能，可得到如下結論：

(1)煤礦地下水庫人工壩體結構的抗震能力為7度，當地震烈度小于7度時，地下水庫壩體沒有出現大范圍的塑性區域，處于安全范圍內。

(2)強震作用下煤柱壩體是主要的損傷破壞區域。最大等效塑性應變出現在煤柱壩體區域，上覆巖體及基巖的等效塑性應變較小，煤柱壩體凌空面處易出現破壞。

(3)地震烈度對煤礦地下水庫的損傷變形具有影響。隨著地震烈度增加，煤柱壩體及擋水墻的損傷變形規模及程度逐漸增加。地震烈度小于8度時地下水庫的損傷變形較小，地震烈度9度時煤柱壩體的損傷變形出現一定程度增加，地震烈度10度時，煤柱壩體出現了整體性破壞變形。