萬玲玲

(棗莊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 棗莊 277000)

1 礦區(qū)排矸場(chǎng)概況

1.1 地理位置

趙石畔煤礦臨時(shí)排矸場(chǎng)位于靖榆路至雷龍灣鎮(zhèn)永忠村二級(jí)公路K15+450～K15+500南側(cè)的紅崖梁荒溝內(nèi)，距離趙石畔煤礦工業(yè)場(chǎng)地西側(cè)直線距離約1.0km，行政區(qū)劃隸屬陜西省榆林市橫山區(qū)雷龍灣鎮(zhèn)。

1.2 工程地質(zhì)情況

(1)地層巖性

場(chǎng)址區(qū)的地層自上而下依次為全新世風(fēng)積(Q4eol)粉細(xì)砂、黃土、粉土及晚更新世沖洪積(Q3al+pl)粉土等。與工程密切相關(guān)的為粉細(xì)砂和黃土。粉細(xì)砂層厚4.30～4.70m，層底標(biāo)高1255.43～1272.22m，層底埋深4.30～4.70m，該層部分分布。黃土層厚4.50～10.20m，層底標(biāo)高1213.09～1260.65m，層底埋深4.50～10.20m，該層全場(chǎng)分布。

(2)不良地質(zhì)情況

根據(jù)《趙石畔礦井及選煤廠項(xiàng)目臨時(shí)排矸場(chǎng)巖土工程勘察報(bào)告》結(jié)論，擬建場(chǎng)地處于地震基本穩(wěn)定區(qū)，通過現(xiàn)有地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)調(diào)研情況可以得出，排矸場(chǎng)附近巖土地質(zhì)情況穩(wěn)定，沒有明顯的斷裂構(gòu)造。對(duì)歷史地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查后也未發(fā)現(xiàn)特大型泥石流、滑坡等不良災(zāi)害。

(3)地層物理力學(xué)參數(shù)

正常情況下，第四系容重15.0kN/m3、粘聚力24.0kPa、內(nèi)摩擦角21.50°。

1.3 礦區(qū)排矸場(chǎng)主要問題

臨時(shí)排矸場(chǎng)溝道匯水面積0.24km2，占地面積6.47hm2，主要消納建井期井下掘進(jìn)矸石及對(duì)生產(chǎn)期選煤廠洗選矸石在井下充填檢修時(shí)進(jìn)行臨時(shí)周轉(zhuǎn)。通過對(duì)礦區(qū)實(shí)地調(diào)研和地質(zhì)資料的整理發(fā)現(xiàn)，排矸場(chǎng)項(xiàng)目區(qū)屬于半干旱大陸季風(fēng)性氣候，表現(xiàn)為夏季多雨炎熱，秋冬少雨干旱；礦區(qū)植物覆蓋密度低，表土裸露情況多見；地形高差大，屬“V”型溝谷，若遇雨季暴雨天氣，廠區(qū)易發(fā)生水土流失和有害物質(zhì)泄露。

2 邊坡穩(wěn)定分析

主體設(shè)計(jì)對(duì)臨時(shí)排矸場(chǎng)項(xiàng)目場(chǎng)內(nèi)煤矸石堆貯形成的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以明確本項(xiàng)目平面設(shè)計(jì)的合理性和安全性。

2.1 邊坡穩(wěn)定分析剖面確定

根據(jù)臨時(shí)排矸場(chǎng)平面布置及設(shè)計(jì)堆貯工藝，沿臨時(shí)排矸場(chǎng)場(chǎng)地溝心位置布設(shè)剖面線如圖1—2所示，同時(shí)考慮與平面布置的臺(tái)階面垂直，對(duì)臨時(shí)排矸場(chǎng)內(nèi)煤矸石堆體形成的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。

圖1 計(jì)算剖面位置示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)場(chǎng)地巖土勘察報(bào)告及相似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過相關(guān)工程類比后確定本次臨時(shí)排矸場(chǎng)煤矸石堆體邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算參數(shù)選取見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)取值

2.3 計(jì)算原理及結(jié)果分析

通過總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段比較推薦的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有畢肖普(Bishop)法、簡(jiǎn)布法、剩余推力和楔形體法和費(fèi)倫紐斯(Fellenius)法等[1-5]。本工程臨時(shí)排矸場(chǎng)地排矸構(gòu)成單一，主要為矸石，根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范工程級(jí)別劃分和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，均質(zhì)棄渣場(chǎng)抗滑穩(wěn)定計(jì)算宜采用簡(jiǎn)化畢肖普(Bishop)法，排矸場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用安全系數(shù)法[2]。簡(jiǎn)化畢肖普(Bishop)法的計(jì)算原理如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化Bishop計(jì)算原理示意圖

計(jì)算公式如下：

(1)

式中，F(xiàn)s—安全系數(shù)；mαi—第i個(gè)條塊的計(jì)算系數(shù)；θi—第i個(gè)條塊底部的傾角，(°)；Gi—第i個(gè)條塊的重量，kg；Ci—第i個(gè)條塊的粘聚力，kPa；Li—第i個(gè)條塊的長(zhǎng)度，m；Ui—第i個(gè)條塊的孔隙水壓力，kN；αi—第i個(gè)條塊的有效內(nèi)摩擦角，(°)；Qi—第i個(gè)條塊所受的水平向作用力，kN；Ei—第i個(gè)條塊所受的法向條間力，kN；R—滑面半徑，m。

該區(qū)域矸石邊坡總高度為39m左右，整體邊坡角度為14°，根據(jù)以上計(jì)算方法對(duì)臨時(shí)排矸場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4—5所示。

圖4 排矸場(chǎng)前緣穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果示意圖

根據(jù)DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查規(guī)范》中關(guān)于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)狀態(tài)劃分可知，當(dāng)計(jì)算的Fs值處在1.00～1.05時(shí)，滑坡整體為暫時(shí)“穩(wěn)定-變形”狀態(tài)；當(dāng)Fs為0.95～1.00時(shí)，邊坡為“變形-滑動(dòng)”狀態(tài)。通過計(jì)算，此邊坡的最不利穩(wěn)定系數(shù)為1.349，位于排矸場(chǎng)前緣處，穩(wěn)定系數(shù)大于1.15，穩(wěn)定性較好；整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.812，邊坡穩(wěn)定性整體好?；路€(wěn)定狀態(tài)劃分見表2。

表2 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

3 排矸場(chǎng)防治治理措施

臨時(shí)排矸場(chǎng)在矸石等棄渣的排放過程中，會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵和矸石自燃的情況，如果有降雨發(fā)生，水土流失會(huì)非常嚴(yán)重，對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成極大破壞[6]。因此，即使邊坡處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)，為了從水土保持和環(huán)境污染的角度出發(fā)，還應(yīng)該對(duì)本排矸場(chǎng)進(jìn)行必要的防治措施。

圖2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算剖面示意圖

3.1 防排水設(shè)計(jì)

3.1.1流量計(jì)算

趙石畔礦井地處陜西省榆橫礦區(qū)南區(qū)，是國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)防治區(qū)域，根據(jù)《水土保持法》及臨時(shí)排矸場(chǎng)下游既有建構(gòu)筑物分布情況，綜合考慮后確定臨時(shí)排矸場(chǎng)防洪標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇設(shè)計(jì)，100年一遇校核。依據(jù)1∶2000數(shù)字化地形圖，勾繪得臨時(shí)排矸場(chǎng)場(chǎng)區(qū)匯水面積如圖6所示。其中區(qū)域①②按照防洪設(shè)計(jì)要求將排矸場(chǎng)上游洪水通過明溝導(dǎo)排至二級(jí)公路北側(cè)自然溝槽，其設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見表3。

圖6 匯水流域劃分

表3 區(qū)域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果

3.1.2區(qū)域③匯水量計(jì)算

區(qū)域③由于地勢(shì)較低，地表徑流通過設(shè)置一座澄清池進(jìn)行收集澄清，澄清后作為排矸場(chǎng)綠化噴灑降塵用水。

(1)正常降雨徑流量

當(dāng)?shù)啬昶骄邓?97mm，降雨集中在每年6—9月，其中7月最多。按照雨季降雨量占比80%計(jì)算，雨季日平均降雨量3.5mm，徑流系數(shù)采用0.3。

(2)暴雨徑流量

根據(jù)《煤炭工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)手冊(cè)》，設(shè)計(jì)頻率：P=50年，徑流系數(shù)采用0.3。區(qū)域③降雨徑流量見表4。

表4 區(qū)域③匯水量計(jì)算

3.1.31#永久截水溝(坡面排水)

由設(shè)計(jì)洪峰流量Q，利用曼寧公式[7-8]計(jì)算截水溝過水流量，用試算法計(jì)算最大水深hmax，設(shè)梯形斷面下底寬為b，水深為h，坡比為1∶m。

圖5 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果示意圖

(2)

(3)

根據(jù)曼寧公式計(jì)算，確定截水溝采用底寬0.6m，深0.6m，邊坡為1∶1的梯形斷面，全斷面C25混凝土澆筑[9]。排洪溝過水洪峰流量最大允許值為5.27m3/s，高于上游左側(cè)最大洪峰流量3.14m3/s，也高于上游右側(cè)最大洪峰流量2.86m3/s，滿足坡面排水要求。

3.1.4蓄水容積計(jì)算

主體設(shè)計(jì)澄清池?cái)嗝娉叽鐬殚L(zhǎng)16m、寬8m、高3m，采用40cm厚漿砌片石護(hù)砌，主要蓄積區(qū)域③匯水。通過計(jì)算得出結(jié)論，主體設(shè)計(jì)澄清池蓄水量為384m3，在不考慮自然蒸發(fā)的前提下可以儲(chǔ)存設(shè)計(jì)頻率下連續(xù)15天以上的暴雨徑流匯水，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.5防排水系統(tǒng)布置

為保障臨時(shí)排矸場(chǎng)內(nèi)的排水順暢，本項(xiàng)目設(shè)置截水溝、擋水埝、馬道排水溝、排水涵洞等組成場(chǎng)地排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)平面布置如下：1#永久截水溝沿臨時(shí)排矸場(chǎng)四周設(shè)置，并應(yīng)于堆矸之前一次修筑完成，用以導(dǎo)排坡面匯水及終庫(kù)時(shí)堆矸面匯水。坡度較大時(shí)以急流槽連接，急流槽應(yīng)在合適地形條件處設(shè)置緩流段。南側(cè)1#永久截水溝與北側(cè)1#永久截水溝匯流后，通過3#永久截水溝經(jīng)二級(jí)公路過水涵洞導(dǎo)排至公路北側(cè)自然溝槽。永久擋水埝及2#永久截水溝修筑于堆矸頂面邊緣，2#永久截水溝接入1#永久截水溝。堆矸過程中，如遇雨季，應(yīng)提前在形成的堆矸平臺(tái)邊緣上修筑臨時(shí)擋水埝，在坡面上修筑1#臨時(shí)截水溝。隨著堆矸的進(jìn)行，臨時(shí)截水溝用矸石填埋。

3.2 封場(chǎng)設(shè)計(jì)

排矸場(chǎng)封場(chǎng)是對(duì)矸石堆體進(jìn)行表層覆蓋，坡度要求一般為5‰～1%。根據(jù)規(guī)范，臺(tái)階需要在堆儲(chǔ)標(biāo)高達(dá)到8m和間隔8m時(shí)設(shè)計(jì)，臺(tái)階必須具有一定坡度，保證達(dá)到雨水沖刷強(qiáng)度[10]。根據(jù)GB 18599—2020《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定，本工程臨時(shí)排矸場(chǎng)最終封場(chǎng)覆蓋層采取如下作法：在堆放壓實(shí)的矸石表面覆蓋1.0m黃土并部分壓實(shí)作為防滲層，并在覆土層上進(jìn)行綠化以恢復(fù)當(dāng)?shù)刂脖唬环鈭?chǎng)表面設(shè)置5‰的坡度以保證表面雨水的順利導(dǎo)排，避免降雨強(qiáng)度過大引發(fā)大量水土流失；為防止上部覆土層開裂、下沉，封場(chǎng)之后還安排了周期性維護(hù)。

3.3 各級(jí)邊坡防護(hù)

為保持整個(gè)排矸場(chǎng)坡面防護(hù)和綠化上的協(xié)調(diào)性和一致性，保證排矸場(chǎng)堆填坡面的穩(wěn)定性，各級(jí)永久坡面采用覆土+混凝土格子梁+綠化進(jìn)行防護(hù)，增加邊坡穩(wěn)定性。各級(jí)永久堆填坡面設(shè)計(jì)坡率為1∶2.0，坡面上覆0.5m厚回填土+0.3m厚混凝土格子梁，格子梁內(nèi)部進(jìn)行植草綠化。

3.4 其它臨時(shí)措施設(shè)計(jì)

(1)臨時(shí)截水溝

臨時(shí)截水溝為攔截臨時(shí)排矸場(chǎng)作業(yè)期間場(chǎng)地地表徑流而設(shè)。本項(xiàng)目臨時(shí)截水溝為梯形土溝，底寬0.5m，深度0.5m，坡率1∶1。

(2)臨時(shí)擋水埝

臨時(shí)擋水埝為攔截臨時(shí)排矸場(chǎng)作業(yè)期間頂面地表徑流，防止沖刷下游坡面而設(shè)。臨時(shí)擋水埝采用矸石填筑，尺寸為頂寬1.0m，高1.0m，上游側(cè)坡率為1∶1，下游側(cè)坡率為1∶2.0。

(3)臨時(shí)表土保護(hù)措施

被剝離的表土分年度堆置于上一年度堆渣形成的渣體平臺(tái)并做到集中堆置。堆置體設(shè)計(jì)采用草袋就地裝土圍擋，草袋圍擋布設(shè)于臨時(shí)堆放表土周邊，緊貼土體坡腳，圍擋高度1m、寬度0.6m，每層草編袋相互疊壓。經(jīng)估算，圍擋長(zhǎng)度約為550m，圍擋工程量330m3?？紤]到剝離表土堆放期可超過3個(gè)月，為了預(yù)防水土流失，在圍擋的基礎(chǔ)上，考慮臨時(shí)撒播草籽防護(hù)。草種選用紫花苜蓿，撒播量15kg/hm2，表土堆存區(qū)總計(jì)防護(hù)面積約為0.45hm2，堆放位置控制在臨時(shí)排矸場(chǎng)各級(jí)平臺(tái)范圍內(nèi)，不新增占地。臨時(shí)表土保護(hù)措施隨矸石渣面逐步向溝頭推進(jìn)，分建設(shè)期和生產(chǎn)期逐年實(shí)施。每年度需提前做好表土剝離和堆置計(jì)劃，堆置時(shí)按計(jì)劃嚴(yán)格實(shí)施，防止表土亂堆亂放和超界堆放。

4 結(jié)論

在對(duì)臨時(shí)排矸場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)定性校核的基礎(chǔ)上，利用曼寧公式計(jì)算了1#永久截水溝的過水流量并確定了其截面尺寸。結(jié)合實(shí)地情況，對(duì)趙石畔礦區(qū)排矸場(chǎng)的周邊環(huán)境建設(shè)和水土保持提出了一系列建設(shè)性意見，得到的結(jié)論如下。

(1)利用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算所得該排矸場(chǎng)最不穩(wěn)定位置在其前緣，最不穩(wěn)定系數(shù)為1.349，評(píng)價(jià)結(jié)果為邊坡具有良好的穩(wěn)定性。

(2)由于本項(xiàng)目區(qū)屬于干旱氣候類型區(qū)且棄渣主要為井下建設(shè)期掘進(jìn)矸石，項(xiàng)目所在溝谷泥石流易發(fā)性屬不易發(fā)，排矸場(chǎng)設(shè)計(jì)的攔矸壩、邊坡和排水設(shè)計(jì)正常工況下是穩(wěn)定的，能保證排矸場(chǎng)100年一遇的防洪安全。

(3)排矸場(chǎng)防排水設(shè)計(jì)需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況確定排水溝型，排水系統(tǒng)布置中可添加截水溝、擋水埝等專項(xiàng)設(shè)施來保證排水通暢。排矸場(chǎng)是在使用過程中，需重視棄渣對(duì)周邊環(huán)境的影響，還應(yīng)設(shè)置臨時(shí)表土保護(hù)措施用以涵養(yǎng)水源、固土防風(fēng)。