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青山寨矿山弃渣场生态环境问题及稳定性分析
摘要：为了更好为类似矿山弃渣场生态修复工程提供参考，通过运用实地调查和综合研究等方法，对矿山弃渣场堆渣特征和生态环境问题进行分析研究，同时采用定性和包括三维有限元在内的两种定量分析方法，对堆渣边坡进行综合稳定性分析，并提出生态修复对策。研究结果表明，矿山弃渣场生态环境问题主要有：地质灾害隐患、地貌景观及土地资源破坏、水土流失和视觉污染；弃渣场边坡处于基本稳定状态，坡体中上部表面存在局部失稳危险；通过坡面整治、坡面防护、覆土绿化和截排水等工程手段，实现对矿山弃渣场的生态修复。
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矿产资源在国民经济中起到至关重要的作用，关乎国家生产的发展，但矿产资源开发与生态环境保护之间的矛盾日益凸显[1]，尤其是矿山资源开发利用后形成大面积的扰动区，如石灰石矿山弃渣场，不仅破坏了原有自然环境，同时还容易造成滑坡、泥石流等地质灾害隐患[2]。因此，在“绿水青山就是金山银山”的理念下对矿山弃渣场进行生态环境问题和边坡稳定性分析具有重要意义。国内学者对矿山生态环境问题、弃渣场边坡稳定性和修复对策研究等方面取得了卓越的成果。如赵雪莲等[3]对矿山开发中存在的地质灾害、土地和水资源的影响与破坏等主要矿山生态环境问题的论述、评价与分区，并提出相关措施和建议；胡璐宇[4]对太平料场各渣场特征进行分析研究，运用Geostutio2007软件对最危险的工况进行稳定性计算分析，提出有针对性的防治措施；陈泰江[5]分别采用Geo-slope岩土软件和FLAC3D三维数值模拟软件计算弃渣场边坡稳定性并提出设计方案；孙朝炎炎等[6]借助ANSYS建立三维模型，利用FLAC3D强度折减法研究坡体走向对边坡稳定性和潜在破坏机制的影响。
本文以安康市旬阳县青山寨石灰石矿山弃渣场为研究对象，调查弃渣场中堆渣体的发育特征，深入分析弃渣场生态环境问题，采用定性和包括三维有限元数值模拟的两种定量方法共同分析弃渣场堆渣边坡的稳定性，进而进行综合评价并提出生态防治方案建议，为碳中和背景下矿山弃渣场生态修复提供参考意义。
1、工程概况
该矿山弃渣场位于陕南低山区一冲沟内，冲沟长约2100m，高差约600m，冲沟沟道上部呈“U”形，下部呈“V”形，纵坡降为2.925‰，汇水面积约0.55km2，总体坡度约35°，坡面植被发育。
1.1堆渣体特征
堆渣体顺着东南侧山体呈扇状分布，空间上由东南向西北延伸，相对高程位于605～799m之间。弃渣场主体在平面上呈倒三角形，上部分为东西两个区域，下部两个区域相连。其中东侧是主体，长约420m，宽约350m，上陡下缓，上部坡度40～50°，中部坡度30～35°，下部坡度10～20°，局部有起伏，高差约194m，堆渣厚度为1.1～30.2m，堆渣总量约156.6×104m3。西侧平面上呈纺锤形，长约135m，宽约55m，坡度约35°，高差约85m，堆渣厚度为0.7～8.6m，堆渣总量约3.4×104m3。
堆渣体上部级配一般，粒径多为2～5cm；中部表层颗粒较细，大部分小于2mm，以粉质粘土为主；下部粒径较大，多为5cm以上，最大粒径可达2m。堆渣坡体中部表面形成许多浅沟，多条沟体呈条带状平行排列向坡底延伸，沟宽0.5～3m，深度0.2～1.5m。堆渣区上部有早期坡面整修形成7级台阶，台阶上植有柏树；堆渣体下部有人工块石堆砌的拦渣坝2处，长约18m，宽约1.5m，高约3m。上部拦渣坝局部变形且有越顶现象；下部拦渣坝状态较好。堆渣体中部表面形成许多浅沟，多条沟体呈条带状平行排列向坡底延伸，沟宽0.5～3m，深度0.2～1.5m。
1.2地层岩性
现场调查及钻探揭露，弃渣场的地层岩性由新至老排列如下：第四系人工堆填碎石土（堆渣体），灰～灰白色，欠压实，主要由灰岩碎石块及粉质黏土组成，堆渣粒径大小相差悬殊，最大可达2m，最小粒径不足3mm，颗粒排列无序，级配一般。据统计，其以0.5～2mm为主（52.1%),0.25～0.5mm次之（29.4%),>2mm者占18.5%。堆渣体层厚约3.1～30.2m；泥盆系大枫沟组强风化钙质板岩（（D2d3-1））：青灰色，原岩结构已破坏，岩体角砾状、土状，岩芯呈散体状，手捏易散，层厚约0.6～2.7m；泥盆系大枫沟组中等风化钙质板岩（D2d3-1），灰色，板状构造，节理裂隙发育，岩体呈碎块状、块状，岩芯多呈碎块状，少量短柱状，质硬，锤击不易碎。
2、生态环境问题分析
2.1生态环境问题综述
研究区内矿山弃渣场生态环境问题主要有：(1)堆渣边坡形成的表层滑塌及泥石流隐患。(2)堆渣体对地貌景观及土地资源的破坏。(3)堆渣边坡无有效防护，坡体中部表面受雨水冲刷形成多条条带状浅沟，造成水土流失。(4)堆渣体与研究区周边周围环境形成鲜明对比，造成视觉污染。
2.2地质灾害隐患
研究区地质灾害隐患主要为堆渣体的表层滑塌和弃土型泥石流隐患。
(1)滑塌隐患。
堆渣沿沟道随意堆放，形成了坡度较大的填土边坡，现状堆渣体坡度上陡下缓，堆渣体上部一般多为粒径2～5cm碎石，中部表层颗粒较细，以粉质粘土为主。降雨冲刷造成中部表面发育多条浅沟，沟体呈条带状平行排列向坡底延伸，沟宽0.5～3m，深度0.2～1.5m；下部以块石为主，粒径多为5cm以上，最大粒径可达2m。堆渣体经多年固结沉降，中下部稳定性较好，但坡体表层土体疏松，处于欠固结状态，碎石颗粒排列无序，存在“架空”现象，在重力作用下易向下移动。该斜坡坡度较陡，坡面稳定性较差，加之堆渣体疏松，为大气降水下渗提供了良好通道，如遇强降雨，边坡表层易发生滑动，形成滑塌。
(2)泥石流隐患。
泥石流按物源成因可分为坡面侵蚀型泥石流、崩滑型泥石流、弃土型泥石流等。而弃土型泥石流松散固体物质主要由开渠、筑路和隧道开挖的弃土提供，是一种典型的人为性泥石流，研究区可能发生的泥石流即为弃土型泥石流。
参考《泥石流灾害防治工程勘察规范》《地质灾害危险性评估规范》和相关的文献资料等成果，该堆渣体泥石流易发性属于弱发育。应采取有效措施对堆渣体进行处理，并进行风险监测。
2.3地貌景观及土地资源破坏
堆渣沿沟道堆放，导致坡体表面抬高，原始坡面上的林地和草地直接掩埋。堆渣体颗粒以碎石、块石为主，坡度较大，底层受长期承压较为密实，但表层疏松，导致水、土无法留存，渣体本身缺乏植物所需的营养，植物在渣堆表面很难存活，植被自然恢复困难。现状堆渣体占地面积约12hm2，既破坏了原有地貌景观，同时占压了大量山地，石漠化严重，破坏土地资源。
2.4水土流失
研究区位于滚子岭西南侧沟谷地带，总体地势东南高西北低，区域植被覆盖率约7%，渣体表面疏松。由于堆渣体处于沟谷上部边坡上，暴雨情况下地表水冲刷坡体表面，部分堆渣越过坡脚拦渣坝进入沟道，导致沟道中堆渣厚度逐渐增大，沟床不断抬高。
2.5视觉污染
堆渣体与周围环境形成鲜明对比，堆渣体表面无植被覆盖，在光照下产生反射，造成严重的视觉污染。
3、堆渣体边坡稳定性分析
3.1定性分析
现场勘查表明，堆渣体顶部未见裂缝，堆渣体与基岩之间也没有裂缝，仅在表面见有局部溜滑现象，因此堆渣体没有整体滑动迹象，仅存在表层局部破坏现象；堆渣体表面可见流水冲刷形成的沟槽，深度0.2～0.4m，因此，坡面泥石流发育程度弱。该渣堆目前没有整体失稳现象，仅在表层有局部溜滑现象，可见，其在天然状态下是稳定的，在降雨条件下表层基本稳定。
3.2定量分析
3.2.1计算参数、工况确定
结合现场试验、岩土室内试验结果与经验值，本次稳定性计算采用计算参数如表1所示。本矿山弃渣场位于地震基本烈度Ⅵ度区，不需考虑地震的影响，因此堆渣体边坡稳定性分析只考虑天然工况和岩土体指标在饱和状态下的暴雨工况。
表1 计算参数综合取值表
3.2.2规范法计算堆渣体稳定性
根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001)(2009年版），采用理正岩土软件，利用软件中极限平衡法中的简化Janbu法计算出典型断面的安全系数（表2）并做出稳定性评价，结论如下。
表2 堆渣体边坡稳定性计算结果
堆渣体计算剖面在天然工况下处于稳定状态。在暴雨工况下，处于基本稳定状态。边坡的危险滑动面位于边坡的中上部浅表层，坡体局部表面容易产生溜坍或冲刷。该稳定性计算结果与堆渣体目前的变形特征和宏观状态相吻合。
3.2.3三维有限元数值模拟研究
随着技术的不断发展，应用数值仿真技术定量计算工程中的岩土体稳定性已成为技术研究人员的又一选择，常用的程序有MIDAS、FLAC3D等等。本文以矿山弃渣场实测典型剖面为基础建立三维模型，采用MIDAS GTS有限软件建模计算，数值计算采用摩尔-库伦本构，运用强度折减法（SRM法）分别计算天然和暴雨工况下堆渣边坡的稳定性并进行分析。
(1)稳定性和塑性应变分析。
通过模拟得到的结果进行分析发现，天然工况下堆渣边坡的稳定性系数为K=1.213，处于稳定状态；在视堆渣边坡为饱水状态的暴雨工况下，稳定性系数明显下降。为K=1.125，此状态下边坡基本稳定。同时，与规范法计算得到稳定性系数相对比，两者存在一定的差异，但数值相差较小，且规范法得到的稳定性系数偏低，较为保守，其通常作为工程设计的计算方法。
塑性应变云图能反应边坡的潜在破坏位置。分析天然工况下的云图发现（图1），潜在破坏位置主要位于堆渣体中上部靠近地层的位置，与稳定性计算中潜在滑面位置一致。同时还可以发现，堆渣体中上部坡表存在另一处较为明显的塑性应变区域，这与实际调查中发现的堆渣体中上部局部出现的坡表沟槽现象吻合；对堆渣边坡饱水状态下的暴雨工况云图（图2）进行分析发现，边坡塑性区进一步扩展，表现为从局部扩展到大部、深层和表层相贯通，且塑性应变值增大，同时在坡体的前缘出现明显塑性变形，坡体发生整体变形破坏的可能增大，这也反映在稳定性系数的变化上。
图1 天然工况塑性区分布图
图2 暴雨工况塑性区分布图
(2)位移分析。
天然工况下堆渣边坡的主要位移区域位于边坡中上部浅表层，最大位移距坡表约3.00m，大小为1.27cm；随着堆渣边坡处于饱水状态即暴雨工况，主要位移区域范围扩大，并向坡体上方和内部移动，最大位移距坡表约13.00m，大小为4.61cm。此外，随着饱水状态下岩土体强度指标的折减，位移的不断扩大，堆渣体下部浅表层出现隆起，此状态下的最大隆起为1.52cm。
3.3综合评价
根据上述定性评价和两种定量评价结果，堆渣边坡在天然工况下处于稳定状态，在暴雨饱和工况下处于基本稳定状态。坡体中上部表面存在局部失稳危险。同时对比规范法计算结果，两者结果相近，能够相互验证，但有限元模拟能够更全面、更精细地反映不同工况下堆渣边坡的情况。
4、生态防治对策建议
针对矿山弃渣场矿山地质环境和生态问题，在充分考虑地质环境条件和施工条件基础上，按照“以巩固坡面渣体、恢复原有生态环境为目标，强调恢复和美化环境，着重绿色设计与绿色施工”的原则，结合堆渣再利用的思路，提出生态修复对策如下：
(1)清运上部废渣，用于混凝土粗骨料加工，做到资源充分利用，变废为宝。
(2)防护网护坡。根据坡面地形对坡面分段设置主动防护网及被动防护网进行支护。
(3)完善截排水系统。在放坡区域顶部设置一道横向排水沟，通过设置在2道纵向排水沟与其下部每级平台的截水沟相连。
(4)拦渣坝。对现有拦渣坝进行加固加高。
(5)绿化。依据坡体地形地势分段覆土植树或铺放植生袋进行绿化。
5、结论
(1)从地质生态的角度来看，矿山弃渣场地质生态环境问题主要有：
1）堆渣边坡形成的表层滑塌隐患。
2）堆渣体对地貌景观及土地资源的破坏。
3）堆渣边坡无有效防护，坡面渣土受雨水冲刷，造成水土流失。
4）堆渣体与周边周围环境形成鲜明对比，造成的视觉污染。
(2)定性和定量分析结果表明，堆渣体在天然工况下处于稳定状态，在暴雨工况下处于基本稳定状态。坡体中上部表面存在局部失稳危险，三维有限元模拟能够更全面、更精细地反映堆渣体边坡的情况。
(3)根据矿山弃渣场生态环境问题的特征及影响范围，在充分考虑地质环境条件和施工条件基础上，提出了“坡面防护+绿化+截排水”的生态治理方案建议。
参考文献:
[1]蒋文翠,杨继清,彭尔瑞,等.矿山生态修复研究进展[J].矿业研究与开发,2022,42(04):127-132.
[2]吴文盛,李小英.矿产资源开发与生态环境恢复治理[J].中国矿业,2021,30(02):21-24.
[3]赵雪莲,田志伟,陈万旭,等.新疆阜康市矿山地质环境问题及其治理对策分析[J].安全与环境工程,2021,28(06):237-246.
[4]胡璐宇.太平料场弃渣场发育特征及防治建议[J].四川地质学报,2020,40(03):467-471.
[5]陈泰江.弃渣场边坡稳定性数值模拟研究[J].低温建筑技术,2019,41(01):99-104,131.
[6]孙朝炎炎,陈从新,郑允,等.基于空间效应的弃渣场边坡稳定性方法探讨[J].西南交通大学学报,2019,54(01):97-105.
文章来源:张晨,马兴瑾,张红娥.青山寨矿山弃渣场生态环境问题及稳定性分析[J].价值工程,2024,43(24):107-109.
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2024-09-04我要评论
期刊名称：矿业工程研究
期刊人气：579
主管单位：湖南省教育厅
主办单位：湖南科技大学
出版地方：湖南
专业分类：煤矿
国际刊号：1674-5876
国内刊号：43-1493/TD
邮发代号：42-359
创刊时间：1980年
发行周期：季刊
期刊开本：16开
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2024-08-28
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上传者：管理员
