土嶺礦排土場綜合治理與生態(tài)恢復工程研究

祝啟坤，陽凱，張進超，宋 征

（武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院，湖北 武漢430073）

礦業(yè)開發(fā)過程中所產(chǎn)生的棄渣不僅造成礦山地質(zhì)環(huán)境嚴重破壞，而且還時常誘發(fā)重大災害性惡性事故［1－2］，例如1994年陜西潼關金礦區(qū)發(fā)生礦渣型泥石流災害，造成51人死亡、上百人失蹤；2004重慶東林煤礦矸石山滑坡造成17人死亡；2008年山西婁煩尖山鐵礦發(fā)生排土場滑坡事故，造成43人死亡、2人失蹤。但近年來隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和社會進步，礦山地質(zhì)環(huán)境保護與災害防治日益受到人們的普遍關注，同時也受到國家政府主管部門的高度重視，特別是自我國《礦山地質(zhì)環(huán)境保護規(guī)定》頒布實施以來，礦山地質(zhì)環(huán)境保護與災害防治工作逐漸納入到法制化、規(guī)范化管理軌道。如何既合理地開發(fā)礦產(chǎn)資源，又不造成礦山地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境惡化以及重大地質(zhì)災害事故發(fā)生，是實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要研究課題。本文針對土嶺高嶺土礦排土場所存在的地質(zhì)環(huán)境問題，以實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境安全與保護生態(tài)環(huán)境為總體防治目標，在穩(wěn)定性分析與評價的基礎上，提出了該排土場地質(zhì)環(huán)境綜合治理恢復方案，同時對該方案進行了系統(tǒng)設計。

1 礦山基本概況

土嶺礦位于鄂西中山區(qū)，南東距城關直線距離約34km。礦區(qū)北側4km有318國道通過，交通較為方便。該礦山開采礦種為高嶺土，露天開采方式，礦區(qū)面積0.4797km2，開采標高1316～1179m，生產(chǎn)規(guī)模50kt／a。

礦區(qū)地處南方濕潤性季風氣候帶，溫濕多雨。年平均氣溫13℃～17℃，年降雨量1300mm，其中70%以上降水集中在5～9月，此間常有暴雨發(fā)生。防治區(qū)地形總體北高南低，地勢陡峻，標高825～1343m，自然條件下地表排水良好。

礦區(qū)地層由新至老主要為第四系亞黏（砂）土夾灰?guī)r碎塊石、二疊系灰?guī)r與高嶺石粘土巖、石炭系白云質(zhì)灰?guī)r以及泥盆系頁巖、泥灰?guī)r與石英砂巖等。地層總體呈北東～南西向延伸，傾向北西330°～345°，傾角為12～29°。

礦區(qū)范圍內(nèi)無大的斷裂構造，地震烈度為6度。巖層傾向與地形坡向多呈逆向坡，自然條件下邊坡整體穩(wěn)定性較好。

2 地質(zhì)環(huán)境問題與危害

排土是露天礦開采的基本工序之一，排土場能否保持長期穩(wěn)定是礦山企業(yè)必須考慮的重大安全問題之一，排土場一旦發(fā)生破壞將給企業(yè)和社會帶來巨大的危害［3－4］。由于土嶺礦在以往開采過程中對礦山地質(zhì)環(huán)境保護重視不夠，露天采礦剝離棄渣未嚴格按規(guī)范設計排放，隨意傾倒現(xiàn)象嚴重，且未采取任何有效的工程防治措施。擬治理排土場位于土嶺礦Ⅱ號礦體南側斜坡地帶，棄渣體順坡自然堆積而成，邊坡長90m，斜坡高32m，坡角35°～42°，平均坡角約37°，堆渣體主要成份為亞粘（砂）土及碎塊石組成，體積比約8∶2，塊徑一般為10～30cm，結構松散，穩(wěn)定性較差。

目前該排土場主要存在邊坡滑動、泥石流、地表生態(tài)環(huán)境破壞等礦山地質(zhì)環(huán)境問題，主要危害對象為坡下礦區(qū)公路的行人、車輛以及周圍居民的生命財產(chǎn)安全，且危害后果較為嚴重。特別是防治區(qū)地處鄂西暴雨中心區(qū)，地形陡峻、溝谷發(fā)育，當遇連陰雨或強暴雨等不利外部環(huán)境因素作用時，易產(chǎn)生較大規(guī)模的排土場滑坡、泥石流地質(zhì)災害發(fā)生。在本治理工程實施前，因該排土場所存在的安全隱患，已引起當?shù)毓まr(nóng)關系緊張，當?shù)卣鞴懿块T已責令該礦山停產(chǎn)數(shù)月進行工程治理。

3 穩(wěn)定性分析與評價

在工程治理前對該排土場進行穩(wěn)定性分析評價，其目的主要是了解該排土場邊坡體現(xiàn)狀條件下的穩(wěn)定性狀況，從而為治理工程方案選型、工程布置、加固強度與加固參數(shù)的確定提供依據(jù)。依據(jù)本排土場地形地貌、物質(zhì)組成、下臥地層巖性等工程資料及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查等綜合分析，該排土場可能的失穩(wěn)破壞模式為沿堆渣體內(nèi)部發(fā)生弧形滑動破壞及沿基巖面發(fā)生折線形滑動破壞［5－6］］。

根據(jù)已有工程資料與類比，本排土場在飽水狀態(tài)下邊坡體物理力學參數(shù)綜合取值如下：重度γ＝21.5kN／m3，粘聚力 c＝18.0kPa，內(nèi) 摩 擦角 ＝16.8°。

圓弧形滑動破壞采用Bishop法計算：

式中：K—穩(wěn)定系數(shù)；bi—土條寬度（m）；Wi—條塊重力（kN）；θi—條塊重力與底面中點間夾角（°）；c—粘聚力（kPa）；φ—內(nèi)摩擦角（°）。

折線形滑動破壞采用傳遞系數(shù)法計算：

式中：ψj—傳遞系數(shù)；Ri—條塊抗滑力（kN）；Ni—條塊法向分力（kN）；Ti—條塊下滑力（kN）；θi、θi＋1—條塊滑面與水平面的夾角（°）；li—條塊滑面長度（m）。

對該排土場進行加固前穩(wěn)定性分析，計算結果見圖1～圖3。

圖1 上坡段穩(wěn)定性計算結果

圖2 下坡段穩(wěn)定性計算結果

圖3 整體穩(wěn)定性計算結果

由穩(wěn)定性計算結果可知：該排土場上坡段和下坡段發(fā)生圓弧形局部滑動破壞的穩(wěn)定系數(shù)分別為：K1－1＝1.22，K1－2＝1.12；發(fā)生折線形整體滑動破壞的穩(wěn)定性系數(shù)為：K2＝1.16，故該排土場安全儲備不足，總體上處于基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4 恢復治理方案與工程布置

本恢復治理工程的總體目標主要是消除或減輕土嶺礦排土場地質(zhì)災害安全隱患，然后對其進行地表生態(tài)植被恢復。

目前對不穩(wěn)定邊坡工程治理措施很多，主要包括：削方卸載、回填反壓、擋土墻、抗滑樁、格構錨固、錨桿（索）加固、坡面防護與排水阻滲等。結合本排土場地貌形態(tài)、地層巖性、穩(wěn)定性分析結果以及危害程度，依據(jù)技術可行、經(jīng)濟合理的原則，同時考慮方便施工，本防治工程最終采用“削方減載＋漿砌石擋土墻支擋＋截排水＋漿砌石骨架植草護坡＋監(jiān)測”等綜合性防治工程方案［7－9］。

綜合防治工程平面布置見圖4。

5 恢復治理工程設計

5.1 削坡減載

圖4 恢復治理工程平面布置

削坡減載主要是通過對不穩(wěn)定邊坡體的坡面進行削坡、清理或設置馬道平臺，以降低邊坡坡度和減小下滑荷載，進而達到改變不穩(wěn)定邊坡體的自然平衡條件。依據(jù)該排土場邊坡原有地貌形態(tài)和周邊環(huán)境條件，整個排土場坡面共設9個分級臺階（8個馬道），分級臺階高3.6m，坡比1∶1.5，馬道寬2.5m。削方整形后的排土場坡面見圖6。

5.2 擋土墻支擋

擋土墻結構類型主要包括重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、加筋土擋土墻、錨桿擋土墻等，不同類型擋墻有不同的使用條件和優(yōu)缺點。綜合考慮該排土場邊坡特征、地基強度、材料來源、施工條件以及治理工程經(jīng)濟性等，本治理工程選用仰斜式重力漿砌石擋土墻結構類型，擋土墻（D1）布置見圖4和圖6，即在第一級臺階的坡腳位置設置一道重力式漿砌石擋土墻對該邊坡體的坡腳進行支擋與防護。設計漿砌石墻高5.2m，地面出露4.0～4.2m，擋土墻埋深1.0～1.2m，墻頂寬1.2m，墻胸坡比1∶0.4，墻背坡比1∶0.2，墻底逆坡坡比0.2∶1。漿砌石墻每10～15m設置一條伸縮縫，縫寬2～3cm，分縫處采用瀝青麻筋止水。為排泄擋土墻背后積水，墻體設φ10cm PVC排水管兩排，間距2m×2m，墻背設50cm厚砂礫石濾層。

漿砌石擋土墻結構見圖5。

按照上述穩(wěn)定性分析計算原理，對削方卸載與支擋后的排土場邊坡進行穩(wěn)定性驗算，抗滑移、抗傾覆等各項驗算指標均滿足現(xiàn)行技術規(guī)范要求［10］。

5.3 坡面防護

圖5 漿砌石擋土墻結構

坡面防護主要是利用植被、抹面、漿砌石護墻、噴射混凝土等技術對已處于整體穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡面進行生態(tài)防護或工程防護處理，以防止邊坡面巖土體進一步風化剝落、掉塊以及地表雨水對坡面的沖蝕和下滲軟化巖土體等?？紤]治理區(qū)環(huán)境綠化與生態(tài)重建，并結合該礦山石料來源廣泛等，本治理工程采用“菱形漿砌石骨架＋客土植草護坡”方案，同時對該排土場邊坡的各類坡（地）面進行整形與夯實處理，以達到穩(wěn)定坡面、預防水土流失以及排土場生態(tài)恢復的目的。設計菱形漿砌石骨架間距2m×2m，斷面高×寬＝40cm×30cm，骨架采用 MU30毛石與M7.5水泥砂漿砌筑，每15～20m設置一條伸縮縫。骨架內(nèi)客置厚10cm種植土后，再種植適宜當?shù)貧夂驐l件的本土草種植草。

5.4 排水阻滲

邊坡滑移變形與水密切相關，水是孕育滑坡發(fā)展、發(fā)生的關鍵因素，這說明水對邊坡穩(wěn)定性的重要性。當?shù)乇硭聺B進入巖土體內(nèi)部時，不僅增大巖土體的容重，導致其抗剪強度指標降低，而且所產(chǎn)生的孔隙水壓力還會使滑動面上的有效正應力降低或產(chǎn)生水平分力，對邊坡的安全穩(wěn)定性構成不利影響，因而，必須加強治理區(qū)的排水阻滲措施。邊坡防排水可分為地表排水和坡體內(nèi)部地下水排水，考慮治理區(qū)位于當?shù)厍治g基準面以上，且地表水自然排泄順暢，無雨時坡體基本處于干燥狀態(tài)，故本治理工程主要采取在棄渣邊坡體的外圍和馬道內(nèi)設置截（排）水溝系統(tǒng)來攔截山坡地表徑流水，以預防地表雨水對各邊坡體的直接沖蝕，同時對各類坡（地）面采用表層夯實粘土層防水阻滲。

根據(jù)治理區(qū)地形地貌與地表雨水匯流路線等實際情況，本工程截（排）水系統(tǒng)布設見圖5，即在治理區(qū)外圍布設一條梯形截水溝（J1）用以攔截山坡地表徑流水，在坡體中部每隔兩個馬道布設一條矩形排水溝（P2～P4）用以攔截排土場坡面地表徑流水，J1、P2～P4水流經(jīng)排土場兩側矩形排水溝（P5、P6）引入到坡底擋土墻（D1）外側矩形排水溝（P1）后，再旁引至自然沖溝。

地表排水流量Q（L／s）按下式計算：

式中：q—降雨強度（L／s·hm2）；Ψ—徑流系數(shù)；F—承雨面積（hm2）；t—降雨歷時（min）；p—降雨重現(xiàn)期（a）；L1、L2—坡面和溝渠長度（m）；V1、V2—地面和溝渠水流速（m／s）；m—折減系數(shù)。

經(jīng)水力計算，各截（排）水溝斷面設計如下：J1梯形，底寬×高＝30cm×40cm，溝坡比1∶1；P1矩形，寬×高＝40cm×60cm；P2～P4矩形，寬×高＝30cm×40cm；P5、P6矩形，寬×高＝40cm×50cm。

截（排）水溝采用 MU30毛石與 M7.5水泥砂漿砌筑，溝壁與溝底厚30cm，水泥砂漿抹面厚2cm。截（排）水溝溝底坡度不小于0.5%，每隔15～20m設伸縮縫一道，縫寬2cm，瀝青麻筋填充止水。為防止排水溝沉降開裂，避免溝內(nèi)水下滲進入坡體地基，對溝底局部不密實的疏松巖土層或低洼處應進行分層夯填局部加固處理。

5.5 工程監(jiān)測

為了解本治理工程在施工和運營期地表變形的發(fā)生、發(fā)展過程與穩(wěn)定性狀況，預防突發(fā)性邊坡滑動等地質(zhì)災害發(fā)生，同時也為了檢驗本防治工程的治理效果，必須對本工程開展監(jiān)測預防工作。綜合考慮現(xiàn)狀條件下該排土場災害體的穩(wěn)定性狀況、危害后果以及嚴重程度等，依照經(jīng)濟適用的原則，本工程監(jiān)測主要采用人工宏觀巡視監(jiān)測方案，即安排具有地質(zhì)災害防治經(jīng)驗的專人定期負責按固定線路對治理區(qū)地面有無變形開裂、臌脹、塌（沉）陷以及地表（下）水的滲漏與變化等情況進行巡查和記錄，監(jiān)測方法采用宏觀觀察，同時輔以鋼卷尺、百分表和地質(zhì)羅盤等簡易測量工具等。當發(fā)現(xiàn)變形異常時，應及時上報并設置警示牌，同時及時查明原因，必要時可設固定觀測點采用儀器進行監(jiān)測。巡查頻次在施工期每天1次，恢復治理工程完工后一般旱季每15d一次，雨季每5d一次，當遇暴雨、連陰雨或變形情況異常時應加大巡視檢查頻次，人工巡視路線布置見圖4。

本恢復治理工程典型剖面布置見圖6。

圖6 恢復治理工程剖面布置

6 結語

土嶺高嶺土礦排土場目前主要存在邊坡滑移變形、泥石流以及地表生態(tài)環(huán)境破壞等礦山地質(zhì)環(huán)境問題，已對礦山安全生產(chǎn)與當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)構成威脅，必須進行工程整治。

綜合考慮該礦山排土場所處地形地貌、地層結構與巖土特性、周邊環(huán)境條件以及穩(wěn)定性計算結果等，確定了削方減載、擋土墻支擋、漿砌石骨架植草護坡、截排水以及人工觀測等綜合性恢復治理工程方案，同時依據(jù)有關規(guī)范技術要求，對該恢復治理工程方案進行了系統(tǒng)設計。治理工程實施后表明：該方案不僅有效地消除了該礦山排土場所潛在的地質(zhì)災害安全隱患，而且還全面恢復了其生態(tài)環(huán)境，緩和了礦山企業(yè)與當?shù)孛癖娭g的關系，同時也節(jié)減了工程成本，實現(xiàn)了社會效益、環(huán)境效益與經(jīng)濟效益三者的統(tǒng)一。

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