煤炭资源的大规模开采,在保障国家经济社会发展的同时,也带来了严重的土地与环境损坏,尤其在我国东部高潜水位平原矿区,采煤沉陷导致耕地大量减少、村庄被迫搬迁、失地农民大量增加。由于高潜水位平原矿区采煤沉陷的独有特征,传统的挖深垫浅、煤矸石、粉煤灰充填复垦技术等均不能解决该区域耕地大量减少的现状。利用部分矿区靠近黄河的优势,从黄河挖取泥沙,再通过管道输送到采煤沉陷地进行充填复垦,不仅可以解决采煤沉陷地充填复垦材料短缺的问题,可以复垦出大量耕地,还能解决黄河疏浚泥沙的处理难题,对于保障黄河行洪安全具有重大意义。目前国内引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的研究还未见报到,现有引黄复垦技术均是借鉴黄河滩区放淤改土和固堤的一些经验,存在着“前期充填过程排明水速度太快,导致细粒径泥沙(黏粒和大部分粉粒)大量流失,而充填后期泥沙深层侧向排水慢且效率低,延长了复垦工期”等问题。为此需要开展引黄河泥沙复垦采煤沉陷地的充填、沉沙及排水新工艺研究,为减少充填过程细粒径泥沙流失,加快充填后期饱和泥沙的侧向排水,缩短复垦工期提供科学参考。本文在借鉴已有成果的基础上,充分利用土地利用工程学、土壤学、农学、水利工程、土木工程、土工合成材料等相关知识,首先选择了距离黄河较近与采煤沉陷地具有相似地貌特征的坑塘涝洼地作为试验区,运用现有引黄充填排水技术对其进行了复垦。分析了复垦后农田的景观特征、土壤剖面及作物产量。从机理上分析了现有引黄充填排水技术存在的问题,在此基础上设计了新的充填、沉沙、排水工艺,并提出了新工艺设计的关键参数及试验获取流程。接着探讨了复垦条带的尺寸、标高设计方法及条带水面线、泥沙沉降率及淤积厚度的计算方法,提出了复垦条带充填次数、分次充填间隔时间的内涵及计算方法,并通过室内试验获取的基础参数对案例场地的条带尺寸、充填标高、泥沙沉降率、淤积厚度、分层充填次数及间隔时间进行了理论模拟计算,给出了相应的设计值。最后通过土工布等效孔径、垂直渗透系数、淤堵试验及两次室内泥沙充填排水试验筛选出了最佳的排水断面形式和土工布类型,有如下认识。(1)现有引黄充填排水技术存在着三方面的问题:(1)充填过程排明水速度太快,导致大量细粒径泥沙(黏粒和大部分粉粒)随排水流失,既淤积周围排水沟渠,又使得沉降在充填区域内的泥沙养分含量降低;(2)充填区域尺寸选择不合理,导致后期泥沙质地调配及平整的工程量增大;(3)充填饱和泥沙后期深层侧向排水慢且效率低,延长了复垦工期。在分析了问题机理的基础上,设计了引黄充填、沉沙及排水的新工艺,重点是划分条带充填和使用土工布拦沙排水,条带的形状、尺寸、高程、充填方向、次数、间隔时间、排水土工布类型及断面设计等是新工艺的核心。(2)探讨了黄河滩区引黄放淤及灌溉沉沙池尺寸设计相关方法,认为准静水沉降法和一度流超饱和输沙法均可用于复垦条带尺寸设计,其中泥沙平均沉速、平均水深及水沙平均流动速度是复垦条带尺寸设计的关键影响因素。利用黄河泥沙粒径试验测得的基础参数,运用两种方法给出了案例场地复垦条带的尺寸设计值。三种假设情景下,利用准静水沉降法计算的条带理论长度为14.64~29.28m,修正长度为36.60~73.20m,最小理论宽度为0.7~1.4m,最大宽度为4.5~13.5m;利用一度流超饱和输沙法计算出的条带长度为31.86~65.39m,宽度为2.83~7.65m。在野外应用时,应优先使用一度流超饱和输沙法的计算结果。借鉴黄河滩区引黄放淤和煤矸石充填复垦采煤沉陷地的标高设计方法,利用黄河泥沙室内固结试验,对引黄复垦采煤沉陷地的充填标高进行了设计,结果表明设计充填标高应为设计使用标高的1.274倍。(3)探讨了引黄复垦条带水面线、泥沙沉降率、淤积厚度及复垦条带充填次数、分次充填间隔时间的计算方法。(1)引黄复垦分层多次充填的充填次数与条带深度和充填泥沙浓度成正比,与泥沙密度成反比。在条带深度为2.0m的情景下,满足设计要求的充填次数为5次。(2)针对案例条带,将其划分为8个计算段,按照水沙初始流速为0.4、0.3和0.2m/s三种情景模拟计算了条带的断面含沙量、分段沉降率、总沉降率、淤积体积及平均淤积厚度。结果表明充填水沙在条带内的初始流速越大,相同时间内泥沙在条带前半部分沉降率和淤积厚度越小,反之,则越大。(3)复垦条带分层多次充填的间隔时间,包括充填时间(t1)、静水沉降时间(t2)、排明水时间(t3)、充填泥沙过饱和水排除时间(t4)和心土回填、平整、压实时间(t5)。传统单面排水情景下,满足施工机械平整泥沙及回填部分心土对泥沙固结度要求(固结度至少需达到75%)的最大固结时间为61~75.5天,充填间隔时间为70.5~85.2天,固结度达到90%时的最大固结时间为100.4~124.3天,充填间隔时间为109.9~134天。而使用土工布两面排水情景下固结度达到75%时的最大固结时间为15.3~18.9天,充填间隔时间为17.5~21.1天,固结度为90%时的最大固结时间为25.1~31.1天,充填间隔时间为27.3~33.3天,大大缩短。(4)讨论了用于拦沙排水的土工布的筛选标准,并开展了土工布等效孔径、垂直渗透系数及淤堵试验。结果表明初选的5种土工布均能满足挡土和透水准则,但均不满足防淤堵要求。经过与生产厂家的协商沟通,最终选定了调整纤维直径和增大孔隙率后的针刺无纺250g和300g土工布。(5)利用筛选的土工布,在2013年和2014年开展了2次基于土工布的泥沙充填排水室内模拟试验。2013年的试验结果表明使用土工布的试验处理可以较大幅度降低排水中的泥沙含量,但是拦截细粒径泥沙方面效果不佳,后期排水效果因试验土工布选择和水分测试仪器及方法存在问题未能达到预期目标。2014年利用改进后的针刺无纺250 g和300 g土工布重新开展了该试验,结果如下。(1)三种试验处理排水含沙量存在差异。排水初期,ZT-250和ZT-300处理排水含沙量较大,排水中期和后期,使用土工布的两个处理排水中的含沙量显著降低,其中使用改进后的针刺无纺300 g土工布的ZT-300处理效果最好。使用土工布的两种处理的排水含沙量随着试验的进行逐渐降低,拦沙效果逐渐显现,而对照处理排水含沙量随着试验的进行逐渐增大。(2)排水初期和中期,对照CK的排水中泥沙各个特征粒径均小于使用土工布的两个处理ZT-250和ZT-300,而黏粒含量均高于使用土工布的两个处理。排水后期CK的排水泥沙特征粒径与处理ZT-250和ZT-300相当,黏粒含量介于处理ZT-250和ZT-300之间。随着试验的进行,使用土工布的两个处理排水中泥沙的黏粒含量逐渐升高,粉粒含量逐渐降低,而对照处理呈现相反的变化趋势。使用土工布的两个处理拦沙效果较为稳定。(3)三种处理充填表层泥沙均以砂粒为主。使用改进后的针刺无纺300 g土工布的ZT-300处理的表层泥沙粉粒含量最高,使用改进后的针刺无纺250 g土工布的ZT-250处理的表层泥沙极细砂粒含量最高。(4)三种处理充填泥沙表层和底层含水量变化存在差异,使用土工布可以加速泥沙中过饱和水的排除,其中使用改进后的针刺无纺250 g土工布的ZT-250处理排水效果最好。引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地是一项宏大的工程,目前相关技术还不成熟,本文仅对引黄充填、沉沙及排水工艺进行了一些探索,获得了一些认识,但由于条件限制,很多探索仅限于室内试验和理论模拟计算,未来应在野外工程中实测不同尺寸条带、不同水沙初始流速情景下的充填泥沙沉降率与淤积厚度,并与室内理论模拟计算结果进行对比验证。其次,未来应改用能同时测定不同荷载下泥沙试样压缩量和渗透系数的固结仪,通过理论公式计算得到不同荷载下的泥沙固结系数,进而计算得到更为准确的泥沙固结时间。最后,应在野外开展泥沙充填排水试验以进一步验证有关排水断面形式及土工布类型的室内筛选结果。