我国露天煤矿截水帷幕关键技术进展

我国露天煤矿普遍采用抽排方式进行地下水控制以满足煤炭资源安全开采要求,这种方式对水资源造成极大破坏,严重影响煤矿周边的生态环境。近年来,随着我国社会经济的全面发展,国家对生态环境保护、生态文明建设提出了更高要求,如何优化、转变露天煤矿地下水控制方式,减少矿坑疏排水量是露天煤矿防治水工作普遍面临的崭新课题。采用截水帷幕技术取代疏排降水技术,由被动疏水变为主动截水,是解决露天煤矿因疏排水带来诸多问题的根本措施。以内蒙古扎尼河露天煤矿、元宝山露天煤矿截水帷幕实施过程为例,介绍我国露天煤矿截水帷幕设计理念、施工工艺和截水帷幕材料,在实践过程中,突破了防渗膜大深度垂向隐蔽铺设与连接技术瓶颈;研发了超长槽段连续开挖及浇筑工艺,大幅减少接头数量;研制粉煤灰?水泥混合浆体与HDPE防渗膜的复合帷幕材料,提高帷幕抗渗与抗变形性能;构建帷幕质量与截水效果综合检验体系,掌握了露天煤矿截水帷幕建造关键技术。截水帷幕技术在我国露天煤矿的成功应用,丰富了露天煤矿防治水与水资源保护技术理论,促进了行业技术进步,为露天煤矿地下水控制及安全绿色开采提供了新思路、新技术、新工艺,对其他非煤矿山及水利水电、交通等更高防渗等级要求的工程具有重要借鉴意义。      

截水帷幕技术在元宝山露天煤矿的应用与效果评价

内蒙古元宝山露天煤矿是国内外罕见的特大富水型露天煤矿,为解决多年疏干排水造成的生产成本高和环保风险大等问题,拟采用截水帷幕技术对矿坑渗流补给通道进行帷幕截流。通过分析矿坑水文地质和工程地质条件,提出弧形半封闭落底式帷幕与群井疏干水力帷幕相结合的地下水控制方式,采用防渗膜垂向隐蔽叠覆铺设与抗渗混凝土充填工艺,在矿坑高程+452 m平盘开展帷幕试验研究,建造一座平面长度1 369 m、平均深度29 m、有效厚度大于0.8 m、底部嵌入基岩面3 m的截水帷幕。试验研究过程中,确定了元宝山露天矿的截水帷幕工艺,获得其单幅槽段开挖长度(14 m)、护壁泥浆密度(1.05~1.25 g/cm3)和防渗膜叠覆宽度(1 m)等主要技术参数,提出防渗膜水下磁吸式连接技术,通过加装磁条,利用阴阳磁吸原理实现防渗膜叠覆处的水下自粘连。试验工程结束后,通过取心验证、流场分析和流量变化等方法检验帷幕墙的质量和截水效果。结果表明:混凝土浇筑充填连续、密实;墙体内外水位差已达15 m以上;盲沟补给流量消失,截水效果显著。试验研究证实截水帷幕技术适用于元宝山露天煤矿,为后续工程开展提供了关键技术参数,完善了我国露天煤矿截水帷幕技术体系。      

悬挂式止水帷幕地下水渗流数值模拟

悬挂式止水帷幕在基坑工程中得到了广泛应用.采用地下水渗流软件GMS对室内地下水渗流模型试验进行数值模拟,数值模拟结果与试验结果相互对比,进而验证地下水数值模拟软件的可靠性.在确定软件准确性的基础上,进一步研究在相同悬挂式止水帷幕插入深度下,不同形状基坑中地下水渗流变化规律,为实际工程降水设计提供参考依据.结果表明:数值...     

悬挂式止水帷幕条件下深基坑开挖变形特性研究

降水条件对基坑开挖的变形特性具有重要影响。为了研究悬挂式止水帷幕结合承压非完整井组成的墙井系统条件下基坑开挖过程中的变形问题,以某悬挂式止水帷幕深基坑为例,通过定义降水井和地表渗流边界条件建立了考虑分级降水和基坑开挖实际工况的三维流固耦合有限元数值分析模型,使用现场监测数据与数值模拟结果互相验证的方法研究了悬挂式止水帷幕情况下基坑开挖过程中地下连续墙变形和地表沉降的变化特征,对比分析了悬挂式止水帷幕和落底式止水帷幕条件下的地表沉降。结果表明：在不同分级降水情况下,降水深度初次达到场地第一承压水含水层降水期间产生的地下连续墙水平位移增量最大,地表沉降也主要在这一期间产生;悬挂式止水帷幕情况下的地表沉降最大值约为落底式止水帷幕的2.7倍,最大值位置距地下连续墙边缘的距离比落底式止水帷幕大0.85 m;地下连续墙水平位移峰值处,降水期间产生的位移占28%,地表沉降峰值处,降水期间产生的沉降占49%;使用悬挂式止水帷幕时,距地下连续墙边缘12倍开挖深度处,地表沉降与地表沉降峰值的比值为0.1、该距离比落底式止水帷幕大13 m左右。研究成果对确定深基坑降水方案、保证深基坑开挖施工安全具有一定的参...     

基于改进阻力系数法的悬挂式帷幕基坑渗流计算

帷幕结合基坑内降水的方案是深基坑工程中地下水控制的主要趋势,由于基坑渗流场的复杂性和尺度效应,业内尚无成熟且精确的解析计算方法.在分析悬挂式帷幕基坑与闸坝渗流场特点异同的基础上,对闸坝改进阻力系数法进行修正,提出了承压水条件下悬挂式帷幕基坑渗流段的分段方式,推导了新的考虑基坑特殊段"水平汇流段"的等效阻力系数计算公式,...     

悬挂式止水帷幕涌水量计算数值模拟及验证

在基坑工程中,为合理保护地下水资源和节约工程成本,悬挂式止水帷幕在工程中的应用越来越广泛.为更好地研究悬挂式止水帷幕基坑涌水量及影响半径的影响范围,依托北京市东城区第一人民医院基坑项目,进行了悬挂式止水帷幕基坑涌水量的数值模拟,并现场进行数据监测,从而对数值计算结果进行验证.结果表明:(1)利用有限元数值模拟软件分析的...     

落底式竖向截水帷幕的研究与应用

论述了截水帷幕的形式及应用条件,并在实际的基坑工程中应用了落底式竖向截水帷幕治理地下水,实例证明效果非常好,既保证了基坑边坡的稳定与土方开挖、结构施工的安全,又保护了基坑周边建(构)筑物。     

长江一级阶地深大基坑地下水控制设计与分析

以中冶39大街项目为例,介绍武汉地区长江一级阶地深大基坑的地下水控制设计。本项目基坑面积约5.2万m2,普遍挖深7.15～7.45 m,距离长江堤防保护线约260 m,场地砂层深厚,地下水量充沛,周边有道路、管线、建筑等,环境对沉降较敏感。针对本项目的特点,基坑地下水控制采用等厚度水泥土搅拌墙悬挂式止水帷幕结合深井降水的方式。监测数据表明,基坑周边环境沉降始终安全可控。     

半落底半悬挂式地连墙在某紧邻地铁深基坑中的应用

在长江Ⅰ级阶地区域,深基坑设计面临土质情况差、地下水丰富等问题,邻近地铁的基坑设计常设置落底式竖向止水帷幕。某基坑紧邻武汉地铁2号线范湖站,采用半落底半悬挂式地下连续墙做竖向支挡结构兼作止水帷幕,设置二层混凝土圆环支撑,辅以基坑内降水。基坑使用期间未对周边道路、地铁等构筑物造成不利影响,对比全落底式帷幕（或地连墙）经济效益显著,可供类似工程参考。     

悬挂式帷幕基坑涌水量计算及插入深度影响效应研究

为确定悬挂式止水帷幕插入深度和基坑内涌水量、基坑外最大水位降深的关系,从而得出在预定基坑外最大水位降深和基坑内涌水量下的较优悬挂式帷幕的插入深度,根据达西定律和大井简化的均质含水层潜水非完整井的基坑涌水量计算公式,推导出帷幕插入深度、基坑涌水量、基坑外最大水位降深的关系式。将推导的公式进行基坑实例计算并与大卫登可夫和佛兰克的方法进行对比,分析两种计算方法结果的异同点。采用室内模型试验和Midas/GTS/NX数值模拟对悬挂式帷幕基坑地下水渗流进行模拟,对公式推导的结果进行验证,证明文中提出的计算公式与实际情况更接近,并得出结论:基坑外最大水位降深随着帷幕插入深度的增加略有降低,但变化不大,基坑涌水量随着帷幕插入深度的增加逐渐减小。     

露天煤矿截水帷幕效果检验方法及截水效果分析

某露天煤矿为减少矿坑疏排水量，通过施工截水帷幕切断矿坑北侧河流补给通道。根据现场施工条件，采用低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆、咬合桩4种工艺构建截水帷幕。为检验施工过程中露天煤矿截水帷幕的效果，针对低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆等3种截水帷幕工艺，进行了4次围井试验。试验结果表明，在露天煤矿深厚砂卵石层动水、低温条件下，低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆帷幕均具有良好的截水效果，渗透系数分别达到8.34×10-7、6.28×10-7、7.85×10-7 cm/s，与原材料室内实验得出的渗透系数基本吻合。在4种帷幕工艺的共同作用下，露天煤矿矿坑疏排水量显著减少，围井试验在截水帷幕施工过程中具有良好的效果检验作用。      

悬挂式阻水帷幕地下水控制方法探讨——以北京地铁8号线永定门外站为例

以北京地铁8号线永定门外站为例,提出悬挂式帷幕阻水条件下基坑排水量计算方法以及悬挂式帷幕阻水中存在的问题。介绍了3种结合悬挂式帷幕采取的封底阻水措施,即水下灌注混凝土封底,深孔注浆封底以及超高压旋喷桩封底,并分别探讨了其优缺点。提出了悬挂式帷幕阻水结合基坑底部封底阻水的最佳建议方案,以达到有效节约地下水资源、降低工程施工难度和工程造价之目的。     

生态脆弱露天矿区截水帷幕下松散层水位演化规律

我国蒙东地区生态环境脆弱,水资源匮乏,露天煤矿高强度开采引起地下水系统的补、径、排条件发生剧烈变化,导致松散层水位大幅下降、地表河流流量衰减、生态环境破坏。为揭示生态脆弱露天矿区在截水帷幕下的松散层水位演化规律,分析生态脆弱露天矿区地下水分布特征和采动对松散层水位的影响,开展截水帷幕下的松散层水位理论计算和物理模拟试验,结合现场监测数据分析截水帷幕下内蒙古扎尼河露天煤矿、元宝山露天煤矿松散层水位演化规律。结果表明:生态脆弱露天矿区松散层渗透系数大、水位埋藏浅;露天开采对矿区松散层水位影响巨大,矿区周边数千米范围内的松散层水位下降数米到数十米;理论计算和物理模拟发现,截水帷幕外侧松散层水位抬升幅度与帷幕长度呈正相关关系;远离帷幕的水位变化速率较为平稳,靠近帷幕附近的水位变化相对剧烈;扎尼河和元宝山露天煤矿现场监测结果显示,帷幕外侧松散层水位升高3.43~9.12 m,帷幕内侧水位降低3.21~10.15 m,外侧水位抬升幅度与截水帷幕完成率成正比。截水帷幕作用下的松散层水位理论计算和物理模拟结果可指导现场工程应用,截水帷幕能够显著抬升生态脆弱露天矿区周边松散层水位,保护矿区松散层水资源。      

浅部厚层粉性土分布区大面积浅基坑围护工程实践

浅部厚层粉性土分布区的浅基坑工程,由于围护体系不能有效隔断含水层,致使基坑坑内降水具有三维渗流特性,当土质较差或周边环境复杂时,基坑设计与施工将面临严峻挑战。以上海市崇明区某大面积浅基坑工程为例,探讨了基坑降水与围护结构体系在基坑安全方面的相互关系,据此推出将基坑围护结构、止水帷幕与基坑降水统筹考虑的一体化设计思路。介绍了围护结构、降水管井及悬挂式止水帷幕深度确定的方法和依据,强调了围护方案技术交底的重要性。基坑开挖及监测数据表明,采用悬挂式止水帷幕+坑内管井降水结合放坡或重力式挡墙进行基坑地下水控制与围护的方案是可行的,能够取得良好的工程效果。     

浅谈城市地下空间开发中的地下水控制问题

随着我国经济建设的高速发展,城市土地资源日趋紧张,这种形势迫使越来越多的建筑物往深的方向发展,地下停车场、商业综合体等建、构筑如雨后春笋般出现。随之而来的是地下结构施工过程中受地下水影响也越来越严重,对地下水控制技术的要求也越来越高。本文探讨了城市地下空间中地下水控制的方面存在的主要问题,以复—八线降水工程、雍和宫站降水工程、东四站降水工程、大连地铁星医区间降水工程、李家屿村循环水务示范工程为例,重点介绍了降水—回灌技术,辐射井降水技术,大直径潜孔锤套管成井技术,水泥土咬合桩帷幕堵水技术,三维地质建模技术,地震波成像技术在地下水控制方面的应用情况,为今后城市地下空间开发中的地下水控制提供了有益的借鉴。     

海太过江通道公路段工作井基坑降水优化设计

海太过江通道公路段工作井基坑采用悬挂式止水帷幕,其帷幕深度对基坑开挖施工安全有重要影响。根据承压水抽水试验实测数据,采用数值反演法获取了承压含水层相关水文地质参数;基于研究区地层结构特征,建立了三维地下水流运动数学模型,确定了帷幕最优深度、井群位置和降水井数量。计算结果显示,设计的降水方案能够保证施工场地干燥、基坑底部不发生突涌、土体不发生渗透变形和基坑周围沉降量在允许值内。因此,本建议方案优化了承压降水井群,降低了悬挂式止水帷幕深度,节约了降水成本,为设计部门提供了依据和技术支撑。     

矿山砂卵石地层中截水帷幕长幅槽段稳定性研究

露天煤矿长时间大流量疏排降水导致矿区地下水资源严重浪费、井田周围生态环境急剧退化、生产运行成本大幅增加,截水帷幕技术为露天矿山地下水控制提供了新的思路。槽段稳定性直接关系到截水帷幕施工安全、成槽效率及防渗效果。为探讨矿山截水帷幕砂卵石地层在成槽时长幅槽段的稳定性,以我国内蒙古东部某露天煤矿为例,采用二维和三维水平条分法对砂卵石地层长幅槽段稳定性影响因素及规律进行研究,并对比分析二维与三维水平条分法在安全系数计算结果上的差异;借助FLAC3D软件模拟分析砂卵石地层分别开挖17.5、22.5 m 2种长度时槽段的稳定性;结合上述分析结果给出砂卵石地层长幅槽段稳定性控制措施;再通过超声波测试手段验证长幅槽段稳定性及控制效果。研究结果表明:影响槽段稳定性的主要因素有地层岩土体性质、槽段开挖深度、泥浆液面、泥浆密度、泥浆液面与地下水位高差及单幅槽段长度;调整泥浆参数、提高泥浆液面、降低地下水位、优化成槽次序及控制成槽时间等措施可以增加长幅槽段的稳定性;该地层条件下单幅槽段长度不超过21 m时,槽段可以保持直立稳定,长幅成槽技术可行。      

悬挂式帷幕基坑底侧突涌的坑内水头抬升研究

基坑采用悬挂式帷幕减压降水时,因隔水帷幕局部存在缺陷,而导致坑内承压含水层水头抬升所诱发的基坑底侧突涌事件常有发生。为研究这种现象,以某地铁线风井基坑为范例,建立了三维非稳定流的地下水数值模型,重点考虑了渗透系数的各向异性,对隔水帷幕无缺陷,28~33m、33~38m、38~43m深度的缺陷,加大流量抽取等7种情况,进行了模拟和比较分析。研究结果表明,悬挂式帷幕降水帷幕无缺陷时,帷幕内外的水头差在含水层顶最大,并沿帷幕向下递减;在帷幕缺陷形成的渗流通道附近,渗流场的等势线非常密集,补给的地下水抬升了坑内水头,并加剧了坑外的水头下降;经缺陷处的渗流通道流入坑内的地下水,渗流速度矢量以水平向为主;帷幕缺陷位于渗透系数较大的含水层时,相应补给量也较大;加大流量抽取,可以减小水头抬升的平面范围,但缺陷附近过大的流速也会诱发地层流土;缺陷位置与帷幕底竖向距离越远,坑内水头的抬升率越大,缺陷位置与帷幕底竖向距离越近,抬升率越小。研究成果对分析承压水底侧突涌的致灾机制、预测预警以及基坑动态风险评估等有一定的参考意义。     

露天煤矿开采侧向帷幕控水原理与截水效果数值分析

露天煤矿开采过程中的矿坑疏排水是引起地下水资源流失的重要原因,寻求新的控水方法势在必行。以内蒙古赤峰市元宝山露天煤矿为研究对象,根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征,分析了露天开采驱动下帷幕墙体建设对地下水系统控制的基本原理,得出帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大、与补给水体距离越近是帷幕墙减少露天采坑涌水的基本思路。将露天采矿疏排水与地下水系统数值仿真研究结合,对露天煤矿开采与帷幕墙建设对矿坑疏排水强度影响程度进行预测分析,模拟结果显示,采用针对主要涌水段的局部帷幕工程方案,地下水仍然以露天矿采坑为降落漏斗中心,区域流场形态基本未发生重大变化,在未帷幕区段地下水发生了强烈的侧向绕流现象,初期(300 d)矿坑残余涌水量较之现有矿坑排水量最大减幅 37.16%,而残余涌水量随时间增大趋势明显。按准全封闭型帷幕方案建墙后,地下水基本未发生绕流现象,矿井残余涌水量为先减小后增大的趋势,最大减幅达85.79%,且后期涌水量增加幅度不大,可见准封闭型帷幕建设方案较之局部帷幕方案对矿坑整体涌水量的减排作用显著。通过分析露天煤矿开采侧向帷幕控水规律,构建帷幕阻水条件下地下水系统仿真模型,评价帷幕截水减排效果,以期为露天矿区煤–水资源协调开发提供科学依据。      

北方某废弃矿区地下水污染帷幕注浆应急处置研究

随着我国煤炭资源的枯竭,大量矿山关闭,遗留了广大的地下采空区场地。不少化工企业向废弃矿井内倾倒化学废液等导致了矿区地下水污染事故,威胁地下水水源地的水源安全。针对此类复杂场地条件下污染事故的应急处置案例和经验都非常少,本文以北方某废弃矿区地下水污染注浆帷幕应急处置为例,通过对矿区地质条件的分析、地下空间结构和地下水流场的刻画,构建三维地质模型,以模型为基础设计帷幕注浆工程并实施,研究复杂场地条件下开展帷幕注浆应急处置的重要内容和决定因素,并利用场地地下水样品监测结果,分析研究帷幕内外污染物浓度分布特征及差异,找出地下水运移规律,评价注浆帷幕效果。研究表明：在事故井周边100 m范围实施的帷幕注浆工程,对污染物运移的封堵效果显著,帷幕注浆内外污染物含量差距明显。一期检测结果显示帷幕注浆范围内地下水中二氯甲烷浓度最高1390 μg/L,帷幕范围外最高浓度仅为8. 07 μg/L;二期检测结果为污染物检出浓度大于5 μg/L的区域全部位于帷幕范围内,帷幕范围外均未检出。同时污染物的分布特征指示着地下水沿巷道运移成为最主要的形式,对地下空间结构的精准刻画是决定帷幕注浆工程成效的重要因素。