府谷某露天煤礦渣場堆置與水保措施探析

2023-05-06 09:27:42韓志忠趙春紅

海河水利 2023年4期

韓志忠，趙春紅

（府谷縣水利工作隊，陜西榆林 719000）

1 概況

府谷縣某露天煤礦面積76.8 km2，設計規(guī)模11.0 Mt/a，初設剝采比12.0 m3/t，達產(chǎn)后年剝離量約4 125 萬m3，設計服務年限80 a。首采區(qū)為一采區(qū)，位于采掘場中南部，可采儲量17 804 萬t，服務年限18.4 a。工程占地面積共計480.64 hm2，其中永久占地424.63 hm2、臨時占地56.01 hm2。本工程土石方開挖總量4 271.37 萬m3，其中表土60.61 萬m3、土石方4 210.76 萬m3；填方總量171.37 萬m3，其中表土60.61 萬m3、土石方110.76 萬m3；93.72 萬m3的剝離量區(qū)間內(nèi)自平衡；剩余4 100 萬m3的剝離量均棄于排土場；采掘場剝離的40.10萬m3表土臨時堆存，將來用于植被恢復、附近區(qū)域綠化或復耕。

2 渣土場堆置方案分析

本工程渣土場按照先擋后棄原則設立，棄土前應在坡腳外圍位置先修建擋渣墻，然后棄土，棄土分層堆放并壓實。由于沿線表土資源缺乏，棄渣場應盡可能剝離表土，采取臨時攔擋措施，并在其周圍設置適宜的截排水溝，防止徑流對棄土場的沖刷[1]。排土場在施工過程中依據(jù)剝離物的強度調(diào)整排棄順序，堅硬物料排在邊坡下部有利于邊坡的穩(wěn)定，避免排土場局部區(qū)域強度較低造成滑坡；完善排土場周邊防排水體系，在排棄時，基底盡量排棄塊大的、堅硬的、見水不易泥化的物料，盡量不要破壞原有的徑流條件，保持基底排泄暢通。

經(jīng)過勘察，該露天礦排土場設在礦坑的東北部，毗鄰礦坑，占地面積為120.44 hm2，截至目前已累計排土36.86 萬m3，最終排棄總量4 300 萬m3，排棄標高180 m，最終排土高度102 m，排土總?cè)萘繛?8.38 萬m3。排土場堆置采用分層排棄法，每15 m布設1 處平臺，排土臺階7個（地表標高78～180 m），當排土每達到一個設計標高后及時進行平臺及邊坡覆土，在平臺植被種植前要使用推土機對平臺進行分塊平整。排土場技術(shù)指標，詳見表1。

表1 排土場技術(shù)指標

根據(jù)主體設計和項目建設實施情況，該礦剝離物排棄方式均采用汽車-推土機排土工藝，即采用汽車將剝離物運至排土場傾倒，由推土機輔助推平。

3 排土場穩(wěn)定性評價

3.1 安全穩(wěn)定要求

本工程排土場最終堆渣量4300萬m3＞2000萬m3，對照《水土保持工程設計規(guī)范》（GB51015-2014）[2]，堆渣高度102 m＞100 m。按堆渣量、堆渣最大高度、棄渣場失事對主體工程或環(huán)境造成的危害程度，確定本棄渣場級別為1級，工程抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)正常應用不應低于1.25，非常應用不應低于1.10[3]。防洪標準采用5 a一遇設計，即以10 min短歷時暴雨量進行設防。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)過勘察，該排土場基底為第四系，第四系由松散粗砂、中砂、細砂、粉砂、黏土組成。排土場選擇在首采區(qū)開采界內(nèi)拉溝位置的東北側(cè)，緊鄰首采區(qū)拉溝位置，首采區(qū)開采界內(nèi)拉溝位置與排土場的安全距離為70 m。此處距采掘場較近，運距短，地勢平坦，能滿足外排總量的要求。排土場周邊無村鎮(zhèn)及其他設施，不會對附近村鎮(zhèn)、設施造成環(huán)境污染。排土場巖性由基底原巖及排棄物料組成，物料排棄的不同順序會導致排土場穩(wěn)定性的不一致，堅硬物料排在邊坡的下部有利于邊坡的穩(wěn)定。在排土場中部，對邊坡穩(wěn)定要求不高的地區(qū)可適當排棄一些強度低的物料，而周邊對邊坡穩(wěn)定要求較高的地區(qū)則必須排棄一些強度較高的物料。在排棄時，基底盡量排棄大塊的、堅硬的、見水不易泥化的物料，盡量不要破壞原有的泄水通道，保持基底暢通。

為了掌握排土場外邊坡的穩(wěn)定情況，采用自動化程度較高的邊坡雷達對邊坡面進行監(jiān)測，輔以GPS 進行點、面補充監(jiān)測[4]。通過對露天礦邊坡開展地質(zhì)調(diào)查勘察和數(shù)值模擬等，得出以下結(jié)論。

（1）采掘場邊坡。其潛在的破壞模式如下：一是第四系臺階的片幫及垮落；二是沿煤層頂?shù)装宓捻槍蛹羟衅茐?。其滑坡模式主要為“坐落滑移式”滑動，具體表現(xiàn)為沿地面或第四系臺階圓弧形切入、沿煤底板順層滑移、沿坡腳薄弱區(qū)域圓弧形剪出。

（2）排土場邊坡。其潛在的破壞模式為沿排土場內(nèi)部圓弧形滑動，現(xiàn)狀條件下沿排土場基底及基底以下滑動的可能性較小。

（3）排土場-東端幫復合邊坡。其潛在的破壞模式為排土場及東端幫小范圍獨立破壞，現(xiàn)狀條件下復合邊坡整體出現(xiàn)滑動的可能性較小。

（4）采用極限平衡法，按照《露天煤礦工程設計規(guī)范》（GB50197-2015）有關規(guī)定[5]，現(xiàn)狀條件下排土場穩(wěn)定系數(shù)可以滿足安全儲備要求，排土場穩(wěn)定條件較好。排土場周邊無村鎮(zhèn)、河流、鐵道及其他建筑設施，不會對周邊造成安全隱患。露天礦采用邊坡雷達及GPS 監(jiān)測預警系統(tǒng)對邊坡穩(wěn)定性進行實時監(jiān)控預警，排土場安全具有一定保障。

3.3 穩(wěn)定性評價

排土場邊坡穩(wěn)定性受各種各樣因素影響，根據(jù)地質(zhì)報告和相關礦山經(jīng)驗，確定排棄物凝聚力C=0.03 MPa，φ=25°，v=1.8 t/m3；基底天然強度C=0.03 MPa，φ=24°，v=1.8 t/m3；基底飽和強度C=0.005 MPa，φ=15°，v=1.8 t/m3。排土場滑坡模式為圓弧滑坡。排土場邊坡在排高102 m、邊坡角度18°的情況下，在有水的影響下穩(wěn)定系數(shù)為1.145、沒有水的影響下穩(wěn)定系數(shù)為1.78。棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對照詳見表2，滿足規(guī)范要求。排土場排棄前，清除底部腐質(zhì)土，以保證基底的強度及排土場的穩(wěn)定。

表2 棄渣場抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對照

4 排土場水保措施分析

4.1 工程措施

4.1.1 透水石堤

排土場松散的剝離土在暴雨徑流沖刷下存在潛在的滑坡，易引發(fā)水土流失，給周邊地區(qū)帶來危害。按照水土保持工程防治原則，先攔后棄，即在排土場外圍先修筑透水石堤，然后再棄土。根據(jù)水土流失治理經(jīng)驗，當?shù)赜捎诙竞鋬錾畲?，剛性砌體易發(fā)生凍脹破壞，透水石堤具有斷面小、施工簡便、難度小、投資少等優(yōu)點。透水石堤布設在排土場周邊，斷面形式采用梯形，斷面尺寸采用550 cm（下寬）×100 cm（上寬）×150 cm（高），內(nèi)外坡比均為1∶1.5，全長3 573 m，工程量17 422 m3。為預防排土場外邊坡土體因水力侵蝕而產(chǎn)生泥沙淤積，透水堤與邊坡之間需預留4 m的水平段。施工方式采用推土機推土，拖拉機壓實。

4.1.2 排水溝

排土場東南高西北低，東南側(cè)的地表徑流將向排土場匯流。排土場周邊無排水設施，其東側(cè)及南側(cè)的地表徑流將向排土場方向匯流。為此，在排土場透水堤的外側(cè)設置周邊排水溝，以疏導地表徑流。排水溝采用梯形斷面，斷面尺寸采用55 cm（下寬）×125 cm（上寬）×45 cm（高），邊坡比1∶1，全長3 097 m。排水溝縱坡根據(jù)地形確定為1.0%，排泄最大流量0.05 m3/s，布設防御標準為5 a 一遇，即10 min 短歷時暴雨量，以保障排土場的安全穩(wěn)定。

4.1.3 邊坡防護措施

根據(jù)排土場排土方式及排土參數(shù)，分臺階堆放使邊坡更加趨于穩(wěn)定。排土臺階高15 m，削坡邊坡角33°。為了減少工程量，降低工程造價，采取半挖半填方式削坡，即以邊坡的一半為界，以上部邊坡為挖方、下部邊坡為填方，回填邊坡應層層回填并逐層夯實。整個削坡方量313 800 m3。施工中，嚴格按照水保措施布設要求，實行削坡施工與主體工程整修邊坡施工相結(jié)合，并嚴格控制排土場外邊坡削坡的施工質(zhì)量，以減少二次施工的工程量和降低投資，并保證植物措施及時到位，控制施工過程中的水土流失。

4.1.4 覆土

排土場的組成物料主要有砂巖、泥巖、第四系砂土及黏土。土料膠結(jié)疏松、固結(jié)程度低，結(jié)構(gòu)不良，保水保墑能力差，肥力低，不利于植物生長。為了盡快恢復排土場外的植被，平臺及邊坡需首先采取覆土措施，覆土厚度0.3 m，覆土量16.56 萬m3。覆土的土料來自表土場。

4.1.5 平臺及邊坡排水系統(tǒng)

主體工程設計中排土場沿頂部平臺中部縱向布設排水溝，在邊坡坡面上設置邊坡陡槽，平臺周邊徑流向中部集中匯流后均匯入邊坡陡槽向下排泄。在陡槽末端均布設消力池，水流經(jīng)消力池消能后層層下泄，最終排入周邊排水溝。

（1）平臺排水溝。排土場外的剝離土料經(jīng)重型機械層層碾壓后，密實度加大，不利于雨水的入滲；加之平臺及邊坡坡面集水面積較大，當出現(xiàn)短歷時高強度的暴雨時，由于入滲少產(chǎn)流多，有可能產(chǎn)生集中徑流沖刷平臺。為及時排出平臺產(chǎn)生的徑流，確保排土場平臺及邊坡穩(wěn)定安全，在排土場各平臺布設排水溝，采用明溝排水的方式。平臺排水溝采用矩形斷面，斷面尺寸采用55 cm（底寬）×35 cm（高），長5 800 m。排水溝采用預制混凝土，厚度0.20 m。為了防止冬季凍脹破壞，預制混凝土結(jié)構(gòu)下鋪設厚10 cm 砂礫石墊層。

（2）陡槽。在邊坡坡面設置陡槽，陡槽末端設消力池，以疏導引排平臺及邊坡徑流。3處陡槽分別布設在排土場的南側(cè)。頂部平臺連接的陡槽進水部分采用八字形收縮斷面，將頂部平臺排水溝的梯形斷面與陡槽矩形斷面平順連接。排水溝的下泄水流進入陡槽后，由于陡槽縱坡加陡，水流流速加快，過水斷面相應可縮小。陡槽槽身均采用矩形斷面，斷面尺寸采用30 cm（底寬）×50 cm（高），長1 219 m。陡槽縱坡與排土場邊坡坡降一致，取1∶3.7，可通過的排水流量為0.612 m3/s，完全滿足3處排土場平臺及邊坡的排水要求。

（3）消力池。陡槽的下泄水流流速較大，為此在陡槽末端設置消力池。消力池采用矩形斷面，斷面尺寸采用100 cm（底寬）×80 cm（高）×700 cm（長），流量0.589 m3/s，躍前水深0.029 m，共布設消力池37 個。陡槽、消力池均采用預制混凝土砌筑。陡槽底板厚20 cm，側(cè)墻厚20 cm。為了防止冬季凍脹破壞，陡槽與消力池底均鋪設厚10 cm砂礫墊層。

4.1.6 圍墻外順接截排水溝

根據(jù)排土場地形，在其北側(cè)、東南側(cè)布設順接截排水溝，引導排水至周邊孤山川河。排水溝采用梯形斷面，斷面尺寸采用100 cm（下寬）×200 cm（上寬）×100 cm（高），北側(cè)排水溝長約218 m，東南側(cè)排水溝長約343 m，總長561 m。

4.2 植物措施

4.2.1 周邊防護林

為防止周邊降雨徑流匯入排土場，保護排土場邊坡穩(wěn)定，減少風力對排土場的影響，工程主體設計中在排土場外周邊種植喬灌木，采用混交的緊密結(jié)構(gòu)，呈三角形配置。樹種選擇耐寒、耐旱、根系發(fā)達的植被，林帶寬4 m，其中銀中楊3 133 株，沙棘、紫穗槐6 266株，撒播草籽面積7.78 hm2。

4.2.2 排土場外平臺、邊坡植物措施

在排土場達到設計高度時，對排土場外的平臺、邊坡進行削坡開級、覆土、平整。之后，在平臺面營造灌草相結(jié)合的恢復林帶，在邊坡上布設灌木林，并在灌木底部植草，植物措施面積55.41 hm2。排土場外平臺、邊坡植物措施具有水土保持功能。

4.2.3 表土堆場植被恢復措施

在排土場外完成覆土后，進行表土堆場的恢復工作。該區(qū)域采用喬、灌、草相結(jié)合的防治措施。喬木選用胸徑2 cm的小黑楊，株行距2.0 m×2.0 m；灌木選用冠叢高30 cm的紫穗槐，株行距1.0 m×1.0 m；草種選用早熟禾。表土堆場的植被恢復具有水土保持功能。

但是，表土堆場位于采掘場滾動開采區(qū)域內(nèi)，若采用工程主體設計中的喬、灌、草相結(jié)合方式，則各項植物措施難以保留，并且浪費人力、物力、財力。因此，本方案采用撒播草籽的方式，對表土堆場裸露區(qū)域進行保護，起到保水固土效果。表土堆場堆土完畢后撒播草籽以固土，草種選擇為早熟禾、芨芨草等，播種量250 kg/hm2，撒播面積7.15 hm2。