基于水保設(shè)施驗(yàn)收的矸石(渣)場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估分析

陳小龍，張連科，王云峰，楊茹珍，安亞鵬

(甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730000)

我國(guó)矸石排放量已達(dá)70億噸，占地約70km2，以1.5億噸排放量1年的速度增加[1]，而矸石的綜合利用率不到矸石排放量的15%，剩余矸石多采用圓錐式或溝谷傾倒式自然松散地堆積于礦區(qū)周邊，形成不規(guī)則的矸石山。全國(guó)現(xiàn)有矸石山1600余座，累計(jì)存量約50億噸，且每年均有增加[2- 3]。構(gòu)成矸石山的矸石散體屬于不連續(xù)介質(zhì)，且其排列不規(guī)則、密實(shí)性不定，導(dǎo)致矸石山的穩(wěn)定性變化以塑性流變?yōu)橹鳎€(wěn)定性普遍較差[4]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)規(guī)模和范圍在不斷擴(kuò)大，使矸石山失穩(wěn)的可能性趨勢(shì)增加，不僅影響煤礦的安全生產(chǎn)和正常運(yùn)行，而且擾動(dòng)周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境，甚至影響周邊設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

國(guó)內(nèi)外對(duì)矸石(渣)場(chǎng)穩(wěn)定性的研究多對(duì)矸石(渣)場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，通過(guò)改變矸石(渣)場(chǎng)邊坡的幾何形態(tài)，結(jié)合邊坡排水工程和相應(yīng)的邊坡加固措施對(duì)其進(jìn)行治理。而邊坡的穩(wěn)定性研究19世紀(jì)70年代初期提出的破壞概率分析法和數(shù)值分析法，在分析邊坡應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性態(tài)的手段中，以有限元法最為理想，而后又相繼出現(xiàn)了邊界元法、FLAC法、離散元法、塊體理論(BT)和不連續(xù)變形分析(DDA)等數(shù)值分析法[4]。

研究區(qū)以甘肅某煤礦矸石(渣)場(chǎng)為例，基于矸石(渣)場(chǎng)及周邊地質(zhì)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)測(cè)繪，從矸石(渣)場(chǎng)選址、矸石(渣)場(chǎng)邊坡、矸石(渣)場(chǎng)現(xiàn)有水保工程有效性3個(gè)方面，采用“定性分析為主，定量計(jì)算為輔”的方法，進(jìn)行矸石(渣)場(chǎng)穩(wěn)定性綜合分析評(píng)估。

1 自然地理與地質(zhì)環(huán)境

2 矸石(渣)場(chǎng)形狀及邊坡特征

2.1 矸石(渣)場(chǎng)型態(tài)特征

研究區(qū)矸石(渣)場(chǎng)原地形地貌為黃土梁峁，矸石沿梁峁邊緣自下而上堆積，堆積型式為坡地型，堆渣型態(tài)為多峁型，目前已結(jié)束堆填，占地面積17.82hm2，堆積量396.58×104m3，堆積高度35～65m，堆積邊坡坡度25°～40°，為3級(jí)矸石(渣)場(chǎng)。后期經(jīng)過(guò)水土保持工程治理，形成近似“心”型的堆積山丘，表面覆蓋填土，堆積頂部平臺(tái)覆土厚度30cm，坡面覆土厚度50cm，目前覆土已結(jié)皮，產(chǎn)生了水土保持防治效果。

2.2 矸石(渣)場(chǎng)邊坡特征

研究區(qū)矸石(渣)場(chǎng)根據(jù)堆積和分級(jí)特征劃分為3處邊坡，編號(hào)為X1、X2、X3。

X1位于矸石(渣)場(chǎng)南側(cè)邊緣，平面近“勺”型，剖面呈“凸”型，傾向160°～250°，坡寬290m，坡高37～55m。坡肩為堆積平臺(tái)，地勢(shì)較平坦，局部見(jiàn)拉張裂縫；坡體西南段發(fā)育多條水蝕沖溝，坡比1∶1.19，南段分2級(jí)，1級(jí)坡高20m，坡比1∶1.54，平臺(tái)寬5m，邊緣種植景觀樹(shù)種，2級(jí)坡高15.6m，坡比1∶2；坡腳為自然溝道、荒坡、儲(chǔ)煤場(chǎng)和管理房等設(shè)施，西南段設(shè)漿砌石擋墻。

X2位于矸石(渣)場(chǎng)西北側(cè)邊緣，呈近南北走向，平面近直線型，剖面呈“凸”型，傾向270°，坡寬140m，坡高35～48m，坡比1∶1.19。坡肩為堆積平臺(tái)，地勢(shì)較平坦，植被覆蓋率20%；坡體見(jiàn)1條水蝕沖溝，矸石(渣)裸露；坡腳處為自然沖溝和荒坡，設(shè)漿砌石擋墻，局部發(fā)生斷裂。

X3位于矸石(渣)東側(cè)邊緣，呈近南北走向，平面近直線型，剖面呈折線型，傾向40°～80°，坡寬330m，坡長(zhǎng)78～159m，坡高40～65m。坡肩為堆積平臺(tái)，地勢(shì)較平坦；坡體分3級(jí)，1級(jí)坡高17.6～30m，坡比1∶2～1∶2.4，平臺(tái)寬4～32m，2級(jí)坡高9.5～15m，坡比1∶1.9～1∶2，平臺(tái)寬5.5～24m，設(shè)魚(yú)鱗坑栽植景觀樹(shù)種，局部設(shè)有菱形格構(gòu)護(hù)坡，3級(jí)坡高14～15m，坡比1∶1.2；坡腳處為南采區(qū)污水處理站及部分民房，設(shè)漿砌石擋墻和排水溝(圖1)。

圖1 矸石(渣)場(chǎng)X1、X2、X3邊坡剖面示意圖

3 矸石(渣)場(chǎng)變形特征及其原因分析

據(jù)調(diào)查，矸石(渣)場(chǎng)存在局部變形痕跡：矸石(渣)場(chǎng)西南側(cè)坡肩發(fā)育拉張裂縫，約6組，已出現(xiàn)下錯(cuò)和淺層滑動(dòng)，裂縫寬5～30cm，裂縫最長(zhǎng)40m，下錯(cuò)高度30～50cm；坡面發(fā)育多條水蝕沖溝，零星出露矸石(渣)。矸石(渣)場(chǎng)西北側(cè)坡腳擋墻局部斷裂，斷裂長(zhǎng)度約12m；坡面發(fā)育1條水蝕沖溝，沖溝長(zhǎng)約38m，寬約0.5m，深約0.5m，由坡頂直達(dá)坡腳。

西南側(cè)淺層滑動(dòng)和下錯(cuò)是矸石(渣)自然下沉導(dǎo)致；西北側(cè)擋墻斷裂是坡腳處為自然溝道，溝道長(zhǎng)時(shí)間沖刷、掏蝕擋墻基礎(chǔ)，致其坍塌，破壞墻身，已失去擋墻效果；水蝕沖溝均因坡面表層土體長(zhǎng)時(shí)間處于疏松狀態(tài)，未經(jīng)壓實(shí)，加之頂部平臺(tái)存在局部匯水地形，降雨期間形成匯流，沿坡面向下沖刷，最終出現(xiàn)水蝕沖溝。

矸石(渣)場(chǎng)失穩(wěn)破壞將威脅南側(cè)儲(chǔ)煤場(chǎng)和管理房、東側(cè)南采區(qū)污水處理站和部分民宿，對(duì)以上構(gòu)(建)筑物造成不同程度的損壞，甚至威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

4 矸石(渣)場(chǎng)現(xiàn)有水土保持設(shè)施

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，矸石(渣)場(chǎng)現(xiàn)有水土保持設(shè)施為擋墻、護(hù)坡、排水、覆土綠化等。

擋墻：西側(cè)坡腳布設(shè)180m，西北側(cè)坡腳布設(shè)190m，東側(cè)和東北側(cè)坡腳布設(shè)260m，總長(zhǎng)630m。采用重力直立式漿砌石擋墻，M7.5塊石75號(hào)水泥砂漿砌筑，外側(cè)用1∶3水泥砂漿勾凹縫，頂部用1∶3水泥砂漿照面，厚度50mm，設(shè)100mm排水孔。

護(hù)坡：布設(shè)于東側(cè)坡面，面積1746m2。采用菱形格構(gòu)護(hù)坡，C20混凝土預(yù)制，規(guī)格一般1.5×1.5m，傾斜角度為45°。

排水：布設(shè)于東北側(cè)和東側(cè)坡角處，長(zhǎng)度225m。采用“矩型”排水溝，規(guī)格一般0.5×0.7m厚0.2m。

覆土綠化：堆積平臺(tái)覆土厚度50cm，坡面覆土厚度30cm，總覆土量21000m3；東側(cè)坡面綠化面積11450m2，采用穴狀整治或栽植景觀樹(shù)種。

5 矸石(渣)場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)估方法

5.1 矸石(渣)場(chǎng)場(chǎng)址穩(wěn)定性

據(jù)調(diào)查，矸石(渣)場(chǎng)原址為黃土梁峁，遭受長(zhǎng)時(shí)間侵蝕和周?chē)こ探ㄔO(shè)取土開(kāi)挖，地形破碎，黃土裸露，形成孤立、不連續(xù)的黃土殘丘。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡復(fù)雜，主體受北西西向的斷裂、褶皺控制，無(wú)天然滑坡、泥石流、采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害影響區(qū)，棄渣活動(dòng)一般不會(huì)引發(fā)或加劇周?chē)刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，地震烈度為VII度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，場(chǎng)址基本穩(wěn)定[6- 8]。

5.2 矸石(渣)場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性

5.2.1定性評(píng)估

煤矸石(渣)邊坡體的坡面是被排棄的矸石散體在自重作用下形成的，形態(tài)主要取決于散體動(dòng)摩擦效應(yīng)，自然休止角取區(qū)間值38°～42°[11]。依據(jù)DB 62/T1792—2009甘肅省《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)程》中的斜坡穩(wěn)定性野外判別依據(jù)，從矸石(渣)場(chǎng)邊坡的坡度、坡肩、坡體、坡腳特征等要素，結(jié)合休止角，定性判斷邊坡X1、X2、X3的穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)下(表1)。

5.2.2定量計(jì)算

據(jù)調(diào)查，矸石(渣)具有碎石土特征，膠結(jié)程度低，結(jié)構(gòu)破碎，表層強(qiáng)風(fēng)化，遇水易軟化，顆粒大小不一，排列方式不規(guī)則。研究采取極限平衡法，使用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算穩(wěn)定性。參考GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，計(jì)算公式如下[12]：

式中，F(xiàn)S—邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；Ci—第i條塊滑面的粘聚力，kPa；φi—第i條塊滑面的內(nèi)摩擦角，(°)；li—第i條塊滑動(dòng)面的長(zhǎng)度，m；θi—第i條塊滑面傾角，(°)；Gi—第i條塊自重，kN/m；Ui—第i條塊滑面單位寬度總水壓力，kN/m；Gbi—第i條塊單位寬度豎向附加荷載，kN/m；Qi—第i條塊單位寬度水平荷載，kN/m；γω—水重度，kN/m，取10kN/m3；n—條塊數(shù)量。

(1)參數(shù)選擇

依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第五版)、

GB 50330—2013，經(jīng)過(guò)參數(shù)反演計(jì)算取得物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

(2)工況選擇

Ⅰ工況：自重+天然(正常運(yùn)用狀況)；Ⅱ工況：自重+飽水(非正常運(yùn)用狀況)；Ⅲ工況：自重+地震(非正常運(yùn)用狀況)，基本地震動(dòng)峰值加速度取0.15g。

(3)計(jì)算結(jié)果

邊坡安全系數(shù)根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，正常運(yùn)用狀況取1.25，非正常運(yùn)用狀況取1.05。采用軟件Slide5.0計(jì)算穩(wěn)定性(不考慮水保工程措施)，結(jié)果如下(表3、圖2)：

表1 矸石(渣)場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性定性判斷

表2 矸石(渣)場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)[8，12- 14]

5.3 矸石(渣)場(chǎng)水保工程有效性

水保工程措施對(duì)矸石(渣)場(chǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其漿砌石擋墻能起到抗傾覆和抗滑移效果。據(jù)調(diào)查，矸石(渣)場(chǎng)漿砌石擋墻基本完整，唯西北側(cè)局部斷裂。

根據(jù)《開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)取1.3，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)取1.5[8]。

依據(jù)GB/T 51297—2018《水土保持工程調(diào)查與勘測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)矸石(渣)場(chǎng)漿砌石擋墻進(jìn)行驗(yàn)算，得出擋墻的抗滑移系數(shù)為11.217>1.3，抗傾覆系數(shù)為2.654>1.5，均滿足安全穩(wěn)定需求。

5.4 矸石(渣)場(chǎng)穩(wěn)定性綜合評(píng)估

矸石(渣)場(chǎng)穩(wěn)定性綜合評(píng)估，從矸石(渣)場(chǎng)場(chǎng)址的穩(wěn)定性、矸石(渣)場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性(定性分析+定量計(jì)算)、矸石(渣)場(chǎng)水保工程的有效性，采取“定性分析為主，定量分析為輔”的原則，綜合評(píng)估矸(渣)石場(chǎng)的穩(wěn)定性，具體見(jiàn)表4。

圖2 矸石(渣)場(chǎng)3條邊坡穩(wěn)定性計(jì)算云圖

6 整治措施建議

(1)堅(jiān)持“長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)”，采取定期人工監(jiān)測(cè)方式，雨季加密監(jiān)測(cè)頻率。

(2)西南側(cè)坡肩滑移處按照規(guī)范要求削坡處理，消除坡肩易滑體，坡肩布設(shè)截排水措施。

(3)西北側(cè)坡腳漿砌石擋墻建議按照設(shè)計(jì)規(guī)范修補(bǔ)，坡腳布設(shè)排水措施。

(4)坡面水蝕沖溝建議覆土填平。

表3 矸石(渣)場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表4 矸石(渣)場(chǎng)穩(wěn)定性綜合評(píng)估一覽表

7 結(jié)論

(1)研究區(qū)矸石(渣)場(chǎng)目前已結(jié)束堆填，堆積量396.58×104m3，堆積高度35～65m，堆積邊坡坡度25°～40°，屬于3級(jí)矸石(渣)場(chǎng)，已布設(shè)水土保持工程措施。矸石(渣)場(chǎng)出現(xiàn)以下變形現(xiàn)象：西南側(cè)坡肩發(fā)育拉張裂縫，出現(xiàn)下錯(cuò)和淺層滑動(dòng)，坡面發(fā)育多條水蝕沖溝；西北側(cè)坡腳擋墻局部斷裂，坡面發(fā)育1條水蝕沖溝。矸石(渣)場(chǎng)失穩(wěn)破壞將威脅南側(cè)儲(chǔ)煤場(chǎng)和管理房、東側(cè)南采區(qū)污水處理站和部分民宿等構(gòu)(建)筑物，甚至威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

(2)通過(guò)結(jié)合矸石(渣)場(chǎng)場(chǎng)址的穩(wěn)定性、矸石(渣)場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性、矸石(渣)場(chǎng)水保工程的有效性三者綜合評(píng)估，結(jié)果顯示矸(渣)石場(chǎng)整體基本穩(wěn)定，西南側(cè)和西北側(cè)邊緣局部不穩(wěn)定。為矸石(渣)場(chǎng)治理項(xiàng)目水土保持設(shè)施驗(yàn)收工作提供地質(zhì)技術(shù)依據(jù)。

(3)鑒于矸石(渣)場(chǎng)的穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果，為了降低矸石(渣)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)矸石(渣)場(chǎng)后續(xù)整治，首先堅(jiān)持“長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)”，尤其雨季加密監(jiān)測(cè)頻率，其次消除變形隱患，避免災(zāi)害發(fā)生，保障矸石(渣)場(chǎng)周?chē)h(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。