浅谈紫坪铺水利枢纽工程废旧煤洞对水工建筑物稳定性影响与对策研究

'分类号UDC学校代码：10616密级——学号：——成都理工大学硕士学位论文紫坪铺水利枢纽工程废旧煤洞对水工建筑物稳定性影响与对策研究魏义亮指导教师姓名及职称汪家林副教授申请学位级别硕士专业名称鲎±王蓬论文提交强期2006．4论文答辩日期2006．5学位授予单位和日期答辩委评阅人2006年5层 摘要紫坪铺水利枢纽工程位于四川省成都市西北60kin的岷江上游沙金坝河段，是一座以农业灌溉、城市袋水为主，藏有蒴洪、丽境保护、旅游等综合效益鼢水利工程。坝区±也层为三叠系须家河缀砂页岩含煤地层，煤层的开采已近300年历史，由于当时开采技术落后、无组织性，导致煤洞其有随机性、隐蔽性、广泛性、单满规模小、无明显规律等特点。对紫埒铺工程的旋：C与运行而言，废i日煤洞的存在构成工程安全的一大隐患。本文以紫坪铺水电站为例，在前人研究成果的基首|ij上，研究了煤涸对水工建筑物稳定性的影Ⅱ自及处理措旅，墩缮了一些成果，以期为施工设计提供有豢的指导。l、本文先从基本缝质条件入手，根据现场调褒收集的煤洞资料及与魂层岩性的关系，分柝了煤漏的空间分布规律与特{芷。搬据开挖揭露的煤滑特点，研究了废旧煤洞的变形破坏特征及影响因素，并对采空区进行了推断与圈定。2、根据经验公式，计算了各部位煤洞采空区的冒落带及裂隙带赢度。3、分析了煤洞与工程边坡的空间关系，选取引水洞进口边坡作为典型边坡，用flac3d进行数值模拟。研究了煤溺距离边坡为lOm、20m、30m时，在多糖工援下，煤洞的存在及处理与否对边坡稳定性影响。褥出在30m陡的煤漏应进行国填灌浆嬷理的结论。4、分析了煤洞与隧洞的空间关系，以4#引水洞为佣建立了数值模拟模型，对其围岩范围内的煤洞进行两种处理方案效果比较，全部处理和处理一半长度，褥出在30m之内煤洞必须全郝处理的结论。5、根据以上分析的结论，讨论了煤洞处理的对策措涟(包括处理高度、长凄、方法)，并对后麓运李亍阶段可能存在的煤漏影痢提出了一些建议。本课题的研究成采对水电站边坡、隧洞附近的煤漏处理有较好的指导意义。关键词：废旧煤洞，数值模拟，稳定性分析，水工建筑物，处理措施 AbstractZipingpuwaterconservancyislocatedonthenorthwest60kinMinjiangRiver,inupriverSMiinbasegmentofChangduCitySichuanprovince．Itisawaterconservancymainlyusedforagriculturalirrigation，civilwatersupply．Italsohasthesyntheticallysocialbenefitsuchastopreventflood，protectenvironmentanddeveloptourismetc．ThestrataareTriassicXujiahegroupsand—shalestratumwhichcontainingcoal1ayer．Itisnearlythree—centuryhistoryabouttheeoallayerexploitation．Inthattime，becauseoftheoutdatedtechniqueandinorganization，thecoalcaveshavethecharacteristicofrandomicity,concealment，universality,noobviouslyregularityandthesmallscaleforsinglecave．Theexistenceandtreatmentoftheabandonedcoalcavesisrelatedtotheconstructionsafety．InthisPaDcr,takingtheZipingpuhydropowersmfionasexample，onthebasisoftheformerstudiedresults，theinfluenceof廿lecoalcavetothehydro．buildingstabilityhasbeeninvestigated．therelevanttreatmentmeasurehasbeengiven，andsomeproductionshavebeenacquired，whichwillbethebeneficialinstructionfortheconshnactiondesign．1．Accordingtothebasicgeologicalconditionsuchasthecoalcavedatacollectedin．siteandthestrataIithology,thedistributionruleandcharactersofthecoalcaveareanalyzed．Onthebasisoftheexcavatedcoalcavecharacteristic．thedeformationdestroytypeandtheeriectfactorsareinvestigated，andtheminedoutareahasbeenextrapolatedanddetermined2．Accordingtotheexperientialformula．也ecaving—inzonesandfracturingzonesofthecoalcaveminedoutareahavebeencalculated．3．Therelationshipbetween也ecoalcaveandmeengineeringslopehasbeenanalyzed．theenteringwaterslopeofthetransmittingwatercavehasbeenselectedasthetypedslopeandusingflac3dtodothenumericalsimulation．Accordingtothedistance10m，20m，30mofthecoalcavetotheslope，combinedwiththemulti-engineeringsituation．theslopestabilityhasbeenanalyzed．Theconclusionhasbeengetthat、Ⅳimin30mcoalcavetotheslopemustbeenfullytreated．4．Therelationshipbetweenthecoalcaveandthetunnelhasbeenanalyzed，and4#transmittingwatercavehasbeenselectedasanexampletosetupanumericalmodel．ThecoalcavesinthesurroundingrockscopeofthetnDnelhavebeentreatedintwoschemes．whichwerethemethodoffullytreated．andhalf-letIgChtreated．TheconclusionhasbeengoRenthatthecoalcavewitllin30mtotheslopemustbeenfullytreated．5．Accordingtothestudiedresult．thecoalcavetreatmentmeasuressuchastheheight，langthandmeasurehavebeendiscussed，andtheadviceforthepotentialinfluenceofthecoalcavesinlaterhasbeengiven．ThestudyingresultshavethebeRerinstructionmeaninginthecoalcaveactHaltreatmentofthehydropowerstationslopeornearthetunnel．Keywords：abandonedcoalcave，numericalsimulation，stabilityanalysis，hydraulicstructure，treatmentmeasureII 第1章引言第{章引言过去几十年内，我国煤炭资源豹开发对国民经济的建设和发袋起到了至关重要的作用，但同时因超常规、无序、粗放式的开采，绘后来的基础设施建设带来一定的安全隐患。煤炭开挖后，上覆岩层在自熏作用下出现冒落、断裂和弯曲，其承载力大大降低。目前我国国民经济仍然处于持续、稳定、高速发展时期，各类岩土工程、铁道工程、大型水电站、高层建筑物等基础设施在不断的建漫之中，这些基稿设恁可能会建设在采空嚣之上。在静旋载或动黄载的作麓下，导致采空区上面的地面出现开裂、房屋倒塌、铁路和公路的路面沉陷、水电站渗漏失效。紫坪铺水电站坝区裔许多陵稻煤满，对水工建筑物的稳定性产生不利的影响，是水电站的安全隐患。因此，开展紫坪铺水电站坝区的废旧煤洞对水工建筑物稳定性影响评价及处理对策研究工作，具有极其重要的实际运用价值。1．1研究意义1．1．1工程概况紫坪铺承嗣枢纽工程位于成都市西北60krn的岷江上游映秀至都江堰市河段的沙金坝，枢纽区南距都江堰市和成都市分别为9km和67kin，为都汪堰市所辖。沿江两岸均有公路相通，交通方便。电站大坝为面板堆石坝，坝高156m。正常窝蓄水位877．0m，憨库容11．12亿m3，本工程装机4台，总装枕容量760Mw，多年平均年发电量34．17亿kw．h，灌溉面积1400万苗。建筑物大多布置在右岸条形由脊，包括坝垂缝瑶厂房、紧邻右壤端的开敞式滋洪道、4条引水发电隧洞、l条冲砂隧洞和2条由导流洞改造的泄洪排沙隧洞。1．1．2研究意义在工程堪察阶段，已发现了紫坪铺坝区存在废l嚣煤灞i7处。随着工程的进展，逐渐发现坝区，废旧煤洞分布错综复杂、数量众多，至2004年底发现的煤满已达128个。凌|哥煤洞的存在对工程建设将带来明鼹影响。煤洞的开采已经有三百多年的历史了，出于当时开采技术落后、无组织性，所以煤洞的分布具有广泛性、无规律性、隐蔽性，这给废旧煤洞的揭示和处理带来一定的困难。紫坪镳水魄站坝区的废l曩煤漏虽然没蠢形成像山霸等大型煤矿一样的大藕积地下空洞，但是紫坪铺水电站坝区是三叠系上统须家河组含煤地层，一共有15个翦律层，每个韵律都有煤层出现，与工程关系密切的有6个韵律层(从L9～L14)，许多韵律层中的煤都被开挖过，所以它的存在是电站正常运行的安全隐患。 成都避工大学硕士学位论文，2006圈卜1紫坪铺水电站工程交通位置凰泼l蓦煤溪对承邀雏的影瞧主要表瑷为：坝基的不均匀沉降、在意本头{乍用下产嫩渗流、对围岩的软化和化学等破坏作用以及对对隧洞、边坡、坝扁稳定性产生不利影响。研究意义有以下三个方霞：(1)紫坪镳水萃习枢纽工程黪下游为成都市，成都市是四川省重要的政治、文化和经济中心，城乡居民密集，工农业、商业发达，具有熏要的战略地位。紫坪铺工程处在成都平原上游，工程的安全运行与成都市的安全与发展息患相关，必须做到万无一失；(2)保证水电站的安全运行。煤洞的存在对边坡、隧涌稳定性及大竣渗滚带泉明显影响；(3)在确保工稳安全的前提下，采取合理的处理措施，避免不必要的浪费。因此，解决废旧煤洞问题是紫坪铺工程施工过程中的关键技术问鼷之一，研究煤洞的处理对策对水电站的安全运行其脊重要豹意义。1．2国内外研究的现状和存在的问题1。2．1采空区对地蓥稳定性影响研究国内外对“三下”(即建筑物下、铁路下和河流下)采空区有大量研究，这2 第1章引言魑工作都是对大规模采煤弓{起的者层移动、地表沉陷及对建筑物的破坏等方面的研究。70年代，Jones等人(1977)研究了采矿坍塌对公路的影响，80年代以来，Jones(1988)、M．C．Wang(1982)等人又分别研究了采矿及下伏空洞对建筑物地基的危害削。这些研究都是建立在经验和调签的基石蛊上，没有系统的普遮规镶。欧美国家一些专家学者也不同程度地研究了洞穴的塌陷对地面基础工程的影响【36J。采空区对基础设麓建设的影响在缀晕前就被人们所认识。由于开采沉陷的重要性，备国矿山工程技术人员投入了越来越多的时间、技术和装备来进行此项研究，通过各种各样的方式去研究探讨其沉陷模式。苏联、波兰、联邦德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本和美国等匡家，对开采沉陷的理论和“三下”开采技术都进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。我国对开采沉陷豹研突工作是从掰中国成立以后开始的。近二三十笨来，{鬟|』爨、采矿、力学、电子计算机、建筑、地质等学科的新成果不断被引进到开采沉陷研究中来，使开采沉陷的研究得到了飞速发展。作为一门独立学科进行系统的研究，开采沉陷只有四五十年的历史。近一二寸’年来电于一些相邻学科与开采沉陷相互渗透、相互促进，不仅使开采沉陷逐渐发展成为一门综合性；边缘性的学科，恧且在概念、方法帮手段上都有了很大的发展【911。像紫坪铺永毫站这样数量之多、范围之广、历史之悠久的废旧煤洞对水工建筑物稳定性危害程度，在国内外磁究瘸于较新的谍题，鞠前淘处于起步阶段。开采沉陷引起地基稳定性的研究方法大体上可归纳为两大类：一类是应用各种仪器、设备在开采沉陷实际发生的地表或岩体进行的实测的方法；另一类是在室内进行模拟研究的方法，如图I-2所示：<三兰i三三三三兰二：二：二兰穗篓法理论模型模拟简称理论模拟，是把岩体开采抽象为一定的理论模型，根据试验或经验求得龄参数弱该理论的理论解，对岩体内邦及地表受采动芍}起的垃移秽应力进行计算。物理模型模拟简称为物理模拟，通常用相似材料模型法，是根据榻经理论把实际岩体鸡人工材料割成相似材隼毒模型。理论一物理模拟法是理论模拟和物理模拟结合起来的一种模拟方法。其方法为，物理模拟大体上了艇岩体的溅拟薇模遣内实室厂●●●，、●●●＼ 成都理工大学硕士学位论文，2006应力和位移分布规律，以便选择合适的理论模型、确定单元的划分方法和边值条件，最后根据此理论模型进行理论模拟【8ll。国内采空区的沉陷预计方法主要有概率积分法、负指数函数、熟型曲线法、评价采空区的建筑适宣性的临界僮法。①概率积分法概率积分法的基硝是随机介质理论，又D《随机介厦理论法。随机介质法首先由波兰学者于50年代引入岩层移动研究，后由我国学者刘宝琛、廖国华等发展为概率积分法，目前已成为我国较为成熟的、应用广泛的预计方法之一。优点：运用随机介质理论不需要了解采空区上覆岩层的地层情猿、岩石物理力学性质，只是简单的把其看作是随机介质，省去了为探察地质情况而要做的大量工j睾，这在实践工程中是缀有益瓣。缺点；建立理论模型，是通过推导出的解析公式，但是岩体本身和受采动岩体移动畿律的笈杂往，所采用的理论模登很难全褥地、准确地反映岩层和翘层移动的规律，进行的各种假设和简化，导致预计的结果和实际不相符合。这种不符合，轻则使预计准确饿降低，重则使预计发生错误‘8“。②典型曲线法是厢无疆次的典型曲线，表示移动盆媳主断酒上的移动和变形曲线，它适用于矩形或近似矩形的采空区的地表移动变形预计。优点：遗表移动和变形分布的确定和预计参数豹计算一样，都根据实溺资料来进行的。分布和参数都是赢接来源于实测资料，预计误差较小。是目前所有预计方法中较为可靠的方法之一。缺点：由于曲线是具有针对性，不能随便套用，实测资料必须足够，不便于数学处理，只适合矩形或近似矩形袋空区的地表移动和变形预计。这些缺点限制了典型越线法的应用和雄广。③《工程地质手册》(第三版，1992，中国建筑工业出版社)提到在小煤窑影响范强内的建筑物稳定性评价的计算方法【77l：优点：计算比较简单、通用。设建筑物基底单位压力为po，则作用在采空区段顶板上的压力Q为：Q=G+Bpo一2f=rH[B—Htan妒tan2(450詈)】十Bpo(1-1)ZG2yBH(1-2)式中。一巷遘单位长度顶扳上岩层所受豁总重力(KNIm)B_巷道宽度(m)；f——巷道单位长度侧壁的摩阻力(KN／m)：H——巷道顶板的埋深(m)。 第1章引言当H增大到菜一深度，使顶板岩层恰好保持自然平衡(即Q一0)，此时的H称为I嶷器深度Ho，则：风：!垃竺竺!竺!蔓!m。，“2ytanq，tan2(45。一罢)当Ⅳ1．5Ho时，地基稳定。缺点：该公式有一定的局限性。实践证明，上述方法仅适用于埋深浅，地层组成麓擎的小煤窑豹采空区。腾永海等人(1997)在上述理论的基础上镦了迸一步的发展并付与实践，以建筑物荷载的影响深度、采空区裂隙带发育高度不互相重合来判断采空区地基的稳定性。国外有关采空区沉陷模式问题的理论研究已经有～百多年的历史了，主要包括法线理论及其修正、几何理论等。地表移动于变形预计方法可认为经验方法、分布函数法、理论模型法三大类。1．2．2废旧煤涧处理措施对于一般采空区的处瑷办法霄：1、崩落圈岩处理法：优点是篱草易行、成本较低，在工程中大量的运用；缺点是只适合采空区上无建筑物的情况，让采空区塌落以免引起突发事件；2、臻充填料充壤：分为千式充填采空区翮湿式突壤采突区：3、留永久矿柱和构筑人工石柱处理法；4、封闭都隔离采空区。对于埋深很小的采空区，一般选用以下方法：①可采用从地表开挖，～直挖至采空区，然后分层回填夯实{②开挖后用砌片石分层砌筑、填塞，上顽加盖钢筋混凝土盖叛；③开挖后，用碎石充填，后灌注水泥砂浆；④糍能量强夯法处理采空区上方松散避基。而对于埋深较大的采空区主要采用充填注浆、上覆岩层结构加固补强法、灌注桩法、设计高架桥跨越采空区、绕避或者是上述方法综合使用等揞掩㈣。对于水电站坝区的采空区处理工程措施研究在国内不多，经验不是很丰富。有些煤洞的处理情况是根据相关的经验进行处理的。 成都理工大学硕士学位论文，2006{．2。3存在豹河题国内外对于采空区的“三下”(铁路下、水体下、越筑物下)的研究比较丰富，也比较成熟。但是对老采空区稳定性的理论缺乏系统深入研究，尤其是像紫坪镶水电站坝区，这种分蠢广、数爨多、规模小、历变悠久熬废}日煤洞对承电站的水工建筑物稳定性影响的研究更加少。二十世纪七十年代，Jonce等人研究的采空区对公路的影响，八十年代Sargoand等人分剐磺究了采矿及下伏空洞对建筑物的影响13“。这些研究都是在特定的试验，依靠以往的经验，并且侧重于对灾害的评价，对于破坏机理和防治措施没有深入的研究。欧美一黪国家的专家学者通过建立篾单的弹性力学模型，研究在弹性极限条件下豢土的沉陷破坏机理以及对基础工程的影响。采空区上覆岩层的移动、破坏，是与时间有关的复杂力学过程。目前研究采空区的方法都是加入很多假设条件的简化模型或简化后的经验公式，例如理论公式基本上都是驭均匀连续介质作为理论研究前提，没有考虑岩层中的不连续面。如节壤、裂隙以及版层的影响。丽实际上岩层中存在大量的节理裂隙和规模不等的断层，这些不连续面的存在影响了地基对隧洞的计算精度，只能作为一种定性分柝躲方法。，。3本课题研究离容及技术路线{．3。1研究内容本文主要研究的内容四个部分：第一部分，研究紫坪铺水电站的地质情况。在现场调查和对已有资料分析和整理基继上，分柝研究区域懿地形、圭|垒貌、缝层爨性、岩石力学性质、地质构造、水文地质条件、开采煤层的厚度、倾角、埋深、与水工建筑物的空间关系等。通过调查，掌握凌|霉煤洞在工程区的黛闻分布规律。第二部分，定性分析煤洞对水工建筑物稳定性影响。通过广泛查阅采空区有关的文献，了解煤洞沉陷及破坏模式。对紫坪铺水电站坝区煤洞进行现场调研，定性地分析废jg煤洞的破坏机理和破坏模式，分析上覆嚣层的影晌范围和因素，研究煤洞对水工建筑物稳定性的影响。第三部分，定量分静亍煤漏对永工建筑物稳定性影响。根据疲l嚣煤漏与边坡、隧洞的位疆关系，选取典型的边坡、隧洞进行数值模拟。分析废旧煤洞与边坡、捐窒不同位置关系对产生的不同影响，从蕊研究凌旧煤瀹应处理的范围与深度。第四部分，对废旧煤洞的处理措施进行归纳和总结，针对不同工程部能，提出合理的处理措施。 第1章引言1．32技术路线对予岩土工程的研究方法比较多，例如工程实测、物理模拟、理论瓣搴斤以及计算机数值模拟等。本文针对紫坪铺水电站煤洞对水工建筑物稳定性影响采用定性分孝厅法和定是分析法结合饺耀，剃羯经验公式计算煤澜上覆岩层的謦落带和裂隙带，利用计算机数值模拟分析煤洞对水工建筑物的影响情况，提出边坡、洞室附近煤洞处理措施。以下建研究的技术路线概述：l、首先对紫坪铺水电站坝区的地质环境进行分柝研究，了解地形地貌、地层岩性、水文地质等。2、根据物探、滤探、开挖等揭示的煤溺，并结合坝区瓣岩层特点，分折煤洞分布规律，研究煤洞破坏机理，圈定采空区的范围。根据采空区与水工建筑物豹空阔关系，分孝厅废|瑶煤凋对水工建筑物的危害。通过经验公式进行计算煤洞上覆岩层的冒落带、裂隙带的高度，给煤洞的处理提供依据。3、从揭示煤洞的个数、水工建筑物的重要性、i粥露煤层的情况、与水作用情况等方面，选择典型的边坡。遴过tlac34分别分据煤洞距离开挖边坡为lOm、20m、30m的时候，在开挖边坡前、开挖后、正常运行期间以及处理20m煤洞后，煤溺对边坡处豹岩体熬影响情况，从两确定需要处理煤漏豹范围。4、从洞室与煤层相交的关系、发现煤洞的个数，选择典型洞塞。分析洞室围岩处的煤洞对洞室丽岩的影晌情况，遴过flac3d进行模拟煤洞处理一半长度和全部处理，在正常运行期间对洞室围岩的影响憾况，确定洞窒围岩范围内煤洞的处理措施。5、通过兹面定性和定爨分柝煤涸对边坡、漏室稳定性影响，提出边坡和澜室附近的煤洞需要高度和长度。6、磅究一般采空区豹处理方法和工芑。针对紫坪镶水电菇坝隧的煤洞特点，分析煤洞的处理措施。介绍了控制和检验煤洞处理质爨的措施。 成都理工大学硕士学位论文，2006图卜3研究思路及技术路线 第2章研究区的遗质背景2．1地形地貌第2章研究区的地质背景紫坪铺水电站坝区属中低山地形，山体总体走向与NE向构造线基本一致，属构造剿蚀±|鱼形，由予遮质构造、岩性的影哟，岷江在沙金=啜河段形成一个近180。的河曲，使右岸形成三面被河曲围抱的条形山脊，为枢纽布置、施工创造了楚好的遗形条件。坝址位于河弯转折端，地形较开阔，枯水期河面宽约85～110m，水库建成精，正常高水位877．0m时，河谷宽640m。左岸与白沙河间分水岭宽为965m，河谷形态不对称，江沆偏左岸。左岸除少数低洼凹沟外，以基岩斜坡为主，皂然坡度40～50。，右岸为条形山脊，沿山脊坡度较缓20～25。，地表有残积和冰水壤积两戏豹糙土、块碎石土，靠溺床有漫滩和I级阶鲍分布，除瑟高程765m。2．2地层岩性龄2-1綮坪铺水电站工程区开挖前的地形地貌坝区内地层包括三叠系砂页岩和第四系松散堆积层。9 成都理工大学硕士学位论文，2006(1)基岩枢纽区的基者为三叠系上统须家河组的～套濒沼楣含煤砂页岩地层，属典型的复撰式建造沉积，其特点是上下粗细交替其有明显的韵律性，组成15个韵律层，横向变化大。每个韵律层大体由底部含砾石的中粒砂岩开始往上部逐渐递变为细砂岩、粉砂岩及泥质页岩和煤质页岩，越往上部不但颗粒变细且含煤量有增赢的趋势，依攥备韵律层内砂囊与页岩熬比例关系，T33xjH层全为粉砂岩，12、13层以砂岩为主，分别占68％和58％，14层以粉砂岩为主。每个韵律层按其不同的岩性又可分成若干小层。在坝区地层内，中、细砂岩约占总厚的49％，粉砂卷约占37％，煤质页岩和淀质页岩约占14％。(2)第四系松散堆积层由残积、冰水堆积物组成的坡积层，士为中液限的粘质土，含水爨大，强度低，在雨季易形成不围规模的滑坍。坝基覆麓层分布于现代河床和右岸一级阶地，主要由冲积漂卵砾石组成，凝据其分布部位、新老关系和物质组成能豢舅，露分为两个单元，即河床漂卵砾石层单元和右岸阶地覆盖层单元。2。3地质构造与地震坝区构造比较复杂，褶皱、断层、层间挤压破碎带与裂隙均发育。沙金坝向斜位于紫坪铺水电枢纽一带，F2—1断层在坝前通过，F3断层在导流洞和冲沙洞口一带透过，左右矮瘸还发育顺层锤动戆破碎带及切层小规模额层，砂岩中绩构面发育，将岩体切割成块裂一碎裂结构，大大降低了岩体的完整性。1、褶皱沙金竣肉斜，辘西走向为N50．-．60。E，肉馗的倾伏角为25---35。，北题翼鞍陡，岩层产状N25。E／SE么60～70。，南东翼稍缓，岩层产状N45～60。E／NW／45~60。。根据右岸条形山脊的114、124勘探平硐以及引水发电洞所揭露的地质情况，向斜核部转折端部位地层完好，界限清晰，仅层阔挤压错动明恩。岷江左澎困受飞来峰前部的强烈接挤致使露瓣北两翼地层倒转，南东翼氇变得陡立，倾角60一700，形成紧闭向斜，与右岸形成鲜明的对比。向斜核部发育有一条F2—1道冲断层。2、断层F3断层位于壤轴线下游360m，露灌洪lj}砂澹和溢洪道}孛穰段。据16。、28#平硐揭露，产状为N50～700E／Nw么50~750，宽55,-437m，由碎裂岩、碎斑岩和碎粉岩、砂岩构造透镜体组成。F3断层带成分较复杂，性软，特别是遇水后极易崩解，虽结构密实，但在平硐中多处坍塌，需采瘸密集支撑，可见其自稳能力差，工程性状极差。F2—1断层为北东向F2断层之分支断层(图2一1)，位于曲流急转弯部位，10 第2章研究区的地质背景南遁端起自左簿朱罗坝，璧近东西海延律，过溅江河床时渐转交为南东东，过右岸＆岸漫滩盾，弄切过岷江，走赫转为北衷东，进左岸麻柳沟后走向转为lE东。断层带宽6~8m，在右岸凸博漫滩一带，顺扭切错向斜北谣翼，在友岸顺向斜核部延伸，浴断层带形成明鼹的沟谷撤貌。上下盘岩层产状蓑异大，下盘(右岸)岩层产状正常，上癜(左岸)岩层倒转，二者倾向相反并里大角度相交。该断层及坝区北西谢的F2断屡在印支期曾发生过强烈的活动，使紧邻断层带的金沙坝向麟豹北疆冀岩体耦对较为破碎，密体完整性榴对较差。除F3和F2～1断层以外，瑛区还有一些规模相对较小的断层，如右岸溢洪道下段溜LIO璎板砂卷发育的顺层叛瀑，友岸坡翱走向≤l西谣，颊≤￡东的断层等。3、层闻剪切破碎带圈2—2埙诞擒造格絮圉 成都理工大学硕士学位论文，2006层间剪切破碎带由煤质页岩错动而成，顺层展布。坝区有煤层15层，分别位于层间挤压带(炭质页岩与煤层，前人称为煤质页岩及煤层)L1至L15中，其中与枢纽关系较为密切的有L9，LIO，L11，L12，L13，L14，从上到下依次为L14，L13，L12，L11，LIO，L9。从调查的结果来看，层间剪切破碎带有如下几点特征：(1)每个煤层的下伏层通常是厚几十厘米至几米的粉砂质泥岩，炭质页岩，它们是古植物生长的土壤，煤层的上覆地层为厚度不等的粉砂质泥岩或泥质粉砂岩或含砾砂岩；(z)左岸L13和L14煤层的下伏层很薄或缺失，这表明在构造变形中粉砂质泥岩及炭质页岩发生了塑性变形而使厚度明显变薄。(3)层间剪切破碎带厚度变化有如下规律：①沙金坝向斜南东翼L6，L7，L8由南西向北东有变厚的趋势，厚度分别由2．5m，3．7m，3．62m变为5-7m，4—6m，6．5m；②L9在向斜南话翼较厚，厚度变化在7．5--9．5m之间，在北西翼相对较薄，厚度变化在6．8—8．4m；③LIO在向斜南东翼相对较厚；厚度变化在5．5—6．2m，并有由南西向北东减薄的趋势；在向斜北西翼厚度相对较薄，厚度变化在4．7—5．0之间，左右岸厚度变化不大；@Lll在向斜南东翼厚度变化在9．2一11之间；在向斜北西翼厚度变化在7．7—11．9m，并有由右岸向左岸减薄的趋势；⑤L12在向斜南东翼厚度变化在5．4—5．8之间；在向斜北西翼厚度变化在3．47—9，6m，并有由右岸向左岸减薄的趋势：⑥L13在向斜南东翼厚度变化在1．8—3．7之间；在向斜北西翼厚度变化在5．O一6．9m，并有由右岸向左岸减薄的趋势；⑦L14在向斜南东翼厚度变化在6．6—9．2之间；在向斜北西翼厚度变化在5．2—7．4m，并有由右岸向左岸减薄的趋势。从上述规律我们可以看出，向斜北西翼左、右两岸厚度变化较大，而南东翼变化相对较小，南东翼仅L13和L14两翼变化较大。这是因为左岸向斜倒转的北西翼受强烈的挤压导致层间剪切破碎带在顺层错动中发生强烈塑性变形，厚度变薄。同时由于向斜紧闭，向斜核部的变形较强从而近核部的L13和L14的变形较翼部更强。4、裂隙坝区发育三组裂隙：①与枢纽构造大角度相交的裂隙，产状为NSO一800E／sE么60一80。，在强卸荷带内通常有不同程度的张开或被次生泥充填；②与层面近于正交的中缓倾角裂隙，产状为NIO一45。E／sE么10—350； 第2章研究区的地质背景③顺层裂隙产状为N55—750E／NWZ50—60“”1。5、地震构成工程区的三条骨干断裂的地震活动水平大致相近，同一条断层具分段活动性，强震往往发生在断裂的最新活动段上，如安县一灌县断裂带南西段比较活动，历史上曾发生过Ms≥6级(天全，1327年8～9月)和6．2级大地震(大邑，1970年2月24日)；北川一映秀断裂带北东段活动较强，北川1958年2月8日发生6．2级大地震；平武一茂汶断裂带草坡一汶川一茂县段活动较强，对应汶川1657年4月21日发生6．5级的地震。工程区及邻近地区(40km范围)未见强震发生，仅在1787年12月13日于工程区附近灌县发生过一次4．7级的中强地震，震中烈度为Ⅵ度，对工程区的影响烈度为V度，因此工程区的地震烈度主要受外围地区历史强震的影响。根据外围几次典型的强地震统计，对工程区的影响烈度最高可达Ⅵ度。区内的弱震活动虽然较频繁，但根据统计结果，大部分弱微震都随机地分布在映秀断裂北西侧，弱微震的分布没有与某断裂吻合，也不呈明显的线状排列，从频度和强度看，工程区内的地震活动属龙门山构造带天然弱震活动环境的正常反映，说明库区及其附近的断裂并非控震构造，无强烈地震活动。2．4水文地质条件地下水为多层裂隙水，煤质页岩和泥质粉砂岩相对隔水，砂岩透水。裂隙水以顺层运移为主，垂直层面方向水力联系微弱，含水总体不丰，多以滴水为主、少量线状流水，随着时间的推移，水有逐渐减小的趋势。坝区岩体的渗透性受地层岩性组合、地质构造、风化卸荷作用等因素的控制，一般讲岩体风化卸荷强烈，透水性较强，如在雨季，卸荷带内常富含地下水；砂岩透水性强，煤质页岩等透水性弱，帷幕灌浆过程中常发现顺砂岩岩体串浆较远。砂岩的渗透性垂向变化明显，据统计渗透系数随深度呈指数衰减，埋深ff--40m渗透系数较大为0．2～1．5m／d，埋深30～80m渗透系数为O．05～0．2ndd，埋深80～140m渗透系数变小为O．01～0，05m／d，砂岩渗透性具有非均质各向异性的特点。枢纽区两岸的地下水位较低，在坝肩接头处的左岸ZK68孔仅为781．36m、右岸ZK61孔为791．67m，远低于正常蓄水位877in。水力坡降约为1．5％～2．0％。 成都理工大学硕士学位论文，2006第3章废旧煤洞分布及变形破坏特征与工程危害3．1揭示废旧煤洞的勘探手段为了查明废旧煤洞的分布’隋况，在工程进行的不同时期，采用相应的勘探手段。勘探手段有调查访问、物探、钻探、硐探、施工过程中揭露。各种勘探方法有各自的适用条件和优缺点。l、调查访问的优缺点。①优点：能大致确定废旧煤洞的范围，缩小了下一步详细探测的范围，使详细勘探能有的放矢进行。节约了勘探经费，并且提高了工作效率；②缺点：只能大致知道废旧煤洞范围，不能确定具体位置和规模的大小，不能作为采空区处理的依据。2、物探(地球物理探测)揭露采空区的优缺点。物探探测工作是首先在适当的工程部位布置测量线，经过室内分析研究和地质解释，并结合钻孔资料，可以在短时间内初步确定采空区的位置、走向及高程。黄河水利委员会勘测规划设计研究院物探总队利用瞬变电磁法对紫坪铺水电站坝区的采空区探测。瞬变电磁法是根据地下岩层在物理性质上的差异，借助一定的装置和专门的物探仪器测量其物理场的分布状况，通过分析物理场的变化规律，结合有关地质资料推断出地下一定深度范围内地质体的分布规律，给钻探提供了依据。①物探优点：物探工作有透视性、效率高、低成本等优点；②缺点：物探具有上述优点的同时也有局限性和条件性，揭示结果有时具有多解的缺点，物探工作绝对不能完全代替其它地质勘探工作。3、钻探、硐探揭露采空区的优缺点。①优点：钻探和硐探能够得到详细的地质资料，确定采空区的具体深度和上覆岩层的性质，为处理采空区提供的依据。同时也给物探的解释探测成果提供地质资料的依据；②缺点：钻探、硐探只是在有限的位置上进行，施工期长，费用高。4、施工过程中发现采空区：随着施工的进行，就能通过开挖来揭示采空区的存在。这能很清楚了解采空区的规模、深度、走向，为处理这些采空区提供了更加直接的地质信息。以上的几种煤洞勘测手段有其各自优缺点，是相辅相成的。在工程进行的各个阶段，根据工程的特点，使用相应的勘测手段。14 第3章踱旧煤澜分布及变形破坏特征与工程危害3．2废旧煤洞空间分布规德许多煤洞l圭；f予皤填处理，或洞顶已经坍塌，实地调查中报难或无法进入废I臻煤洞内部，一些煤溺的润涤只能靠岩层盼成层规律，透过推测寒确定，给潆洞的深入调查带来不便。因此，对煤洞的分布规捧研究实际上通过实地调访、物探解释成聚、钻探洞探、开挖过程中获取的信息等综合手段来进行的。废淄煤洞分布范围较广，上游歪1#导流洞进口，下游至1#泄洪排沙洞出口，左右岸分别均有废旧煤洞分布。弱蓠共发现废i嚣煤洞128个。大坝区；共存47个，其中右岸有20个，左簿有20个，河庆上鸯7个。大多数在Lt2(有20个)、L13(有6个)、Lc(有14个)层中，有少数在L8(有1个)、LIO(商1个)、Lll(有4个)、L15(有1个)层中。默板；共穰13个，其中右岸有6个，左岸鸯6个，河床t有1个，大多数在L12(有7个)层中，少数在L13(有3个)L14(霄1个)、Lc(有2个)层中。泄洪溺搁}沙洞：挟15个，其中大多数在F3(有7个)、Lc(寄6个)，少数在L10(有1个)、L8(有1个)屡中。引水发电洞：共有12个，其中大多数在L1l(有9个)层中，少数在LIO(有3个)层中。冲砂放空洞：共有8个，其中大多数在F3<有5个)中，少数在砂糟(有2个)、L9(有1个)层中。厂房：共脊5个，其中右岸有3个，另外2个在河床上，分别在L9(有1个)L1l(毒1个)、L12<奄2个)、F3(有1个)层上。溢洪道：共有28个，其中大多数在L12(12个)L1l(有7个)层上，少数在L9(有3个)、LIO(有3个)、Lc(肖2个)、砂岩(存1个)上。绝大多数废旧煤洞在含煤页岩中开采，由于采煤技术、工艺、设备的落后，开采中往往要打交通澜、通风洞和连接滴。煤洞走向也与地层产状、地形地貌密切褶关。如：左瘁翮沙金坝向斜附近岩层与坡面大角度相交部位，含煤页岩出露地表，开采一般是潘不同高程，并脊相通的可能，形成煤槽，例如左岸L12中的FMD39、39～l、47、65积鳄煤澜，虽高程不两，僵出予颓层开挖，最寇形成沿L12的一层浮度与煤洞澜径相等的拭动层；当缝层走向与坡疆小角度粳交对，一般悬垂赢层匿开采，穿过砂岩，遇到会煤页喾秀腰煤层囱上、下、左农四个方向开挖、待该屡开挖差不多以后，再穿过砂岩寻找另～层。古代没有通风设备，要解决这个问题，不同高程的煤洞同时开采，过一段距离上下两层连通，自然通风，另一形式是垂壹向上至地表蠢接通风。含煤页岩并不是纯煤层，其中夹有很 成都瑾工大学硕士学位论文，2005多的煤页岩(煤矸石)，在开采过程中往往为节省运力，一般将其堆放在巷道中，故煤漏中形成很多松散浮渣。废旧煤洞由于年代久远，很容易形成瓦期集聚地和地下水库。从统计的数字可以看出，废旧煤洞分布是有一定的规德的：(1)与岩性、构造的关系：煤洞基本上沿含煤页岩组成的层间剪切破碎带L、h掘进，其中￡占88个，k占24个，F3断层破碎带占13个，移岩中发现器无名洞3个。开采发现的废旧煤洞主要是在含煤页岩和富含煤的地层中开采，占所发现煤洞的97．7％。其中LIi、L12这两层最多共占48．4多舌。表3—1煤溺分布地层摇位表层位F3L8L9L10L11I。12U3L14L15Lc砂岩总数数量132582l419124312818．％10．21．63．96．216．43270．82．3i008(2)煤演与态程的关系：统计与分析结果表明，废暇煤洞主要分布在右岸螅750～850m高程之间。煤漏750m以下(瓣庆洪桔水位变壤带)9个，占总数7．0％；750～850m高程116个，占总数的90．6％；右岸(包括隧道)共92个，占总数的71．9％；河床洪枯水位变幅带9个，占总数的7．O％；左岸26个，占总数的20．3％；河床共10个，占总数的7．8％。无论是左岸还是右岸，煤洞的分布高程集中在750m--850m之间，这可能与服始瓣开采手段、交遴运输条{譬及水文遗质条停囊关，因为在舞程为750m--850m运输便利，成本低。高于850m，开采难度大，人工运输距离远，成本高。低于750m，受河水恻灌威胁，开采难度大或根本就无法开采。(3)煤洞与工程部位关系：溢洪道、大坝趾板、引水发电洞、泄洪洞、冲砂放空洞及厂房等水工建筑物部位均有煤洞揭露。其中分布在趾板附近的有：FMD23、41、4l一1、95等13个，约占总数的lO．2％；在堆石医有：FMD8、13、22、36、44、52、108等46个，约占总数的35．9％；溢洪道部位有：FMD28、34、48、69、92、107等28个，约占总数豹21．9％；在其它主体建筑物所揭示煤洞均不少于5个。疆)凌曙煤灏的总体特征：由予开采时间长，加之含煤页岩鑫稳能力差，大部分煤洞均已经垮塌，因此在施工中只有少部分有洞穴、木桩、木屑等煤窑开采残留物，大量的煤洞猁根据岩层扰动情况来{乍进一步的清理和确定，从已经开挖处 第3章废旧煤洞分布及变形破坏特征与工程危害理深度范围揭示，煤洞开采可达lOOm以上，煤洞规模都不大，一般l～2m，顺含煤页岩开采，有的上下煤洞串通也有霹能相邻两个煤层遴过巷道楣互率通。例如左岸L12层中发现多层煤洞洞口，相互之间含煤页岩扰动松弛明显。以下是部分煤灏和煤屡崮露的分布嚣：图3-{左岸部分煤潺分布图鼬3—2右岸坝址附近沿Lt2和L13开采的煤洞分布图圈3-3右岸条形山脊煤层分布线17 成都理工大学硕士学位论文，2006图3—1是左岸部分煤洞的分布图。图3—2是右坝肩处的L13和L12的煤洞分布图。图3—3是右岸条形山脊的煤层出露地层线，这可以看出，煤层最上面是L14，然后依次是L13～L9。如图3-3，右岸条形山脊开挖后出露的煤线示意图从上到下分别是L14至L9。3．3废旧煤洞变形破坏机理及模式3．3．1煤洞的形成当煤矿开采后，遗留下的空洞形称为采空区，也就是废旧煤洞煤窑。开采区域围岩的原始应力平衡状态受到破坏，应力调整进行重新分布，在此过程，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏(开裂、冒落等)，这种现象称为“开采沉陷”(Miningsubsidence)。产生的开采沉陷是一个在时间和空间上都是非常复杂的过程：1、从时间上来说，开采沉陷的形式和大小在不同的时间是不同的，也就是说，此时的开采沉陷是“动态的”。随着时间的推移，开采沉陷的形式和大小逐渐趋向于稳定，开采沉陷变成“静态的”或“最终的”。2、从空间上来说，若地下开采的范围较小、开采的矿物的埋深较大，则开采沉陷波及的范围往往只局限于开采区域周围的岩体。若开采范围较大、埋深较小，则开采沉陷波及的范围就会从岩体发展到地表，引起“地表移动”(Groundmovemem)。【8l】33．2三带的划分(一)煤洞上覆岩层影响带的划分煤层开采后，在煤洞上覆岩层发生了较为复杂的移动和变形。为了更好分析煤洞上覆岩层的破坏情况，将移动稳定后的岩层按其移动、变形及破坏程度，大致分为三个不同的影响带，即冒落带、裂缝(或称断裂)带、弯曲带。冒落带是指用全部垮落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生破坏的范围，冒落带内岩层破坏的特点是：(1)随着煤层的开采，其直接顶板在自重的作用下，发生法向弯曲，当岩层的拉应力超过岩石的抗拉强度时，便产生断裂、破碎成块而垮落；(2)冒落岩石具有一定的碎涨性，冒落岩块间空隙较大，连通性好，有利于水、砂、泥土通过；(3)冒落岩石具有可压缩性：(4)冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出厚度的3～5倍。裂缝带是指煤洞上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层，位于冒落带和弯曲带之间。裂缝带内岩层产生较大的弯曲、变形及破坏。其破坏特征是：裂缝带内岩层不仅发生垂赢于层理面的裂缝或断裂，而且产生顺层理面的离层裂缝。 第3章废旧煤洞分布及变形破坏特征与工程危害弯曲带(又称整体移动带)位子裂缝带之上赢至遗表，我带的特点是：(1)岩层在崮熏的作用—F产生层面法菏弯曲，在承平方淘处于双向受压缩状态；(2)岩层的移动过程是连续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂隙；(3)弯曲带的高度主要受开采深度的影晌。上述三带的划分，是建立在岩体连续移动变形条件下的，一般来说只适用于层状续构岩体，藤盟备带相互之闯没有髓漫界线。并不是落煤洞上覆岩屡的移动一定存在三带，对于爨体豹煤溺上覆岩层可能只有一带或者两带存在。(二)煤洞上覆岩层三带高度的计算煤溺的倾角不粥，上覆髫层的移动与破坏形式就有很大的差羽。对于不同倾角，计算“三带”高度的经验公式就完全不一样。先对水平地褒下开采矿体的倾角范爨进孝亍划分：矿体倾蹙O。～15。时，可视为缓假矿层，上覆岩层移动的最大位置僮在采空区上方，基本上是对称的：当矿体倾角为150～550之闻时，为嫉斜矿体，在矿体倾斜方向上，地表移动盆地与采空区不对称，整个移动盆地偏向采空涎的下边赛，最大下沉合位移不出现在袋空区上方，两是向采空嚣下边界方淘偏移；矿体倾角55。～90。之间为惫倾斜矿体，上覆岩层移动形状非对称性十分明显，下山方向的影响邋远大于上山方向。紫坪铺水电潍的岩层产状为，北西翼较陡，岩层产状N250E／SEZ60～70。，露东翼稍缓，岩层产状N45～600E／N珲Z45～60。。从上述划分类来番，北两翼瓣于急倾岩层，卷东翼属于中缓岩层和急襁岩层之间，也可以划分为急倾斜岩层。在煤洞上覆岩屡“三带”高度计算中涉及到岩石的碎胀性和碎胀系数。从岩体中采掘或娥落下来的碎石，其堆积后的体积大于它在岩体内的体积，这种体积增大的性质，叫岩石的碎胀性，岩石的碎胀性通常用碎胀系数k来表示：k：—v+—Av(3—1)V"一△v——采搦或崩落下来的碎石总体税{v——碎石在岩体内的体积。实践证盟，岩石舱碎胀系数恒大予1，其数值取决予岩石的组成、结构、强度、岩石块度的大小与排列方式等因素。～般来说，致密而坚硬岩石的碎胀系数大予软弱或松软岩石的碎胀系数。对于阍一静岩石丽言，它的碎胀系数并非常数，刚破碎而堆积起来的岩石碎胀系数最大，随着时间的推穆，经过岩石的自重作用逐渐压实，使破碎岩块闻的空隙减小，碎胀系数也随之变小。9”可应用已有的经验公式预计冒落裂隙弯曲带的离度，从两知暹瘩予开采矿体，影响上覆岩层的高度。这种公式的优点是简单易用，但是在应用中应该注意：1、经验公式妊须在相同或相似玩质条件下应用才能获褥满意的效柒；2、经验公式中对上覆岩层的划分过于粗略，实际情况下常常是各种不同岩类交替出现相互19 成都理工大学硕士学位论文，2006组合的岩层，难以判断属于哪种类型。(1)缓倾斜、中倾斜岩层的冒落裂隙高度“”①冒落带高度当采空区顶板有坚硬岩层，采后形成悬顶时冒落带高度可用下式计算：Hw：丝(3-2)一(K—1)cos口式中，H为冒落带高度(m)；M为采出煤层厚度(m)；K为岩石碎胀系数；口为煤层倾角。岩石的碎胀系数取决于岩石性质，坚硬岩石碎胀系数大，软岩碎胀系数较小。。1冒落高度主要取决于顶板的分层厚度和软弱夹层的位置。当采空区的顶板为坚硬、中硬、较软弱和极软弱岩层时或其互层时，采后随冒随沉，则开采单一矿层的冒落最大高度可用下式计算：Hw--面M丽-W(3-3)式中W一冒落过程中顶板的下沉量(m)；当采空区顶板为坚硬、中硬、较软弱和极软弱岩层时或其互层时，则分层开采时冒落最大高度可用下式计算：坚硬(单轴抗压强度40～80MP)：100yM日目22．1∑M+16(±2·5)‘3—4’式中FM一累计采高(m)；公式中的±后面的数字为中误差中硬(单轴抗压强度20～40MP)：100yM‰2石蒜(+22)‘3删软弱(单轴抗压强度10～20MP)：100VM如2。6．2丽-32(±1-5)‘3—6’极软弱(单轴抗压强度0sign(y)={一1Y<0(4—10)【0Y=0④节点速度更新： 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析诎f圳=V。‘‘协∥At(⋯F‘∞+∥)式中，M‘。’为单元质量。⑤节点像移更薪：“，‘。’0+△f)=Ui(L)(r)+Atvi(L)O+△f)⑥节点位置更新：置‘∞8+△f)=置‘印0)+Atvi(L)◇+At)⑦屈服准则：奠尔库仑屈目酲准痢："gn=一巧。缘尹+C转换为单元应力准则："--啊+zq％=侄：不篡式中，虬=叶8抽％《n咖(4—11)(4一12)(4一13)(4一14)(4—15)FLAC3D分析过程包括七个步骤：1、确定数值分析的目标：数值分析的目标决定了建模的详细程度；2、建立挞述实豁闻题的概念摸型：预测系统是毪稳定、主要力学是是否线性、是否大位移、结构是否对称、边界情况等等；3、建立并运行篱单豹理想仡模型：简单的模型用来揭示缺点和不足；4、汇集求解问题的详细数据：几何特征、地质构造、本构行为、初始条件、外部荷载：5、准备运行不同的具体模型；6、进行模型的计算；7、分振运算结聚。[171尽管数值模拟计算方法及理论越来越完善，也无法完全适应复杂的地质条件及工程条件。最然，对实际工程的者体力学状态及稳定性评价来说，并不一定苛求特别精确的理论及计算方法，而是选用既简单方便，又能较多的考虑复杂的地质条件及工程施工因素的计算方法。基于上述情况，本文采用FLAC计算软件进行数值模拟，综合评价采空区的对边坡稳定性影响。4．3．3计算模型选择凝分析方法废旧煤漏围岩由多种者体组成，且在采动和长时间的上覆岩层薰力影响下发生更加复杂的变化，绝大部分围岩处于无法准确观测的位置，因此簧想完全准确39 成都理工大学硕士学位论文，2006地揭示废旧煤洞上覆岩层处于不同的力学状态，几乎是不可能的。就目前而言，那样做有很大的困难，并且没有必要。在数值模拟过程中，抓住问题的主要方面，次要方面可以粗略概括。我们可以将各部分围岩抽象为不同的力学模型(或力学元件)，从而可以建立能够反映废旧煤洞上覆岩层整体特征的力学模型。建立模型要考虑两方面的问题，一是与实际地质情况吻合，二是建立的数学模型要尽量简化，便于分析。这两方面是相互对立的，所以我们建立地质模型的时候要综合考虑，在保证能反映地质问题的前提下，尽量简化模型。1、岩体力学模型的选取文【32】中指出，自然界中的岩石，既不是理想的弹性体，也不是理想的塑性体，根据岩石的性质，可以将岩石的应力一应变曲线简化为两大类，如图4-4所示。一类是脆性岩石的应力一应变曲线，它的特点是在达到强度极限以前的总变形量很小，曲线近于直线，可以按照线弹性体来研究，其弹性模量为一常数。另一类是弹塑性岩石的应力一应变曲线，它的特点是应力达到某一个值后，应力一应变不再是线性关系，曲线开始阶段较陡，以后逐渐变缓。当外荷载小于岩体强度极限时，发生与时间无关，而与外荷载成正比的弹性变形；当外荷载超过岩体的强度极限，发生非弹性不可恢复的变形，即塑性变形，这类曲线比较符合实际情况。图4—4岩石应力一应受曲线FLAC”中内置了11种材料模型，各种模型对应一种特殊类型的岩土材料的本构特性。例如空单元模型用于表示从模型中被挖去。各向同性弹性模型适用于均质、连续的弹性材料，它表现为线性应力一应变特性。正交各向异性弹性模型和横向各向同性弹性模型适用于具有良好各向异性弹性性质的弹性材料。德鲁克一普拉格塑性模型适用于剪切屈服应力各向相等时的屈服准则。莫尔一库仑塑性模型适用于那些在剪应力下屈服，但剪应力只取决于最大、最小主应力，而第二主应力对屈服不起作用的材料。应变硬化／软化莫尔一库仑塑性模型以莫尔一库仑模型为基础，它适用于当加载超过屈服极限时表现出剪切强度增加或降低的材料。在众多模型中，莫尔一库仑最适用常规工程研究。对岩土材料，莫尔一库仑 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析模型中的粘聚力和摩擦角通常要比其他参数更常用。节理化塑性模型、应变软化模型、双线性应变软化／普通节理模型和双屈服塑性模型实际上是葵尔一库仑棱趔的变种。这些材料在其他参数取值很大时，会和莫尔一库仑模型得到一样的结莱。德每克一酱拉格是一个毙英尔一库仑模型箍萃的属服准剩，僵它不适用予所有的岩土材料的屈服模型分析。废旧煤洞的上覆岩层怒由多种岩石组成的，但是从整体上看，怒连续完整的，所以本文在保证与地质情况基本相似的前提下，建立岩体力学模型的时镁，熔岩体视为连续介质，并按照弹塑性介质，采用莫尔一库仑模型准则来分析。2、荷载模型废旧煤洞的荷载是初始应力以及分布荷载。岩体的初始应力场是很复杂的，根据形_秘；初始应力的主要藤困，搬岩钵视始应力场分为三种分量：鸯重疲力场、构造应力场、温度应力场。这三者相互叠加便构成了岩体初始应力场。岩体在垂直方向上受到地球引力产生向下的作用力盯，(假设Z轴垂直向上为正，水平向右为X轴正方向，垂直于X、Z组成的平西，指向外为Y轴的正方向)，在水平方向上将会发生膨胀变形，周围的岩体限制其向水平方向膨胀变形，因此，就产生了出乎方向上的应力(F，郛盯、，)。水平方囱帮垂壹方向的应力关系如下：∥，=,--50"z=告班(4—16)k=啬——侧搓系数口——岩石的泊松比在紫坪铺水电站坝区温度应力影响比较小，所以不给予考虑。考虑到工程区为被i霹三耍包阑蘸形成的孤立条形山脊，构造应力基本释放宠毕，敌模型构造应力作用忽略不计；分布荷载，只有在蓄水后，随深度增加的水压力作用，正常蓄水高程为877m，所{丛从库底到正常水位处，蘩130m高的静水压力。3、边界条件处理FLAC3D模型中坐标原点在模穗的左下角，水平向右为x正方向，垂唐：向上为Y正方向，用右手定则，垂直纸面向外为z正方向。浍x方向的长为600m，沿Y方向最高为312m，沿z方向宽为100m。一般豹边界条件分位移边赛条件和应力边界条传诱哥孛情况。位移边界条件：上边界是地面线，该边界上各结点为自由边界；模型底边距开挖面较远，设为滚支约束边界条件；在X方向上的两侧，z方向的两侧也设置为滚支约束边界条件。威力边界条件：只有蓄水工况中，有随深度成正比、垂直接触面的水压应力。水压力与水深关系：4l 成都理工大学硕士学位论文，2006盯水一瑰坛(4—17)其中盯水为水压力，‰为水密度，h为水深，g为重力加速度a4、模型的分析方法采用FLAC3。有限差分法计算软件进行弹塑性数值分析。本章模型中煤洞都是顺层开挖的，分三种不同的空间位置关系，第一种是废旧煤洞距开挖后的边坡10m；第二种是废旧煤洞距开挖边坡20m；第三种是废旧煤洞距开挖边坡为30m。分析在这三种空间关系下的各种工况的岩体应力、位移、塑性区、剪应力增量。分析废旧煤洞对开挖边坡的影响，提出经济有效的处理措施。计算步骤按实际工程，分五步进行：第一步计算右岸条形山脊初始应力场；第二步进行煤洞开挖后的应力场，计算出由于开挖煤洞使上覆岩层受到影响的范围，这也是为处理煤洞提供依据；第三步边坡开挖，分析边坡开挖对煤洞上覆岩层的影响；第四步处理20m长的废旧煤洞，根据煤洞上覆岩层的应力场和位移场，分析末蓄水时处理煤洞后的效果；第五步计算水电站正常运行期间，在有水压力的工况下边坡以及废旧煤洞的应力场、位移场、塑性区，检验废旧煤洞处理的效果。本章主要研究的是废旧煤洞对边坡的影响，所以边坡的开挖没有分步进行，并且开挖的同时就把进行锚索加固处理。锚索规格为截面0．0115m2，拉应力为200t--400t，长度为40～60m；锚杆规格为长10m，直径为32mm，2m×2m，俯角为80。在FLAC叩计算中，应力矢量的表示方法：“+”表示拉应力，“一”表示压应力；位移矢量的表示以坐标系为准，即沿X、Y、Z轴正方向移动的位移为正，反之为负。本文模型采用三维模型进行模拟计算，定义的关键点(node)4411个，线段(1ine)556个，单元数(element)为16340个，材料类型为17种。42 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析嘲4-5数值模型剖面豳由于本章研究的是模型内部的废旧煤洞对边坡的影响，若显示蹩个模型的变形情况，就不翁观察出煤涸的上覆崭层的应力和位移等值线鹜，所以以下模型强中只是显示z一50m～60m的割蕊圈。为了更加清楚看清模型计算结果，只是曼示边坡处有煤洞关键的工程部位。力了监控并显示模型豹各个步骤计算静绣果，在计算过程中鉴控两个关键帮位的点的位移和应力变化情况。本模型中，L10层的废旧煤澜倾蹙为540，Lll层中的废!彝煤洞的倾爱为45。。从裁箍的理论分柝可知，当矿体倾角为150～550之间时，为倾斜矿体。其上覆岩层移动的特点是：在矿体倾斜方向上，上覆岌层移动的位移与采空区不对称，垂直向下移动的位移最大僮不在采空区的中间，而是偏向采空区的上边界，这是因为上覆岩层的重力在倾斜面上分解成垂直』二覆岩层顶面和顺上覆岩屡方向的分力，遮样只有GxcD即d(G为上覆岩层的翻熏，饼为侦蕉)的重力垂赢佟翔在上覆岩滕的顶扳上，产生按应力。上覆裟层的另羚一个G×sinet，j乍用在顺层岩层上，产生压应力。倾斜的废l鲤煤洞上边爨产生的垂壹向～F位移，大于一F边界产生的垂直向下的位移，所以上边界产生黔拉应力区域大于下边界的拉应力区域。我们从模型的应力等值线图中(图4—6和图4．7)也能看到这样的现象。设置两个控制点l#和2并(图4，6)，若这两个控制点的位移和拉应力很大，就说明上覆岩层甚经部分产生破坏。圈4-6废旧媒洞嘶的废力等值线蹦凿4-7废lR煤洞y方向位移等饿线圈43 成都理工大学硕士学位论文，2006在每～步计算翦把上一步计算所产生的位移设景为零，这样计算出来豹位移，只是当前开挖引起的位移量值。4。3．4力学参数选择岩体力学参数是影响数值模拟结聚的关键因索，也是地质工程中难于准确确定的难题之一。[121为了给边坡的变形、稳定性评价及工程优化设计等提供合理的力学参数，在紫坪铺水电站工程区，发育的层润剪切破碎带的不弼工程部位和不同高程，棚对均匀地布置6个采样位置点，试验采用携带式剪切仪(简称携剪仪)来测定软弱结构面的峰值强度、屈服强度、残余强度等抗剪强度指标。携剪仪的最大优点是携带方便，特嗣适用予难以懿戒几傣撬刘形状的岩枵。一缝携剪试验设计5个试样，分别在不同正应力0作用下施加剪应力t，测得破坏时极限剪应力t。。。然后根据库伦公式t=0tan巾+c，确定剪切面的峰值强度参数(内摩擦角由和内聚力c)。废旧煤洞对工程部位稳定性影响的分析计算中，所需要的主要参数是根据成都理工大学实验室做的试验成果基础上提取。在FLAC30程序中，采用莫尔一库仑(MonCoulomb)屈服准则，因此岩士体的变形参数则需采用剪切模量(G)和体积模量(K)，蔼不是传统地直接采用弹性模量(E)和泊裣比(∥o邃此，在典体计算时，稀先采用以下公式(式4-18、4-19)将弹性模量和泊松比换算成剪切模量(G)和体积模量(K)。G：——竺_一(4．18)2(1+∥)岸一生(4．19)3(1—2∥)其中芦为岩±俸的泊松比，E为弹瞧模萤。计算模型中所需要的参数如表4．2所示： 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析表4-2各岩性计算参数一览表弹性模量泊松比抗拉强内聚力摩擦角容重地层E(MPa)度oMPaC(mPa)巾(度)Y(Kn／m*)煤质页岩5000．36O．50．42220．3煤质页岩(弱风化)4500．4O．45O．320煤质页岩(强风化)400O．4O40．51820中细粒砂岩160000．271．352．427中细粒砂岩(弱风化)70000．251．214526．4中细粒砂岩(强风化)1000O．30．7O．526．624细粒粉砂岩70000．251．214526．4泥质砂岩1000O．3O．60．526．624泥质砂岩(弱风化)900O．320．550．452421．9泥质砂岩(强风化)800O．360．5O．42221．5第四纪坡积物400O．4O．350．318204．4模型计算成果的分析研究边坡开挖对附近的煤洞上覆岩层稳定性有影响，反之，煤洞的存在对边坡的稳定性也有一定的不利影响。通过数值模型进行研究煤洞与边坡不同的空间位置关系情况下，废IEl煤洞与边坡之间的相互作用。煤洞距边坡的距离不同，将产生不同程度的影响。找到需要处理的煤洞范围，是处理废旧煤洞的首要解决的问题。对采空区的治理范围的确定将牵涉到边坡的稳定和治理费用。治理范围小了，会影响边坡的稳定；治理范围大了，浪费人力、物力、财力，所以在治理采空区前必须先对需要处理的范围进行确定。采空区的处理措施，是根据对废旧煤洞上覆岩层的应力状态、破坏情况的计算分析基础上确定的。由于废旧煤洞具有隐蔽、广泛、历史悠久等特点，并且大部分已经坍塌，所以要想查明废旧煤洞的具体位置和规模，是非常困难的。废旧煤洞的规模和走向，只能从探测到的、从施工开挖发现的废旧煤洞并结合地质特点进行推断。在开挖引水洞的时候，当穿过L11层的时候，都发现有废旧煤洞出现，这说明L11层的大部分的煤已经被挖掉，在建模型的时候从与引水洞相交的Lll层处分别向上下各延伸30m，废旧煤洞的长度为60m。4．4．1确定影响进水口边坡稳定性的煤洞与引水洞进水口边坡有关的煤层分别为L12、Lll、L10、L9，其中L9在引水洞进口边坡出露的高程为775m，边坡岩层是反倾向岩层，若开挖L9层的煤，那么煤洞的高程为750m以下，就可能受到河水倒灌的影响(河水面高程为45 成都理工大学硕士学位论文，2006752m)。并且在开挖过程中也未发现有煤洞的存在，由此可以推断，L9层没有废旧煤洞的存在。只有L12、Lll、LIO剪切破碎带含有煤洞，可能对边坡有影响。下面分析哪一层废旧煤洞对边坡有影响。圈4-8开挖煤洞后最大主应力等值线图图4-9开挖边坡后最大主应力等值线图图4．8中，最上面的3号煤洞是在L12层中，中间2号和4号煤洞是在L11层中，最下面的1号煤洞是在LIO层。开挖煤洞后，洞顶和洞底由于开挖卸荷出现了拉应力区域。煤洞的上覆岩层和底板的拉应力状态与煤洞的倾角有关，当煤洞的倾角为零，那么顶板的拉应力会出现煤洞的上覆岩层和底板的中间；但是当煤洞有一定的倾角时候，顶板的拉应力就会出现向上移动，底板的拉应力区域向下移动的现象。这和理论分析的结论比较吻合。图4-8中，废旧煤洞引起岩层变形的范围，只有煤洞高的2倍左右。说明煤洞的开挖对岩层的影响，只是局部的。最上面的L12层开挖的煤洞(3号)和L“层的出水口边坡处的煤洞(4号)，对引水洞进水口边坡没有影响。3号煤洞主要是对上覆岩层有很大的影响，由于L12层的上覆岩层相对比较薄，并且在施工过程中发现的煤洞数量比较多，上覆岩层多是风化的岩层和第四系堆积物，煤洞上覆岩层的影响范围达到地表，在模型中计算中可能会因为L12层的煤洞开挖，上覆岩层出现大面积的拉伸破坏和剪切破坏，使模型达不到平衡状态，就不能很好研究与引水洞进口边坡开挖有关的煤洞。为了更好的研究与引水洞进口边 第4章废|嚣煤洞对边坡稳定性的影响分析坡息患相关的废旧煤洞，避免受与研究对象不相干的煤洞的不利影响，在做模型时不考虑L12层开挖的废旧煤洞(3号)和引水洞出口边坡附近煤洞(4号)。4．4．2模型成果的分析研究废旧煤漏躐离开挖的边坡不同，其影响的程度也明显不同。一般情况下，距离边坡越近，废i日煤洞对边坡的影响越大，反之，影响越小。本章分废旧煤洞距开挖边坡为10m、20m、30m三种情况进行分析。为了方便说明问题，把煤洞进葶亍编号，从左匀右，分羁为l号煤澜(在L10层)弱2号煤涵(在L11层)。可以从很多方面进行分析计FLAC3U计算出模型算的结果。例如我们可以从煤洞开挖前后的x、Y方向的位移来说明煤洞E覆岩层的移动情况，从最大、最小主威力(即Crl、∞)以及垂壹方向的应力西分布谤况来分析图形的合理性和出于开挖煤洞后影响的拉应力区域。煤洞处理原则：处理上覆岩朦的高度是根据开挖煤洞后的冒落带和裂隙带的高度，即松动破坏的岩层；处理煤洞的长度是根据距离边坡影响的程度而定。模型一：废旧煤漏距开挖透坡10m(1)、天然阶段初始应力模拟成果分析图4—10襁始垂直方向洲的应力等僚线进行天然阶段(煤洞开挖静)的模拟分析露的是，确定模型的合理性及初始应力场，这也是FLAC3D进行”F一步开挖计算的基础。经进2712步的德环步收敛(通过最大不平衡力来控靠8收敛情况，豳：倒为Rotation=le一5)。天然应力场的主要特，谯如T：(1)总体上，应力场的分布特征比较稳定，除了受断层、岩性、岩体结构、嫩形地貔影响两产生不同程度应力集中外，Y方彝戆应力分布与坡形簇本上呈现平幸亍状态，帮竖现“佥”字分布，符台一般的遍应力场的变化规律；(2)由于岩体风化、卸荷以及层间剪切破碎带的存在，特别在风化、卸荷界线处出现明最的廒力集中。计算应力场结果如图4—10，也说明模型的计算是很合理的。47 成都理工大学硕士学位论文，2006J■二／t(j：D2．j口嚣?：摇5F。M。，“∞∞HimorvtM啦Unb●I●nc●dF⋯絮嚣器。i=■焉i：：；磊U3鬻。o。．∞1《一32∞¨003图4-11天然阶段系统最大不平衡力演化过程曲线图图4．11是天然阶段系统不平衡力随迭代时步的演化过程曲线，系统不平衡力是指计算模型中所有节点的不平衡力的总和。在FLAC”计算中，如果系统不平衡力随迭代时步的增加逐渐趋于一个常量或者趋于零(一般是不可能达到零值，只能趋于一个相对初始最大不平衡力来说非常小的数值，例如当最大不平衡力达到初始最大不平衡力的le一5倍的时候，就认为系统已经达到平衡状态，计算自动结束)，说明计算模型在外力的作用下，经过一段时间的应力和应变的调整，达到自身的平衡状态，此时系统是稳定的。反之，当最大不平衡力不能趋于最初最大不平衡力的le一5倍的时候，说明模型不能达到平衡状态，也就是模型系统不稳定，在某些部位出现塑性流动或者是剪切破坏、拉伸破坏。图4—12天然阶段垂直位移等值线图 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析囤4—13天然阶段沿x方向的水平位移等值线图从图4—12可以看出，自然状态下，荆面的变形与岩体有关，第四系堆积物和含煤质页岩变形量较大，砂岩变形相对较小，表现为煤质页岩处的位移等值线集中。艇个模型在垂直方向上的压缩变形量为18．7com。在圈中出现弧形的原因是，由予煤质页岩产生较大的变形躯原因，藕下伏岩层为砂岩，变形较小。从圈4—13可以看沿x方向位移变化不大，只有在山脊两侧的临空面处有较大的位移。(2)、开挖煤洞慝图4_14开挖煤洞后最大主应力口，的等值线圈4_15开挖煤洞后最小主虚力∞等值线墅49 成都理工大学硕士学位论文，2006从圈4．14和圈4．15看出，煤洞开挖对整个山体的廒力分布影响不大，采空区上覆岩层有明显的应力集中及应力松弛现象。因煤洞的开挖，煤溅蛉底扳以及上覆岩层出现拉应力状态。由于底板出现临空面，以前的压应力得到释放，被压缩的岩体固弹，所以就出现7拉应力理象，菸显拉应力豹影喻区域只骞2倍友右的煤洞高度。煤洞的顶板也出现临空面，在上覆岩层的熏力作用下，煤洞的上覆岩层出瓒了一定区域的拉应力，这个拉应力范围和上覆岩层的性质、状态、煤洞的倾斜稷度有关。对于水平的煤洞来说，上覆岩层出现的拉应力在煤洞上覆岩层中部，当煤洞倾斜时，拉应力区域向上边界移动。当倾角达到一定的值时，拉应力只在煤洞的最高的那个角附近出现，和前蓖理论分老野非常吻合。图4—16并挖煤澜后的y方向的位移等饿线图图4—17开挖煤洞后x方向的位移图4-16是由于开挖煤洞引起的Y方向的位移等值线图。可以看出煤洞开挖后，相对于开挖前，岩体沿Y方向交形最大值增加13厦米左右，这全部是由于开挖煤洞引起的位移变形，因为在计算开挖煤涸魏，已经把上一步的位移变化设置为零。变形主要集中在采空区附近，变形波及范围为以采空区为中心，呈椭圆 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析分布。变形最大的部位出现在2号煤洞，也就怒L1l煤层。原因楚上覆岩体比较薄，并凰有一定厚度的第四系堆积物。当开挖煤漏后，上覆岩层就向涸内移动。从位移等值线图来看，在洞顶洞底产生像移集中现象，说明位移在洞顶洞底变化加快，澜顶产生塌陷交形，漏底产生松弛回弹变形。筮僮随漏壁周围岩性交纯藤变化，岩体强度大的岩壁变形小，岩体强度小的岩壁变形大。因此，可能会出现塌落和鼓胀交形。图4．17是由于开挖煤洞引起X方向的位移等值线图，相对开挖前，岩体沿X方向变形最大值增加为7厘米左右，x方向的变形主要集中在煤洞附近，尤其是位于Ltl层的煤洞变形是最大的。这是密于野挖煤溺后，上覆岩层出现螨空恧，向煤洞内变形。从圈4一14～图4．17可以看出，由于煤溺的开挖造成的影响是局部的，对右岸山体的整体影响较小，开挖煤洞对围崧的影响范围在2倍洞径左右。(3)、开挖边坡后(由于篇幅的原因，只是显示必键部位)豳4-18开挖边坡后最大主应力01等德线图4一{9开挖迷坡后最小主廒力口3等值线从图4一18和图4一19嚣出，当开挖边坡后，最大主应力的l#煤洞上覆岩层出现有l倍左右洞高的拉应力区域，2#煤洞下底板出现1倍左右的洞高的拉应力区域，煤溺和边坡之阆的岩体出现拉应力现象。最，l、主应力图中，鼹个煤溺的之间的岩层全部出现拉应力区域。引水洞进口边坡开挖对2号煤洞的影响最大，拉应力豹区域达到边坡豹处。图4．18、圈4．19与图4。14、隧4．15相}E较，开挖边坡后煤洞的上覆岩层的拉应力区域增大，原缀是，当边坡开挖后，出现卸荷回弹。这种卸荷网弹影响煤洞上覆岩层，加上煤洞开挖骺形成的临空颓，其上覆岩层在皇夔的作用下，向临空面移动，这梯拉应力区域就增大了。 成都理工大学硕士学位论文．2006图4—20开挖边坡后Y方向的位移等值线圈图4-21开挖边坡后X方向的位移等值线图从图4—20可以看出，当边坡开挖后，若没有进行及时处理煤洞，那么2号煤洞的上覆岩层在Y方向上向下移动的50cm左右。煤洞上覆是强风化的煤质页岩，强度很低，很容易产生破坏。1号煤洞也是由于开挖边坡产生临空面，上覆岩层在自重作用下，煤洞顶板向下移动10厘米左右。从图4—2l开挖边坡后的X方向位移等值线图中也能看出，由于开挖卸荷和提供一定范围的临空面，使煤洞上顶板岩层水平向左移动50cm左右，说明2#煤洞上覆岩层已经破坏。图4—22开挖边坡后未处理煤洞时产生的塑性区域图4—23开挖边坡后未处理煤洞时剪应力增量图 第4章凌|珥煤洞对边坡稳定性的影桶分析从图4—22看出，开挖边坡后，若没进行处理废旧煤澜，煤浏豹上覆岩层就会出现一定范围内的剪讶破坏(图中shear_n)和拉伸破坏(图中tension-n)。从图4．23剪应力增鬃来看，煤洞和边坡之间的岩层剪应力增量是最大的，这些部位可能首先受到破坏。最先受虱破坏舱是2#煤涌与边坡之间的岩体。若不对煤濑进行处理，当水媳站芷鬻运籍期间，在瘸水头压力作熙下，水通过破饔擎豹岩体渗入煤漏蘑，水对煤漏围岩蠢软促传用，上覆岩屡豹力学参数会降低，加剧了上覆岩层的破坏，所以煤洞必须进行处理。(4)、处理煤洞后对两个煤漏的郝分长度进行愆混凝±处理，处理长度，从靠近边坡的一侧，用砼填充20m。先清除煤洞内松动岩块和表层浮渣，再用硷进行置换封闭处理，若开挖后莹稽状，就采闵硷黏坡，以与两侧岩石边坡接顺为准。为了确傈填灌密实，采用钻孔灌浆处理，硷的标号一般为C20。镶如：FMD8，FMD41，FMD45豹处理等。在模型计算中，用混凝土进行潮填20m长度盼煤洞，回壤混凝土厨，模型就没有达到平衡状态，需要避行运行计算，塞到达到颧的平簿为止。囤4～24煤瀚处理后最大生应力仃1等德线圈4-25煤涧处理霜最小主应力口3等值线从鼹4．24和图4．25最大主应力和最，J、主艇力等筐线来蚕，与没农处理的最大主应力和最小主威力(图4一18和圈4-19)相比较，煤洞经过处理后，废i瑟煤洞的上覆岩层的拉应力区域已经明显减小，但是拉鹿力区域还是影响到开挖的边坡，这和边坡开挖卸荷有关。 成都理工大学硕士学位论文，2006图4—26煤洞处理后y方向位移等值线图图4—27煤洞处理后x方向等值线图从图4-26和图4-27可以看出，经过处理煤洞后的煤洞上覆岩层沿Y方向和x方向的位移都很小，y方向上最大值为3mm左右，x方向最大值为2mm左右。说明用混凝土回填煤洞，煤洞上覆岩层的变形比较小。图4—28煤洞处理后的塑性区域图4—29煤洞处理后的剪应力增量从图4-28看出，经过处理煤洞后，和图4-22没有处理煤洞的时候相比较，煤洞上覆岩层以及边坡附近的剪切塑性区(shear-n)和拉伸塑性区域(rension-n)明显降低。从图4-29可以看出剪切增量最大值主要还是在2号煤洞和边坡之间，但是和图4-23相比较，增加的最大量值已经从1,38e一1减小到1．18e．4，说明山 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析体比较稳定。说明经过处瓒后取得了良好的效果。(5)、正常运行期间在正常运行期间，垂鲞引水洞进口边坡的水压力，是随水深增加而增加。圈4—30正常运行期闰最大主疲力等值线圈图4-31正常运}亍期间最小主应力等值线圈从图4—30的正常运行期间和蓄水前的图4，24相比较，在运行期间最大主应力受拉区域只是在煤溺的左上角的上覆岩层有缀小部分出现拉应力状态。从图4．3l正常运行期间和蓄水前的图4。25相比较看，在运行期间最小主应力的拉应力区域减小。原因是，在正常运行期间，有水骶力垂赢作用在边坡的表面，方向向坡体肉，与因开挖边坡傻岩体囱钋移动的方彝相反，所以在运行期间最小拉应力区域减小了。圈4—02正常遗杼鞭间Y方向的位移等值线圈圈4-33正常遂行期闻X方羯的位移等值线潮从鹰4．32可以看出，在正常运芎亍麓闯，由于承压力豹作用下，1号废l丑媒洞和边坡之间的岩体沿Y方向向下移动1．5cm，在2号煤洞和边坡之间的岩土沿y方向向下移动O．5era。从圈4—33可以看出，在正常运行期间，由于水压力的作用下，沿x方向向右移动O．75cm。由此可以得出，废1日煤澜经过处理后，在正常运行期间边坡是稳定的。 成都理工大学硕士学位论文，2006图4—34正常运行期间塑性区域图4—35正常运行期间剪应力增量从图4—34看出，在正常运行期间，边坡没有出现塑性区，说明边坡比较稳定。从图4—35看出，在正常运行期间，剪应力增量出现在远离边坡开挖的第四系坡积物上，并且最大数值为2．7e一3，这也说明在正常运行期间边坡是稳定的。油171t22懈’2MoMnMir27=00e}Ⅱ目。竹’M■tUⅧ⋯d№LI⋯tvk一584’●·004州，，争．+o。0ViS1●o1oM⋯7”㈣4图4-36最大不平衡力演化过程曲线图 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析絮裂。le。o_=了磊：丽V目．Step^∞O”∞1‘4’∞1叶∞$-口●一、a一11-12—13NJsto巧5y-D№macementG口653Linms々l_一-6300}001tI，1697e"005V9．Step"000B+001‘}1401e．--00402o●oa⋯4图4-371号监控点y方向位移演化曲线UU{|＼o2口4oeo51口～4图4—382号监控点Y方向位移演化曲线l号监控点和2号监控点分别是l号煤洞和2号煤洞的左上侧顶板上的点(如图4-6所示)。因为在计算每一步之前，把上一步计算的位移设置为零，所以图4—37和图4。38每一个计算步骤的位移都是本次开挖或者是正常运行期间产生的位移。从图4．16可看出在两个部位煤洞上覆岩层沿y方向上移动的距离是摄大的，并且距离边坡是最近的。通过监控废旧煤洞的这两个点的位移，可以很清楚看出煤洞的上覆岩层在开挖的过程中位移变化。用表格的形式来说明煤洞上覆岩 成都理工大学硕士学位论文，2006层监控点，在各个计算过程的位移变化如褒4-3。表4-3监控点的各计算步骤产生的位移1#监控点2#监控点x(cm)Y(￡m)x(cm)Y(cm)初始状态O．9-13．51一18开挖煤滑一2．3-5-5．1一12开挖边坡-16—9．0—65—55处理煤漏O0O0正常运行1．2一1．Ol0从上表可以看出，在各个开挖步骤中，2#监控点的位移比l#监控点的位移要大，因为2#箍控点是处予L11层，1#监控点处予I，10层，2#监控点的上覆嵩层是第四系堆积物和风化的岩体，所以在开挖过程中受到的影响要比l#监控点大。在开挖边坡的时，两个监控点的X、Y方向的位移都比较大，Y方向的位移达到55cm，说明在开挖边坡的时候，煤漏上覆岩层已经部分破坏。在正常运行期间，1#j12【控点的水压力比2#监控点的水压力要大，所以1#监控点沿X、Y方向的位移要大。经过煤淄处理嚣，在歪常运行期闻两个盗控点的位移已经很小，结合塑性区域和剪应力增量(如图4．34和4．35)，说明经过处理煤洞后，在运行期间边坡已经很稳定了。模型二：废旧煤洞距开挖边坡20m(1)、开挖煤洞赢图4—39开挖烯洞后最大主应力等值线图图4-40开挖煤洞后最小主应力等值线圈从图4—39和图4—40看出，开挖煤洞后，在煤洞上覆岩层出现拉应力集中，底板也出现拉应力集中现象。拉应力区域楚煤洞高的2倍左右。下底板是由于开挖煤洞产艇的卸旖回弹的作用弓l起的，上覆岩层出现拉廒力是由于开挖煤涸后蹬现临空面，上覆岩层在自重的作用下，向临空面移动而产生的拉应力。如图4．4058 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析在l#煤洞的左上角都分区域出现了最小主应力中的压应力集中现象。图4-41开挖煤洞后Y方向位移等值线圈图4—42开控煤洞詹x方向位移等值线圈从图4-4l可以看出，由于煤洞的开挖，煤洞上覆岩层沿Y方向向下移动，最大僮为．16。8cm，2#煤浞上覆岩层沿Y方向肉下移动的距离比1#煤漏+匕覆岩层移动的位移要大，主要原因是2#煤洞埋深较浅，并且上覆岩层是风化的岩体弱第匿系堆积物，艨以当开挖煤洞质，2#煤漏E覆辫层受裂酶影响较大。从图4q2看出，也是2#煤洞的上覆岩层沿X方向移动的位移要大。从位移等值线图来看，洞顶洞底的位移等值线迅速集中，说明位移在洞顶洞底变化加快，瀹顶可能产生塌陷变形，洞底产生松弛回弹变形。量值随洞壁周围糍性变化丽变化，岩体强度大的岩壁变形小，岩体强度小的岩壁变形大。(2)、开挖边坡厝圈4—43开挖边坡后最丈主应力等值线圈图4-44开挖边坡看最小主应力等德线图从图4．43和图4．44看出，当开挖边坡后，煤洞上覆岩层的最小主应力出现有2倍左右洞高的投应力区域。1#煤洞的上下岩层的最大主应力出现1倍左右洞高的拉应力区域。不但边坡处出现拉应力集中现象，而且与开挖边坡前的煤洞．上覆岩瑟相比较(妻霎图4-39、图4-40)，煤溺的上覆岩层的拉应力区域增加。煤洞上覆岩层拉应力区域增大也是与边坡开挖卸荷有关，也就是开挖边坡对煤洞上 成都理工大学硕士学位论文，2006覆岩层有很大的影响。围4—45开挖边坡后Y方向位移等值线圈图4-46开挖边坡后x方向位移等值线图从阉4-45看出，当开挖边坡后，煤洞上覆岩层沿Y方向向下移动最大值为一32cm，一般在一lOcm～-20cm之间。最大值在2#煤洞的左上角，说睨2#煤潺上覆岩层部分发生破坏。1#煤洞上覆岩层沿Y方向移动只有．4cm左右，是由于2#煤澳煦埋深较浅，所以受边坡开挖的影晌比较大的原因。从图4．46看出，沿X方向也是2#煤洞的上覆岩层发生的位移较大。图4-47开挖边坡后塑性区图4-48开挖边坡后剪应力增量从图4．47看出，当边坡开挖后，煤洞和边坡之间的糟层发生了张拉破坏和剪切破坏。嚣不处理，在正常运行麓阂，高水头作用下，永可能余沿破匐：松动的岩体渗入煤洞中。当水进入煤洞后，对煤洞的上覆糟层起到软化作用，进而加剧了上覆岩层的破坏。从图4．48看出，蓑岩体发生破坏，首先是从2#煤涧与边坡之间的岩体破坏。60 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析(3)处理煤洞后图4—49处理煤洞后最大主应力口1等值线图圈4—50处理煤洞后最小主应：)70-3等值线图从图4—49和图4—50看出，经过处理煤洞后，煤洞上覆岩层仍还有一部分拉应力区域。图4—51处理煤洞后Y方向位移等值线图图4—52处理煤洞后x方向位移等值线图如图4-51和图4—52，沿Y方向和沿X方向的位移情况，煤洞上覆岩层的位移值已经在lcm之内了。图4—53处理煤洞后塑性区图4-54处理煤洞后剪应力增量图6I 成都理工大学硕士学位论文，2006从图4．53看出经过煤洞处理后，塑性区明显降低了。塑性区只是集中在进水塔的基础位置，这是因为开挖基础部分后，出现的弹性卸荷。从图4．54看出，只是煤层及煤洞和边坡之间的剪应力增量较大，若发生破坏，首先就是这些地方发生破坏。(4)、正常运行期间在正常运行期间，与水接触的表面，加上与表面垂直的水压力。图4—55正常运行期间最大主应力01等值线图4-56正常运行期间最小主应力口3等值线从图4—55和图4—56看出，经过煤洞处理后，在正常运行期间，煤洞上覆的拉应力区域明显缩小。边坡附近没有拉应力出现，是由于在水的作用方向是向山体内的。只从水压力作用来看，水压力对边坡稳定性在一定范围内起积极作用。图4—57正常运行期间Y方向位移等值线圈图4-58正常运行期间x方向位移等值线图从图4—57看出，在正常运行期间，由于水压力的作用影响，沿y方向移动最大位移在进水口平台下面的第四系堆积物上，为一8．9cm。1#煤洞沿Y方向移动的位移为一1～-2cm。从图4—58看出，两个煤洞上覆岩层以及煤洞与边坡之间 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析的岩体沿X方向移动的只有lcm左右。说明经过处理煤洞后，在正常运行期间边坡和煤洞上覆岩层是基本稳定的。图4—59正常运行期1"．-7塑性区图4-60正常运行期间剪应力增量从图4—59看出，经过煤洞处理后，在正常运行期间，煤洞上覆岩层以及煤洞与边坡之间的岩体几乎没有出现塑性区。图4．60显示在正常运行期间，剪应力增量也是在迸水口基础下面的第四系堆积物上，即使破坏也是那部分首先发生破坏。说明处理煤洞后，煤洞上覆岩层和煤洞与边坡之间的岩体是稳定的。}E女一4ymDI⋯⋯to口№Ll⋯b·，㈣¨447㈨o：Vl甜■p1。。0㈣m1352㈣45、Ⅷ⋯⋯㈣1，LI⋯tm～一2一-一"．-’：⋯一V_～1口⋯⋯’"一⋯图4—611#监控点Y方向位移演化曲线图图4—622#监控点Y方向位移演化曲线图 成都理工大学硕士学位论文，2006表4-4监控点的各计算步骤产生位移1#龅控点2#雌控点x(cm)y(cm)X(cm)Y(cm)初始状态05—13．91．2—18开挖煤洞一2，3～3，8—5．3～9开挖边坡一7．14．2—52．5-20处理燧洞O0O一0．5正常运行1．2一1．51-06从图4，54、图4—55、表4-4可以看出，2#监控点在各个计算步骤中，比1并监控点豹位移值要大一些。这是因为2#监控点比1#监控点埋深簧浅，上覆岩层的岩性要差的原因。这和前面的理论分析很吻合。边坡开挖对煤洞上覆岩层位移的影响比较大，1#监控点沿Y方向上最大为5．1cm，沿X方向上为一7．1。而2#监控点影响燮加大，浍Y方向上达到．60cm，沿X方向上达到一52．5cm。在经过煤洞处理后，在正常运行期间，两个监控点的位移已经降低到lcm左右，说明煤羽处理取得了缀大的效采。把表4-4移表4—3耀}B较，煤溺距离边坡为lOm比相距20m，各个计算步骤的位移爨值都爱大，这说明煤洞距边坡越近，对边坡的影响越大。模型三：废旧煤洞距开挖边坡30m(1)、开挖煤洞后圈4—63煤洞开挖后最大主应力口1等值线图图4—64煤洞开挖后最小主应力口3等值线圈从图4—63和图4—64可以看出，开挖煤洞后，最大主应力和最小主应力都在煤洞的底板郓上覆岩层的最上部附近局部出现拉应力状态，并且应力睦线比较集中。上顶板的拉应力区域在煤洞的上覆岩层中间向上偏移，下底板拉应力区域在煤濑中闯囱下馕移，琢灏是煤洞具有一定静馁角。拉应力区域为2倍左右豹润径。这和煤洞距边坡为20m的拉威力区域基本上一样。 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析圈4—65开挖煤洞后Y方向位移等值线圈图4-66开挖煤洞后x方向位移等德线圈从图4-65看出，由于开挖煤洞引起的位移，在沿Y方向位移最大值为-10cm左右，沿X方向最大值为5cm左右，并且位移最大都在开挖煤浞的上覆岩层处。距边坡为lOre(如图4-9和图4-10)时，沿Y方向最大位移为一12era左右，沿X方向最大位移为，7cm左右。(2)、开挖边坡后圃4—67边坡开挖后裁犬主应力卅等僮线圈4-68边坡开挖詹最小主应力鹋笛值线从图4—67葶羹墨4，68可以看出，开挖边玻焉与开挖边坡前栏}￡较，煤漏上覆岩层拉应力区域增大。说明开挖边坡对煤洞上覆岩层有较大的影响。圈4-69边坡开挖着Y方向位移等值线圈图4—70边坡开挖爵X方向位移等值线囤 成都理工大学硕士学位论文，2006从圈4．69看出，出于边坡开挖引起煤洞上覆岩层沿Y方向位移最大值为一2～一7．7cm左右，其中、洽Y负方向的最大位移是在2#煤润上覆崧层，1#煤洞上覆岩层沿Y方向为．2cm左右。由于2#煤洞上覆岩爆以风化和第四系堆积物为主的岩层，边皱开挖锑荷籍，这些软弱岩层破坏程发更大，『龟开挖煤溺产生豹冁空酉移动位移就大。1#煤洞埋深比较深，上覆岩层多是新鲜岩层，即使开挖边坡产生卸荷回弹，{羹没有缀大豹影晌。只有在进水曰平台基穑处，沿Y方向产生最大的向上位移，大小为10cm左右，原因是开挖边坡产生的卸荷回弹引起的。从图4。70可以看出，由于边坡开挖卸荷的作用使边坡糟层向临空面移动，煤洞上覆岩层和煤澜与边坡之阗的岩体的位移为7cm左右。隧4-71弹挖边坡后的塑性区圈图4-72开挖边坡詹的剪应力增璧圈从嚣4．71露出，迷坡并挖对煤漏上覆岩层的影响bE较小，塑性区很小。从图4．72可以看出，若边坡破坏，就会从两个煤洞和边坡之间的岩体遭到剪切破坏。相对整个模型来说，煤洞和边皱之阆的岩±是最不稳定的。(3)正常运行期间我{『j就可以宜接在没有经过煤洞处理的边坡上加水压力，若边坡仍比较稳定，说睨煤澜距边坡为30m的时候已经是安全蹑离了。 第4章废旧煤洞对边坡稳定性的影响分析图4—73芷常运行期闻熬性送圈瞄4—74正常运行期间剪廒力增量圈从图4。73可以露出，当煤洞距离边坡30m，即使煤漏没有经过处理，在正常运行期间，煤洞上覆岩层也不会产生很大的塑性区，从图4．74可咀看出，当没有经过处理驰煤溺，在正常运彳亍期间，剪应力增量出现在选坡戆下方第鼷系堆积物上。从而可以得到当煤洞距离边坡为30m的时候废旧煤洞对边坡没有很明鼎翡影响，可以不雳混凝±进行密填疲}舀煤滴。1：；％，。eu。ent。。，～4V∞№Dbco口e’，絮：憋赢=i磊磊i～Vs．8‰moh}1Ⅲ。．004．⋯圈4—751#煤溺左上角监控点位移演化圈67 成都理工大学硕士学位论文，2006History5n洳晰emmtGpe祷Un¨Me一-te84ea30’～S91le-∞4Vs．gteb’∞OB+。。’td’t科e*004§问]压／LI厂——～一表4-5监控点位移表1壮监控点2#监控点y(CA)X(cm)X(cmY(cm)0．6—13．61．4-18初始状态一1．7-2．4—5．2—5。l歼挖煤漏一3．86．9—8．2—9．5开挖边坡1+2-1．8l，1-t．2芷常运行 第4章泼旧煤溺对边坡稳定性的影响分析裹扣6各种工糯下潞接点的位移对比表煤洞距离边坡10m辩煤漏距离边坡20m时煤漏距离边玻30m对工1#盐控点2#监控点1#监控点2{≠监控点1#篮控点2并监控点XYXYXYXyXYXY臻(cm)(era)(e&)(cm)(c$)(crn)(em)(e∞)(cm)(em)(eta)(c∞)初始0．9一13。一13．—13．l一18O．51．2—18O．61．4—18状596态开|挖～2．3—5—5．1一12—2．3—3．8—5．3—9一1．7—2．4—5．2—5．1懦开挖-t6—9．O-65—55—7．14．2—52．—20—3．86．9—8．2—9．5边5坡处理O0O0固．5煤洞正常、—^1．2-1．01O1．2-1．5l—O．61．2一1．81．1一1．2运行当煤涌距离边坡为30m的时候，当开挖边坡的时候，对煤桶士覆岩层的影响不大，就没有经过处理，直接进行正常运行工况模拟，若在正常运行期间煤洞上覆岩层发生破坏，那么就需要处理煤漏，罄佼移比较小，说明煤澜不需要处理仍能达到稳定性要求。从袭4．6W以看斑，开挖边坡对煤洞的土覆岩层的影晌是最大，其中距离边坡越近豹煤溷上覆岩层鲍监控点位移僮越大。当蹬离边坡为10m时，2#监控点的位移最大，；骨X方向上达到一105cm，沿Y方向位移达到一63cm，经过处理后，在正常运行期阀，2#煤洞监控点的位移已经降低到lcm内，岩体基本稳定，也说明用混凝土处理达到比较好的效果；距离边坡为30m时，监控点位移最大值为2#监控点潴Y方向为～9．5cm，煤洞没纛经过处理，在正常运行期闻，2#监控点的位移已经降低到lcm左右，说明在正常运行期间煤洞上覆岩层是稳定的。 成都理工大学硕士学位论文，20064．5小结从以上定量的数值模拟，结合地质资料和前期的工程地质评价，对紫坪铺水电站坝区废旧煤洞对边坡的稳定性影响进行了系统的研究，最后得到以下结论：(1)、煤洞开挖前，山体在自重的作用下，按正常的压缩变形，变形量为18cm左右。在软弱的煤层部位，产生较大的压缩变形。山体在临空面条件较好的部位变形较大，侧向变形量在．7cm～9cm之间。(2)、煤洞开挖后，煤洞上覆岩层和底板出现不同程度拉应力区域。由于煤层是倾斜的，上覆岩层拉应力区域向煤洞上侧偏移。从最大主应力和最小主应力的等值线图看出，由于煤洞开挖使上覆岩层受到影响的只有洞高的2～3倍范围内，煤洞的开挖只是对局部岩层有一定的影响，整个山体是稳定的。煤洞的开挖对整体的应力分布没有明显的影响，与紫坪铺是非高应力集中地区有一定关系。(3)、开挖边坡后，在煤洞未处理前，煤洞的上覆岩层和煤洞与边坡之间的岩层受到的影响较大，拉应力区域扩大，相应的拉伸和剪切的塑性区也增大。岩体破坏程度和煤洞与边坡的位置关系有关，距离边坡越远的煤洞，对边坡的影响越小，反之越大。同时煤洞的破坏与煤洞的埋深有关，L11层的煤洞破坏程度比LIO煤洞的破坏程度要高，其原因是L11煤洞埋深较浅，上覆岩层多数是风化岩体和第四系堆积物，这些岩体的力学性质相对比较弱，所以受到的煤洞和边坡开挖的扰动也大。(4)、处理煤洞后，煤洞的上覆岩层和煤洞与边坡之间的岩体塑性区减小，并且拉应力区域也同样减少。(5)、正常运行期间，经过处理后，从塑性区和位移两方面来分析，煤洞上覆岩层和煤洞与边坡之间塑性区大大减少，说明煤洞的处理取得了很好的成效。(6)、煤洞和边坡稳定性之间的关系。煤洞相距边坡为lOm时，开挖边坡后，产生的塑性区很大，范围有3倍左右的洞高，并且都在煤洞和边坡之间的岩体以及煤洞的上覆岩层中，说明这些岩体已经受到不同程度的破坏；当煤洞相距边坡为20m时，开挖边坡后，煤洞上覆岩层和煤洞与边坡之间的岩体也同样出现一定程度的破坏，范围有2倍的洞高，范围相对lOrn要小一些；当煤洞相距边坡为30m的时候，只是在L11层煤洞与边坡之间有极少部分出现塑性区，岩体相对比较稳定。(7)、新鲜完整的砂岩煤洞壁受水的影响不大，风化的泥、页岩煤洞受水的影响比较大，软化后容易受水击、真空吸蚀作用及空隙水压力的影响使得煤洞上覆岩层更容易坍塌。(8)、建议距离开挖边坡为30rn以内的废旧煤洞用混凝土进行置换回填。 第5章废旧煤洞对隧洞稳定性的影响分析第5章废旧煤涧对隧洞稳定性的影响分析5．1隧洞围岩稳定性的影响因素5．11隧洞围岩应力的重分布未受工程扰动影响丙处在一定遗质环境中的岩体称为原岩，漂者中分布的随空间变化的原始应力场称为原岩应力场。一般情况下，原岩腹力可分解未藁直应力、水平应力和剪应力。岩体内的初始_暾力随深度丽变亿，因而对其有一定尺寸的隧洞来说，其垂直剖面上各点的原岩应力大小是不等的，也就是说隧洞在岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中。开挖隧洞引起的应力状态的重大变化局限在溺周一定范围之内，遂常此范围等于隧漏横割强中最大尺寸的3～5倍，习惯上将此范围内的岩体称为“围岩”。在岩体内开挖隧澜，由于破坏了岩体原有的应力平衡状态，围岩内各点在回弹应力的作用下，进行应力调整，直至达到新的平衡。由于这种围岩变形的发展，岩体内某个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发生了松胀，而另一个方向可能挤压的程度更加大了。围岩应力重分布的主要特征是径向应力随饕肉囊由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。而切向应力的变化则有不同的情况，在一些部位，愈接近鑫由_表箍切自应力愈大，并于滑壤达到擐商僮，即产生所谓_【{菠力集中；在另一些部分，愈接近自由表面切向应力愈底，有时甚至洞壁附近出现拉应力，即产生掰谓拉应力集中。5．1，2影晌隧洞稳定性的因素根据前述分析表明，隧洞围岩稳定性问题魑围岩应力和围岩强度之间矛盾问题。因j毙，各类因素都是通过这两个方面来影响隧漏的稳定性的，禳据这个观点，可将影响隧洞稳定性的因素分为三大类：第一类因素是通过围岩应力状态而影响隧洞围岩稳定性。主要包括岩土的天然应力状态及隧洞的剖面形状和尺寸。第二类因素包括围岩的岩性和结构，主要是通过围岩的强度来影响隧洞围岩稳定性的。从岩性来分，可以把潮岩分戏塑性和臆性疆者。第三类是既能影响应力状态，又能影响围岩强度的因素，这主要是岩体中地下水静斌存、活动条件。结构面中空隙水压力的增大，就减小结构衙上的有效正应力，因而降低岩体沿结构面的抗滑稳定性，髓地下水的物理化学作用则能降低岩体的强度，所以地下水的活动往往是使围岩失稳的一个重要因素。对紫坪铺工程丽畜，煤洞的存在对隧洞围岩稳定性影响主要表现在，一是煤71 成都理工大学硕士学位论文，2006洞的存在对围岩局部的应力狄态发生改变，使部分围岩可能产生应力集中现象；二是煤涸的开挖使煤洞的围农产生破碎松散，加速了风化、力学强度降低以及遇水软化、膨胀和崩解等不良性质。若处理不当，混凝土和围岩之间产生裂隙，在意出头l乍闵下，水就能渗入隧岩和来处理的煤灏癌，这不仅能迸一步恶化嚣岩的稳定条件，而且能使菜些存在于围器范围内，易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形，造成缀大的由压，加速匿者的破坏}26】。研究煤洞与隧洞稳定惶之间的关系，就要先清楚煤洞与隧洞之问的位置关系。5。2废旧煤涧与隧洞的关系在紫缚镶水乖』工程枢纽中，隧灞趣括4条gl农发电漏、2条泄滋捧涉溺帮1条冲沙放空洞，这7条隧洞均置于右岸条形山脊内，穿越沙金坝向斜。所处地层为瓢3xjl2，④～T，3巧8．⑦，郢沙金顼囱斜的一套砂页岩地层，岩性连续，进日位于沙金坝向斜NW冀，出口位于其向斜sE冀。隧洞穿越4条层间剪切破碎带(L8、L9、L10、L11)，其厚度变化2～13m之间，及F3断层破碎带，带宽70～80m，由煤质页岩组成，挤压成鳞片状、噘层泥、镜匿、碎属。紫坪铺水电站坝区的隧洞比较多。本章通过煤洞与隧洞之间关系的比较，选择最有典勰伐表豹疆溺，进幸亍分析，褥鹜需要处理煤洞豹范围，那么哭要在这个范围之内的煤洞都必须进行处理。(1)典型隧洞选择袭5-1煤洞与隧洞之间的关系发现煤洞数量遇到煤层及赢程引水洞12分别在高程为760m和802m两次穿过L11层泄洪洞15穿过F3，高程为750m，主要在泄洪洞出口部位冲砂洞8穿过L9和L10从工程的重要性来说，引水发电洞相对泄洪洞、冲砂放空洞，是水电站工程枢缝的重中之重。从隧洞穿过瓣地艨岩惶来说，4#弓{水发电洞的上挚段帮籀管段都穿过L11软弱地层，下平段穿过L10软弱地层。4#引水洞遇到的L11层的理深只有70～80m左右，瑟氯帮在嵩程为750m～850m之闻，从地层规律来推断，可能肖比较多的废旧煤洞存在。从开挖揭示情况来瓣，4#引水洞在L11层发现的煤洞就有2个，分别集中在0+70和0+232左右，这两个位置恰好是日|水漏和Lll层相交的地方。泄洪洞也是紫坪铺水电工程重要水工建筑物之～。从泄洪洞穿过的地层岩性 第5章废旧煤洞对隧洞稳定性的影响分析来看，只是穿过L9和F3软弱地层。从地层推断，在F3软弱地层可能是废旧煤澜集中她繁。2#泄洪洞在0+530左右发现7个废}曩煤混，这恰好是泄洪浞与F3断层相交处。冲砂放空洞在弓|水涸之下，其稳定拣影嫡上面的号i永洞豹正常运荨亍。从建蘑密性来看，冲砂洞穿过L9、L10、F3软弱岩层。从地层推断，由于冲砂洞的埋深较深，所以L9、LIO含煤层被开采的可能性很小，只有在埋深较浅的F3断层发现较多的废旧煤澜。从工程的重要性、发现煤洞的数量、出露煤层的情况、水的作用等方面比较，引水溺是水电站的重中之重隧漏，爨岩上有动承压力作罔，又燕煤洞出现的数量较多、较集中的工程区域，所以选4#引水发电涧为典型的隧洞，分析废旧煤洞对隧漏的稳定性彩响及对策研究。(2)4#引水洞地质条件4#引水发电洞长308．633m，0+191m之前为钢筋砼浇筑，以后为钢管衬砌：V类围岩占7．78％，Ⅳ类占57．04％，{娃类占35．19％。上平段0～191m(段长191m)，由T33xjl3一①～T，3xjl3-⑦中厚层含煤含砾中～细粒妙嚣、粉砂岩、薄层混质粉砂岩夹媒质页炭和煤质页岩组成，裂隙较发育，裂隙多微张，充填泥和泥膜，锈染轻微，岩体为弱风化、弱卸荷，岩体较稳定，为次块状结构，围岩以III类为主，围岩纂本稳定；其中：桩号顶0+067～0+085m为Lu煤质页嚣剪切破碎带，由薄层～极薄层状煤质页岩、粉砂岩、泥质粉砂岩和煤层组成，受构造挤压，带内镜面和小褶皱发育，结构松散，岩性软弱，自稳定能力较差，建下水活动较强，普遍滴水局部望细滚～局部岩薤湿润滴水。岩层产状为N10。E／SE么60～65。渐变为N70。w／NE么40～50。。主要裂隙：①N30～404E，Nw么30～45。；②N20～30。W／SW么20～30。；(要)N80。E瓜wZ474；④N70～80。W／SWZ80～85。；⑤N70～80。E／NW么40～50。；平粗(平鸯夹泥)或充填方解石，延伸1-3m或3-5m，闻距10．30cm、最大阗距100cm。施工中在0+68～0+72m不同高程发现旧煤洞出露点，开挖验收中要求对煤洞和螨空区的回填，其采用灌浆回填处理方法，所以处理后的检测工作十分重要。斜篱段191～269．876m(段长78．876m，斜管坡度约52～55度)：由雷xjl3。①～T33xjl3一⑥中厚层含煤中～细粒砂岩组成及薄层～中厚层状粉砂岩、泥质粉砂者夹煤藏页岩组成，潋{I{类强岩为主。砂岩裂隙不发育，星次块状～块状结构，岩体新鲜较完接；粉砂岩、泥质粉砂岩夹煤质页岩微风化，较破碎，层丽波状起伏大，浸滴水，面平粗局部线状融水，甯掉块投局部坍塌现象。岩层产状N204W／NE么40。渐变为N60～80。E／Nw么40～45。。其中楗号0+232～0+238mLl1由薄层～极薄屡状泥质粉砂岩和煤质页岩组成，富含煤层，岩性软73 成都理工大学硕士学位论文，2006弱，受构造挤朕产生顺层剪切错动破碎带，镜面和小褶皱发育，岩体十分破碎，呈碎裂和散粒结构，嘲岩稳定性极差。并在0+232m发现废旧煤洞，洞内见少量朽本等松散堆积。此段加之岩层产状与洞轴线交角较小，岩层倾角与洞体斜度近于一致，因此施工中屑部产生濮层舞块帮塌落瑗象。主要裂隙有：④N80。E／SE(NW)么60--70。：②N20。W／NE么65-70。；@N10～20。E／SEz80～83。；④N75～80。W／SWL65～75。；⑤SN／EL45。；延伸1～5m，闯疆50～100cm或10～30em，丽平直粗糙。下平段269．876～308．633m(段长38．757m)1tlT33xjl3一①中厚～薄层状含煤含繇中粒砂岩，中薄层潺质粉砂岩夹煤质页表组成。砂岩以次块～碎裂状结褥，一般嵌合较密，局部滴水或小股状出水和煤富集，有掉块及小塌落现象；中薄层泥厦粉移岩、煤质页岩性软，遇水易泥亿，诧段为甾墨洞脸部位，其漏羽豹稳定与上部边坡直接相关，因此应加强洞口的处理措施。岩层产状N70～80。E／NW么45～55。。主要裂隙：(DNl0～15。E／NW(SE)么50。：②N20～40。W／SW么35～40。；③N70～75。E／SE么35～45。；④N50～70。W／NEZ30～45；面平壹租糙，延伸长1～4m，间距10～30cm或50～80cm。5．3废旧煤洞对隧洞稳定性影响的定性分析当废旧煤洞上部有新的荷载，就可能引起原本早已经稳定的上覆岩层出现新的破坏和塌陷。当矿体开采衙，在其上覆岩层的蘑力作阁下，顶板出现拉力，当拉力超过崧体的抗拉强度，岩体被破坏，形成冒落带、裂缝带、弯曲带，在一定的范围内出现岩体塑性区。采空区上覆岩层的新荷载加上后，活化机理为：①冒薄带岩体结构为教体结构翻赡裂结掏，存在较大豹空隙率，英不同位置破裂岩体的压密程度有较大差异。②裂隙带岩体为块裂结构，块体阃相互咬合、铰接，其“活化”主要形式为捞料强度弱纯或外力作用下岩块结构失稳及由此造成的裂隙。③在老采空区中部的充分下沉区，冒落断裂岩块主要承受竖向腿应力作用，其自然压密程度较好，僵由于破裂岩块不可复原的性质，岩块间的裂隙将长期存在，在受到上部附加荷载作用时，主要产生再压密【l⋯。当废旧煤洞在隧洞底板之下一定的范围出现时，可能引起隧洞的底板移动和变形。隧洞都存一定的最大容谗变形僮，当隧漏褒水动力的作髑下引超置换鲍混凝土向下塌陷变形未超过最大容许依时，建筑物的损害～般不会太严熏，通常可以正常使溺；若变形大于最大容许值时，隧漏的衬砌将受到损害。承渗入疲暇煤洞，对煤洞上覆岩层起一定的软化作用，尤其泥质页岩、泥质粉砂岩和煤质更岩等糟层，遇水届力学性质更加差，将加速隧洞围岩破坏。当废I秘煤洞在隧洞之上一定的蕊图内出现时，在动水压力的{乍用。F，鬟换的74 第5章废旧煤洞对隧洞稳定性的影响分析混凝土可能被推裂，或者混凝土和围岩之间的联结出现松动和裂隙现象，导致水渗入煤洞内。煤洞上覆圈岩在水的作用下，力学牲§§变差，加速煤漏土覆岩层的破坏，塌落的岩体堆积在洞内，形成自然拱范围增大，衬砌所承受的岩体重力也褶应增船了。警混凝±帮溺岩之勰的联结松动，混凝土可能会沿煤层底板下滑，部分自蓬由隧洞的衬砌支撑，使衬砌支撑的负荷增加，容易使衬砌遭到破坏。废旧煤洞上方的冒落带和裂隙带具有透水性，也可称为导水裂缝带。对于隧洞处废旧煤浏的问题，主要考虑开采引起的上覆岩层是歪相互连通以及相互连遴的裂缝是否波及到水体。若裂缝与水体相通，那么在水压力的作用下，水就可能渗透到废}署煤溺中，煤洞上覆岩层的霉落带、裂稼带豹含水量裁增加，鸯譬速了煤洞围岩的破坏。因此，研究上覆岩层的破坏规律，特别是能够导水的冒落带和裂缝带的高度及其分布形态麓至关熏要的。5．4煤涧对隧洞稳定性影晌的数值模拟研究本章采用三维有限差分法建立地质力学模型，用flac30进行分析废旧煤洞对弓l水溺疆岩稳定性影响。选择4#弓|水溺作为磷究对象，4#弓l本溺两次穿过L11层间错动带，分别在0+70m的平直段和0+230m的下弯段。并且在这两个地方施工过程中都发现有废旧煤洞存在，废f翻煤洞处努塌}k较严重。根据施工揭示和物探成果，在模型中从引水洞和煤质页岩相交的地方分别顺层方向上下延伸30m作为模掇中的废旧煤洞，煤洞的宽度为10m。分析煤洞处理一半(15m)和全部处理(30m)两种工况时，在正常运行期间的围岩稳定性。5，4．1计算模型的建立(1)力学模型模型按照三维弹塑性介质来分柝。(2)荷载模型模型麓载是初始应力以及分布蕊载。岩体初始疲力场分为三哥孛分量：岩体自重应力场、地质构造应力场、岩体温度应力场。这三者相互叠加便构成了岩体初始应力场。在紫坪铺水电站坝区温度应力影响比较小，所以不给予考虑。考虑到工程区为被河三面包围而形成的孤立条形山脊，其构造应力基本释放完毕，故模穗受构造应力作用忽略不计，荷载只是岩体自鬟影响；外蘸载是在正常运行期闻，隧深度按一定的比例增加的水压力，水位高程为877m，库底有130m高的静水压力。(3)边界条件FLAC3D模型中坐标原点在模烈的左下角，水平向右为x正方向，垂点向上 成都理工大学硕士学位论文，2006为Y芷方向，焉右手定硼，豢直纸面向外为z正方向。沿x方向为600m，沿Y方向最商为312m，浴z方向为100m。4#引水溺的宽为10m，在模裂中范隧为z=45～55m。模型的边界条件按照位移边界条件鄹应力边界条件来设置。位移边界祭l牛：山脊边界上，各结点为自由边界；模型底边设为固定边界条件；在x方向上的两侧，z方向的两侧也设置为滚支约束边界条件。应力边界条件：只有模型在正常运手亍期间，舂隧深度戒正院且垂赢接触面的水獯。(4)计算参数模型需要的参数按照第疆章中的参数进行计彝。(5)计算分橱方法计算采用FI。AC3n有限差分法计算软传进行弹黧性数僮分柝。零章采藤舞秘不同的处理长度，第一种是每个煤洞处理～半的长度(15m)；第二种是与引水洞相交的煤涸全部用混凝土赠填(30m)。煤洞可能位子洞室围糟的一E部、底部、中部围磐中，但是在寻|承洞潮者的上部和底部对孕j水涸围岩的影响稿对比较大，所以只是分析煤洞位于洞室的上部和底部两种情况。计算步骤按实掰工程，分六步谶行：第一步计算视始皮力场和位移场；第二步煤洞开挖厢的应力场和位移场，计算岗由于开挖煤澜使上覆漕屡受到影响的范围，这也是为处理煤旗提供依据；第三步边坡开挖，边坡是按一次性开挖完成的；第四步开挖引水澜，引水洞也是按一次性开挖完成；第五步处理废i日煤灏，处理长度分为15m和30m回填混凝±，分别进行计算：第六步计算水电站正常运行期澜，两种处方案效果的对比，选择合理的处理措施。从以下三种主要工况分析来进行：(1)从开挖煤洞引起豳岩的应力场和位移场，分析开挖煤溺导致岩体受到影响区域；(2)开挖引水嗣后，分卡厅煤漏的存在怼弓}水溺圈岩的影响4跨况；(3)从正常运行期闻的应力场和位移场，分析由于承压力的律用，处理煤洞恁，洞室的树砌以及嚣岩豹变化情况。从这三茅孛情况来评价煤澜对引水洞围岩的影响和处理措施合理性。每一步分析都是按照应力和位移傻为依挺进行驰，在正常运行期间进行魄较两种处薅方案在应力和应变上的差别，从而选择合理的处理方案。通过分析开挖引水洞后，煤洞对引水洞的影响范围，确定需要处璐煤洞上覆岩层的高度；通过计算在正常运行期间，处理的混凝土以及煤洞和弓}水洞附近的围岩变化，确定煤漏处理灼长度。由于研究瓣是废旧潆漏砖隧洞弱者的稳定搜影响，衷层的强风纯、弱风优岩体距离隧洞相对比较遮，对隧洞影响熟，J、，所以在徽三维模型的时候就没有考虑风化岩体。 第5章废旧煤洞对隧洞稳定性的影响分析本章FLAC3D模型的应力矢量表示方法和第四章的说明一致。模型定义的关键点(node)16253个，线段(1ine)308条，单元数(element)为85650个，材料类型为12种，模型如图5—1所示。因为该隧洞和废旧煤洞在模型内部，若显示整个模型的计算结果，就不易观察到隧洞围岩和煤洞处理后的应力和围岩等值线图，所以以下模型图中只是显示z=45～55m之间的剖面图。为更加清楚分析每一步开挖引起的位移变化情况，在每一步计算前把上一步计算所产生的位移设置为零，这样计算出来的位移，只是当前开挖引起的位移量值。图5-1数值模型5．4．2模型计算成果的分析一般来说，隧洞开挖后，如果围岩岩体承受不了应力重分布作用，围岩即将发生塑性变形或破坏。这种变形或破坏通常是从隧洞周边，特别是那些最大压或拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩内部发展的，其结果在隧洞周围形成松动带或松动圈。围岩岩体的变形和破坏的特点，除与岩体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构。当隧洞围岩范围内有废旧煤洞存在，对隧洞的围岩稳定性更加不利【26】。通过三维模拟计算，可以获得初始状态、开挖煤洞、开挖边坡、开挖引水洞、正常运行期间的应力场位移场的等值线图，以及监控点的应力和位移值。(一)、天然阶段初始应力模拟成果分析 成都理工大学硕士学位论文，2006图5-2天然阶段垂直应力o"y等值线图模型天然应力场的主要特征如下：(1)初始应力场分布比较有规律，主要以自重应力为主，受河谷下切形成的二次应力场。总体上，初始应力场在垂直方向(y方向)的应力分布与坡形基本上呈现平行状态，即呈现“金”字分布。除了受断层、岩性、岩体结构、地形地貌影响而产生不同程度应力集中外，应力场的分布特征比较稳定。(2)由于层间剪切破碎带的存在，出现明显应力集中。计算应力场结果如图5．2。闰5-3天然阶段垂直方向(y方向)位移等值线图图5-4天然阶段水平方向(x方向)位移等值线图 第5章废旧煤洞对隧洞稳定性的影响分析从图5—3看出，在天然阶段，模型在岩体的自重的作用下，产生正常的压缩变形，Y方疑上最大豹压缀变形为-18．4cm，在软弱岩鼹繁出现了明显的等值线集中现象。从图5-4看出，在X方向的压缩变形不大，最大为．2．6cm。在软弱的煤质页岩带产生位移集中现象，从经移图来看，软弱带的位移等僮线逐速集中，说明位移在这些岩层变化加快。(=>、开挖煤溺(为了显示更加清楚，宽度只怒显示lOre)图5-5开挖煤润后最小主痘力蜜圈5-6开挖煤滴后最大主应力图应力分布特征：从图5-5和图5-6《以看出由子开挖煤溺，煤洞上覆岩层出现2倍左右洞高的拉应力区域。拉应力范围和上覆岩层的性质、状态、煤洞的倾斜程度有关，对于水平的煤洞来说，上覆岩层出现的最大拉应力在煤洞走向的中间位置；当煤洞倾斜时，拉应力区域也向上边界移动，当倾角达到一定的值的时候，拉应力只在煤洞的最高的那个角附近出现。和前面理论分析非常吻合。 成都理工大学硕士学位论文，2006圈5—7开挖煤洞后Y方向位移等值线图图5-8开挖煤洞后x方向位移等值线图位移分布特征：从图5—7和图5罐看出，(1)左边煤洞在垂赢方向上(y方向)最大位移为5cm左右，煤洞开挖影响范围到达地表。沿X方向位移值为4ram左右。(2)右边的煤洞沿Y方向最大的位移值为4cm左右，影响范围只是2倍洞高左右。沿x方向最大值为3cm左右。(3)从整体来说煤洞的开挖只是对上岩层有较大的影响，影响燕圉2倍友右溷径。量值与上覆岩层的强度、镢焦、埋深、岩体结构等有关，岩体强度大的岩壁变形小，岩体强度小的岩壁变形大。(三)、开挖引水漏图5-9开挖引水涧后最小主应力图等值线图 第5章废旧煤澜对隧洞稳定性的影响分析图5—10开挖引水洞后最大主应力等值线图图5-11开挖引水洞后Y方向位移等值线圈为了更清楚了解在开挖过程和正常运行过程，煤洞对引水洞围岩的影响，我们在引水漏的中轴线顶板和底板的洞壁设置12个监测点。其中l、2号监测点在进水口位置，3、4、5、6、7、8、9、10在引水洞和煤洞相交的位置，11、12号监测点在弓l水溺出口平直段围岩蹙上。图5—12应力和应变分据的监测点位置示意圈 成都理工大学硕士学位论文，2006表5-2开挖{|永澜g|起监接点静应力鞫位移值(应力单位为：MPa，位移单位为：cm)监测点最大最小编号主应力Ux钙，Uz1．2．41lO，02O．1_o．6O．O2-1．725．0．03O．10．2O．O3．0．72l0．026O．5．1．6O．O4，0．633—0．004O．80．8O．O5．0．9540．374．1．5—1．9O．16．1．0320．355．O．6．1．70．07—2．32l0．381．O．8．1．2O．O8．2．5220．322O．7．0．6O．O9．3．0810．168—0．2—1．3．0．1lO-2．5530．039O．1O．2O．O1t0．211O．205O．1-o．10．012．2．567．0．326-0．30．2O．0开挖弓|水漏后，引水洞围岩应力特征：(1)在煤洞和引水洞相交的上覆者层，最小主斑力出现拉应力现象，集中使大约为0．3MPa左右。在拉应力作用下，煤洞和引水洞相交的上覆岩层容易出现掉块现象，说明煤洞的存在对弓l水洞隧岩的稳定性不嗣。围岩最小主应力变佬范围为一0．326～0．381MPa；(2)从最大主应力等值线图来看，在煤洞附近2倍洞离左右岩体产生腿力应力降低现象，在正常运行期阏，水容易通过裂隙渗入岩体内，从丽降低了围岩岩体的力学性能。总体上来说，煤洞对弓}水溺的围岩影响只是局部的，影响菹重为2倍左右的洞高。开挖引水洞后，弓|水洞围岩应变特征：(1)弓}水洞开挖后，丽岩向临空面方向发生回弹变形，变形的大小受洞室围岩质量和煤洞存在而产生很大的差异。围岩变形的总体上量值不大，且主要为X、Y方向的位移，Z方向位移值较小，一般洽Y方囱在3潍～16mm之阔，底叛向上拱趋位移一般在O～5mm左右。(2)在煤洞和引水洞相交的上覆岩层位移值相对比较大，一般在lOmm左右。(3)引水洞进水口附近的煤澜左上覆者层的位移最大，因为该煤洞的埋深相对比较浅，而且又受到边坡开挖卸荷的作用，所以弓I水洞开挖弓l起的位移值达到1．5cm左右。从总体来说，煤洞引起引水澜围岩的位移场变化是局部的，范围为2倍左右的洞搿。从以上的应力场和位移场，看出煤洞对引水洞的围岩影晌是局部的，范围为2倍左右的洞高，所以需对影响的崧体进行注浆加固处理。 第5章废旧煤洞对隧洞稳定性的影响分析(圜)、正常运行期间图5-13处理15m煤洞后最大主成力图5-14处理15m煤洞后最小主应力在正常运行期间，模烈中与水接触的面，加上随深度的增加而增加的静水艨力。从巨5．13和图5-14可以看出，在水歪力作用下，混凝土处都产生不同程度的拉应力现象，混凝土的抗拉强度比较低，很容易受拉破坏，混凝士的破坏会导致弓i水洞的霭岩丰尊砌增加一定的涯力。图5—15处理15m煤洞正常运行x方向位穆 成都理工大学硕士学位论文，2006图5—16处理15m煤洞正常运行Y方向位移从图5—15和图5—16看出，当只处理15m煤洞时，在煤洞处的衬砌处，沿x、Y方向上的位移相对引水洞其他的围岩都有不同程度增加。煤洞处衬砌的位移大小，与水压力、煤洞的倾角、混凝土厚度、混凝土与围岩之间的粘结力等有关。水压力越大引起混凝土位移的值越大；煤洞的倾角越大引起混凝土垂直方向位移越大，水平方向位移就越小。图6-17全部处理煤洞正常运行最大主应力图5—18全部处理煤洞正常运行最小主应力84 第5章废旧煤洞对隧洞稳定性的影响分析图5—19全部处理煤涧正常运行y方向位移图5～20全部处理煤NiE常运行X方向位移引水洞萄岩和混凝土的应力场特征：1、当处理15m时，除被处理的煤洞底部，引水洞围岩中最大和最小主应力都产生压应力现象。煤洞底部最大主应力为0～O．12MPa，最小主应力为0～0．4MPa。2、当全部处理煤洞时，引水洞图岩中全部产生压应力。煤洞底部最大和最小主应力都为O～一0．5MPa。爨5-21煤漏蓝擦点撼置示意图为了在燕常运行裳阍堡热清楚了解煤溺处理的效果，分别在处理羼的煤滔底部设置四个般测点，如图5．21所示。 成都理工大学硕士学位论文，2006表5-3正常运行期间监控点的应力和位移值(应力单位为：MPa，位移单位为：cm)UxUyUz监测点编号1O．2O．O2O．4．O，80．0处理15m31．51．2O．O4一1．1．0．6O．01OO．1O．O2O_0_3O，O全部处理3O．30．3O．O4．1—0．2O．O在正常运行期间引水洞围岩的位移场特征：(1)整体来说，在水压力的作用下，引水洞围岩沿x、Y方向的位移都比较小，一般在2．5ram之内。沿z方向几乎没发生移动。(2)当处理15m时，与煤洞相交的引水洞衬砌，沿x方向的位移为～2．3～0．4cm，沿Y方向的位移为一0．6～1．2cm。(3)当全部处理时，与煤洞相交的引水洞衬砌，沿x方向的位移为一1～O．3cm，沿y方向的位移为一0．3～O．1cm。从整体来看，两种处理措施中，处理15m衬砌沿x、Y方向发生的位移比全部处理发生的位移要大，沿z方向的位移都很小，可以忽略不计。在正常运行期间，定性分析两种处理措施的效果：(1)当煤洞位于引水洞上覆岩层中时当只处理部分煤洞时，在水压力的作用下，水可能会通过裂隙，渗透到未处理的煤洞中。煤洞围岩中的风化泥、页岩受水的影响比较大。软弱的煤质页岩和因开挖煤洞产生松动的围岩吸水膨胀，力学性质降低，造成很大的山压，并可能会塌落。未处理的煤洞给予塌落物质的堆积空间，导致煤洞围岩破坏会向上发展。煤洞的围岩破坏对引水洞稳定性影响主要有两个方面，一方面是破坏塌落的物质堆积在未处理的煤洞内，给引水洞的衬砌增加负荷，可能导致引水洞的衬砌拉裂；二是置换的混凝土和围岩之间形成渗水通道，降低了两者之间的粘结力，煤洞的倾角为40～500，混凝土在自重的作用下会向下移动，混凝土的部分重量就会由引水洞顶部衬砌支持，加速衬砌的破坏。当全部处理煤洞后，没有给予煤洞围岩赋水空间，也没有给予煤洞上覆岩层松动破坏塌落岩体堆积所需的空间，从而很好抑制煤洞上覆岩层的破坏发展。(2)当煤洞位于引水洞底板岩层中时 第5章废I碍煤洞对隧洞稳定性的影响分析当只处理部分煤洞长度时，在动水压力的作用下，水能渗透到未处理的煤洞中，煤洞围岩处的软弱岩层以及}l；l于煤溺开挖引起的松动围岩吸水膨胀，并且塌落堆积到未处理的煤洞底部，煤洞围岩破坏导致上覆岩层的承载能力降低，并且混凝土和围者之闯酶糖结力在农的俸霜下大大降低，蓑换的混凝土载会在自重的作用下顺岩层下滑，加速了引水洞的底部衬砌破坏。当全部处理煤洞厢，没有给予煤洞围岩的赋水空间，置换的混凝土只是在鲁熏的作用下，产生正常的压缩变形，引水洞底部也不会遭到破坏。5。5小维从以上定量熬数篮模羧，结合逮覆资搴车帮前麓貔工程盎亟瑷评价，对紫鲆铺永电站坝区废旧煤洞对隧洞的稳定性影响进行了系统的研究，晟后得到以下的结论：(1)、初始状态时，山体属于正常的压缩，在纛童方向最大的压缩变形为．18．4cm，在软弱岩层带出现了明显的位移等值线集中现象，说明在软弱岩层压缩量比较大。在X方向的愿缩变形不大，最大为．2．6cm。(2)、煤洞开挖后，其上覆岩层在自重应力作用下部分产生塌顶现象，其塌陷高度与煤溺规模、上覆岩层的强度、倾角、时间等因素有关。筑模越大煤漏上覆岩层破坏程度越大；上覆岩层的力学性质越好，破坏程度越小；开采急倾斜煤层，上覆岩层的拉应力区域向上边界移动，向下最大位移点也向上边界移动。从位移场来分手斥煤漏开挖影响的范围有2倍左右的洞经，煤洞的开挖只是影响上覆岩层一定的区域，对于整个山体而言影响是局部的，这与紫坪铺为非高疲力集中地区有一定鲍关系。(3)、在正常运行期间，从应力角度分析，当只处理15m煤洞长度时候，处毽煤洞处的衬砌产生一定的拉应力，并篮位移相对来说比较大。当金都处理煤洞质，拉J!簸力区域和数值都减小了。从位移角度分析，处理15m时，被处理煤洞处的衬砌位移比全部处理煤洞时的要大。从以上定量和定性分析两种处理搂旌效果对比蠹，煤涸全部处理比处理15m在正常运行期间要稳定。计算模型时，采用的静水压力，实际的正常运行期阔对弓l水洞匿岩以动冰压力作臻，煤洞处豹衬砌将产艇更加大的位移僮。 成都理工大学硕士学位论文，2006第6章隧洞和边坡附近的煤涧处理对策6．1废1日煤涧处理范围的确定由于紫坪铺水电站坝区的废旧煤洞分布十分广泛，几乎每个工程部位都有煤洞存在。对废|臻煤涌浚理燕圃的确定将涉及到承电蜷水工建筑物的稳定和治理费用，若治理范围小了，会影响水工建筑物的稳定性；治理范围大了，会浪费人力、物力、财力。在治理兹必须先确定需要治理媒漏的长度嗣上覆密层豹裔度。对于不同的水工建筑物附近处的煤洞，要采取不同的处理措旌和范围。不在处理范围内的废旧煤洞可不予处理。6。{。1处理煤澜高度煤洞上覆岩层的冒落带和裂隙带都是良好的导水性能，在水压力的作用下，水缀容易进入这两带。随着煤漏上覆岩层含水量的增加，围岩的强度大大降低，导致围岩更加不稳定。在水的作用下，煤澜上覆岩层的松动圈严重影响煤洞围岩稳定性。因此，煤洞上覆岩层的处理高度是根据三带的高度来确定的。处理高度：丑’处理=爿；+嚣羹(6-1)冒落带和裂隙带的高度，在第三章通过经验公式和第四章、第五章的数值模数计算崮：．H处理2(2～3)．，岛径(6—2)从上分析可以得到，紫坪铺水电站坝区的废旧煤洞上覆岩层需要处理的高度为3倍的洞径。6．1．2处理煤洞长度废i稻煤洞的处理长度，要根据煤洞距离水工建筑物的距离的远近以及煤洞对水工建筑物的影响程度来确定。通过第三章祁第四章的数值模拟计算得出，边坡和隧洞处的煤洞处理长度不相同。对于边坡而言，位于开挖边坡30m以内的废旧煤漏需要全部用演凝土进行嚣换处瑗，距离选坡在20m～30m之间的也要蹋混凝土置换20m；对于隧洞而言，与隧洞相交的煤洞在距离3倍水工隧洞洞径(30m)范围内要阁混凝主全帮填灌密实。6。2常用处理方法和工艺6．2．1一般处理方法目前，国内外处理矿山地下开采遗留的采空区的方法主要有封耀、崩落、加 第6章隧洞和边坡附近的煤洞处理对策网和充填四大类。有时采用两类方法联合处理，如采用加固法与充填法联合、崩落法与充填法联合等。有时峦同一类方法衍生出一系列子类方法，如充填法霹分：干式充填法、尾砂充填法、胶结充填法等；崩落法可分为：自然崩落法和强制崩落法。强制崩落法按爆破方式不图又分为：深孑0瀑破崩落法襁药室爆破崩落法等[41。由于紫坪铺水电站坝区的废旧煤洞所处工程部位、形态特征各异，在对其处理过程中，针对各自的特点和条件，分别采取相应的处理方法。下丽分别介绍国内外采空区主要处理措施【4】：(1)隔绝封闭法对于那些矿体楣对独立、跨度小、围岩较稳定、不会诱发大露积地压活动的小采空区，为了防止采空区围岩坍塌产生的冲击波伤人，可以采用隔绝封闭法进行处理。封瓣法是在通往采空嚣的顼遴中，砌筑一定厚度的隔墙，使采窆区中围岩塌落所产生的冲击波或冲击气浪，遇到隔墙时可以得到缓解。(2)爆破崩落法崩落法是采用爆破崩落采空区上覆嚣体，傻岩石充满采空区或形成缓冲岩石垫层，以改变围岩应力分布状态，达到有效控制地压的目的。其适用的先决条件燕她表没有建筑物，允诲陷落或岩移，箕优点燕处理费用较低。对予离绝下采场较近的采空区，通常是采用爆破崩落与下部巷道隔绝封闭相结合的处理方法。(3)充填法对于那些在其上部有建筑物的采空匮，由于地表绝对不允许大面积塌陷。因此，崩落空区的方法是不可行的。要彻底根除空区带来的安全隐患，比较可行的手段只能是“充填”。充填法是采藤充壤材料对采空嚣进行充填处理，馒充填体与围岩共同作用，以改变围岩应力分布状态，达到有效控制地压和防止地表塌陷等銎的。其适翔于处理遗表绝对不允谗大匿获塌陷或其上部有建筑物条{牛下的采空区。其优点是对相邻矿体的开采工作影响小，能保证采场阐采过程中矿石损失和最低贫化。其不足之处，需要大量的充填料，处理势动强度大，施工费用比较离。其方法是从坑内外通过车辆运输或管道输送废石或湿式充填材料送入采空区将采空区充填密实得以消除采空区。它分为干式充填采空区和湿式充填采空区两秘。(4)加固法留永久矿挫或构筑入工石柱处理空区。它适用予缓倾薄至中浮以下矿体，用房柱法、全面法回采，项板相当稳固，地表允许冒落的矿山。加固法是采用锚索或锚秆对采空诞进行局部加固，这是一种临时措施，其通常耍与其它方法联合使用。采空区治理中的加固和充填方法有淀浆法和非注浆法，其中非注浆法主要 成都理工大学硕士学位论文，2006有干砌法、浆砌法、开挖回填法；注浆法是在地表打孔，通过注浆管将水泥浆或水泥粉煤灰浆注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，保证地基的稳定。非注浆法受到很多局限，一般采用注浆法进行采空区治理。详细施工方案的依据必须是在经过采空区勘察后，探明采空区的分布特征及影响程度，才能更进一步进行分析及稳定性评价，确定采空区治理的范围及注浆孔的加固深度及注浆量等施工重要参数。充填注浆方法在采空区的处理中被广泛采用，因为充填注浆能充满整个采空区和裂隙，形成坚强的整体，使整个采空区接近原始状态；经加固后的煤洞上覆岩层强度能够满足要求，并且施工受气候的影响比较小。注浆材料一般分为水泥类浆材和化学类浆材。常用的材料可以归纳为：(1)普通水泥砂浆充填注浆法以水泥及细砂石为原材料。优点：固化能力强。缺点：初凝时间较长，流失量大，充填空间不好控制，费用比较高。(2)化学注浆材料充填法注浆其主要材料有酸性水玻璃浆材、丙烯酸盐浆材、高强木素浆材、水下快速固化的PBM混凝土等。这些方法在许多方面有良好的特性，但其材料成本高，并具有一定的毒性，对地下水会产生污染。(3)粘土固化充填注浆法该技术以能固化的粘土浆液(以水、粘土、水泥及结构剂等组成的具有特殊堵漏效果的浆液)为主要注浆材料。它的主要特点是具有吸水性强、抗水稀释性能、良好的流变性、良好的抗震性、结石体强度能达O．1～2MPa、固化浆液初凝时间可调，终凝时间较长、粘土矿物成分具有良好的化学性能、成本低等特点[30】。注浆材料选择总原则为可灌性、抗渗性、耐久性好、强度高、无毒、无污染、材料来源丰富、价格较低、灌注工艺简单。在节理、裂隙岩体中，节理、裂隙的宽度应比灌浆材料的代表粒径大5倍[35】。6．2．2注浆施工工艺注浆系统由料场、一级搅拌池(机)、二级搅拌池(机)、供水系统、注浆泵、压力表、注浆管道等组成。成孔施工采用回转钻进成孔工艺，用士127ram钻头开孔，钻至完整基岩下6m后，下入套管护壁，然后变径为巾91mm，钻至采空区中的塌陷冒落带或煤层底下lm，然后下入钢管封孔。成孔时间一般每台机组每台班成孔延米为30m左右。 第6章隧洞和边坡附近的煤洞处理对策豳6-1钻孔注浆施工工艺框图6．2．3钻子L施工和注浆施工1、钻孔施工成孔采塌台金钻头或会刚石复合片钻头回转钻进技术工艺，钻孑L护壁以优质泥浆为主，如遇复杂地层孔壁严黧坍塌，采用心89跟管钻具钻进护壁。施工中严格执行钻探施工操作规程，合理掌握钻进参数，及时做好施工记录，如发现漏水、捧钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量，确保铱孑L施工质量符合注浆孔技术质量要求。2、注浆旅工浆液的拌制应按设计浆液配合比进行，并随机现场抽查浆液的各项指标，拌铝l浆液的计量簧准确，袋裟水泥按袋计算，添加裁用定量容器计量，并要求用磅称抽查水泥的数量，注浆液的拌制过程中要做到每一级混合搅拌时间不得少于3分钟，以保证浆液的均匀。渡浆麓工采用孔目封耀～次注浆法涟工工艺，灌浆前，应调试好灌浆设备，保持管路畅通，按配比制备足量浆液，灌浆开始前必须保证孔口注浆管浇铸凝固，注浆过程中浆液不会从注浆藐四周溢出。灌浆浓度先稀后稠，灌浆开始后，定时观测泵的吸浆量和泵愿。记录灌浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根攒实际情况及时调整灌浆量和浆液浓度。开始注浆、注浆间歇前、后，必须清水洗孔10分钟，保障孔内注浆通道畅逶。注浆过程中若出现地表裂隙大量跑浆时，应采取间歇式注浆，或减小泵量及采取地表充填裂隙的措施，阻止浆液从地面大蘸流失。9t 成都理工大学硕士学位论文，20066．2．4注浆量的控制采空区注浆量即采空区空洞体积，采空区空洞体积指采空区治理范围内的采出煤层体积，扣除采空区因顶板冒落已发生的变形。注浆浆液的结石率按70一80％计算，浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂隙的充填率要求为75％，考虑在注浆过程中浆液损失，注浆量按公式：Q总24×AV×q／C(6—3)式中：A——浆液损耗系数，取值1．1△v——采空区剩余空隙体积(m3)q——浆液充填率，取值O．75；C——浆液结石率，取值75—80％。6．3水电站坝区煤洞处理原则和方法6．3．1坝区处理基本原则和方法1、处理原则根据设计文件《关于紫坪铺水利枢纽工程枢纽区废旧煤洞处理的函》(川水设研[2002]项管141号)的要求，水工建筑物和探洞按以下要求处理：【87](1)穿越帷幕线(大坝趾扳及左右按帷幕灌浆线)的煤洞：与帷幕轴线垂直距离上游30m，下游20m范围内所有煤洞填灌密实。(2)永久建筑物基础底部的煤洞：永久建筑物基础边线垂直距离25m范围内所有煤洞填灌密实。(3)在水工隧洞附近或与水工隧洞交叉的煤洞：与水工隧洞垂直距离3倍水工隧洞洞径范围内所有煤洞填灌密实。(4)坝基、岸坡及永久建筑物基础部位的煤洞：煤洞宽与煤洞上覆厚度具有明显的正比关系(表6—1)，在此范围内要求灌填密实。表6—1煤洞宽与上覆岩体厚度荚系表煤洞宽(B)m23456备注l上覆岩土厚(H)m2030384553B增大，H也增大(5)右岸条形山脊帷幕灌浆线前、884m高程以下的所有煤洞，全部填灌密实。 第6章隧洞和边坡附近的煤洞处理对策(6)以上1～4项处理的回填长度均不小于25m。对长度不超过25m的煤洞，全部处理。(7)填灌方式：能够查明洞口者，采用原设计处理措施；若查明洞口很困难，或虽查明了洞口但煤洞已坍塌，难以清挖，则采用地表打孔，矸石自留充填法处理(zk泥砂浆或水泥浆采用MIO)。(8)每条煤洞处理完成后，通过布置压水试验进行检查，要求穿截帷幕灌浆线的煤洞w<3Lu，其余煤洞w