王龍應山采石場地質環境治理研究

李 振

(安徽省核工業勘查技術總院,安徽 蕪湖 241003)

1 項目概況

礦區位于涇縣城區350°方向,直距約8 km,地貌屬侵蝕剝蝕低山丘陵。礦山開采方式、方法采用露天開采方式,開采方法為分臺階自上而下開采。礦山工程布局見圖1,包括露采場、排土場、工業場地、辦公生活區和礦山道路。經過多年開采,礦山開采破壞占用了大量的土地,造成植被和地貌景觀嚴重破壞,現狀地質環境惡劣。根據現狀調查,礦區形成了一較大的露天采坑,目前礦山處于停產狀態。

圖1 礦山工程布局圖

2 礦山地質環境問題分析

2.1 礦山地質環境現狀

治理區現狀見圖2,礦山開采破壞占用了大量的土地,造成植被和地貌景觀嚴重破壞,現狀地質環境惡劣。根據現狀調查,經過多年開采,礦區形成了一較大的露天采坑,采坑上盤長約535 m,寬約180 m,下盤長約428 m,寬約100 m。采坑頂部最高標高+164.08 m,底部最低標高+90.08 m。區內東北部現已形成+140 m、+128 m、+125 m、+123 m、+115 m五個平臺。

圖2 治理區影像圖

2.2 礦山地質環境問題

2.2.1 地貌景觀、生態環境破壞

治理區位于丘陵區,區內山巒起伏,綠樹盈盈,由于早期開礦活動,使原有地形地貌遭到嚴重破壞。礦業活動造成地貌景觀、生態環境的破壞與周邊優美的自然景觀極不協調[1-2]。

2.2.2 破壞土地資源

治理區采礦方式為露天開采,對土地資源產生挖損、壓占等破壞是不可避免的。露采場區域土壤、植被毀壞嚴重,喪失了種植的基本功能,土壤流失嚴重,容易發生沖溝、洪流災害。結合現場調查結果,治理工程區共挖損、壓占用的土地面積約7.564 7 hm2,損壞土地類型為灌木林地。

2.2.3 危巖體

區內東北采坑有2處危巖體,1號危巖體位于礦區東側,面積約55 m2,需清除平均厚度1 m左右。2號危巖體礦區西側面積188 m2,需清除平均厚度0.5 m左右。

2.3 邊坡穩定性分析

2.3.1 自然邊坡穩定性現狀分析與預測

組成礦區內自然斜坡的巖性主要為薄～厚層狀石灰巖巖組,巖石堅硬～較堅硬,力學強度較高。礦區內巖石風化中等,節理裂隙較發育,區域穩定性總體較好。自然斜坡坡度一般在15°～25°,礦區內未發現自然邊坡失穩現象,自然邊坡較穩定。

2.3.2 露采場邊坡穩定性分析

礦山開采已形成8個開采平臺。采場邊坡角一般55°～60°,局部大于60°,單邊坡高5～20 m。組成邊坡巖石為石灰巖。采場邊坡近地表巖石較破碎,局部節理裂隙較發育,采場邊坡傾向與地層傾向多為斜交,少部分為順向和逆向。采場邊坡均落于灰巖層位中,采用赤平投影法,分析各段邊坡的穩定性。根據邊坡特點,對東北和西南兩處采坑分別選取一段進行邊坡穩定性分析。

東北段邊坡(調查中心點坐標:X=3 402 727.89,Y=39 634 292.44)坡向為349°、坡度70°;巖層產狀傾向289°,傾角16°,節理產狀傾向270°,傾角33°;邊坡為順向坡,由于邊坡產狀較為平緩,巖性為中厚層灰巖,通過赤平投影圖分析得出層面穩定,節理穩定,交割線方向穩定,邊坡穩定。

西北段邊坡(調查中心點坐標:X=3 402 389.62,Y=39 634 065.12)坡向為160°、坡度55°;巖層產狀傾向289°,傾角16°,節理產狀傾向60°,傾角25°;邊坡為逆向坡,由于邊坡產狀較為平緩,巖性為中厚層灰巖,通過赤平投影圖分析得出層面穩定,節理穩定,交割線方向基本穩定,邊坡基本穩定(見圖3)。

圖3 赤平投影圖

礦區無復雜的地質構造,沒有大的斷裂及地層軟弱面,沒有異常的水文條件及地表水體等不利因素。第四系覆蓋層薄,結合邊坡穩定性分析結果,綜上礦區不會發生崩塌、滑坡等地質災害。

3 治理工程設計

3.1 危巖清理工程

對高陡邊坡上的浮石、危巖等進行清除,采用手持風鎬、千斤頂、撬杠等工具,人工清除坡面浮石及危巖。清除作業自上而下進行,危巖塊破碎后,全部用于宕口平整回填。1號危巖體面積55 m2,需清除平均厚度1 m,清除方量約55 m3。2號危巖體面積188 m2,需清除平均厚度0.5 m,清除方量約94 m3,合計清除方量144 m3。

3.2 平整工程

依據現存臺階現狀,對開采臺階、邊坡和露采場進行修整,采用人工清理各平臺和邊坡,機械作業平整露采場零散塊石,清理出的廢渣全部用于低洼區平整。

3.3 排水工程

為防止降雨作用導致坡面水土流失,在平臺布設截排水溝,底盤場地碎石清除完成后修建排水溝,一端通過礦區外低地勢自然排水,另一端引入礦區最低底盤,通過自然滲透排出。設計排水溝長603 m,坡率為5‰。具體排水系統工程設計如下:

排水溝規格根據《灌溉與排水工程設計規范》進行設計。本項目區地面排水標準為1日暴雨1日排出,按一日暴雨量分析計算,該地區10 a一遇,一日最大降雨量為204.0 mm。排水溝尺寸計算如下:

1)排水溝流量具體計算公式為:

Q=qwF

(1)

qw=(P-h1)/(86.4T)

(2)

式中:Q為為排澇流量,m3/s;F為排澇面積,km2;qw為設計排澇模數,m3/(s·km2);T為設計排澇天數,1 d;P為設計暴雨量,204.0 mm;h1為滯蓄水深,m。

根據上述公式,根據排水溝控制面積,算出排水溝設計流量,詳見表1。

表1 排水溝設計流量計算表

表2 排水溝斷面積計算表

2)水溝斷面尺寸計算公式如下式:

(3)

式中:Q為水溝設計排水流量(m3/s);ω為過水斷面積(m2);v為渠道平均流速(m/s);i為水溝比降;R為水力半徑(m);C為流速系數(謝才系數)。

矩形斷面各變量的計算公式如下:

ω=(b+mh)×h

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:b為底寬(m);h為水深(m);χ為濕周(m);m為邊坡系數;為渠床糙率。排水溝設計詳見下表計算過程。

根據公式,擬采用幾何參數帶入公式中計算,當參數取值為:b取0.4 m;

h取0.4 m;i取0.01;n取0.025,安全超高h1為0.2 m。

計算可得Q=0.106 3(m3/s)>0.094 9(m3/s)

此斷面滿足設計流量。

3)排水溝工程設計

根據上述斷面測算,排水溝斷面參數見表3,排水溝做法見圖4。

表3 排水溝斷面參數表

圖4 排水溝大樣圖

圖5 植被種植示意圖

圖6 監測點做法大樣圖

3.4 復綠工程

3.4.1 臺階綠化

臺階碎石人工清理完成后,在臺階外側堆碼植生袋,植生袋裝土前尺寸:60 cm×40 cm,裝滿土后尺寸:55×35×14 cm。平臺擋土墻高0.7 m,厚0.55 m。

擋土墻修建完成后,平臺人工覆土,覆土厚度0.6 m,在此基礎上種植復綠效果較好的女貞和播撒固土能力強且美化視野的黑麥草、百日葵、黃秋英和四季青草坪草籽混合進行綠化。種植間距按照株距2 m、行距2 m進行,選擇全冠苗,根系包裹土球尺寸不小于40 cm。栽植后首次要澆透水,以后要適時補水,并做好養護。同時在苗木空隙中按600 kg/hm2播種草籽。

3.4.2 邊坡綠化

邊坡兩側種植攀藤植物,采用上爬下吊的方式對邊坡進行掩蓋式覆綠,一方面有利于減小雨水對邊坡的沖蝕,增加邊坡的穩定性;另一方面可以美化環境、凈化空氣,以達到改善生態環境的目的。邊坡外側種植葛藤,邊坡內側和底盤四周種植爬山虎。根據《生態公益林建設技術規范》(GB/T18337.3-2001),爬山虎和葛藤種植密度0.5～1.0 m/株,葛藤和爬山虎長度均不低于1 m,本次選擇種植間距為1 m,在邊坡內側每棵爬山虎根部人工扦插竹竿和牽引爬山虎生長,扦插間距1.5 m,牽引竹竿需帶枝條,長度不得小于2.5 m。

3.4.3 露采場底盤綠化工程

底盤場地平整后,進行覆土,覆土厚度0.6 m。覆土完成后宕穴植樹進行綠化,樹穴規格0.8 m×0.8 m×0.5 m。鑒于當地氣候和經濟效益,樹種選擇桃樹。種植間距按照株距2 m、行距2 m進行,選擇苗木胸徑不小于4 cm,高度不低于2 m的全冠苗,根系包裹土球尺寸不小于40 cm。栽植后首次要澆透水,適時補水,并做好養護。統計底盤面積為18 055 m2,覆土10 833 m3,栽植桃樹4 514株。

3.4.4 土壤改良

覆土后采用施復合肥的辦法提高土壤肥力。據現場走訪當地村民,復墾后的土地面積每畝地按10 kg的定額施復合肥,復墾土地每年施用兩次,連續施肥一年,提高土壤肥力,臺階和底盤共施肥面積2.479 9 hm2,化肥量為744 kg。

3.5 監測設計

為及時掌握治理區內邊坡的變形發展規律,預測邊坡發展趨勢,需要建立長期監測預警系統,以便采取相應的處理措施。根據防災預警及治理效果的要求,需要對邊坡治理工程進行監測。監測工作分施工安全監測、治理效果監測和長期監測三階段,監測等級為Ⅳ級,在汛期、雨季及有異常情況出現時加密監測[3-4]。

根據邊坡防治內容,監測內容為治理區的邊坡坡頂位移和坡面變形。對本區域坡面視實際情況進行重點監測,出現險情時需及時向上級部門匯報。監測點布設時可結合實際地形調整,共設置2個監測點。監測點埋樁采用M10砂漿澆筑,大樣圖見圖8。

4 結論與建議

4.1 結論

龍應山采石場在采礦活動過程中破壞了該地區的地質環境。大量裸露邊坡及植被破壞,存在地質災害隱患,破壞了區域自然景觀,與周邊綠蔭成群的綠水青山極不協調,造成了視覺污染,大面積的土地資源浪費,影響附近村莊居民生活環境及生命財產安全。通過治理工程調查,確定礦山存在的安全問題和地質環境問題。開展生態治理工程和土地恢復措施,將破壞的土地恢復成灌木林地,后期加強監測和養護措施,為治理后的效果進行維護,達到工程治理的目的。

4.2 建議

(1)由于本次治理工程的現狀條件,施工過程中“治理工程設計”將隨著場地條件的變化、施工監測的反饋信息,應及時對“原設計”做校核、調整和補充。

(2)設置邊坡位移監測點,加強治理工程施工期間及礦山地質環境治理工程施工期間的監測工作,發現問題及時預警、預報及處理,確保治理工程的安全實施。