李 成

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西西安 710054)

0 引言

陜西省韓城市是陜西煤炭資源渭北煤礦老采區(qū)的重要組成部分，煤炭開采歷史悠久。韓城市下峪口廢棄群采煤礦區(qū)地處桑樹坪礦區(qū)和下峪口礦區(qū)交接及邊緣地帶，由于歷史原因，偷采濫采嚴重，導致礦山地質(zhì)環(huán)境破壞非常嚴重，地貌景觀被破壞、采礦棄渣廢石占用破壞土地、礦山地質(zhì)災害等問題極為突出，已嚴重威脅礦區(qū)下游群眾安全，也嚴重制約著韓城的經(jīng)濟發(fā)展。該礦山環(huán)境地質(zhì)問題屬歷史遺留問題，治理責任主體滅失，2010年由韓城市國土資源局申報，經(jīng)國家財政部、國土資源部批準作為2010年度礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理重點工程，筆者有幸對該項目進行了治理方案的設計，針對該地的礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，在對礦山地質(zhì)環(huán)境問題進行評價的基礎(chǔ)上，運用數(shù)字地面模型(DTM)及其它工程理論，設計制定了科學合理的恢復治理方案。

1 研究區(qū)概況

下峪口群采煤礦區(qū)位于陜西省韓城市桑樹坪鎮(zhèn)、龍門鎮(zhèn)，是20世紀80、90年代個人或集體小煤窯的集中開采區(qū)，也是非法開礦、亂采濫挖、盜竊煤炭資源的滋生地［1］。瘋狂無序地開采不僅造成資源大量浪費，在下峪口溝內(nèi)排放了22處約89.3×104m3棄渣矸石，生態(tài)環(huán)境嚴重惡化，泥石流等地質(zhì)災害隱患突出。后經(jīng)多次治理整頓，關(guān)閉了大量非法開采小煤窯，導致礦權(quán)更迭、治理責任主體滅失，形成了大量的歷史遺留問題。(圖1、圖2)。

2 治理方案比選［2］

方案一:廢渣降坡、清運、主溝道廢渣填充+排洪渠+覆土綠化

圖1 研究區(qū)現(xiàn)狀Fig.1 Study area conditions

圖2 上峪口廢渣堆分布示意圖Fig.2 Shangyukou slag heap distribution diagram

首先對主溝道及支溝內(nèi)廢渣堆進行降坡。根據(jù)渣堆實際情況確定降坡最終坡度。降坡所產(chǎn)生的廢渣集中堆放到主溝道中下游低洼地帶，按照設計的5.5%坡降進行推平碾壓，然后在主溝道內(nèi)修筑一條漿砌石排洪明渠，增大主溝道排水力度。最后進行覆土綠化，降坡后廢渣堆上種植矮冬麥，主溝道內(nèi)填充整平碾壓后的廢渣堆上種植楊槐，達到安全和生態(tài)效應并舉的效果。

方案二:主溝道中下游攔渣壩、支溝攔渣壩+排洪渠+擋渣墻+護坡+覆土綠化

在下峪口溝中游及溝口各修筑一道漿砌石透水攔渣壩，在兩條較大支溝口也各設兩座攔渣壩。主溝道內(nèi)修建排洪渠，加大溝道排洪力度，對主溝道排洪渠兩側(cè)渣堆進行下部擋墻支護，渣堆表面進行漿砌石護坡，然后在上部覆土種草綠化。

方案一的優(yōu)點是采取了移動、填充、壓實廢渣的方法，高陡廢渣堆不復存在，操作簡單易行，工程質(zhì)量容易保障，結(jié)合排洪渠的修筑，能從根本上消除礦山地質(zhì)環(huán)境問題對下游群眾的威脅，另外該方案采取綜合治理的措施，工程措施和生物措施并舉，生態(tài)效益十分顯著，恢復了大片林、草地，能徹底改善該治理區(qū)的生態(tài)環(huán)境面貌。另外工程造價方面，方案一工程總造價低于方案二工程造價。

方案二是近年來礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程的主要模式之一，以攔截為主，能夠從一定程度上減小廢渣泥石流隱患對下游群眾安全的威脅。但缺點是綜合治理效益不明顯，支溝及主溝道的廢渣堆依舊裸露在外，生物措施很少，恢復綠地面積太小，另外如果工程施工質(zhì)量無法保證，易導致攔渣壩損壞從而對下游群眾造成更加嚴重的威脅。

綜合比選，方案一優(yōu)于方案二。

3 治理方案設計

3.1 廢渣堆穩(wěn)定性評價及降坡

對廢渣堆進行穩(wěn)定性評價，目前最常用的方法為極限平衡理論，即假定邊坡土體有若干滑裂面，把滑裂面以上土體分成若干垂直土條，然后計算平衡狀態(tài)下土體的安全系數(shù)［3］。計算方法有瑞典條分法以及畢肖普法，瑞典條分法是假定滑動土體為不變形的剛體，且不考慮土條側(cè)向應力，而畢肖普法是考慮了土條的側(cè)向應力，并假定各土條底部的抗滑安全系數(shù)相同，顯然對于松散堆積的廢渣來說，畢肖普法的假定條件更接近實際情況，計算結(jié)果更為準確。

考慮水的作用計算公式如下［4］:

式中:c'——飽和狀態(tài)下的粘聚力(kPa);

c——天然粘聚力(kPa);

φ'——飽和狀態(tài)下的有效內(nèi)摩擦角(°);

φ——天然內(nèi)摩擦角(°);

θi——土條底面中點法線與豎直線交角(°);

wi——第 i條土條重度(kN/m3);

γ——土條容重(kN/m3);

h——土條高度(m);

b——土條寬度(m);

uib——孔隙水壓力。

據(jù)研究區(qū)勘察報告，下峪口溝廢渣堆基本計算參數(shù)見表1。

表1 廢渣堆穩(wěn)定性計算參數(shù)Table 1 Slag heap stability calculation parameters

使用理正巖土計算軟件，采用折線形、簡化畢肖普法，不考慮地震作用，按不考慮水的作用和考慮水的作用兩種工況，自動搜索最危險滑動面法計算各廢渣堆的穩(wěn)定性系數(shù)(表2)。結(jié)果表明，各廢渣堆在干燥狀態(tài)下較穩(wěn)定，但接近極限平衡狀態(tài)，在飽水狀態(tài)下大多數(shù)不穩(wěn)定，最危險滑動面均位于廢渣堆斜坡上部，說明在強降雨、連陰雨條件下，各廢渣堆發(fā)生局部或整體下滑的危險性很大。

據(jù)治理區(qū)勘察報告，在現(xiàn)場實測天然濕度下廢渣邊坡坡角38°處，實測廢渣堆的平均天然休止角為:水上36°，水下 32°。其穩(wěn)定角度一般為 36°～38°，最大 40°，平均 37°。

表2 廢渣堆穩(wěn)定性計算成果表Table 2 Slag heap stability calculation results table

根據(jù)不同廢渣堆上不同剖面線穩(wěn)定性計算結(jié)果，最危險面位于廢渣堆斜坡上部，因此對廢渣堆進行削方是最合理的邊坡治理方法。削方降坡結(jié)果見表3。

表3 廢渣堆降坡設計結(jié)果Table 3 Slag heap downslope design results

3.2 利用數(shù)字地面模型對主溝道填充廢渣

按照治理方案一，將主溝道及支溝內(nèi)廢渣堆削坡所產(chǎn)生的廢渣運送到主溝道中下游，按照一定坡降面，填充到主溝道內(nèi)。填充方量計算方法采用數(shù)字地面模型(DTM)。

數(shù)字地面模型(DTM)是20世紀50年代由美國麻省理工學院C.L.Miller提出來的一個概念，是對地形起伏形態(tài)的數(shù)字表達，代表著地形特征的空間分布，它由對地形表面取樣所得到的，并按一定結(jié)構(gòu)組織在一起的一組點的平面位置和高程數(shù)據(jù)以及一套對地面進行連續(xù)表示的算法所組成。數(shù)字地面模型和計算機技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)在測繪、農(nóng)林、規(guī)劃、土木水利工程、地學分析等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應用［5］。

土方量的計算本質(zhì)上屬于一個立體幾何的體積計算問題［6］。計算之前需用全站儀等測量工具采集計算區(qū)域的離散點三維位置信息(X，Y，Z)，然后將最鄰近的三個點連接成最貼近原始地形表面的三角形，然后以這個三角形的每條邊搜索最鄰近的另外一個離散點組成另外的三角形，由此類推逐步形成TIN三角剖分網(wǎng)格，建立起原始地面的數(shù)字地面模型。然后通過事先確定好的沿著主溝道方向布置的勘探剖面，按照一定傾斜率確定填方預期面的“頂高程”，和數(shù)字地面模型所確定的“底高程”相減［7］，據(jù)此就能計算出每個三角網(wǎng)格填方量。計算數(shù)學表達式如下:

h1、h2、h3——分別為三角網(wǎng)格三個頂點距離填方預期面的高度(m);

A——三棱柱的底面積(m2);

T——填方量(m3)。

本次設計的原始樣點數(shù)據(jù)為實測地形高程控制點，詳細勘察時，沿主溝道縱向布置了一條勘探剖面(圖3)。首先確定剖面上每個勘探點的填方高度，任意兩個勘探點之間的填方高度使用線性內(nèi)插法計算，結(jié)果見表4。

圖3 主溝道探井位置示意圖Fig.3 Main ditch exploratory well location schematic diagram

表4 主溝道剖面填方高度Table 4 Main ditch profiles filling height

為了計算簡便，在構(gòu)造完成數(shù)字地面模型之后，常將地面劃分為正方形網(wǎng)格，當邊長足夠小時，可以近似的認為每個正方形網(wǎng)格和數(shù)字地面模型之間是一規(guī)則的長方體，通過計算長方體的體積就能計算出整個填充區(qū)域的開挖或填充方量［8］。

式中:

T——填方量(m3);

A——剖分正方形網(wǎng)格的底面積(m2);

h——(x、y)點的填方高度(m)。

利用CASS7.1軟件數(shù)字地面模型計算土方量的計算截圖(圖4)。

圖4 DTM法計算土方截圖Fig.4 DTM method of filling screenshots

通過單個方格網(wǎng)填充方量的計算，最終自動統(tǒng)計整個溝道需要填充的廢渣方量，廢渣填充后需機械壓實，防止暴雨沖刷造成流失。

3.3 排洪渠設計

下峪口溝地形復雜，山勢陡峭，溝谷深切，海拔高度410～850m，相對高差200～400m，屬低山侵蝕構(gòu)造地貌。上游支溝縱坡降40‰～150‰，兩側(cè)山坡坡度20°～40°，局部可達60°以上，坡面第四系覆蓋層厚度小，植被稀少，巖石大面積裸露地表，坡體持水性差，上游匯水面積約6.48km2，在強降雨條件下，雨水幾乎全部匯流于溝谷中，極易暴發(fā)山洪，據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》［9］5.2.3條和附錄G判斷，下峪口溝屬于特大型泥石流隱患溝，易發(fā)程度高。因此，需要在主溝道設計一條排洪渠，增大排水力度，防止雨水聚集沖刷攜帶廢渣成災。

根據(jù)水力最優(yōu)梯形斷面的水力半徑R為水深h的一半原理［10］，既R=1/2×h，排洪渠設計斷面過流量及流速計算公式如下:

式中:

Q——過流量(m3/s);

W——過水斷面面積(m2);

C——流速系數(shù)(m/s);

R——水力半徑(m);

n——糙率系數(shù)，抹光的水泥抹面取 0.012［11］;

i——水力坡降取 55‰。

根據(jù)計算結(jié)果，當溝底排水渠斷面為梯形，底寬2m，高2m，上口寬4m時，過流量為111.5m3/s。

根據(jù)《泥石流災害防治工程設計規(guī)范》(DZ/T0239-2006)表 2-1 和表 2-2［12］，礦山地質(zhì)環(huán)境治理主體工程安全等級為二級，降雨強度按50a一遇考慮。根據(jù)《滑坡防治工程設計與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219-2006)，設計頻率地表水匯流量按下式計算:

式中:

QP——設計頻率地表水匯流量(m3/s);

φ——徑流系數(shù)，根據(jù)《渭南地區(qū)實用水文手冊》查取，φ=0.94;

SP——設計降雨強度(mm/h);50a一遇取30.0mm/h，100a一遇取 45.0mm/h;

F——匯水面積(km2)。

計算結(jié)果表明，設計按50a一遇最大洪水流量為98m3/s＜111.5 m3/s(實際最大過流量)，滿足最大排洪需求。因此，下峪口溝排洪渠設計規(guī)格如下:底寬2m，高2m，上口寬4m，兩側(cè)壁坡度1∶0.5，采用M7.5漿砌石砌筑，砌筑厚度0.5m，兩側(cè)壁用M10水泥砂漿勾分，渠底用M10水泥砂漿抹面，減小流通阻力。

3.4 覆土綠化設計［13］

礦山綠化工程設計要采取“喬木為主，喬、灌、草、藤相結(jié)合”的方式進行［14］，廢渣堆降坡后達到自然穩(wěn)定狀態(tài)，在其上覆土可撒播草籽，參考韓城市其它地區(qū)治理經(jīng)驗，最適宜該地區(qū)的草種為矮冬麥，耐寒、生命力強，固土效果好，由于治理區(qū)土源較少，因此覆土厚度不宜過厚，參考其它治理區(qū)經(jīng)驗以10cm最為適宜。

主溝道填充完畢后形成平整的自然斜面，為了固定廢渣及恢復地貌景觀，設計在其上種植洋槐樹，洋槐性耐旱，耐寒，喜陽光，稍耐陰，在低洼積水處生長不良，深根，對土壤要求不嚴，較耐瘠薄，是半干旱地區(qū)較好的綠化樹種，為了節(jié)省土源，設計采用坑狀點播的方式進行種植，即按照2m×2m的間距開挖直徑為30cm的圓形坑，深度為30cm，點狀填充黃土，在其中種植洋槐苗，樹苗選用健康平直，長短在1～2m之間為適宜。

圖5 坑穴法種植洋槐Fig.5 Pits method of planting acacia

4 結(jié)論

(1)方案采取最優(yōu)化設計，進行了方案比選，按照工程施工難度、工程造價、治理效果等進行綜合比較，最終確定廢渣降坡、清運、主溝道廢渣填充+排洪渠+覆土綠化的方案為最優(yōu)治理方案。

(2)廢渣性泥石流隱患的治理，應該因地制宜的制定合理的設計方案，不能一味的采取擋、截措施，如果工程質(zhì)量不達標或者遇到超過設計標準的各種工況，治理工程主體本身可能成為新的災害源頭?？茖W合理的泥石流防治方案和減災技術(shù)是建立在正確了解泥石流的基礎(chǔ)上。本文采用廢渣堆降坡就地填充到主溝道內(nèi)的作法無疑是較經(jīng)濟、環(huán)保、科學的一種恢復治理方法。

(3)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程要充分考慮地形地貌景觀的恢復［15］，本次設計采用林草結(jié)合的方式進行了綠化工程設計，可以極大的改觀當?shù)氐牡匦蔚孛簿坝^，恢復綠地，最大限度的恢復原有的生態(tài)景觀。

［1］陜西核工業(yè)工程勘察院.陜西省韓城市桑樹坪—下峪口廢棄群采煤礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境重點治理工程勘察報告［R］.2011.Shaanxi Nuclear Industry Engineering Investigation Institute.The survey report of mine geological environment treatment project of the waste group coal mining area in Sangshuping-Xiayukou in Hancheng city of Shaanxi Province［R］.2011.

［2］陜西核工業(yè)工程勘察院.陜西省韓城市桑樹坪—下峪口廢棄群采煤礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境重點治理工程初步設計［R］.2012.Shaanxi Nuclear Industry Engineering Investigation Institute.The preliminary design of mine geological environment treatment project of the waste group coal mining area in Sangshuping-Xiayukou in Hancheng city of Shaanxi Province［R］.2011.

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［10］DZ/T0219-2006，滑坡防治工程設計與施工技術(shù)規(guī)范［S］.DZ/T 0219-2006，The design and construction technical specification of the landslide prevention project［S］.

［11］劉俊發(fā).混凝土襯砌渠道糙率系數(shù)估算方法［J］.東北水利水電，2011(9).LIU Junfa.The method of estimating roughness coefficient ofconcrete lining channel［J］.NortheastWater Conservancy and Hydropower，2011(9).

［12］DZ/T0239-2006，泥石流災害防治工程設計規(guī)范［S］.DZ/T 0239-2006，Design specifications of the debris flow disaster prevention engineering［S］.

［13］開發(fā)建設項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范(SL204-98).中華人民共和國水利部，1998.The technical specifications of soil and water conservation scheme in development and construction project(SL 204-98).The ministry of water resources of the People's Republic of China，1998.

［14］譚林.廢棄礦山植被恢復模式初探［J］.中國林業(yè)，2007(21).TAN Lin.The preliminary explore of vegetation restoration model of the abandoned mine［J］.China forestry，2007(21).

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