地下水控制对布沼坝露天矿龙桥变电站安全性的影响
彭继杨，骆大军，张传伟，肖国强，何以剑，李兆霖
（1.云南布沼坝矿务局有限责任公司，云南 开远 650032；
2.云南国能煤电有限公司，云南 红河 655211；
3.昆明煤炭设计研究院有限公司，云南 昆明 650000；
4.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；
5.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116）
露天采矿工程是复杂的系统工程，根据露天矿各生产环节的生产规模、技术要求、生产规模及地质条件的不同，露天矿的地面设施及建构筑物的布置方式也灵活多变[1]。为了保证露天矿生产系统的合理协调，有些地面设施会在确保一定安全性的前提下布置在地质条件相对较差的区域，如靠近露天矿边坡坡顶线的位置。此类地面设施在设计时，一般会考虑安全距离等影响设施及矿坑安全的条件，但随着时间的推移及环境变化，这些地面设施不再满足安全要求，从而给矿山生产带来极大的安全隐患[2-3]。
云南布沼坝露天矿龙桥变电站所处的边帮，因多次发生滑塌和削坡治理，导致龙桥变电站距离边坡坡顶线的距离仅剩25 m。加之变电站所处边坡正处于高水位区，变电站边坡在地下水的长期作用下，将对龙桥变电站的安全性造成极大威胁。为此，从地下水控制的角度，研究布沼坝露天矿龙桥变电站安全性的影响因素，论证通过地下水控制措施提高龙桥变电站安全的可行性。
龙桥变电站位于布沼坝露天矿西帮边坡坡顶，其地基岩性主要为泥质灰岩和黏土。其中，黏土层厚度为15～30 m，遇水易膨胀。此处分布1 条宽度约15 m 的断层破碎带，使变电站所处边坡地层连续性降低。变电站处于高水位区，各地层的水力补给、径流、排泄自成体系，其所在边坡有多处涌水点。变电站所处边坡在水的长期作用下，易引发局部滑塌、地表变形开裂，对变电站的安全构成严重威胁。龙桥变电站边坡典型剖面图如图1。
图1 龙桥变电站边坡典型剖面图
此前布沼坝露天矿西帮发生过多处边坡失稳，水的影响是此前西帮边坡失稳的重要原因。龙桥变电站浅部岩土体构成与此前的失稳区域类似，在地下高水位的影响下，表层土体很容易达到饱和状态，存在极大的安全隐患。因此拟在变电站后方通过设置辐射井的方式对变电站边坡进行地下水控制。
大量工程实例和研究证明，地下水对边坡稳定性有着非常重要的影响，尤其对于膨胀土，土体含水量更是控制边坡稳定性的主要决定因素[4-6]。关于地下水对边坡稳定性影响，国内外学者对此进行了大量研究。其中Terzaghi[7]结合莫尔库伦强度理论提出了饱和土体的有效应力的概念：
式中：τf为剪切破坏面的剪应力，kPa；
c′为有效黏聚力，kPa；
σ 为剪切破坏面上的法向应力，kPa；
uw为剪切面上的水压力，kPa；
φ′为有效内摩擦角，（°）。
由有效应力表达式可知，地下水可直接降低剪切破坏面上的法向有效应力，使岩土体内摩擦角的抗剪效率降低，进而降低边坡的整体抗滑性能。因此降低地下水位可直接提升边坡的稳定性。
对于边坡稳定性系数的求解，极限平衡分析方法是目前普遍使用的一种定量分析方法[8]。边坡稳定性计算采用Morgenstern－Price 法对龙桥变电站边坡的自然工况和地下水控制工况进行求解。变电站边坡岩土体力物理学参数见表1。变电站边坡稳定性计算结果见表2。
表1 变电站边坡岩土体力物理学参数
表2 变电站边坡稳定性计算结果
在仅考虑孔隙水压力变化的情况下，利用极限平衡法求得的自然工况下的边坡稳定系数为1.04，根据稳定状态划分标准[9]，边坡处于欠稳定状态；
地下水控制工况下的稳定系数为1.21，处于稳定状态。可见地下水控制能极大地提升龙桥变电站所处边坡的稳定性，使边坡从欠稳定状态转变为稳定状态。
4.1 数值模型
根据地勘资料可知，此处浅部岩土体弹性模量极低，这就意味着西帮边坡在达到“静力平衡”的临界状态前会产生极大的塑性变形，意味着边坡可能在稳定性系数高于1.0 的情况下产生局部破坏，边坡变形对变电站地基的影响不可忽略[10-11]。为此，基于此处岩土体弹性模量较低的现实情况，除了对边坡稳定性系数进行计算分析，还将对龙桥变电站边坡的岩土体变形情况进行研究。
为了较为全面地探明龙桥变电站边坡在达到临界状态前的浅部岩土体变形情况。以距离变电站约25 m 处的边坡坡顶线位置为坐标原点，设置3 条向坡后方延伸110 m 的监测线（变电站距坡坐标原点最大距离为85 m），3 条监测线分别位于地表、地下10 m、地下20 m 的位置。龙桥变电站边坡数值模型如图2。
图2 龙桥变电站边坡数值模型
4.2 变形分析
自然工况位移云图如图3，地下水控制工况位移云图如图4。
由图3 和图4 已知：变电站边坡相对变形量较大区域集中于坡顶临空面附近的第四系黏土、碎石及炭质黏土岩处；
坡顶第四系黏土运动趋势以坐落为主，坡底炭质黏土岩的运动趋势以底鼓为主；
地下水控制工况下的变形量和变形范围明显小于自然工况，具体表现为变形区后缘向坡前方收缩，变形区前缘向坡后方收缩。
图3 自然工况位移云图
图4 地下水控制工况位移云图
提取监测线上各处的位移，即可获得监测线上的位移突变点。设监测线上位移突变点的横坐标为边坡变形区向坡后方发展的最大范围Lmax，龙桥变电站距坡顶线的最小距离为l，则边坡变形区对龙桥变电站的影响范围L＝Lmax－l。
地表监测线变形曲线如图5，地下10 m 监测线变形曲线如图6，地下20 m 监测线变形曲线如图7。
图5 地表监测线变形曲线
图6 地下10 m 监测线变形曲线
图7 地下20 m 监测线变形曲线
不同深度下的监测线变形曲线表明，自然工况下，地表岩土体的变形范围从坡顶线延伸至坡后方Lmax＝47 m 处，而龙桥变电站距离坡顶线最近的位置l 仅为25 m，即地表变形对变电站的地基的影响范围L＝22 m；
地下10 m 深度，岩土体的变形范围从坡顶线延伸至坡后方Lmax＝40 m 处，即地下10 m 深度岩土体变形对变电站地基的影响范围l＝15 m；
地下20 m 深度，岩土体的变形范围从坡顶线延伸至坡后方Lmax＝32 m 处，即地下20 m 深度岩土体变形对变电站地基的影响范围l＝7 m。
地下水控制工况下，地表岩土体的变形范围从坡顶线延伸至坡后方Lmax＝33 m 处，变形范围比自然工况降低14 m，即地表变形对变电站的影响范围范l 从22 m 降至8 m，降幅63.6%；
地下10 m 深度，岩土体的变形范围从坡顶线延伸至坡后方Lmax＝30 m处，变形范围比自然工况降低10 m，即地下10 m 深度岩土体变形对变电站的影响范围范l 从15 m 降至5 m，降幅66.7%；
地下20 m 深度，岩土体的变形范围从坡顶线延伸至坡后方Lmax＝18 m 处（已小于变电站距坡顶线25 m 的距离），即地下20 m 深度岩土体变形对变电站地基的影响范围l 从7 m 降至0 m，降幅100%，地下20 m 深度岩土体的变形对变电站地基不再产生影响。可见，地下水控制可使边坡变形对龙桥变电站地基的影响范围降低63.6%以上，并将变形影响深度控制在20 m 以内。因此，地下水控制对龙桥变电站地基变形有明显的控制效果。
1）利用刚体极限平衡法求得了龙桥变电站边坡在进行地下水控制后，边坡稳定性系数从自然状态的1.04 提升至1.21，使边坡从欠稳定状态转变为稳定状态。
2）利用数值模拟分析了地下水控制前后边坡坡顶变形规律：地下水控制使边坡变形对变电站地基的影响范围降低63.6%以上，并将变形影响深度控制在20 m 以内。
3）地下水控制对提升龙桥变电站的边坡稳定性和减小对变电站地基的变形影响范围均有明显成效，地下水控制可显著提高龙桥变电站的安全性。
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