露天石灰岩矿顺层高边坡环境治理措施研究

2021-05-17陈康力

中国矿山工程 2021年2期

陈康力

(天津矿山工程有限公司，天津 300073)

1 前言

党的十九大以来，自然资源部协同多部门共同开展露天矿山综合整治工作，“加强露天矿山生态修复”成为其四项基本工作任务之一。大型露天矿山边坡高度通常超过300 m，在地质环境、构造形态与石灰岩层开采等因素的影响下，易产生滑坡、泥石流、地表沉降、片帮以及水体污染、大气污染等环境问题，对于环境治理体系的建构与创新提出现实要求。

2 项目背景介绍

2.1 项目概况

某矿山为大型露天石灰岩矿，地处低山丘陵地带，矿山闭坑后经改造现已成为国家矿山公园，但仍遗留占地面积超过600万m2的矿坑和深度超过300 m的高边坡，多年来引发一系列地质环境与生态环境问题，对周边人群的生命财产安全构成威胁。

2.2 环境问题分析

1) 地质环境层面

首先，该露天矿自投产后北帮历年发生的滑坡、泥石流等地质灾害数量高达80余次，其中有22%的滑坡体体积超过1万m3，导致周边铁路、轨道交通、高压柱等构造物被严重损坏。其次，高边坡稳定性较差、边帮地表严重变形，地表沉降、塌陷面积超过23.3万m2。再次，在矿坑北帮坡顶东侧分布有大量裂缝，裂缝长度超过1 km、宽度达0.3～0.5 m，引发临近道路、桥梁与建筑物均不同程度受损，威胁着人员生命安全。最后，矿坑北帮分布有大量发火点，矿坑内大气污染物浓度超标，都较为容易引发爆炸事故，造成重大人员伤亡。

2) 生态环境层面

3 矿区边坡岩土性质检测与土壤成分分析

3.1 物理力学性质分析

在地质地层分布结构上，该矿区由人工填土+第四系松散层+砂质页岩+泥质页岩+岩石层组成，其中矿坑北帮岩土稳定性主要受到①～⑨弱层的影响，①～③弱层已被挖除，弱层间距保持在5～20 m。受弱层产状的影响，其在饱水状态下出现典型的塑性破坏问题，整体物理力学指标处于较低水平，又因其是高边坡主要控制结构面，因此成为边坡治理的重点任务[1]。在地质水文特征上，该矿区地下水由孔隙潜水、基岩裂隙水、层间裂隙水组成，赋存于砂砾层、岩层和破碎带内，由大气降水和河水补给、以蒸发和径流排泄，静置水位埋深为3.2～36.1 m、水位标高为-151.32～152.47 m。结合土工试验与原位测试结果得到该边坡岩土的物理力学参数，具体参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

3.2 土壤营养情况评价

基于综合指数法进行边坡土壤营养成分评价，并完成评价指标与权重的设计，具体见表2。设养分综合指数为I，选取第i个指标进行评价，对应的评分值为Fi、权重为Wi，其计算公式为

I=∑Fi×Wi(i=1,2,…,n)

表2 土壤营养成分评价指标与权重设计

将该露天矿的土壤成分指标输入评价模型中可知，矿坑背帮地表土壤的平均pH值为7.4，土壤呈弱碱性。其中N含量为124.46 mg/kg，对应评分为100分；P含量为15.02 mg/kg，对应的评分为40分；K的含量为87.57 mg/kg，对应的评分为40分。将评价结果代入公式中计算得出I=100×0.25+40×0.25+40×0.2=43分，对应的评语等级为“低”，因此可在后续环境治理工作中优先选择固氮、抗旱、耐瘠薄植物进行种植。

4 边坡环境综合治理体系建构方案及措施探讨

4.1 地质环境综合治理

1) 边坡稳定性评价

由于该露天矿北帮的边坡高度超过300 m、工作帮坡角为19°，呈现为典型的顺层高边坡形态，其边坡变形破坏机制为滑移- 弯曲，坡角与岩层倾角保持一致、软弱层不会发生整体临空问题，变形体前缘位于构造发育处、应力分布较为集中，在剪出口段易使层状岩层被剪断。因此，该处剖面的滑动面特征为折线组合滑动面，可将软弱夹层设为指定滑动面，基于要求采用极限平衡法进行边坡稳定计算。具体来说，以露天矿北帮为基准划定2 km左右的研究区域，从中选取12个剖面进行取值计算，拟采用永久性加固设计方案，将边坡稳定系数取值为1.5。在完成现状剖面稳定性分析的基础上，开展边坡支护结构设计方案的编制，再计算出支护方案实施后的边坡稳定性系数值[2]。例如选取E22剖面进行计算，该坡面边坡支护方案为钢轨桩+压坡脚+疏干排水，计算得出边坡稳定性系数为1.56，符合设计要求。

2) 综合治理方案与措施

综合整治方案由整体+局部方案整合形成，在整体治理方案设计上：首先采用“削坡平盘+抗滑桩”工程措施，具体剖面如图1所示，依照垂直坡高8～12 m、台阶宽6～10 m、坡面角26°～35°，将E22剖面的各级边坡先后进行削坡、平盘，采用反坡式平盘形式、将坡度控制在5%左右，便于在降雨条件下减少平面蓄水量、使径流顺利排入竖向排水沟内，减少雨水冲刷对台阶坡面产生的破坏作用，并且实现坡面减重卸载、降低下滑力；选用2排钢轨桩与挡土墙配合进行边坡支护，将长7.4 m的钢轨桩嵌入岩层深度控制为5 m，各桩中心距保持为1.5 m，成孔直径为200 mm，材料包含M30水泥浆、粒径为10～30 mm的碎石以及普通硅酸盐水泥，挡土墙高2.2 m、宽0.8 m、埋深为0.6 m。其次在压坡脚方案设计上，将堆填区高度设为25 m、坡度为0°，选用山皮土材料实行分层碾压处理，确保碾压系数>0.9。最后在疏干排水方案设计上，设有50 m长的泄水孔、孔间距为10 m，将孔径设为130 mm，内置110 mm的PVC管，将倾角上倾5°以内，并将后25 m做成花管，使坡体内与孔内水顺利排向排水沟中；同时选用C25混凝土、水泥砂浆材料砌筑竖向排水沟，选取坡顶和坡脚部位设置截水沟，将伸缩缝间距设为20 m，用于集水、排水。

图1 钢轨桩+挡土墙剖面

在局部治理方案设计上，结合所选E22剖面各区段特征进行专项治理方案的编制：一方面针对前缘表层出现塌滑现象的区段，采用“锚杆与格构护坡+挡土墙”工程措施，格构梁尺寸为300×300 mm，基础梁和压梁尺寸分别为400×400 mm和300×300 mm并完成配筋，选用C25混凝土材料，将保护层厚度设为35 mm；采用DZ50钻杆与坡面垂直设置，长度为3～5 m、间距控制为2.5 m、孔径为110 mm，并选取M20水泥砂浆作为锚固体；在坡肩部位挂钢筋网、喷射混凝土，喷射层厚为150 mm，选用长1.5 m的土钉以2.5 m间距设置；挡土墙设计方案同上。另一方面针对容易自燃的危险区段，采用“注浆灭火+挡土墙”工程措施，将注浆孔以3 m×10 m的规格呈梅花形布置，选用孔径为108 mm、壁厚4 mm的钢管制成空隙率为25%的花管作为注浆管，利用M20水泥砂浆进行注浆灭火，并选取C25混凝土喷射在表层，形成厚100 mm的混凝土保护层，最后完成挡土墙的设置。

4.2 生态环境分区治理

1) 分区治理方案设计

首先从边坡台阶区域入手，考虑到该露天矿北帮各级边坡垂直高度12 m、坡面角最高为35°，因此宜选用紫穗槐、沙棘类小灌木植物进行1∶1混栽，将灌木行距控制在1 m×1 m、株高控制在0.8～1 m，确保每株灌木的枝条不少于5枝。其次从平盘区域入手，通常应选用刺槐、榆树类乔木植物进行1∶1混栽，将乔木行距控制为1.5 m×1.5 m，实现均匀布置。再次从格构区入手，可选用紫穗槐以1 m×1 m的间距种植在格构区内，将冠幅控制在0.5～1 m、株高不超过1 m，同时采用紫花苜蓿草种均匀播撒在灌木间，将草种生长密度控制在每平米10 g左右。最后从坡顶两侧道路景观入手，选取乔木(如樟子松、刺槐等)与灌木(如紫穗槐、榆叶梅等)营造道路两侧的行道树景观，注意选取带土球乔木、确保株高不小于2.5 m，将灌木的冠幅控制在1 m以内、株高为0.6～1 m、各株灌木枝条数量不小于15枝[3]。例如选取樟子松沿道路内侧以6 m的间距种植，在紧邻樟子松1.5～2 m处选取刺槐以6 m的间距进行种植，并在两排乔木间搭配灌木，注意调整好株间距，以此营造良好的道路景观效果、达到美化环境的作用。

2) 坡面复绿技术

在丰富边坡生态整治工程技术措施的基础上，应当聚焦生态培植维度进行深入探索。例如针对坡度为55°以上的坡面，可采用植被混凝土挂网喷播技术，先完成坡面清理、填平与冲洗，再利用镀锌铁丝网锚固在坡面构成稳定结构，将植物种子、土壤、水等种植材料以合理配比利用高压喷播机喷播在岩石表面，用于恢复地貌景观；针对高陡岩质坡面，可选取坡脚、台阶处设置种植槽，将预先培养好的容器苗移植在坡面处，利用坡面罩网牵引藤本植物生长，结成速藤屏；还可以采用生态植被毯技术，利用特殊工艺制成三维复合草毯，依托植物纤维层发挥保水保肥作用，形成良性生态循环，借此有效在边坡坡面形成植物复合体、抵抗雨水冲刷，收获良好的生态修复效果。