某水电站DM金洞采空区场地稳定性研究

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　　摘  要：某水电站具有水库长（库岸线200km）、两岸居民多（三万人）、地貌差异大、工程地质问题复杂多样等特点，沿岸分布有煤窑、金洞、防空洞等二十余处不同类型的采空区。大坝上游55km的DM金洞采空区规模最大，共集中分布37个采金洞，采金历史达百余年，下部金洞分布密集，上部地表民宅多。水库蓄水后DM金洞采空区将被淹没，在库水位升、降过程中金洞采空区内壁发生垮塌时，地面是否会发生变化，进而引起地表建筑物产生变形破坏，是库岸稳定性评价时需关注的重要工程地质问题。本次研究工作主要通过地质测绘、调查、试验及采空区场地渗流场、应力状态、变形状态的三维数值模拟等技术手段，研究和预测了采空区场地在水库蓄水后的破坏情况和影响范围，水库运行后也逐步得到了实践检验。本次研究成果為水库征地移民搬迁工作提供了重要依据，对同类工程项目具有借鉴意义，对规程规范的完善也有一定参考价值。
　　关键词：金洞采空区;稳定性研究;水库
　　中图分类号：TV221.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）17-0060-03
　　Abstract： The hydropower station is a long reservoir with 200 km shoreline， more than 30，000 inhabitants on both sides， great different landforms， complex and diverse engineering geological conditions， and other characteristics. There are more than 20 different types of goaves along the banks， such as coal pits， gold mines and air-raid shelters. The 55 km long DMGold Mineson the upstream of the damis the largest goaf， which with 37 gold mines distributed densely and more than a hundred years of history. The gold mines are densely distributed underground， and there are many houses on the ground. The goaves will be submerged after the reservoir impoundment. Whether the ground will change when the inside wall of the goaves collapse during the process of reservoir water level rising and falling， and then cause the deformation and destruction of the surface buildings， is an important engineering geological problem to be concerned in the stability evaluation of the reservoir bank. Through geological mapping， investigation， test and three-dimensional numerical simulation of seepage field， stress state and deformation state of the goaves， this research has studied， analyzed and predicted the damage situation and influence scope of the goaves after reservoir impoundment， and the results has been gradually tested in practice after actual reservoir operation. The research results will provide an important basis for land expropriation and resettlement in the reservoir area， and it provides reference for similar projects and for the improvement of regulations and norms.
　　Keywords： gold goaves; stability study; reservoir
　　1 概述
　　20世纪80年代以来，人们逐渐认识到采空区围岩稳定性理论研究的重要性，这也是我国地质工程学领域的热点和难点。对于水库工程，国内对金洞采空区的研究在金洞的数量和规模上都不是很大，而本文“DM金洞采空区”中所涉及的金洞分布数量之多（密集分布37个）、延伸规模之大、采金历史之悠久（达百余年）在国内少见。水库蓄水前对DM金洞采空区进行了三维数值模拟分析，研究和预测了采空区场地在水库蓄水后的破坏情况和影响范围，为水库征地移民搬迁工作提供了重要依据，并在水库运行5年后逐步得到了实践检验。
　　2 采空区场地稳定性研究与评价
　　DM金洞采空区距离大坝55km，该河段阶地发育，砂金富集，采金历史悠久，金洞密集。
　　2.1 基本地质条件
　　DM金洞采空区位于库区右岸的阶地上，其中Ⅰ、Ⅱ阶地受库水淹没，Ⅲ级阶地高于水库正常蓄水位。该区出露的地层主要为二叠系统中玄武岩和第四系堆积体。该河段少有较大断裂，岩体中有小断层及层间错动带发育。 　　2.2 采空区空间分布及开采状况调查
　　（1）金洞采空区的平面分布情况
　　该河段采金洞开采已有百余年的历史，在现场共发现37个采金洞（图1），它们主要分布在Ⅰ、Ⅱ级阶地，其中Ⅱ级阶地集中了90%的金洞。金洞开采部位主要靠近卵砾石层底部、砂层顶部的范围，这种分布规律与砂金自身的特点是有关系的，砂金一般富集在砂卵砾石层的下部。Ⅲ级阶地为侵蚀阶地，无金洞分布。
　　（2）金洞采空区的空间位置
　　经过近百年的时间，大部分金洞已经坍塌，根据对洞口的调查，金洞的开挖方式一种是水平挖进，一种是斜着挖下数米，再水平挖进。由于过去开采金洞都是凭借经验开挖，主洞和支洞的形状、规模、数量和位置都具有随机性，根据可以进入的金洞结构，结合当地居民提供的信息，确定了部分金洞在空间上的展布位置（图2）。
　　（3）金洞采空区地表变形
　　根据走访，历史上没有发生过因金洞垮塌而引起的地表房屋倒塌事件，主要原因就在于金洞有一层胶结较好的砂层。虽然没有发生过房屋垮塌，从整体上说也是稳定的，但是局部还是有明显的变形，少数房屋出现了宽几厘米的裂缝和沉降。
　　（4）历史上砂金开采状况
　　该河段历史上采金相当盛行，清朝末年、民国时期开始采挖金洞，直至解放初期才终采。百余年以来，金洞开采随意性很大，且年代久远，多数金洞坍塌或被填埋，洞内情况较复杂。
　　2.3 阶地砂卵砾石物理力学特征
　　（1）结构特征及物理性质
　　Ⅱ级阶地阶面宽度较大，卵砾石嵌合紧密，局部有钙质胶结，呈密实状态。为了解卵砾层的物理性状，现场进行了密度及含水量试验，利用灌水法获得各层的天然密度。对试验样进行烘炒，得到了对应的含水率数据，并可换算出干密度和孔隙比。
　　（2）参数取值
　　该河段卵砾石层较均一，主要物理指标以扣除胶结状卵石的指标后的平均值作为基本值。通过现场相应的试验，并通过工程类比，根据卵砾石干密度、孔隙比与变形、強度参数的关系，结合卵砾石动探（N63.5）和物理力学性质的关系选取参数建议值（表1）。
　　2.4 研究区渗流场三维数值模拟
　　（1）水库蓄水前渗流模拟
　　水库蓄水前，对模拟区进行一个完整水文周期的地下水非稳定流计算，获得天然状态下的含水层渗流场。模型中河谷两岸150米范围内，地表浅层基本是干单元，与实际情况吻合。
　　（2）水库蓄水后渗流模拟
　　水库蓄水后，河谷两岸地下水受河水的抬升而壅高。从模型上来看，水库水位上升至正常蓄水位1223米，达到Ⅲ级阶地前缘，所有金洞和部分房屋被淹没，卵砾石层的固结程度逐渐降低，砂层被水流带走，金洞会不断扩大，直接影响到金洞上覆地层的稳定性。
　　2.5 金洞采空区变形稳定性分析与研究
　　金洞采空区大多在正常蓄水位以下，水库水位升降会波及这些金洞采空区，周而复始，砂层会逐渐被淘空，卵砾石层失去下部支撑后会形成大范围的破坏，进而引起上部土层及地面建筑的破坏。
　　（1）模型及边界条件
　　平面计算时，垂直河流方向考虑支洞与平行河流方向考虑主洞两种方式进行，平面计算模型以实际测绘的地质平面图进行剖切。考虑地层为卵石层、砂层、砂姜结核、洪积粘土、地面建筑、底部玄武岩、采金洞。根据调查、访问及进洞测量资料分析，对金洞分布进行概化。
　　边界条件除表部外，其余三方进行约束;应力场按自重场考虑;库水位涨落对土体的影响，以设定部分砂层淘空来模拟其影响。
　　（2）计算成果及稳定性评价
　　a.应力状态。图3为金洞区在砂层淘空后的最大主应力分布图，量值均较低，金洞的上方有拉应力，沿金洞群有低应力区。洞群周边也存在拉应力，应力值均较低。
　　b.变形状态。从图4可知，金洞周边出现大变形，进而引起上部土体的变形，从变形矢量的长短形状可以看出，变形呈现漏斗状，向两边展开，表明地面出现下陷。
　　c.破坏情况。图5为金洞及周边土体破坏状况，拉应力破坏遍及金洞及周边大范围地带（○……表示拉破坏）。土体破坏时，上部房屋也随之破坏。从蓄水后永久来看，金洞采空区将出现大变形、大范围破坏。
　　2.6 水库蓄水后金洞采空区现状
　　自水库蓄水5年来，DM金洞采空区地表局部出现了少量的裂缝和塌陷等新的变形迹象，其范围也有逐年增大的趋势，但目前总体来说场地变形均较轻微，未出现大规模的塌陷漏斗、陷坑、裂缝错台等变形破坏特征。前述的研究成果和评价是从水库永久运行的角度考虑，库水的升、降是个周而复始、长期作用的过程，卵砾石层的固结程度逐渐降低、砂层被水流带走、金洞塌落度足够大时，地表才可能会有明显的、较剧烈的变形和破坏。水库蓄水对DM金洞采空区最终的影响边界和破坏状态还需进一步研究和关注。
　　3 结束语
　　（1）水库蓄水后DM金洞采空区局部出现
　　了轻微的变形和破坏，破坏范围也有逐年扩大的趋势，但最终的变形边界需要时间验证。DM金洞采空区最终的变形破坏状态是下一步研究的重点和关注方向。
　　（2）建议《水力发电工程地质勘察规范》
　　（GB 50287-2016）中：a.“5.3.3”条款修改为“1 初步查明水库区对工程建筑物、重要城镇和居民区环境有影响的滑坡、崩塌、采空区和其他潜在不稳定岸坡以及泥石流等的分布、范围和体积”。
　　b.“6.2.4”条款修改为“1 查明库区特别是近坝库区、城镇地段的滑坡、堆积体、采空区和潜在不稳定岸坡……”。
　　（3）建议《水库枢纽工程地质勘察规范》（SL 652-2014）中：
　　a.“5.2.1”条款修改为“3……初步确定崩塌、滑坡、泥石流、危岩体、采空区及潜在不稳定岸坡的分部位置……”。b.“6.2.1”条款修改为“3 基本查明崩塌、滑坡、危岩体、潜在不稳定岸坡、泥石流、采空区的分布位置、规模……”。c.“7.1.1”条款增列“查明采空区的工程地质条件，评价其影响。查明工程治理部位的工程地质条件”。
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