祝啟坤，陽凱，張進(jìn)超，宋 征

（武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)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(yán)重破壞，而且還時常誘發(fā)重大災(zāi)害性惡性事故［1－2］，例如1994年陜西潼關(guān)金礦區(qū)發(fā)生礦渣型泥石流災(zāi)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(jì)的高速發(fā)展和社會進(jìn)步，礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與災(zāi)害防治日益受到人們的普遍關(guān)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(hù)規(guī)定》頒布實施以來，礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與災(zāi)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(zāi)害事故發(fā)生，是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)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(hù)生態(tài)環(huán)境為總體防治目標(biāo)，在穩(wěn)定性分析與評價的基礎(chǔ)上，提出了該排土場地質(zhì)環(huán)境綜合治理恢復(fù)方案，同時對該方案進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計。

1 礦山基本概況

土嶺礦位于鄂西中山區(qū)，南東距城關(guān)直線距離約34km。礦區(qū)北側(cè)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(biāo)高1316～1179m，生產(chǎn)規(guī)模50kt／a。

礦區(qū)地處南方濕潤性季風(fēng)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(biāo)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(gòu)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(hù)重視不夠，露天采礦剝離棄渣未嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計排放，隨意傾倒現(xiàn)象嚴(yán)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(cè)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(jié)構(gòu)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(yán)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(dāng)遇連陰雨或強(qiáng)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(zāi)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(dāng)?shù)毓まr(nóng)關(guān)系緊張，當(dāng)?shù)卣鞴懿块T已責(zé)令該礦山停產(chǎn)數(shù)月進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(xué)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(jìn)行加固前穩(wěn)定性分析，計算結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 上坡段穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖2 下坡段穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖3 整體穩(wěn)定性計算結(jié)果

由穩(wěn)定性計算結(jié)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(fù)治理方案與工程布置

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

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(gòu)錨固、錨桿（索）加固、坡面防護(hù)與排水阻滲等。結(jié)合本排土場地貌形態(tài)、地層巖性、穩(wěn)定性分析結(jié)果以及危害程度，依據(jù)技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)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(hù)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(fù)治理工程設(shè)計

5.1 削坡減載

圖4 恢復(fù)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(jìn)行削坡、清理或設(shè)置馬道平臺，以降低邊坡坡度和減小下滑荷載，進(jìn)而達(dá)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(shè)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度、材料來源、施工條件以及治理工程經(jīng)濟(jì)性等，本治理工程選用仰斜式重力漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)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(shè)置一道重力式漿砌石擋土墻對該邊坡體的坡腳進(jìn)行支擋與防護(hù)。設(shè)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(shè)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(shè)φ10cm PVC排水管兩排，間距2m×2m，墻背設(shè)50cm厚砂礫石濾層。

漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)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(jìn)行穩(wěn)定性驗算，抗滑移、抗傾覆等各項驗算指標(biāo)均滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求［10］。

5.3 坡面防護(hù)

圖5 漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)

坡面防護(hù)主要是利用植被、抹面、漿砌石護(hù)墻、噴射混凝土等技術(shù)對已處于整體穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡面進(jìn)行生態(tài)防護(hù)或工程防護(hù)處理，以防止邊坡面巖土體進(jìn)一步風(fēng)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。考慮治理區(qū)環(huán)境綠化與生態(tài)重建，并結(jié)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(hù)坡”方案，同時對該排土場邊坡的各類坡（地）面進(jìn)行整形與夯實處理，以達(dá)到穩(wěn)定坡面、預(yù)防水土流失以及排土場生態(tài)恢復(fù)的目的。設(shè)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(shè)置一條伸縮縫。骨架內(nèi)客置厚10cm種植土后，再種植適宜當(dāng)?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(guān)，水是孕育滑坡發(fā)展、發(fā)生的關(guān)鍵因素，這說明水對邊坡穩(wěn)定性的重要性。當(dāng)?shù)乇硭聺B進(jìn)入巖土體內(nèi)部時，不僅增大巖土體的容重，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(yīng)力降低或產(chǎn)生水平分力，對邊坡的安全穩(wěn)定性構(gòu)成不利影響，因而，必須加強(qiáng)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(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)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(shè)置截（排）水溝系統(tǒng)來攔截山坡地表徑流水，以預(yù)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(shè)見圖5，即在治理區(qū)外圍布設(shè)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(shè)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(cè)矩形排水溝（P5、P6）引入到坡底擋土墻（D1）外側(cè)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(qiáng)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(shè)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(shè)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(jìn)入坡體地基，對溝底局部不密實的疏松巖土層或低洼處應(yīng)進(jìn)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(yù)防突發(fā)性邊坡滑動等地質(zhì)災(zāi)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(yù)防工作。綜合考慮現(xiàn)狀條件下該排土場災(zāi)害體的穩(wěn)定性狀況、危害后果以及嚴(yán)重程度等，依照經(jīng)濟(jì)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(zāi)害防治經(jīng)驗的專人定期負(fù)責(zé)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(jìn)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(dāng)發(fā)現(xiàn)變形異常時，應(yīng)及時上報并設(shè)置警示牌，同時及時查明原因，必要時可設(shè)固定觀測點采用儀器進(jìn)行監(jiān)測。巡查頻次在施工期每天1次，恢復(fù)治理工程完工后一般旱季每15d一次，雨季每5d一次，當(dāng)遇暴雨、連陰雨或變形情況異常時應(yīng)加大巡視檢查頻次，人工巡視路線布置見圖4。

本恢復(fù)治理工程典型剖面布置見圖6。

圖6 恢復(fù)治理工程剖面布置

6 結(jié)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(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)構(gòu)成威脅，必須進(jìn)行工程整治。

綜合考慮該礦山排土場所處地形地貌、地層結(jié)構(gòu)與巖土特性、周邊環(huán)境條件以及穩(wěn)定性計算結(jié)果等，確定了削方減載、擋土墻支擋、漿砌石骨架植草護(hù)坡、截排水以及人工觀測等綜合性恢復(fù)治理工程方案，同時依據(jù)有關(guān)規(guī)范技術(shù)要求，對該恢復(fù)治理工程方案進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)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(zāi)害安全隱患，而且還全面恢復(fù)了其生態(tài)環(huán)境，緩和了礦山企業(yè)與當(dāng)?shù)孛癖娭g的關(guān)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(jì)效益三者的統(tǒng)一。

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