壓力傳遞系數(shù)法在礦山廢渣堆治理工程設(shè)計中的應(yīng)用

陳學(xué)林

(河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450008)

礦山廢渣的任意堆放是多數(shù)礦山普遍存在的現(xiàn)象，其孕育的礦山地質(zhì)環(huán)境問題是多方面的:壓占林地、耕地，水土流失，滑坡、泥石流災(zāi)害等，尤其以堆放于礦山斜坡上的廢渣隱患最為嚴重。探索合理有效的治理方法并進行科學(xué)設(shè)計，以消除其可能產(chǎn)生的環(huán)境病害具有重要的現(xiàn)實意義。三門峽某鐵礦山廢渣堆位于較陡峻的山谷之中，是典型的山坡型堆積方式，災(zāi)害隱患極大。其治理工程已經(jīng)歷5個水文年的風雨考驗，其成功經(jīng)驗值得借鑒。

1 自然地理及工程地質(zhì)條件

1.1 自然地理及地形、地貌

礦區(qū)歷年平均降水量640.1 mm，年最大降水量1 011.7 mm(1958年)，年最小降水量為 433.0 mm(1986年)，降水一般集中于 7、8、9三個月，占年降水量的 51.4%。據(jù)連續(xù)43年降雨資料統(tǒng)計，日降水量在25～49.9 mm的大雨共出現(xiàn)152次，平均每年3.5次，1984年高達11次，日降水量在50～100 mm的暴雨共出現(xiàn)38次，幾乎每年出現(xiàn)一次，2007年年7月28日 －30日，日降雨量達172.1 mm，達到50 a一遇的水平。

礦區(qū)屬中—低山地貌。渣堆所在溝谷頂部海拔標高1 016 m，溝谷底部海拔標高730 m，相對高差286 m，屬中低山區(qū)。溝谷近南北向，呈“V”型(圖1)。

1.2 渣堆工程地質(zhì)特征

廢礦渣堆放于“V”型溝谷中，溝谷兩側(cè)山坡坡度在35°～45°，谷底縱向坡度上部 28°，中部 22°，下部 10°。溝谷兩側(cè)基巖為中等風化花崗片麻巖，裂隙不發(fā)育，谷底分布有厚度不等的殘跡物。基巖面整體較為舒緩平滑。礦渣顆粒成分復(fù)雜，大小混雜，分選差，有較好的滲透性。渣堆縱向總長度達312 m，寬度40～120 m，總堆積量38.4萬 m3，占地面積1.92 萬 m2。

礦山渣堆堆放于表面舒緩光滑的變質(zhì)巖體上，且基巖面坡度較陡，在長時間降雨作用下，降水除一部分以表面徑流的方式?jīng)_刷渣堆表面，另一部分將滲入渣堆體內(nèi)，受基巖隔水層阻隔，將在渣堆底部形成飽和土層，極大地削弱渣堆體與基巖的摩阻力，在渣堆重力下向下滑動，形成滑坡，從而對溝口村莊造成災(zāi)難。

圖1 V”型溝谷中渣堆全貌

2 渣堆體綜合治理方法

綜上所述，該渣堆的主要潛在隱患為渣堆整體滑動、渣堆表面局部失穩(wěn)和沖刷。根據(jù)工程地質(zhì)條件提出如下治理措施:

(1)在治理區(qū)內(nèi)廢渣(土)堆放溝谷的下端，修筑攔渣壩，阻止渣堆發(fā)生整體滑動;

(2)對堆放于溝谷底部的廢渣堆邊坡進行削坡整治，使渣堆表面處于相對穩(wěn)定狀態(tài);

(3)恢復(fù)固體廢棄物堆放場植被，防止表面沖刷。

3 擋渣壩設(shè)計方法

3.1 壩址選擇

壩址應(yīng)選擇在堆渣區(qū)近部下端，要求溝口端面狹窄，壩基和壩肩工程地質(zhì)條件好，同時又不影響礦山生產(chǎn)的位置。通過實地調(diào)查并征求礦山意見，決定選擇在小沙梁溝下部溝谷中部作為壩址(見治理工程平面圖)。

3.2 壩址工程地質(zhì)條件

據(jù)現(xiàn)場出露地層坡面調(diào)查，兩處壩址巖土類型均為燕山期花崗斑巖，壩肩處出露中等風化花崗巖，壩基處上部2.30～14.30 m為素填土，成分主要為采礦廢渣。東端下部為粉土、全風化花崗巖，厚度4.60 m左右，往下為強風化花崗巖，西端填土下部為厚層狀白云巖。壩址處無斷層通過，壩基穩(wěn)定性好。

勘察報告提供填土承載力特征值為130 KPa，全風化花崗巖承載力為230 KPa，強等風化花崗巖承載力特征值為260 KPa，中等風化花崗巖承載力特征值為1 000 KPa，白云巖承載力特征值為1 200 KPa。

3.3 擋渣壩設(shè)計

3.3.1 擋渣壩結(jié)構(gòu)

攔渣壩采用重力式漿砌結(jié)構(gòu)，壩頂部兩端各設(shè)溢洪道一個，壩體上設(shè)置透水孔，壩體下部采用干砌塊石作地基處理，同時起到排泄渣堆底部滲流的作用。

3.3.2 攔渣壩穩(wěn)定性驗算

1)計算條件

攔渣壩的設(shè)計功能為攔擋上游的廢渣土體，不利條件下滑體對攔渣壩的作用是向壩下游方向平行滑面的推力，合力作用點在壩體中部。滑動面為堆渣與基巖的接觸面。

2)攔渣壩(主壩)穩(wěn)定性驗算

(1)滑坡推力計算剖面見圖2。

圖2 滑坡推力計算斷面圖

(2)滑坡推力計算

采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007－2002)中推薦的壓力傳遞系數(shù)法進行計算。

Fn=Ψ·Fn－1+γt·Gnsinθn－Gncosθntanφn－ ln·cn

Ψ =cos(θn－1－θn)－sin(θn－1－θn)tanφn

式中:Fn、Fn－1為第 n塊、第 n－1塊滑體的剩余下滑力;Ψ為傳遞系數(shù);γt為滑坡推力安全系數(shù)，取1.25;Gn為第n塊滑體的重力;φn為第 n塊滑體沿滑動面的內(nèi)摩擦角，均取22°;cn為第n塊滑體沿滑動面的粘聚力標準值，均取0;ln為第n塊滑體沿滑動面的長度。

滑坡推力計算結(jié)果見表1:

(3)抗滑移穩(wěn)定性驗算(滑坡對墻作用力見圖4－1)

K滑=μG/(F4cos 5°+0.5 × γw·h·L)=1.99＞1.3

式中:μ為壩體與壩基的摩擦系數(shù)，取 0.7;G為壩體單位長度的重力，重力密度取24 KN/m3;γw為水重度，取10 KN/m3;h為墻高(m);L為墻單位寬度(m)。

抗滑移穩(wěn)定性滿足要求。

(4)抗傾覆穩(wěn)定性驗算

求擋土墻重心作用點位置(對右墻趾求矩):

重心距右墻趾水平距離為4.2 m。

抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

(5)地基承載力驗算

基底壓力:

P=1944/9=216kpa＜fk地基承載力滿足要求。

副壩基底荷載僅72 kpa，地基承載力滿足要求。

表1 滑坡推力計算結(jié)果表

4 溝谷底部的廢渣堆邊坡修整

在現(xiàn)有梯級平臺的基礎(chǔ)上，采用削坡方法，將溝谷底部的廢渣堆修整為梯級臺階形，各級邊坡的坡度修整成30°，坡面塊石盡量埋于深部，表面覆蓋細粒土，以便營造植被。

5 結(jié)語

(1)位于斜坡上的礦山廢渣堆的環(huán)境隱患主要為整體滑動、渣堆表面局部坍塌滑動和表面沖刷造成的水土流失，治理工程必須從這三方面入手。

(2)對于松散堆積體，采用坡底結(jié)構(gòu)攔擋措施是防止渣堆體發(fā)生整體滑動的方法之一，渣堆是否有發(fā)生整體滑動的可能，要根據(jù)具體的地形地質(zhì)條件分析判斷。

(3)實踐證明，采用壓力傳遞系數(shù)法計算滑坡推力是壩體穩(wěn)定性計算的一種有效方法，取準有關(guān)參數(shù)是保證計算精度的前提條件。

［1］王志平，效文娟，等.2007年7月河南盧氏特大山洪分析及防御對策［C］.中國氣象學(xué)會2008年年會極端天氣氣候事件與應(yīng)急氣象服務(wù)會議.2008.

［2］建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.中國建筑工業(yè)出版社.2002.

［3］張強勇，易順民，等.深圳市大南山山體滑坡成因及治理方法.環(huán)境巖土工程理論與實踐［C］.同濟大學(xué)出版社.2002.

［4］陳學(xué)林，等.八寶山清河鐵礦礦山地質(zhì)環(huán)境勘察報告［R］.2007.