某高速公路沿线灰岩矿山地质环境治理技术探讨

2012-09-05李洪凯

地下水 2012年1期

关键词：覆土挡墙边坡

李洪凯

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院，河南驻马店 463000)

某高速公路沿线灰岩矿山地质环境治理技术探讨

李洪凯

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院，河南驻马店 463000)

河南省某高速是省内重点交通基础设施，也是河南知名旅游高速通道。近年，随着城市建设需要，高速公路沿线采石等采矿活动比较频繁。矿业开发在满足经济发展需要的同时，不断改变和破坏着矿区及周边的地质环境，存在易引发地质灾害、地形地貌景观破坏等地质环境问题。本文以高速公路沿线某灰岩采坑为例，论述矿山地质环境治理技术，拟采取边坡整理、覆土、护坡、矿渣堆平整、挡墙、道路修整、标志碑及生物工程等治理手段恢复受损矿山地质环境。该治理工程可为当地人民生产、生活创造良好的生态环境，保障下游群众生命财产安全及高速公路等重要交通设施安全，改善该条观光旅游线路的人居环境和旅游环境，提升河南旅游城市整体形象。

高速沿线;灰岩矿山;地质环境

河南某高速公路是河南省的重点交通基础设施，线路全长41.54 km。是经国务院批准的重点交通基础设施建设项目，不仅是河南省内重要的旅游线路，也是煤炭、建材等大量物资外运的交通要道。

高速沿线石灰岩矿山主要以开采寒武系巨厚层状石灰岩为主，开采规模为 15～10万 t/a，以小型、中型居多。据访问，石灰岩矿开采历史50年以上。2009年6月后，政府进行了强制关闭。目前，区内石灰岩矿均已关停。

沿线采石场分布分散，点多面广，距离高速公路0.5～15 km 不等，面积 0.04 ～1.10 km2，采坑深度 1.5 ～58 m，最深超过58 m。强烈的矿山开采活动，对周围的交通设施、土地、水文、植被和大气影响巨大，产生易引发地质灾害、地形地貌景观破坏等一系列地质环境问题。不仅威胁下游群众生命财产安全及高速公路等重要交通设施安全，而且影响着高速公路沿线旅游城市整体形象。

1 地质背景简述

1.1 气象、水文

工作区地处暖温带大陆性季风气候区，冷暖气团频繁交替，冬春干燥，夏秋多雨是其主要特征。该区年平均气温在14.2～15.3℃之间，历年平均无霜期为 206～234天。历年平均降雨量在 599.5 ～707.0 mm，最高达 1 180.8 mm，最小降雨量为73.98 mm(1996年)。历年平均蒸发量 1 300～1 393.08 mm，蒸发量是降水量的2.0～2.2倍。灾害性暴雨天气主要出现在7～8月份，24小时降水≥50 mm的暴雨概率为2.5%，≥100 mm的大暴雨概率为0.3%。

工作区属淮河流域颖河水系，自西向东流，主要支流为颍河、石淙河、双洎河和贾鲁河。颍河、石淙河、双洎河和贾鲁河流域河流年径流量为5.78亿 m3，基本特征是地表径流量少，季节和年际变化大，调度能力低。洧水河是双洎河上游的主要河道，校核洪水频率1/500，最大洪峰流量为390 m3/s;石淙河是颍河上游的干流之一，全长37.7 km，为季节性河流，校核洪水频率为1/500，最大洪峰流量为260 m3/s。区内河网密度较大，小型水利设施较多。

2.2 地形地貌

工作区位于河南省中部嵩箕山地与黄淮海平原的过渡地带，地势西北高、东南低，西、北、南三面环山，中部沟壑相间，海拔高程114～938 m。主要地貌类型为低山、丘陵。

低山区属嵩山东段南麓，山体走向呈现NE向，海拔高程为600～900 m，最高938 m。由于河流侵蚀下切作用强烈，沟谷常呈“V”字形，相对高差一般为 100～20 0 m，局部达300 m左右，地形陡峭，地形坡度一般为10°～20°，局部可高达30°以上。由元古界片岩、震旦系石英岩及寒武系灰岩组成。

丘陵丘陵海拔高程为330～500 m，相对高差100～200 m，山丘地表呈馒头状，地势较低矮平缓，呈缓坡状，多呈 NE向展布。主要由寒武系、奥陶系灰岩和石炭、二叠系砂、页岩含煤岩系组成。上寒武系灰岩地表岩溶地貌发育，在上寒武系凤山组白云质灰岩表面发育有条沟状溶蚀现象。

丘间凹地为丘陵的重要组成部分，多被第四系松散堆积物覆盖。由中上更新统黄土状粉质粘土或粉土组成，纵向坡度较缓，冲沟发育，多呈“U”字形。在有黄土状土时形成陡壁，切割深度较大。

2 矿山地质环境问题

2.1 矿山地质环境现状

沿线的采石小矿山的开采是以破坏地质环境为代价的，矿业活动造成沿线的地质景观严重破坏，使原本视觉上较为协调的地质景观、秀美山川遭到了严重的破坏。本文以沿线XM01区采石场为例，进行矿山地质环境问题及治理方案阐述。

XM01区位于某高速+16 km处西侧庙里沟－北庄一带，占地面积1.10 km2。东南200 m即为某高速公路，工作区地貌属低山，山体走向呈现北东向，沟谷形态呈“U”字形，绝对海拔高程为349.17～449.63 m，地表岩性以寒武系中、下统灰岩、泥质灰岩、白云质灰岩、白云岩为主。

采石在山体东南及东北坡顺坡就势开挖，废弃采坑平面形态呈圆弧状、椭圆状，边坡高度 9.5～53.8 m，坡角 65°～85°，具高陡特征，岩层产状主要为 85°∠32°、230°∠32°，节理、裂隙较发育，主要为 55°∠72°、340°∠76°、75°∠70°、165°∠55°等，发育密度 0.3 ～1.2 条/m，多处可见崩、滑现象。发育崩塌3处，滑坡1处。矿渣堆顺坡就势堆积于坡面低洼处，占地面积约40 060 m2。采场内凸凹不平，高差可达12～21 m，低洼处可见积水，水深 0.2～0.6 m。采坑边坡改造成阶梯状，单级高度20～25 m，宽度48～95 m，开挖边坡多处为宽 90～510 m、长 5～47m、高9.5～53.8 m 的陡崖，可见崩、坠物堆积于坡脚。

2.2 矿山主要地质环境问题

2.2.1 地质灾害隐患点

(1)崩塌

石灰岩矿山倚坡开挖，采矿废弃采坑边坡高度大，一般10～25 m，最高超过 60 m，边坡坡度 65～85°，临空面大，后缘产生卸荷张裂缝;岩体节理裂隙发育，发育密度0.8～2.5条/m，坡体被切割破碎凌乱，呈块裂－碎裂状构造;55°∠72°、340°∠76°及 290°∠85°等近于直立状节理，与边坡斜交或同向，构成危险外倾结构组合。示意图1。在暴雨条件下，易引发崩塌灾害，威胁高速公路等交通设施安全及矿区居民生命财产安全。调查崩塌点3处，均为岩质崩塌，崩塌体积16 000～79 000 m3不等，按规模划分均为中型。

图1 采场崩塌形态示意图

(2)滑坡

石灰岩矿山顺坡就势，开挖山脚，揭露坡体软弱层面，使前缘临空，导致斜坡失稳，边坡临空面大，后缘多有卸荷拉张裂缝，暴雨条件下，雨水沿裂缝进入，沿滑面贯通后，坡体在自重力牵引作用下产生滑动;弃渣随意堆置于边坡及坑内低洼处，改变了边坡外形和应力状态，增大了堆积体的下滑力，易引发滑坡灾害。威胁采坑周边交通设施及周边居民生命财产安全。

2.2.2 地形地貌景观破坏

(1)土地毁坏

露天矿山开采进行了大面积的开挖，使原始平整的土地变得高低不平，植被稀少。使土地本身可利用性及其附着物受到破坏。矿山生产施工道路、排渣场及加工厂占用大量土地，尤其是废石、尾矿排放量巨大，工作区内累计积存量约8.3万 m3，压占毁坏土地约5.01万 m2。大量弃渣存放压占土地，使开采区及废渣堆积区的大量土地闲置浪费。

(2)山体破损

露天采矿对自然地形地貌破坏较为严重，工作区山体破损面积约3.2万 m2。采坑及矿渣堆严重破坏了原始地貌。露天矿山经多年的采掘，山体整体性遭到破坏，采坑遍布矿区，XM01－01采坑整座山被挖去过半，山体岩石裸露，山体破损严重，造成矿山生态环境脆弱。

(3)植被破坏

开矿弃渣沿山坡排放、堆积，分布于冲沟上部，毁坏植被;矿山企业就地烧制石灰，并对生石灰进行粉碎和过筛，这样不但将开挖区植被全部破坏，而且在风的作用下将石灰粉吹到周边一定范围内把植被烧死。矿区植被破坏面积约13.5万 m2，植被破坏严重。

(4)景观破坏

采石露天开挖对地貌景观破坏性影响十分突出，山体的自然景观破坏严重，景观破坏面积0.17 km2。森林植被破坏严重，山体光秃，基岩裸露，山体坡面破碎、凌乱，在高速公路及旅游观光线路两侧视线可及范围内，尤为碍眼，严重影响着高速公路乃至沿线城市形象。

3 治理方案设计

3.1 治理思路

矿山地质环境的破坏是在矿山长期开采过程中逐渐造成的，是长期累积的结果。本方案设计应在充分掌握矿山地质环境问题的形成条件、发展趋势、危害程度的基础上，利用科学的方法和手段，因地制宜、因势利导，实事求是、经济、合理、有效地布设治理工程。坚持注重效益、分区实施以及工程措施与生物措施相结合的原则，顺势而治，少挖小填，以最小的资金取得最大的治理效果。

3.2 治理工程方案

3.2.1 边坡整理工程

区内建材矿山开采后形成高、陡边坡，坡体岩性为石灰岩，坚硬、致密，发育多组陡倾节理、裂缝，边坡坡面分割为块裂－碎裂状。在雨水淋滤、震动、风化作用等条件下坡体可能失稳，存在崩塌灾害隐患，需采取必要防护措施。鉴于崩塌危害主要威胁坡荒地及少量进入矿区人员，危害较小，本次边坡整理工程设计主要对风化强烈、坡面破碎、存在较大安全隐患的边坡及危岩体实施削方、挖填整理。其余边坡整理以清除危岩、悬空块石，消除崩塌隐患为宗旨，尽量维持原始地形地貌，顺坡就势进行边坡整理，清除危岩体，打掉突出岩石，使坡面尽可能平整，可采用铁锹、水、气力冲刷清除施工坡体表面的浮石与杂物。

针对XM01－01、XM01－02子采坑部分山体部分边坡岩体风化强烈，边坡整理应采用多级削坡、设置马道等措施增加其稳定性。坡度控制在 1:1.0～1:1.50，边坡分级高度12.0～15.0 m，每级马道宽度 2.0 ～4.0m。马道为反向坡，坡降5～10%，并覆土植树绿化。

为增添整治效果，结合矿业城市当地风土人情，在 XM01－01、XM01－04子采坑整理后坡面进行岩面雕塑，主体文字为“义”和“禅”，字高15 m，宽12 m，与对面 XM02区高速沿线岩面“武”字遥相呼应。见图2至图5。边坡整理47 920.27 m2，爆破危岩及挖运 34 034.85 m3，雕塑 2座。

3.2.2 覆土工程

对整理好的废弃采场、平台、挡墙台背及边坡间马道进行覆土，采场、平台覆土厚度0.5～0.7 m，挡墙台背覆土厚度0.5 ～2.0 m，覆土总工作量为 64 279.63 m3。覆土应为适宜植物生长所需理化性能的自然界中的土壤，含砂量不大于5%。临近高陡边坡设置多级挡墙处，覆土应分层压实，每层铺土的厚度应根据土质、密实度要求和机具性能确定。一般条件下，人工夯打土为0.2～0.25 m，机械碾压土应不超过0.3～0.5 m。压实系数不小于 0.9。挡墙台背夯填粘土19 766.23 m3，其中，由于多数填土部位在坡顶或边坡坡面，需要胶带机传送土16 469.68 m3。

覆土面积 97 696.92 m2，覆土 64 279.63 m3。

3.2.3 护坡工程

护坡工程主要布署在 XM01－01、XM01－02子采坑坡面破碎、稳定性较差边坡。

对坡面整理后高度大于25 m边坡，设计多级护坡，坡度控制在1:1.0～1:1.50。单级高度 12～18 m，以马道相隔。马道宽度2.0～4.0 m，马道外侧设置浆砌石挡墙，挡墙墙背与坡脚接触处覆土，植树绿化。

护坡采用方格型浆砌片石截水骨架内置生物工程护坡，设计使用3×3 m方格型骨架，骨架与水平线呈45°角，截水骨架宽度 0.5 m、厚 0.4 m，其中 0.3 m 埋入地下，在其上余0.1 m骨架宽度上，上面迎水坡0.25 m与坡面相平，其余高出0.1 m，顶面用0.03 m厚的砂浆抹平，最上面与坡面顶部修筑镶边相接，镶边规格 0.5 ×0.4+0.5 ×0.4 m，镶边顶部与坡面线一致。骨架内种植草本植物，草种选择为狗牙根、龙须草、茅草等，选择与喷植草本相同类型的混合种子。坡面积 4 749.74 m2，砌石 2 188.85 m3，抹面 7 504.67 m2。

3.2.4 矿渣堆平整工程

针对采场内矿渣、弃石随坡就势，随意堆积;废弃采坑深度大，分布多，边坡陡直等特点。以矿山采场平台平均高程为基准削高填低，倾向、坡降尽量与自然坡面一致，坡比0.5% ～7.5%，削掉的弃渣废石主要推向废弃采坑及缓坡低洼处，达到以最小的工程量达到对矿渣堆综合整治的目标。

矿渣堆平整 34 422.5 m2，矿渣挖运 24 239.27 m3，石方挖运 73 963.65 m3，土石方填筑 130 621.40 m3。

3.2.5 挡墙工程

为利于覆土、植树，减少治理区水土流失。在边坡坡顶、坡脚及马道外侧设置挡墙。挡墙为M10浆砌石结构，高0.6～ 0.8 m，厚 0.5 m，外侧墙体倾斜坡比 1:0.2。基础埋深 0.3 m，地表外露部分0.5 m。与基岩接触处墙肩应嵌入基岩0.3 m。

针对XM01－01采坑边坡高陡、边坡破碎等特点，顺坡就势，结合采坑边坡实际地形，分多级设置挡墙拦护，墙背覆土绿化措施，以恢复矿区生态环境。单级宽1.0～3.0 m，墙身高度0.7～2.3 m。结合 XM01－04采坑边坡深度大，坡面岩体整体性较好等特点，在距离边坡3～5 m和8～10 m分别设置两级挡墙，墙身高度2.3 m，基础埋深0.3 m。

墙身砌出地面后，基础应及时回填夯实，墙背填料选择适宜植物生长所需理化性能的自然界中的土壤，并做成不小于5%的向外流水坡，以免积水下渗，影响墙身稳定。

砌筑挡墙 6 195.26 m，砌石 9 084.23 m3，抹面3 311.52 m2，沉伸缝 605.62 m2，挖方 1 585.11 m3。

3.2.6 道路修整工程

区内道路是庙里沟等村庄通往外界的重要通道，年久失修，凸凹不平。为使其与治理工程协调统一，在现有道路基础上平整拓宽。

依通过简易道路日平均交通量一类车(载重2500kg以下)10辆次，四类车(载重15 000～20 000 kg)2辆次计算，设定一类车用解放CA141标准载重、四类车用交通牌SH 361标准载重换算，各级轴载作用次数分别为 10次/日、2次/日。现有路基碎石含量达50% ～60%，依《道路柔性路面设计规范(JTJ014－86)》回弹模量建议值为45～55 Mpa，取日车道当量轴次为40次/日车道，为慎重起见本次面层厚度取20 cm。道路修整工程量为1 070 m。

路基铺设应依原始地形，尽量为低填方、零填及挖方路基，其40 cm深度内最小压实度为0.95。

道路沿主冲沟北侧及采场平台依地形条件顺势铺设，路宽8～10 m，泥结碎石路面厚20 cm。经过水库及 XM01－03子采坑处，为加强行路安全，在路基两肩间隔1.0 m砌筑垛墙，规格为1.0 ×0.5 ×0.8 m，其中0.3 m 埋入地下，上余0.5 m，外露部分全部砂浆勾成凸缝，顶部用0.03 m砂浆抹平。

3.2.7 标志碑工程

在治理区入口处设立标志碑1个。标志碑由碑体与基座组成，碑体用加筋混凝土制作，碑体规格1.60 m×0.3 m×1.4 m，基部采用二级 M10浆砌石，台阶自上至下高 0.6 m、0.5 m，宽 0.25 m，其中 0.50 m 埋入地下，上部 0.6 m 成杯形预留口与标志碑对接，标志碑内容包括地质环境保护标志、工程名称、工程简介、项目实施单位、承担单位、建碑日期等。

3.2.8 生物工程

生物措施主要起到覆盖地表、稳定边坡、控制水土流失、改善矿区生态环境、提高工程措施使用年限等作用。采用草、灌、乔木相结合的方法，达到尽快恢复矿区生态环境的目的。依据园林设计标准，本次生物工程落叶乔木与常青乔木比值为6:4，乔灌比为1:4。乔木树种选择侧柏、刺槐、速生杨、刺柏等，植乔木32 502株;灌木选择各色木槿，植灌木57 954株;藤本植物选择凌霄、爬山虎等，规格要求三年生，藤本植物种植3 100株;草种选择为狗牙根、小冠花、龙须草、茅草等，植草66 234.41 m2。采场、整理平台及上部山体区域种植侧柏、刺槐、刺柏等树种;冲沟沿线种植速生杨、侧柏等树种;护坡及临近高速公路沿线种植观赏灌木;高陡边坡下部及顶部植爬山虎、凌霄等藤本植物，凌霄与爬山虎比率为2:1。通过草、灌、乔生物立体种植，达到快速恢复矿区生态环境的目的。应用的苗木应具备生长健壮、枝叶繁茂、冠形完整、色泽正常、根系发达、无病虫害、无机械损伤、无冻害等基本质量要求;使用的苗木树胸径4～7 cm，树冠高 3.0～4.0 m。树种规格见表1。

表1 树种规格及栽种位置一览表

根据临近区域树木成活情况，确定区内乔木栽种行距3 m，株距为2 m，灌木行距及株距为0.5 m。对临近高速公路沿线可视范围内200 m以内采坑，应加强建造绿化带，XM01－02区栽种行距与株距均为2 m。栽种采用挡墙围拦蓄土为主，穴状整地为辅的方法。挡墙台背覆土厚度应达0.5～2.0 m，落叶乔木树穴规格为 0.6 m ×0.6 m ×0.6 m，常青乔木树穴规格0.7 m×0.7 m×0.7 m。基岩区植树穴应采用爆破石方办法，保证树穴几何尺寸，以利于树木成活。斜坡栽树穴面与原坡面持平或稍向内倾斜，每方格内一棵。树穴沿等高线布设，上下两行坑口呈"品"字形错开排列。栽植时应将树苗扶直，栽正，根系舒展，深浅适宜。填土时应先填表土、湿土，后填生土干土，分层踩实。并根据实际情况在树间种草绿化。植树成活率应控制在90%以上，如低于控制指标，应及时在第二年春季进行补栽。生物工程养护期为一年，养护用水和就近在区内水库内采取。

生物工程植侧柏5 459株，植刺柏 7 487株，植刺槐15 734株，植速生杨3 822株，植灌木57 954株，植藤本植物3 100 株，植草 66 234.41 m2。

4 工程效益

矿山地质环境恢复治理项目属公益性、社会性项目，其价值具有间接性、潜在性和长久性的特点。治理工程的实施将优化旅游环境，符合交通部提出的高速公路"畅、绿、洁、美"的要求。项目实施后，将消除沿线排渣场、废弃采坑所引发崩塌、滑坡地质灾害隐患，矿山地质环境得到明显改善，有力保障下游群众生命财产安全。增加绿地6.62公顷，为当地人民生产、生活创造良好的生态环境。高速沿线植树绿化，为当地人民生产、生活创造良好的生态环境。社会效益明显。

该高速公路是河南境内主要重要旅游线路，沿线景点繁多，对带动沿线城市旅游业和经济发展起着重要的作用。该治理工程的实施，将有效提高该高速治理区沿线森林覆盖率，使沿线景观绿化美观，部分改善了该条观光旅游线路的人居环境和旅游环境，对打造旅游景区的品牌效应，提升河南旅游城市整体形象有深远意义。环境效益显著。