淺談高地下水位地區煤礦工業場地豎向設計

王 鋒

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來隨著環境氣候的改善，在蒙陜地區降雨頻率逐漸增加、雨量增大且持續時間加長，造成區域地下水位升高，如果在設計過程中此種現象未引起足夠重視，則容易造成基礎埋深較淺的建構筑物在設計過程中需要考慮抗浮設計、防滲設計，施工過程中需采用降水措施，同時企業在正常生產運行過程中容易出現凍脹、凍融、滲水等問題，這不僅增加項目建設成本、影響項目的正常建設進度，同時也影響項目生產期間的安全運行。因此此類問題應引起設計者的高度重視，避免在該類地下水位較高的區域出現類似問題。本文則以可可蓋煤礦項目為例，闡述高地下水位地區場地豎向設計，并提出一種針對高地形水位的設計思路及方法。

1 項目概況

可可蓋井田位于陜西省榆林市境內，東南距榆林城約32 km，行政區劃隸屬榆林市榆陽區小紀汗鄉、岔河則鄉、馬合鎮管轄。井田西部與大海則井田相鄰，東部與小紀汗井田相鄰，南部與西紅墩井田相鄰，北部與孟家灣二號井田相鄰[1]。

本井田位于毛烏素沙漠與陜北黃土高原的過渡地帶，區內絕大部分面積為沙漠灘地區，該區沙丘常以中新月形沙丘和鏈狀沙丘為主要特點，無明顯的排水方向。沙漠灘地區內除20%左右低洼處為灘地外，其余地段均為第四系全新統風積沙堆積。

井田內地表徑流不發育，無常年河流及溪溝，屬溫帶大陸性季風干旱、半干旱草原氣候區。天氣多變，春季多風沙，夏季較炎熱，秋季多暴雨，冬季長而嚴寒。年平均氣溫8.8 ℃，7～8月最高氣溫38.9 ℃，元月份最低氣溫-29.7 ℃，日溫差15～20 ℃。年平均降水量436.6 mm，年平均蒸發量1 774.1 mm。7月份為雨季，10月中旬降雪，翌年2月解凍，無霜期150～180 d，最大凍土深度1 460 mm。

2 豎向設計

豎向設計的目的是對工業場地所處的自然地形加以利用和改造，合理處理與場地相關的自然地形，選擇合理的豎向布置形式[2]，確定合理的場地標高，以適應企業建設和生產的需要[3]。

可可蓋煤礦地處毛烏素沙漠邊緣地帶，該區沙丘常以中新月形沙丘和鏈狀沙丘為主要特點，無明顯的排水方向，設計者往往注重場地總平面布置，地表防洪排澇，而忽略了地下水對場地豎向設計的影響[4]。因此項目在設計之初，對其所處場地進行踏勘、調研發現該區域內有小海子零星分布，位于井田西側的大海則礦井、西南側巴拉素礦井、南側西紅墩礦井、東南側袁大灘礦井等工業場地地下水均較高，因此初步判斷可可蓋煤礦屬于高地下水影響較大的場地。設計時借鑒了上述煤礦的設計經驗，結合平面布置在考慮場地防洪排澇的同時重點考慮地下水對場地豎向設計的影響。并從地下水的成因、高程、流向以及對建構筑物影響的角度出發，闡述高地下水地區如何確定場地豎向布置形式及標高。

2.1 地下水成因的分析

根據井田地質勘探報告所述[5]，本區域內地下水的形成、分布特征主要受地貌的制約，此外還受地層巖性、地質構造及水文氣象諸因素綜合控制[6]。地下水類型分為新生界松散巖類孔隙及裂隙孔隙潛水，中生界碎屑巖類裂隙孔隙潛水與層間承壓水兩大類。影響場地豎向設計的主要是新生界松散巖類孔隙及裂隙孔隙潛水(以下簡稱潛層水)，潛層水的徑流方向由西北向東南，基本與現代地形相吻合，河谷區潛水徑流方向與地表水徑流方向斜交。其地下水的排泄為蒸發、人工開采及基巖裸露地段有大小不等的泉水出露外，大部分以泄流的方式排入河流[6-7]。

根據工業場地工程地質報告(詳勘)[6]、井田勘探資料揭露的鉆孔綜合判斷，場地所處地區為富水區-中等富水區，地下水位埋深在0.7～5.3 m之間，滲透系數9.11～24.672 6 m/d。井田范圍內地下水位標高大致在1 240～1 280 m之間，工業場地區域地下水位高程在1 263.00～1 269.00 m之間。區域水文地質略圖如圖1所示[5]，區域基巖潛水等水位線如圖2所示[5]。地下水位等值線如圖3所示。

1-沙漠灘地區(中等富水區-富水區)；2-河區階地區(中等富水區)；3-黃土梁崗區(弱富水-中等富水區)；4-黃土梁峁區(極弱富水區)；5-井田位置；6-3號煤自燃邊界；7-大泉及流量(L/s)圖1 區域水文地質略圖Fig.1 Regional hydrogeology

1-居民地；2-水系；3-等水位線(m);4-地下水流向；5-井田位置圖2 區域基巖潛水等水位線Fig.2 Regional bedrock diving water table contour

圖3 地下水位等值線Fig.3 Groundwater level contour

2.2 工業場地豎向設計

在充分了解并掌握地下水的成因、水位高程的情況下，分析自然地形、地下水位與場地豎向設計相互關系，在滿足場地排水要求的條件下，通過合理的豎向設計，降低地下水對場地地下構筑物的影響。

2.2.1 自然地形對豎向設計的影響

該區內地表徑流不發育，無常年河流及溪溝，沙丘常以中新月形沙丘和鏈狀沙丘為主要特點[8]，無明顯的排水方向，容易產生內澇。同時本區地下水位較高，沙漠地面雨水下滲速度快[7]，凍結深度大，凍脹現象嚴重，這些是影響工業場地平場標高確定的最主要因素。因此在豎向設計前，首先對場地所處地形進行分析，場地所處自然地形高程由西南向東北方向降低，西南最高處的自然地形標高為1 280.00 m，東北角最低自然地形標高為1 264.00 m，自然地形坡度為1.6%。由于自然地形坡度較小，豎向布置采用平坡式[9]；為保障廠區地表雨水可以順利排至外部低洼處并流至下游區域，避免產生內澇[10]，場地設計標高不應低于1 268.00 m。礦井工業場地地形分析圖如圖4所示。

圖4 礦井工業場地地形分析Fig.4 Terrain analysis of mine industrial site

2.2.2 地下水對場地豎向設計的影響

通過對自然地形的分析，初步確定場地豎向布置形式以及場地標高，然后再通過分析地下水對地下構筑物的危害以及與地下構筑物的埋深的關系后，進一步優化場地豎向設計方案即設計標高。

凍融、凍脹：地下水產生的凍脹、凍融等不利影響，其產生的危險形變會破壞道路、硬化場地面層的平整度，甚至有時還會導致建構筑物某個結構層的破壞而影響建構筑物的安全性和穩定性。

管溝滲水：地下水暖綜合溝、電纜溝等敷設深度在2.0～3.0 m之間，管溝基礎基本位于地下水位線附近，在豐水期則處于地下水位線以下，地下管溝主溝與支溝、支溝與建筑物銜接的薄弱處極易滲水，并且較難封堵，管溝滲水后對其安全運營造成很大威脅，并且加大了后期運營的費用。

抗浮設計：由于場地地下水埋深較淺，考慮水位變幅，擬建有地下室或基礎埋深較深的水池等建(構)筑物應進行抗浮設計。

2.2.3 地下構筑物埋深分析

根據同類型礦井建設經驗及本項目已完成的初步設計文件，通過對場地建筑物埋深、地下管溝埋深以及道路、硬化場地結構厚度的分析，大致可歸為埋深小于3.0 m的淺層基礎類和埋深大于3.0 m的深層基礎類兩大類。對于淺層基礎類埋深的建構筑物，由于埋藏深度小，如果場地標高確定的較低，容易使其位于地下水位以下，不僅在設計時需要考慮抗浮、防凍脹、防滲等問題，同時在施工過程中需要考慮降水施工，增加總的投資費用等；地下構筑物長期位于水位以下，存在安全隱患；如果場地標高確定的較高，雖然解決了上述抗浮、凍脹等問題，但是隨之而來的則是填土量過大[10]，土的來源的問題無法解決或者運距過遠，投資過大。建構筑物基礎埋深詳見表1。

表1 建構筑物基礎埋深一覽Table 1 List of buried depths of building foundations

因此場地豎向設計首先應滿足防洪排澇的要求[11]，其次結合場地建構筑物的埋深，確保淺埋深的建構筑物位于地下水位以上，即場地設計標高應高于地下水位高程約3.5～4.0 m(考慮水位上浮0.5～1.0 m)，這樣不僅既避免了由于考慮建構筑物抗浮、防滲、防凍等問題增加建設投資，同時又減小了生產運行期間安全運行的管理費用。

結合工業場地工程勘察報告(詳勘)[6]中鉆孔揭露的地下水位情況繪制地下水位等值線圖，該場地范圍內地下水位高程在1 263.00～1 269.00 m之間，其平均流水坡度為0.5%[9]。因此場地豎向設計時平場綜合坡率宜不小于0.5%[11]，同時考慮各區域內的淺層埋深類建筑基礎位于地下水位高程以上，確定場地設計標高不應低于1 268.50 m，結合防洪排澇最終確定的場地標高不低于1 268.50 m。地下水位與豎向設計關系如圖5所示。

圖5 地下水位與豎向設計關系示意Fig.5 Relationship between groundwater level and vertical design

3 結語

結合可可蓋煤礦項目，通過對地下水位的成因、高程以及場地建構筑物基礎埋設深度、自然地形等基礎數據的分析，在場地豎向設計時不僅考慮了防洪排澇等因素，重點從地下水位對場地豎向設計影響角度出發，通過場地豎向設計合理的確定場地標高，避免在建設及生產運行過程中造成建設成本、運營成本的增加以及對安全生產的影響，為解決凍脹、降水、滲水等一系列問題，提供一種設計思路。