矩形防水墻設計方法與工程實例

王業建

（湖南第一工業設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011）

防水閘門硐室和防水墻是地下礦山井下防治水的主要安全設施，水文地質條件復雜、極復雜或者有突水淹井危險的礦井，應當在井底車場周圍設置防水閘門，應當在其他巷道適當地點預留或設置防水閘門硐室和防水墻，使礦井形成分翼、分水平或分采區隔離開采，在水患發生時，能夠使礦井分區隔離，縮小災情影響范圍，控制水害，確保礦井安全。

當井下巷道尚有運輸、行人、通風等要求時，設置防水閘門硐室；其他情況下，可設置防水墻。對涌水量較大或存在突水淹井危險、資源價值不大的采掘區域，可以構筑防水墻封閉，以保證其他區域的安全生產，減少礦井涌水量，減少排水費用，防治礦井排水引發的地質災害。

鄰近礦井關閉退出后，在其積水威脅區域，構筑邊界防水墻封閉，保證礦井的安全生產。

《采礦工程設計手冊》（張榮立，何國緯，李鐸主編，煤炭工業出版社，2003 年）采用的井下防水閘門硐室和防水墻結構形式有圓柱形、楔形和倒截錐形三種，并提出了相應的設計理論及計算公式。

現場有時需設置矩形防水墻，與圓柱形、楔形和倒截錐形三種形式比較，矩形防水墻：①施工容易，形狀規整，施工工藝簡單易懂；②不需要按異型結構掏槽，井巷工程量較省；③簡單掏槽或不需要掏槽，構筑防水墻時的生產系統相對簡單；④適用于應急處理，不需要按異型結構掏槽，施工工期短，為防治水搶險贏得時間；當礦井透水時，可選擇適當地點緊急構筑防水墻，以保證其他井巷的安全生產，并贏得處理透水、恢復井巷的時間。

下面按粘結強度原理，結合井下防水墻的具體要求，導出墻體厚度計算公式。

1 矩形防水墻設計方法

1.1 矩形防水墻

1.1.1 概念

矩形防水墻就是平行巷道中心線的平面與防水墻的截面輪廓為矩形，利用混凝土與圍巖的粘結抗剪力等平衡靜水壓力，其結構形式如圖1。

圖1 矩形防水墻結構形式

1.1.2 圍巖內是否開鑿掏槽

（1）是否開鑿掏槽圍巖。①靜水壓力小，I 級或II 級圍巖，工程地質條件簡單，可以不掏槽。②靜水壓力較高，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，工程地質條件復雜，需開鑿掏槽。

（2）圍巖開鑿掏槽目的與作用。①觀察防水墻所處位置圍巖的巖石物理性質（巖性、強度、離層、破碎帶、松動圏范圍、節理裂隙發育情況，等等）及水文地質條件（圍巖滲透系數、有無滲漏、水質等）。②不良工程地質問題處理。③延長滲水途徑，改變滲水方向，減少滲水量。④改變圍巖應力分布及其傳遞方向，降低圍巖滲透系數，充分利用應力，提高圍巖承載能力和抗滲透能力。

1.1.3 墻體內是否布設鋼筋

為了增強防水墻墻體強度，可以在墻體內布設鋼筋，可以錨固墻體于圍巖。防水墻大多數情況下不需設鋼筋，尤其是墻體較厚，跨度較小者；巷道跨度大、墻體薄應布設鋼筋。

1.2 矩形防水墻設計原理及墻體厚度計算

1.2.1 不考慮錨桿抗剪力

（1）縱筋對混凝土有銷栓作用，銷栓作用很難計算，設計規范均不考慮。

（2）根據圣維南原理（Saint Venant"s Principle），分布于彈性體上一小塊面積（或體積）內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布。錨桿直徑一般遠小于間距，一般地，在錨桿（1 ～2）d 的外圍，僅有混凝土的應力。

1.2.2 設計原理

矩形防水墻的設計原理為墻體的承載力超過靜水壓力，承載力考慮的是混凝土與圍巖的粘結抗剪力，墻體的自重、錨桿抗剪力等作為富余強度。防水墻應滿足抗滲條件要求。

1.2.3 墻體厚度計算公式

（1）混凝土與圍巖的粘結抗剪力：

式中：F粘——混凝土與圍巖的粘結抗剪力，MN。

S粘——防水墻承載區粘結面積，m2。

fmg——極限粘結強度標準值，MPa，如表1。

fjc——混凝土抗剪強度設計取值，MPa。

fj——混凝土抗剪強度設計值，MPa，如表2。

n——粘結強度與混凝土抗剪強度之比，取0.5 ～0.7，表面清理干凈、平整度差、混凝土強度等級高、墻體厚、混凝土經標準養護后承載，取大值。

m——工作條件系數，取0.5 ～0.7，混凝土強度等級高、墻體厚，取小值。

C墻——防水墻周長，m。

L墻——防水墻厚度，m。

表1 混凝土與圍巖極限粘結強度標準值表

表2 混凝土抗剪強度表

（2）靜水壓力作用于墻體上的剪力：

式中：F靜——靜水壓力作用于墻體上的剪力，MN。

λ——超載系數，取1.2 ～1.3。

P——靜水壓力，MPa。

S墻——防水墻橫截面積，m2。

（3）按粘結強度計算的墻體厚度。

根據設計原理，F靜≤F粘，按公式（1）、（4），有：

（4）常見斷面形式的墻體厚度計算公式。

防水墻一般設置在運輸巷、石門等巖石巷道中，巷道斷面形式多為圓弧拱、三心拱、半圓拱，根據公式⑸導出相應的防水墻厚度計算公式如表3。

（5）按達西線性滲流定律校驗抗滲條件：

表3 墻體厚度計算公式表

式中：K——滲透系數，m/d，如表4。

Q——標準要求的抗滲條件，一般取0.5m3/d。

表4 混凝土抗滲等級與滲透系數值

1.2.4 加固錨桿設計

（1）加固錨桿應滿足防滲、防銹蝕要求，可采用鋼筋砂漿錨桿，采用16#或18#礦用右旋螺紋鋼，不耦合系數2 ～2.5。

（2）錨桿錨入圍巖的長度按懸吊理論計算，錨入穩定巖層的深度不小于0.3m。

（3）錨桿錨入墻體的長度《混凝土結構設計規范》（GB50010）計算、選取。

（4）錨桿間距按選取。

（5）注漿終壓不小于1.5 倍靜水壓力。

2 工程實例

為防治11 采區之東北區域水害，湖南省煤業集團金竹山礦業有限公司土朱煤礦在-50m 東翼運輸大巷、-50m 東翼回風大巷各建設1 座防水墻，墻體厚度計算參數。

斷面形狀半圓拱形，B=3.6m，h3=1.6m，靜水壓力2.4MPa，采用C30 混凝土，取n=0.55，=0.55×0.95×2.1=1.10MPa，m=0.55，λ=1.3。

將參數代入橫截面為半圓拱形的矩形防水墻厚度計算公式，得，L墻=4.5m，設計取L墻=5m。

現場按照L墻=5m 施工矩形防水墻；加固錨桿采用18#礦用右旋螺紋鋼，長度3.0m，其中，錨入圍巖的長度2.1m、錨入墻體的長度0.9m，間、排距1.0m；并對周邊圍巖注漿；水壓試驗及運行結果表明，耐壓、抗滲漏能力均符合要求。

3 結語

矩形防水墻有施工簡單、適用于應急處理等優點。按粘結強度原理，導出的墻體厚度計算公式，滿足安全生產要求。