浅谈煤矸石在河道堤防工程中的应用

徐国东 刘 巍周 震

（1.泰安市河道管理局 山东 泰安 271000；2泰安市水利勘测设计研究院 山东 泰安 271000）

在新泰市柴汶河河道防洪治理工程中，按照国家关于煤矸石综合利用的精神要求和新泰市的具体情况，采用煤矸石作为堤防填筑的原材料，通过对煤矿的固体废弃物进行了综合利用，不仅工程质量优良，还取得了较好的经济效益和社会效益。目前，用煤矸石填筑堤防的施工工艺、检测方法、压实标准、干密度的测定，机械组合及质量控制等技术问题，还没有无成熟、完善的规范和标准，在施工管理实践中，我们对煤矸石填筑堤防施工的技术进行了有益的研究与探索。

1 工程概况

新泰市是一座煤矿工业城市，随着煤炭的开采，产生了大量的煤矸石，形成一座座煤矸石山，挤占农田、河床。在新泰市境内柴汶河上游段自然河道（桩号48+100～73+500），沿河煤矿、村庄乱堆乱放矿渣和垃圾，堵塞了河道，汛期河道行洪时严重阻水，洪水四处满溢，给两岸生产、生活带来安全危害。为提高柴汶河防洪能力，将柴汶河防洪治理工程列入了国家和省级中小河流治理工程建设项目中。治理河段堤防设计顶宽6.0m，堤顶高程为二十年一遇设计洪水位加堤顶超高1.8m。

在设计时，我们对筑堤材料进行了方案比较。如果用粘土筑堤，需要远距离调土，运距远费用高。而治理河段中有堆积十余年的、并有足够数量的煤矸石山，若以此料筑坝，既可就近取材，废料利用，又可清除河道行洪障碍，疏浚河道。煤矸石作为采煤过程中的废弃料，给生活空间、环境造成很大的浪费和污染。

经过方案比较，将堤防设计为粘土斜墙砂石堤，粘土斜墙后的堤身采用经过自然焚化的煤矸石。在施工中共修筑煤矸石堤防6km，填筑煤矸石50多万方。它不仅使工程造价大大降低，同时，所产生的社会效益也是不可估量的。

2 筑堤煤矸石的材质特性

煤矸石中含有较低的碳，主要矿物成分是伊利石、高岭石等粘土矿物经及石英、云母石、长石和少量的碳酸盐和硫铁矿等，从总体上说煤矸石属于黏土质原材料。此外，它伴有许多开采附属物如煤、其他杂物等。煤矸石呈黑、褐色，层状结构，油脂光泽，较易粉碎，路基成型后，其表面平整、密实。

柴汶河河道内的这几座堆积达10年之久的煤矸石，通过与新煤矸石比较，说明堆积时间愈长，颗粒风化愈严重，粒径变细的愈多，不均匀性增大，密度有所提高。

这几座煤矸石料的颗粒组成中d<5mm的颗粒含量为19.78～27.87%，虽经风化，颗粒变小反而不均匀系数增大。有利于大小颗粒彼此充填，故级配较好。

3 施工方法

3.1 填筑原则

煤矸石料填筑堤防，按照“四区段、八流程”进行施工。“四区段”是将作业面分为卸料区、摊铺区、碾压区和检测区，做到界限分明。摊铺煤矸石前应先放样，划出堤基边线、土质护坡界线等，以便于严格控制摊铺厚度、平整度、含水量，控制碾压范围和碾压遍数，防止漏压，最后便于正确检测密实度。“八流程”就是填料选择、基底处理、摊铺平整、含水量控制、振动碾压、检测签认、堤基成型、边坡修整。

3.2 煤矸石摊铺

摊铺长度应以当天摊铺、当天碾压结束为原则。做好排水设施，防止水侵堤基。施工采用水平分层填筑法，在将筑堤工程分成不同作业段时，先行填筑的地段应分层留台阶，保证每一个压实层能够相互重叠搭接，搭接长度应大于150cm，确保相邻作业段接头范围内的压实度符合设计要求。

土质护坡应与煤矸石填筑同步进行。为保证堤防边缘压实度，土质护坡填筑时，堤基两侧应各超宽填筑50cm，同时做好土质护坡的排水设施。

摊铺前应在堤基中心，堤基边缘等处设置松铺厚度控制桩，控制摊铺厚度。煤矸石的松铺厚通过试验确定，可在施工中按下列数值选用，并予以适当调整。

人工摊铺:1.3～1.5 机械摊铺:1.2～1.3

3.3 煤矸石压实

煤矸石堤防应由下而上分层填筑，每层虚铺厚度不宜大于30cm，在碾压机械碾压之前，宜先用推土机推平，平地机整平，压路机低速行驶碾压4～5遍，使表面平实。煤矸石碾压，应遵循先轻后重原则，碾压顺序应遵循先低后高的原则，以重型压路机碾压时，并应控制行驶速度：一般平碾不超过2km/h，并要控制摊铺厚度和压实遍数。采用“薄填、慢驶、多次”的方法，碾压方向应从两边逐渐压向中间，碾轮每重叠宽度15～25cm，运行中，碾轮边距填土边缘应大于50cm，以防发生滑坡倾倒。边角、边坡、边缘压实不到之处，辅以人力夯或小型夯具，直至达到设计规范要求。每碾压一层完毕，应用人工或机械将表面拉毛，以利结合。碾压完毕后及时检验压实度，符合规定要求后方可继续填筑。

从新泰市柴汶河煤矸石填筑堤防的施工实践来看，如果采用机械摊铺煤矸石层，可直接用20t以上的中型或重型振动压路机分层碾压3～4遍，每层压实厚度不得大于30cm。如果采用人工摊铺煤矸石层，宜先用履带式机具8～12t轻型压路机静压1～2遍，稳压后，再用振动压路机振碾3～4遍。对于直线堤防段应由土质护坡开始向堤防中心碾压，曲线堤防段应由弯道内侧开始向外侧碾压。碾压速度，稳压时采用1挡(1.5～1.7km/h)，振碾时采用 2挡(2.0～2.5km/h)为宜。 碾压轮迹应相互搭接，后轮必须超过两段的接缝。

3.4 质量检测

随机抽检煤矸石相对密度15个点，室内试验得到煤矸石最大干密度1.65g/cm，最小干密度为1.43g/cm，现场采用灌水法检测煤矸石干密度，计算得到其相对密度。煤矸石相对密度度共抽检14点，合格14点，合格率100%，煤矸石填筑相对密度符合规范和设计要求，满足《水利水电工程施工质量检验与评定规程》（SL176-2007）要求。

4 结论和建议

4.1 煤矸石堤防施工应注意的问题

1）煤矸石堤防施工中应严格控制含水量，含水量不足时不易压实，含水量过大时也不易压实，保证碾压含水量为最佳含水量为±(1%～2%)。填料分层厚度一般在30cm左右，最大不超40cm。

2）填料应尽量选择存放时间较长的煤矸石，尽量使用在矸石山自燃后的煤矸石，应优先选用红色的或灰色的煤矸石（岩性为砂岩、粉砂岩、灰岩等），避免使用灰黑色煤矸石（岩性为炭质页岩、泥岩等）。

3）施工过程中要严格按照《堤防工程施工规范》控制压实，为便于回填的煤矸石，其粒径不宜大于20cm，建议选用粒径5mm左右的煤矸石，必要时可进行适当的破碎、筛选。

4）煤矸石堤防需要设置土质路拱、土质包边和封顶。包边土宽度不得小于1.5m，边坡两侧宜用粘土封坡，以隔绝煤矸石与外界的直接接触，避免干湿循环。边坡防护可采用骨架护坡+铺草皮，当堤防边坡较高、较陡时也可采用浆砌护坡或其他防护措施。

4.2 结论

经过探索和实践，我们认为，煤矸石作为一种堤防填筑材料，有多项技术指标优于普通土。

1）筑堤力学性能好。煤矸石的压缩系数较小，压缩模量较高，堤防强度远高于土堤防，煤矸石填筑的堤防稳定性能好，粘结性强，有较强的抗雨水冲刷能力和抗风雨侵蚀性能。

2）筑堤工艺简单。煤矸石填筑堤防施工条件更加宽松，施工工艺更加简捷(土方路基受天气环境的制约较大)。其材质特征完全符合堤防填料路用特性的要求。

3）筑堤能废物利用，一举两得。煤矸石在河道治理堤防工程中的应用具有消耗量大、无需进行特殊处理及特殊技术手段的优点，用做堤防填筑材料是一种有效地利用煤炭工业废料和减少环境污染的有效途径。随着我国河道治理工程的大规模兴建，煤矸石在河道治理堤防工程中的利用具有广阔的前景，这对于我国煤矿地区既能解决河道堤防征地取土困难，又能大量消耗积存的煤矸石。