土岭矿排土场综合治理与生态恢复工程研究

祝启坤，阳凯，张进超，宋 征

（武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北 武汉430073）

矿业开发过程中所产生的弃渣不仅造成矿山地质环境严重破坏，而且还时常诱发重大灾害性恶性事故［1－2］，例如1994年陕西潼关金矿区发生矿渣型泥石流灾害，造成51人死亡、上百人失踪；2004重庆东林煤矿矸石山滑坡造成17人死亡；2008年山西娄烦尖山铁矿发生排土场滑坡事故，造成43人死亡、2人失踪。但近年来随着我国经济的高速发展和社会进步，矿山地质环境保护与灾害防治日益受到人们的普遍关注，同时也受到国家政府主管部门的高度重视，特别是自我国《矿山地质环境保护规定》颁布实施以来，矿山地质环境保护与灾害防治工作逐渐纳入到法制化、规范化管理轨道。如何既合理地开发矿产资源，又不造成矿山地质和生态环境恶化以及重大地质灾害事故发生，是实现经济社会可持续发展战略的重要研究课题。本文针对土岭高岭土矿排土场所存在的地质环境问题，以实现矿山地质环境安全与保护生态环境为总体防治目标，在稳定性分析与评价的基础上，提出了该排土场地质环境综合治理恢复方案，同时对该方案进行了系统设计。

1 矿山基本概况

土岭矿位于鄂西中山区，南东距城关直线距离约34km。矿区北侧4km有318国道通过，交通较为方便。该矿山开采矿种为高岭土，露天开采方式，矿区面积0.4797km2，开采标高1316～1179m，生产规模50kt／a。

矿区地处南方湿润性季风气候带，温湿多雨。年平均气温13℃～17℃，年降雨量1300mm，其中70%以上降水集中在5～9月，此间常有暴雨发生。防治区地形总体北高南低，地势陡峻，标高825～1343m，自然条件下地表排水良好。

矿区地层由新至老主要为第四系亚黏（砂）土夹灰岩碎块石、二叠系灰岩与高岭石粘土岩、石炭系白云质灰岩以及泥盆系页岩、泥灰岩与石英砂岩等。地层总体呈北东～南西向延伸，倾向北西330°～345°，倾角为12～29°。

矿区范围内无大的断裂构造，地震烈度为6度。岩层倾向与地形坡向多呈逆向坡，自然条件下边坡整体稳定性较好。

2 地质环境问题与危害

排土是露天矿开采的基本工序之一，排土场能否保持长期稳定是矿山企业必须考虑的重大安全问题之一，排土场一旦发生破坏将给企业和社会带来巨大的危害［3－4］。由于土岭矿在以往开采过程中对矿山地质环境保护重视不够，露天采矿剥离弃渣未严格按规范设计排放，随意倾倒现象严重，且未采取任何有效的工程防治措施。拟治理排土场位于土岭矿Ⅱ号矿体南侧斜坡地带，弃渣体顺坡自然堆积而成，边坡长90m，斜坡高32m，坡角35°～42°，平均坡角约37°，堆渣体主要成份为亚粘（砂）土及碎块石组成，体积比约8∶2，块径一般为10～30cm，结构松散，稳定性较差。

目前该排土场主要存在边坡滑动、泥石流、地表生态环境破坏等矿山地质环境问题，主要危害对象为坡下矿区公路的行人、车辆以及周围居民的生命财产安全，且危害后果较为严重。特别是防治区地处鄂西暴雨中心区，地形陡峻、沟谷发育，当遇连阴雨或强暴雨等不利外部环境因素作用时，易产生较大规模的排土场滑坡、泥石流地质灾害发生。在本治理工程实施前，因该排土场所存在的安全隐患，已引起当地工农关系紧张，当地政府主管部门已责令该矿山停产数月进行工程治理。

3 稳定性分析与评价

在工程治理前对该排土场进行稳定性分析评价，其目的主要是了解该排土场边坡体现状条件下的稳定性状况，从而为治理工程方案选型、工程布置、加固强度与加固参数的确定提供依据。依据本排土场地形地貌、物质组成、下卧地层岩性等工程资料及现场地质调查等综合分析，该排土场可能的失稳破坏模式为沿堆渣体内部发生弧形滑动破坏及沿基岩面发生折线形滑动破坏［5－6］］。

根据已有工程资料与类比，本排土场在饱水状态下边坡体物理力学参数综合取值如下：重度γ＝21.5kN／m3，粘聚力 c＝18.0kPa，内 摩 擦角 ＝16.8°。

圆弧形滑动破坏采用Bishop法计算：

式中：K—稳定系数；bi—土条宽度（m）；Wi—条块重力（kN）；θi—条块重力与底面中点间夹角（°）；c—粘聚力（kPa）；φ—内摩擦角（°）。

折线形滑动破坏采用传递系数法计算：

式中：ψj—传递系数；Ri—条块抗滑力（kN）；Ni—条块法向分力（kN）；Ti—条块下滑力（kN）；θi、θi＋1—条块滑面与水平面的夹角（°）；li—条块滑面长度（m）。

对该排土场进行加固前稳定性分析，计算结果见图1～图3。

图1 上坡段稳定性计算结果

图2 下坡段稳定性计算结果

图3 整体稳定性计算结果

由稳定性计算结果可知：该排土场上坡段和下坡段发生圆弧形局部滑动破坏的稳定系数分别为：K1－1＝1.22，K1－2＝1.12；发生折线形整体滑动破坏的稳定性系数为：K2＝1.16，故该排土场安全储备不足，总体上处于基本稳定～欠稳定状态。

4 恢复治理方案与工程布置

本恢复治理工程的总体目标主要是消除或减轻土岭矿排土场地质灾害安全隐患，然后对其进行地表生态植被恢复。

目前对不稳定边坡工程治理措施很多，主要包括：削方卸载、回填反压、挡土墙、抗滑桩、格构锚固、锚杆（索）加固、坡面防护与排水阻渗等。结合本排土场地貌形态、地层岩性、稳定性分析结果以及危害程度，依据技术可行、经济合理的原则，同时考虑方便施工，本防治工程最终采用“削方减载＋浆砌石挡土墙支挡＋截排水＋浆砌石骨架植草护坡＋监测”等综合性防治工程方案［7－9］。

综合防治工程平面布置见图4。

5 恢复治理工程设计

5.1 削坡减载

图4 恢复治理工程平面布置

削坡减载主要是通过对不稳定边坡体的坡面进行削坡、清理或设置马道平台，以降低边坡坡度和减小下滑荷载，进而达到改变不稳定边坡体的自然平衡条件。依据该排土场边坡原有地貌形态和周边环境条件，整个排土场坡面共设9个分级台阶（8个马道），分级台阶高3.6m，坡比1∶1.5，马道宽2.5m。削方整形后的排土场坡面见图6。

5.2 挡土墙支挡

挡土墙结构类型主要包括重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、加筋土挡土墙、锚杆挡土墙等，不同类型挡墙有不同的使用条件和优缺点。综合考虑该排土场边坡特征、地基强度、材料来源、施工条件以及治理工程经济性等，本治理工程选用仰斜式重力浆砌石挡土墙结构类型，挡土墙（D1）布置见图4和图6，即在第一级台阶的坡脚位置设置一道重力式浆砌石挡土墙对该边坡体的坡脚进行支挡与防护。设计浆砌石墙高5.2m，地面出露4.0～4.2m，挡土墙埋深1.0～1.2m，墙顶宽1.2m，墙胸坡比1∶0.4，墙背坡比1∶0.2，墙底逆坡坡比0.2∶1。浆砌石墙每10～15m设置一条伸缩缝，缝宽2～3cm，分缝处采用沥青麻筋止水。为排泄挡土墙背后积水，墙体设φ10cm PVC排水管两排，间距2m×2m，墙背设50cm厚砂砾石滤层。

浆砌石挡土墙结构见图5。

按照上述稳定性分析计算原理，对削方卸载与支挡后的排土场边坡进行稳定性验算，抗滑移、抗倾覆等各项验算指标均满足现行技术规范要求［10］。

5.3 坡面防护

图5 浆砌石挡土墙结构

坡面防护主要是利用植被、抹面、浆砌石护墙、喷射混凝土等技术对已处于整体稳定状态的边坡面进行生态防护或工程防护处理，以防止边坡面岩土体进一步风化剥落、掉块以及地表雨水对坡面的冲蚀和下渗软化岩土体等。考虑治理区环境绿化与生态重建，并结合该矿山石料来源广泛等，本治理工程采用“菱形浆砌石骨架＋客土植草护坡”方案，同时对该排土场边坡的各类坡（地）面进行整形与夯实处理，以达到稳定坡面、预防水土流失以及排土场生态恢复的目的。设计菱形浆砌石骨架间距2m×2m，断面高×宽＝40cm×30cm，骨架采用 MU30毛石与M7.5水泥砂浆砌筑，每15～20m设置一条伸缩缝。骨架内客置厚10cm种植土后，再种植适宜当地气候条件的本土草种植草。

5.4 排水阻渗

边坡滑移变形与水密切相关，水是孕育滑坡发展、发生的关键因素，这说明水对边坡稳定性的重要性。当地表水下渗进入岩土体内部时，不仅增大岩土体的容重，导致其抗剪强度指标降低，而且所产生的孔隙水压力还会使滑动面上的有效正应力降低或产生水平分力，对边坡的安全稳定性构成不利影响，因而，必须加强治理区的排水阻渗措施。边坡防排水可分为地表排水和坡体内部地下水排水，考虑治理区位于当地侵蚀基准面以上，且地表水自然排泄顺畅，无雨时坡体基本处于干燥状态，故本治理工程主要采取在弃渣边坡体的外围和马道内设置截（排）水沟系统来拦截山坡地表径流水，以预防地表雨水对各边坡体的直接冲蚀，同时对各类坡（地）面采用表层夯实粘土层防水阻渗。

根据治理区地形地貌与地表雨水汇流路线等实际情况，本工程截（排）水系统布设见图5，即在治理区外围布设一条梯形截水沟（J1）用以拦截山坡地表径流水，在坡体中部每隔两个马道布设一条矩形排水沟（P2～P4）用以拦截排土场坡面地表径流水，J1、P2～P4水流经排土场两侧矩形排水沟（P5、P6）引入到坡底挡土墙（D1）外侧矩形排水沟（P1）后，再旁引至自然冲沟。

地表排水流量Q（L／s）按下式计算：

式中：q—降雨强度（L／s·hm2）；Ψ—径流系数；F—承雨面积（hm2）；t—降雨历时（min）；p—降雨重现期（a）；L1、L2—坡面和沟渠长度（m）；V1、V2—地面和沟渠水流速（m／s）；m—折减系数。

经水力计算，各截（排）水沟断面设计如下：J1梯形，底宽×高＝30cm×40cm，沟坡比1∶1；P1矩形，宽×高＝40cm×60cm；P2～P4矩形，宽×高＝30cm×40cm；P5、P6矩形，宽×高＝40cm×50cm。

截（排）水沟采用 MU30毛石与 M7.5水泥砂浆砌筑，沟壁与沟底厚30cm，水泥砂浆抹面厚2cm。截（排）水沟沟底坡度不小于0.5%，每隔15～20m设伸缩缝一道，缝宽2cm，沥青麻筋填充止水。为防止排水沟沉降开裂，避免沟内水下渗进入坡体地基，对沟底局部不密实的疏松岩土层或低洼处应进行分层夯填局部加固处理。

5.5 工程监测

为了解本治理工程在施工和运营期地表变形的发生、发展过程与稳定性状况，预防突发性边坡滑动等地质灾害发生，同时也为了检验本防治工程的治理效果，必须对本工程开展监测预防工作。综合考虑现状条件下该排土场灾害体的稳定性状况、危害后果以及严重程度等，依照经济适用的原则，本工程监测主要采用人工宏观巡视监测方案，即安排具有地质灾害防治经验的专人定期负责按固定线路对治理区地面有无变形开裂、臌胀、塌（沉）陷以及地表（下）水的渗漏与变化等情况进行巡查和记录，监测方法采用宏观观察，同时辅以钢卷尺、百分表和地质罗盘等简易测量工具等。当发现变形异常时，应及时上报并设置警示牌，同时及时查明原因，必要时可设固定观测点采用仪器进行监测。巡查频次在施工期每天1次，恢复治理工程完工后一般旱季每15d一次，雨季每5d一次，当遇暴雨、连阴雨或变形情况异常时应加大巡视检查频次，人工巡视路线布置见图4。

本恢复治理工程典型剖面布置见图6。

图6 恢复治理工程剖面布置

6 结语

土岭高岭土矿排土场目前主要存在边坡滑移变形、泥石流以及地表生态环境破坏等矿山地质环境问题，已对矿山安全生产与当地人民生命财产构成威胁，必须进行工程整治。

综合考虑该矿山排土场所处地形地貌、地层结构与岩土特性、周边环境条件以及稳定性计算结果等，确定了削方减载、挡土墙支挡、浆砌石骨架植草护坡、截排水以及人工观测等综合性恢复治理工程方案，同时依据有关规范技术要求，对该恢复治理工程方案进行了系统设计。治理工程实施后表明：该方案不仅有效地消除了该矿山排土场所潜在的地质灾害安全隐患，而且还全面恢复了其生态环境，缓和了矿山企业与当地民众之间的关系，同时也节减了工程成本，实现了社会效益、环境效益与经济效益三者的统一。

［1］徐友宁，陈社斌，何芳等.潼关金矿区矿渣型泥石流灾害及防治对策［J］.山地学报，2006，24（6）：667－671.

［2］董倩，刘东燕，彭文轩.重庆市矸石山环境地质灾害效应及稳定性分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2006，17（1）：97－101.

［3］龙虎荣.露天坑排土场灾害分析与防治措施［J］.矿冶工程，2010，30（1）：21－24.

［4］钟敏，谢斌.矿山排土场灾害成因及综合防治措施［J］.化工矿物与加工，2009，（5）：36－38.

［5］汤康民，彭胤宗.岩土工程［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2001.

［6］郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［7］祝启坤，黄玉清，宋征.某矿山地质环境问题与综合治理对策研究［J］.地质灾害与环境保护，2010，21（1）：21－25.

［8］曹雨军.露天矿山排土场灾害形成原因分析与对策［J］.中国矿业，2005，14（3）：76－78.

［9］刘丽，陈洪凯.矿山泥石流灾害成因与防治对策［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2009，28（5）：915－920.

［10］中华人民共和国国家标准编写组.GB50330－2002建筑边坡工程技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.