压力传递系数法在矿山废渣堆治理工程设计中的应用

陈学林

(河南省地质环境监测院，河南 郑州 450008)

矿山废渣的任意堆放是多数矿山普遍存在的现象，其孕育的矿山地质环境问题是多方面的:压占林地、耕地，水土流失，滑坡、泥石流灾害等，尤其以堆放于矿山斜坡上的废渣隐患最为严重。探索合理有效的治理方法并进行科学设计，以消除其可能产生的环境病害具有重要的现实意义。三门峡某铁矿山废渣堆位于较陡峻的山谷之中，是典型的山坡型堆积方式，灾害隐患极大。其治理工程已经历5个水文年的风雨考验，其成功经验值得借鉴。

1 自然地理及工程地质条件

1.1 自然地理及地形、地貌

矿区历年平均降水量640.1 mm，年最大降水量1 011.7 mm(1958年)，年最小降水量为 433.0 mm(1986年)，降水一般集中于 7、8、9三个月，占年降水量的 51.4%。据连续43年降雨资料统计，日降水量在25～49.9 mm的大雨共出现152次，平均每年3.5次，1984年高达11次，日降水量在50～100 mm的暴雨共出现38次，几乎每年出现一次，2007年年7月28日 －30日，日降雨量达172.1 mm，达到50 a一遇的水平。

矿区属中—低山地貌。渣堆所在沟谷顶部海拔标高1 016 m，沟谷底部海拔标高730 m，相对高差286 m，属中低山区。沟谷近南北向，呈“V”型(图1)。

1.2 渣堆工程地质特征

废矿渣堆放于“V”型沟谷中，沟谷两侧山坡坡度在35°～45°，谷底纵向坡度上部 28°，中部 22°，下部 10°。沟谷两侧基岩为中等风化花岗片麻岩，裂隙不发育，谷底分布有厚度不等的残迹物。基岩面整体较为舒缓平滑。矿渣颗粒成分复杂，大小混杂，分选差，有较好的渗透性。渣堆纵向总长度达312 m，宽度40～120 m，总堆积量38.4万 m3，占地面积1.92 万 m2。

矿山渣堆堆放于表面舒缓光滑的变质岩体上，且基岩面坡度较陡，在长时间降雨作用下，降水除一部分以表面径流的方式冲刷渣堆表面，另一部分将渗入渣堆体内，受基岩隔水层阻隔，将在渣堆底部形成饱和土层，极大地削弱渣堆体与基岩的摩阻力，在渣堆重力下向下滑动，形成滑坡，从而对沟口村庄造成灾难。

图1 V”型沟谷中渣堆全貌

2 渣堆体综合治理方法

综上所述，该渣堆的主要潜在隐患为渣堆整体滑动、渣堆表面局部失稳和冲刷。根据工程地质条件提出如下治理措施:

(1)在治理区内废渣(土)堆放沟谷的下端，修筑拦渣坝，阻止渣堆发生整体滑动;

(2)对堆放于沟谷底部的废渣堆边坡进行削坡整治，使渣堆表面处于相对稳定状态;

(3)恢复固体废弃物堆放场植被，防止表面冲刷。

3 挡渣坝设计方法

3.1 坝址选择

坝址应选择在堆渣区近部下端，要求沟口端面狭窄，坝基和坝肩工程地质条件好，同时又不影响矿山生产的位置。通过实地调查并征求矿山意见，决定选择在小沙梁沟下部沟谷中部作为坝址(见治理工程平面图)。

3.2 坝址工程地质条件

据现场出露地层坡面调查，两处坝址岩土类型均为燕山期花岗斑岩，坝肩处出露中等风化花岗岩，坝基处上部2.30～14.30 m为素填土，成分主要为采矿废渣。东端下部为粉土、全风化花岗岩，厚度4.60 m左右，往下为强风化花岗岩，西端填土下部为厚层状白云岩。坝址处无断层通过，坝基稳定性好。

勘察报告提供填土承载力特征值为130 KPa，全风化花岗岩承载力为230 KPa，强等风化花岗岩承载力特征值为260 KPa，中等风化花岗岩承载力特征值为1 000 KPa，白云岩承载力特征值为1 200 KPa。

3.3 挡渣坝设计

3.3.1 挡渣坝结构

拦渣坝采用重力式浆砌结构，坝顶部两端各设溢洪道一个，坝体上设置透水孔，坝体下部采用干砌块石作地基处理，同时起到排泄渣堆底部渗流的作用。

3.3.2 拦渣坝稳定性验算

1)计算条件

拦渣坝的设计功能为拦挡上游的废渣土体，不利条件下滑体对拦渣坝的作用是向坝下游方向平行滑面的推力，合力作用点在坝体中部。滑动面为堆渣与基岩的接触面。

2)拦渣坝(主坝)稳定性验算

(1)滑坡推力计算剖面见图2。

图2 滑坡推力计算断面图

(2)滑坡推力计算

采用《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)中推荐的压力传递系数法进行计算。

Fn=Ψ·Fn－1+γt·Gnsinθn－Gncosθntanφn－ ln·cn

Ψ =cos(θn－1－θn)－sin(θn－1－θn)tanφn

式中:Fn、Fn－1为第 n块、第 n－1块滑体的剩余下滑力;Ψ为传递系数;γt为滑坡推力安全系数，取1.25;Gn为第n块滑体的重力;φn为第 n块滑体沿滑动面的内摩擦角，均取22°;cn为第n块滑体沿滑动面的粘聚力标准值，均取0;ln为第n块滑体沿滑动面的长度。

滑坡推力计算结果见表1:

(3)抗滑移稳定性验算(滑坡对墙作用力见图4－1)

K滑=μG/(F4cos 5°+0.5 × γw·h·L)=1.99＞1.3

式中:μ为坝体与坝基的摩擦系数，取 0.7;G为坝体单位长度的重力，重力密度取24 KN/m3;γw为水重度，取10 KN/m3;h为墙高(m);L为墙单位宽度(m)。

抗滑移稳定性满足要求。

(4)抗倾覆稳定性验算

求挡土墙重心作用点位置(对右墙趾求矩):

重心距右墙趾水平距离为4.2 m。

抗倾覆稳定性满足要求。

(5)地基承载力验算

基底压力:

P=1944/9=216kpa＜fk地基承载力满足要求。

副坝基底荷载仅72 kpa，地基承载力满足要求。

表1 滑坡推力计算结果表

4 沟谷底部的废渣堆边坡修整

在现有梯级平台的基础上，采用削坡方法，将沟谷底部的废渣堆修整为梯级台阶形，各级边坡的坡度修整成30°，坡面块石尽量埋于深部，表面覆盖细粒土，以便营造植被。

5 结语

(1)位于斜坡上的矿山废渣堆的环境隐患主要为整体滑动、渣堆表面局部坍塌滑动和表面冲刷造成的水土流失，治理工程必须从这三方面入手。

(2)对于松散堆积体，采用坡底结构拦挡措施是防止渣堆体发生整体滑动的方法之一，渣堆是否有发生整体滑动的可能，要根据具体的地形地质条件分析判断。

(3)实践证明，采用压力传递系数法计算滑坡推力是坝体稳定性计算的一种有效方法，取准有关参数是保证计算精度的前提条件。

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［3］张强勇，易顺民，等.深圳市大南山山体滑坡成因及治理方法.环境岩土工程理论与实践［C］.同济大学出版社.2002.

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