陳小龍，張連科，王云峰，楊茹珍，安亞鵬

(甘肅省科學院地質(zhì)自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000)

我國矸石排放量已達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。全國現(xiàn)有矸石山1600余座，累計存量約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、密實性不定，導致矸石山的穩(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)濟社會的快速發(fā)展，人類活動規(guī)模和范圍在不斷擴大，使矸石山失穩(wěn)的可能性趨勢增加，不僅影響煤礦的安全生產(chǎn)和正常運行，而且擾動周圍的生態(tài)環(huán)境，甚至影響周邊設施和人民生命財產(chǎn)安全。

國內(nèi)外對矸石(渣)場穩(wěn)定性的研究多對矸石(渣)場邊坡的穩(wěn)定性進行科學評價，通過改變矸石(渣)場邊坡的幾何形態(tài)，結(jié)合邊坡排水工程和相應的邊坡加固措施對其進行治理。而邊坡的穩(wěn)定性研究19世紀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)場為例，基于矸石(渣)場及周邊地質(zhì)環(huán)境的現(xiàn)場調(diào)查和無人機精準測繪，從矸石(渣)場選址、矸石(渣)場邊坡、矸石(渣)場現(xiàn)有水保工程有效性3個方面，采用“定性分析為主，定量計算為輔”的方法，進行矸石(渣)場穩(wěn)定性綜合分析評估。

1 自然地理與地質(zhì)環(huán)境

2 矸石(渣)場形狀及邊坡特征

2.1 矸石(渣)場型態(tài)特征

研究區(qū)矸石(渣)場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級矸石(渣)場。后期經(jīng)過水土保持工程治理，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)場邊坡特征

研究區(qū)矸石(渣)場根據(jù)堆積和分級特征劃分為3處邊坡，編號為X1、X2、X3。

X1位于矸石(渣)場南側(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，地勢較平坦，局部見拉張裂縫；坡體西南段發(fā)育多條水蝕沖溝，坡比1∶1.19，南段分2級，1級坡高20m，坡比1∶1.54，平臺寬5m，邊緣種植景觀樹種，2級坡高15.6m，坡比1∶2；坡腳為自然溝道、荒坡、儲煤場和管理房等設施，西南段設漿砌石擋墻。

X2位于矸石(渣)場西北側(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，地勢較平坦，植被覆蓋率20%；坡體見1條水蝕沖溝，矸石(渣)裸露；坡腳處為自然沖溝和荒坡，設漿砌石擋墻，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78～159m，坡高40～65m。坡肩為堆積平臺，地勢較平坦；坡體分3級，1級坡高17.6～30m，坡比1∶2～1∶2.4，平臺寬4～32m，2級坡高9.5～15m，坡比1∶1.9～1∶2，平臺寬5.5～24m，設魚鱗坑栽植景觀樹種，局部設有菱形格構(gòu)護坡，3級坡高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，設漿砌石擋墻和排水溝(圖1)。

圖1 矸石(渣)場X1、X2、X3邊坡剖面示意圖

3 矸石(渣)場變形特征及其原因分析

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

西南側(cè)淺層滑動和下錯是矸石(渣)自然下沉導致；西北側(cè)擋墻斷裂是坡腳處為自然溝道，溝道長時間沖刷、掏蝕擋墻基礎，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時間處于疏松狀態(tài)，未經(jīng)壓實，加之頂部平臺存在局部匯水地形，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)場失穩(wěn)破壞將威脅南側(cè)儲煤場和管理房、東側(cè)南采區(qū)污水處理站和部分民宿，對以上構(gòu)(建)筑物造成不同程度的損壞，甚至威脅人民生命財產(chǎn)安全。

4 矸石(渣)場現(xiàn)有水土保持設施

經(jīng)現(xiàn)場勘查，矸石(渣)場現(xiàn)有水土保持設施為擋墻、護坡、排水、覆土綠化等。

擋墻：西側(cè)坡腳布設180m，西北側(cè)坡腳布設190m，東側(cè)和東北側(cè)坡腳布設260m，總長630m。采用重力直立式漿砌石擋墻，M7.5塊石75號水泥砂漿砌筑，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100mm排水孔。

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

排水：布設于東北側(cè)和東側(cè)坡角處，長度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種。

5 矸石(渣)場穩(wěn)定性評估方法

5.1 矸石(渣)場場址穩(wěn)定性

據(jù)調(diào)查，矸石(渣)場原址為黃土梁峁，遭受長時間侵蝕和周圍工程建設取土開挖，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)造形跡復雜，主體受北西西向的斷裂、褶皺控制，無天然滑坡、泥石流、采空塌陷等地質(zhì)災害影響區(qū)，棄渣活動一般不會引發(fā)或加劇周圍地質(zhì)災害的發(fā)生，地震烈度為VII度，地震動峰值加速度為0.15g，場址基本穩(wěn)定[6- 8]。

5.2 矸石(渣)場邊坡穩(wěn)定性

5.2.1定性評估

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)主要取決于散體動摩擦效應，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)災害危險性評估規(guī)程》中的斜坡穩(wěn)定性野外判別依據(jù)，從矸石(渣)場邊坡的坡度、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)果見下(表1)。

5.2.2定量計算

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，表層強風化，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，使用簡化Bishop法計算穩(wěn)定性。參考GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，計算公式如下[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條塊滑動面的長度，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》(第五版)、

GB 50330—2013，經(jīng)過參數(shù)反演計算取得物理力學參數(shù)見表2。

(2)工況選擇

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

(3)計算結(jié)果

邊坡安全系數(shù)根據(jù)GB 51018—2014《水土保持工程設計規(guī)范》，正常運用狀況取1.25，非正常運用狀況取1.05。采用軟件Slide5.0計算穩(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)場邊坡穩(wěn)定性定性判斷

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

5.3 矸石(渣)場水保工程有效性

水保工程措施對矸石(渣)場的穩(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)場漿砌石擋墻基本完整，唯西北側(cè)局部斷裂。

根據(jù)《開發(fā)建設項目水土保持技術(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)查與勘測標準》對矸石(渣)場漿砌石擋墻進行驗算，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)場穩(wěn)定性綜合評估

矸石(渣)場穩(wěn)定性綜合評估，從矸石(渣)場場址的穩(wěn)定性、矸石(渣)場邊坡的穩(wěn)定性(定性分析+定量計算)、矸石(渣)場水保工程的有效性，采取“定性分析為主，定量分析為輔”的原則，綜合評估矸(渣)石場的穩(wěn)定性，具體見表4。

圖2 矸石(渣)場3條邊坡穩(wěn)定性計算云圖

6 整治措施建議

(1)堅持“長期監(jiān)測”，采取定期人工監(jiān)測方式，雨季加密監(jiān)測頻率。

(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，坡肩布設截排水措施。

(3)西北側(cè)坡腳漿砌石擋墻建議按照設計規(guī)范修補，坡腳布設排水措施。

(4)坡面水蝕沖溝建議覆土填平。

表3 矸石(渣)場邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

表4 矸石(渣)場穩(wěn)定性綜合評估一覽表

7 結(jié)論

(1)研究區(qū)矸石(渣)場目前已結(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級矸石(渣)場，已布設水土保持工程措施。矸石(渣)場出現(xiàn)以下變形現(xiàn)象：西南側(cè)坡肩發(fā)育拉張裂縫，出現(xiàn)下錯和淺層滑動，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)場失穩(wěn)破壞將威脅南側(cè)儲煤場和管理房、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產(chǎn)安全。

(2)通過結(jié)合矸石(渣)場場址的穩(wěn)定性、矸石(渣)場邊坡的穩(wěn)定性、矸石(渣)場水保工程的有效性三者綜合評估，結(jié)果顯示矸(渣)石場整體基本穩(wěn)定，西南側(cè)和西北側(cè)邊緣局部不穩(wěn)定。為矸石(渣)場治理項目水土保持設施驗收工作提供地質(zhì)技術(shù)依據(jù)。

(3)鑒于矸石(渣)場的穩(wěn)定性評估結(jié)果，為了降低矸石(渣)場的風險，指導矸石(渣)場后續(xù)整治，首先堅持“長期監(jiān)測”，尤其雨季加密監(jiān)測頻率，其次消除變形隱患，避免災害發(fā)生，保障矸石(渣)場周圍環(huán)境和人民生命財產(chǎn)安全。