山地光伏电站项目破损山体治理设计实录

孙廷仁,黄民

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，济宁 272100; 2.山东省华鲁工程总公司，济宁 272100)

山地光伏电站项目破损山体治理设计实录

孙廷仁1,2,黄民1,2

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，济宁 272100; 2.山东省华鲁工程总公司，济宁 272100)

爆破开采的石灰岩矿区边坡高陡，岩石破碎，具有严重的崩塌、泥石流地灾隐患。遗留的破损山体如不及时治理易造成环境恶化，常规的方法治理起来费时费力，更是需要大量资金。本文通过对爱康嘉祥山地光伏电站项目破损山体治理项目探讨，针对不同岩、土体工程地质情况提出相应解决方案，在保证质量和工期的同时大大降低了治理费用，并提出废弃地利用的创新思路。

破损山体；地灾治理；高陡边坡；主动防护网；被动防护网

近几年来，我国经济飞速发展，带动了矿山行业的发展，创造了巨大的经济效益，同时也带来了大量弊病：破损山体，尤其是露天开采遗留的开挖面，原有生态系统结构被破坏，导致生态功能严重退化；人为形成的高陡边坡极易发生各类工程地质灾害，危及边坡下行人、车辆安全；采矿遗留的大量矿坑寸草不生，完全丧失了种植能力，想要恢复原貌需巨额投资，荒废了大量土地。根据国家及省市有关政策，各地对此类破损山体进行生态修复重建，目前废弃地一般采用生态修复及景观营建方法。但是此类方法存在一些缺点:一是矿山生态修复需大量耕植土，从周边挖运又不可避免地破坏另一地区的原有地貌和植被；二是投入资金巨大，因此限制了此类方法应用普及。本文主要通过对嘉祥县石灰岩矿破损山体治理设计实例进行探讨，旨在提出合理、实用的设计方案，抛砖引玉，为类似破损山体再利用提供思路。

1 项目由来

爱康嘉祥20 MW山地光伏电站项目位于山东省嘉祥县纸坊镇东南部的山区中，北距纸坊镇约4 km，东距孔子名徒曾子的居住地南武山村约0.5 km，占地面积约46.67 hm2。项目区原为石灰岩矿区，现石灰岩矿区停止开采，所留采石坑面积较大且地势平坦。该区阳光充沛，日照时间长，无植被覆盖，适用于光伏电站的建设。

2 场区地貌及工程地质

2.1 场区现状及成因

经现场踏勘，结合地质灾害评估资料分析，区内主要地质灾害类型为崩塌，危险性评估等级为中等。采石坑周边崖壁陡峭高耸，最大倾角近乎垂直，局部甚至呈倒角，最大落差达98 m，局部位置石灰岩由于人工爆破开采和历史长期的风化等作用使得裂隙发育，岩石破碎、松动，易发生崩塌地质灾害。同时根据陈家兴等[1]理论研究分析，现场大部分崖面岩石均处于不稳定状态，据现场调查分析大部分危岩体受力状态为自重引起的剪切力，起始运动形式为错断式，失稳主要因素为重力(图1a)；少部分危岩体形状为上部硬岩层以悬臂梁形式突出来，受力状态为张拉式，起始运动形式为拉裂式，失稳主要因素也为重力(图1b)。局部崖顶由于人工堆积大量碎石土(图2)，若遇大雨易发生崩塌、泥石流等地质灾害。

图1 危岩体失稳类型

图2 崖顶堆积碎石土

2.2 工程地质特征

2.2.1 岩体工程地质特征

场区主要出露中寒武系张夏组灰岩，岩性特征为中厚-厚层状灰岩、白云质灰岩、鲕状灰岩，岩石坚硬、致密。中夹裂隙发育风化程度强的薄层泥灰岩、页岩。岩溶发育不均一，力学强度差异较大，灰岩强度高，泥灰岩遇水软化，强度低。灰岩Fc=90～160 MPa，Fr=70～120 MPa；泥灰岩Fc=15～40 MPa。

2.2.2 土体工程地质特征

场区内因人工采石原因崖面顶部及平台上残存有大量渣石土，厚薄不一，最大堆积高度可达23 m，最大堆积坡度达70°左右，土体松散。

3 治理方案及设计

根据现场调查，区内岩体倾角为5°～15°，倾向北西，在320°～345°之间，山体因人工放炮开采表面破碎，内部较完整，根据光伏项目特点及要求，结合场地周边环境、工程地质、气象、水文地质条件等，参考崩塌地质灾害治理及边坡工程有关技术规范，最后确定在保证安全的基础上，兼顾实用、经济、快速的原则。

3.1 基于以上原则及依据，制定出如下设计内容

(1) 崖项削坡并挂网喷面，安装防护栏。

(2) 人工撬除崖面上松动性岩石。

(3) 崖面局部中间平台有大量渣土处，进行人工修坡并挂网喷面。

(4) 局部山体张裂隙发育处进行勾缝注浆。

(5) 崖面上半部分铺设主动网。

(6) 崖面底半部分张挂被动网。

(7) 崖面底部砌筑挡石墙。

(8) 平台上光伏电站施工范围内的渣土移除。

3.2 具体设计如下

3.2.1 崖顶面存在强风化岩层部分

因崖面顶部原岩为强风化薄层泥岩加少量薄层灰岩，岩石裂隙发育，破碎严重(图3)，对此部分进行机械或人工削坡至45°以下，后在其上挂￠6.5@300钢筋网，每隔2.0 m施工一深1.5 m、直径50 mm、用Φ18钢筋做为杆体的岩钉，内灌水灰比0.5的水泥浆，再喷射8～10 cm厚的C20混凝土。

在喷射后的崖顶部外1.0 m处砌一高0.5 m、宽0.3 m的挡水墙。内侧每隔4.0 m施工一深1.5 m、直径50 mm、用φ25钢筋作为杆体(杆体外露20 cm)的岩钉，内灌水灰比0.5的水泥浆液，后用φ50、壁厚3 mm的无缝钢管做为立柱，插入外露的岩钉中，制作一高1.2 m的防护栏杆。

图3 崖面顶部强风化层

3.2.2 崖面上残存松动岩石处

针对崖面因人工爆破采石造成高陡、异常破碎的崖面(图4)，采用人工撬除方式。施工时，提前5 d在崖面顶部稳定岩石上施工锚杆，深度1.5 m，下入锚索(用对折的钢绞线制成，对折处外露地面20 cm)。施工人员做好安全防护措施，由专人指挥，对崖面松动破碎的岩块进行人工清理。

图4 高陡破碎崖面

3.2.3 崖面局部中间平台有大量渣土处

崖面局部因原人工采石原因，残存一不规则平台，其上堆积了大量的碎石渣土(图5)，针对此部分，需修坡≤45°后，在其修整后的渣土面层上挂GPS2型主动防护网。在渣土四周崖面上每隔2.0 m，施工一深1.5 m、内插对折后的φ15.2钢绞线(钢绞线对折处外露10 cm)，并灌入水灰比为0.5的水泥浆液。

图5 崖面间平台

GPS2型钢丝网的网型为钢丝绳网十钢丝格栅，其主要结构配置为由φ18的纵横向支撑绳穿过渣土四周已施工的钢绞线锚索，压在已铺于渣土坡的型号为S0/2.2/50铁丝格栅和钢丝绳网(型号为08/300/4×4 m2)。

待渣土面层上的GPS2柔性防护网铺设完毕后，再用混凝土喷射泵把C20混凝土喷射到已铺好的面层上，喷射厚度10 cm，要求喷射混凝土后，柔性网片外侧混凝土保护层厚度不小于5 cm。

3.2.4 崖面张裂隙发育的巨型危岩体

针对山体因人工炸药采石后局部形成了张裂隙非常发育的巨型危岩体(图6)，人工或机械无法将其撬除，采用勾缝注浆形式对其进行加固。具体施工方法如下：

在其裂隙发育位置用碎石块及搅拌好的M20水泥砂浆对裂隙进行仔细封堵，只在裂隙上部留出一个20 cm的孔洞。封堵结束后，对封堵部分进行洒水养护措施。待封堵处所用砂浆强度达到75%以上时，用高压注浆泵把搅拌好的水灰比为0.5的纯水泥浆注入预留的孔洞内，直至水泥浆从上部孔洞内溢出。

图6 裂隙发育的巨型危岩体

3.2.5 崖面上半部分

锚杆工程在高陡边坡防护加固中起到了重要的作用[2]，因此待崖面上部削坡、人工撬除松动岩石结束后，在崖面上半部分进行锚杆施工。参考吕庆等[3]对岩质边坡锚固机制研究和林杭等[4]对锚杆长度的研究以及工作区的调查分析情况，设计如下参数：锚杆间距2～4 m，长度2.0 m，孔径φ48 mm，内灌水灰比为0.5、强度M15的纯水泥浆，用对折后的φ15.2的钢绞线做为杆体(对折处外露10 cm)。

最后在崖面铺设SNS主动防护网，这种防护网在裂隙发育的灰岩质高边坡上具有很好的防护效果[5, 6]。本项目设计主动防护网规格型号为GPS2，支撑绳型号为φ16型钢丝绳；网型号为08/300/4×4 m2；缝合绳型号为φ8；铁丝格栅网型号为S0/2.2/50，张挂位置在高度不小于18 m的边坡以上崖面裂隙发育处。

3.2.6 崖面下半部分

在崖面上部主动网施工结束后，前期人工虽已仔细清理绝大部分活动性岩体，但崖面下部，即未挂防护网部分不可避免的残存有少量的活动性小碎块，这些碎块遇大风、雨水冲刷、冰雪冻融等外力作用，也可能随时会坠落，经过实际调查，此残留活动性碎石都在10 cm×10 cm×10 cm以下，重量小于2.5 kg，最高位于崖面±50 m左右，若其自由落下，其冲击能可达1 225 J，会对下面的设备造成不可修复的破坏，因此必须设置防护措施。有学者对被动柔性防护网受力系统开展研究[7]及对其整体结构进行试验[8]，本项目经过现场多次模拟类似石块的坠落轨迹，最终决定在离底部8.0 m处崖面上安装被动网，以彻底消除崖面上所有碎石坠落的隐患。经过和被动网厂家多次沟通，决定施工时采用抗冲击能1 500 J的、细网孔眼为2.5 cm×2.5 cm的被动网可满足抗冲击要求。

施工顺序为

(1) 先在离底部8.0 m高及12.0 m高崖面各施工一排锚杆，锚杆间距6.0 m，深度2.0 m，锚孔直径48 mm，内灌水灰比为0.5、强度M15纯水泥浆，内插用对折后的φ15.2的钢绞线(对折处外露10 cm)做为杆体。

(2) 待锚杆强度达到设计强度的75%后，用φ18钢丝绳穿过(端部打孔的)φ108、壁厚5 mm、长度6.0 m的无缝钢管打孔处，栓到离崖面8.0 m高的锚杆处，用钢丝绳夹夹紧。

(3) 用φ18钢丝绳把SNS RX-075型被动防护网和底部已栓入崖面的钢管相连接。

(4) 用φ18钢丝绳穿过已栓入崖面的钢管另一端和崖面12 m高处的锚杆内。

(5) 在崖面底部平台上设一卷扬机，卷扬机上钢丝绳与12 m高处钢丝绳用钢丝绳夹子连接。

(6) 起动卷扬机、拉起已连缀好的被动防护网，直至防护网与崖面角度呈约70°为止。

(7) 用钢丝绳夹子在12 m高处把锚杆与钢丝绳夹紧。

(8) 在已夹紧钢丝绳的夹子外侧20 cm处把多余钢丝绳剪断。

被动网支撑后效果示意图见图7。

图7 被动网支撑后效果示意图

3.2.7 崖面底部垒砌挡石墙

在被动网安装结束，将掉落崖底的渣土全部移除后，在离崖面底4.0 m外砌高1.5 m、底部宽1.5 m、上部宽为1.0 m的挡石墙。挡石墙用当地碎石砌墙，用M15砂浆填缝。

3.2.8 崖面底部平台渣土

因原采石原因造成崖面平台上残留大量渣土，用铲车、装载机等工具把其运到光伏板安装场区外。

3.2.9 其他问题及解决方法

(1) 被动网及辅助设施的防锈措施，因业主要求防护至少要满足25 a，而现有的材料还不能证明能满足25 a，为尽量延长材料防锈年限，要求施工前对外暴露在空气中的金属材料，使用前在现场用防水防潮沥青进行二次防锈处理后方可使用。

(2) 主、被动网须按设计要求规格购买并送实验室检验合格后方能用于现场。

4 结语

现本工程已施工完毕，从施工过程上看，不仅满足了原先设计的要求，还节约了投入资金和时间成本。从现场状况来看，所有治理后的崖面下安装的设备都受到了安全保护，人员、车辆在其下行走时不必再提心吊胆。

我国类似的破损山体有很多，地灾隐患严重、修复难度大且大多数需通过财政拨款进行修复。本项目没有用到财政资金，且地方政府通过土地使用权转让还得到了收入。特别通过本次项目的成功实施，使得原寸草不生的破损山体变为生机勃勃的光伏发电场地，充分发掘了其利用价值。

[1] 陈家兴,周倍锐,黄开勇.山体危岩崩塌成灾机制及稳定性分析[J].施工技术,2015,44(S1):630-632.

[2] 袁伟力.自钻式锚杆在高陡边坡防护加固中的应用[J].施工技术,2009,38(11):125-126.

[3] 吕庆,孙红月,尚岳全,等.破碎岩质边坡预应力锚固机制数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(9):1848-1856.

[4] 林杭,曹平.锚杆长度对边坡稳定性影响的数值分析[J].岩土工程学报,2009,31(3):470-474.

[5] 王春华,雷轶,吕俊,等.SNS主动柔性防护网稳定性与关键技术研究[J].施工技术,2012,41(S2):215-218.

[6] 金志伟,邓永煌.SNS主动柔性防护网在边坡防护中的应用[J].土工基础,2013,27(2):38-40.

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[8] 刘成清,陈林雅,陈驰,等.落石冲击作用下被动柔性防护网整体结构试验[J].中国地质灾害与防治学报,2014,25(4):37-44.

E-mail:suntingren@163.com

DAMAGEDMOUNTAINMANAGEMENTDESIGNOFMOUNTAINOUSPHOTOVOLTAICPOWERSTATIONPROJECT

SUN Ting-ren1,2，HUANG Min1,2

(1.Shandong Provincial Lunan Geo-engineering Exploration Institute, Jingning Shandong 272100,China;2.Shandong Provincial Hualu Engineering Corporation, Jingning Shandong 272100,China)

The limestone mining area by blasting mining with high-slope steep and broken rock, have serious collapse and debris flow hidden troubles. Remaining damaged mountains can cause environmental degradation if not treat timely, while normal methods are time-consuming effort, and need much money. Through study on damaged mountain management design of Mountainous photovoltaic power station project of Aikang Jiaxiang, put the corresponding solution forward according to the different geological conditions of rock mass and soil, greatly reduce the cost of governance in ensuring quality and duration at the same time, and put forward the innovative ideas of waste land utilization.

damaged mountain; geological disaster control; high-steep slope；active protection net；passive protection net

P642；TD167

A

1006-4362(2017)03-0072-06

2017-02-20改回日期2017-04-19

孙廷仁(1966- )，男，汉族，1990年毕业于成都地质学院(现成都理工大学)水文地质与工程地质专业，现任山东省华鲁工程总公司总工程师/山东省鲁南地质工程勘察院副总工程师，高级工程师，专门从事基坑工程、破损山体治理设计及施工项目。