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边坡地质灾害治理探讨
边坡地质灾害治理探讨
吉书民(河南省岩土工程有限公司)
[摘要]近几年来,山体滑坡、泥石流等现象发生频繁,尤其汶川大地震后更甚,加强地质灾害治理刻不容缓。
如何经济、有效地消除地质灾害隐患,确保边坡稳定安全,成为亟待解决的问题。
本文结合以往施工中的成功经验,对边坡地质灾害治理进行探讨交流。
[关键词]边坡,地质灾害,消除,边坡稳定,确保,生态环境,改善
一、工程概况
本工程为杭州市余杭区中泰乡大坞石矿废弃矿山生态环境综合治理工程。
位于杭州市西38km,中泰乡北西260°方向,直距5.7公里,行政隶属中泰乡九峰村。
矿区中心地理座标:
东经119°51′53.77″,北纬30°14′13.91″。
矿山运矿公路与北侧02省道和杭徽高速相通,里程为1.7km,交通方便(图1)。
图1中泰乡大坞矿山交通位置图
该治理区原来是一岩矿开采区,与周围村庄距离较远,工程施工对周围环境影响相对较小;治理范围大部分为征地范围。
原矿山采用不规则的组合台阶式采矿法和中深孔爆破方法进行开采生产,汽车运输至破碎场进行破碎加工。
治理区可分为三个区块,分别为A区(山体开挖区)、B区(削坡开阶区)、C区(清坡加固区)。
根据现场地质与工程地质测绘及调访成果,边坡整体基本稳定,局部存在崩塌、危岩体;坡面岩石裸露,基本无土质存在,不具备植物的自然生长条件。
治理工程总面积16.57万m2,开挖区8.51万m2,削坡开阶区8.07万m2,总开挖石方量100.32万m3,土方量12.81万m3,总计开挖土石方量113.13万m3。
岩石比重为2.6t/m3。
设计要求通过山体开挖和削坡减载,局部加固,对宕面遮挡绿化的方法,达到消除地质灾害隐患、适当绿化,土地资源基本适宜建设用地目的。
矿区水文地质条件简单,目前最低开采标高77m,高于宕口北侧出口地形标高,宕口自然排水条件良好。
治理区宕口位于北侧山坡,山高224m,坡度25—35°,主要接受大气降水补给,并大部份通过地表径流排泄。
二、施工方法
(一)施工方案
1、根据建设单位要求和从实际情况出发,本治理工程首先必须以消除边坡安全隐患和拓宽可利用建设场地为原则,以达到治理区最终可利用场地最大化目的,其次采取适当的绿化措施改善环境景观,使最终矿地能够满足杭州市沥青拌和厂建设利用的要求。
2、分为三个区块治理,A区为原始山体,岩体为坚硬的灰岩,通过设置规则的边坡参数,实行自上而下台阶式开挖,能够形成规则的、既安全又有利于绿化的安全边坡。
对B区采取削坡开阶措施,消除松动岩块等边坡安全隐患体;充分利用边坡上已有的平台,设计成相对规则的马道,既达到消除边坡安全隐患的目的,又有利于绿化和边坡的管理。
C区通过对边坡清除危岩,采用SNS柔性网防护系统等防治措施,达到消除地质灾害隐患的目的。
A区和B区的最终开采标高,形成统一的可利用的场地,可供杭州市沥青拌和厂的建设需要。
在离最终边坡脚10米处砌筑1.5米高挡墙,在挡墙内侧和马道上回填种植土,种植乔灌植物,达到改善景观环境的目的。
3、对东西两侧山岗沿着征地边界,进行降阶预留平台:
东部山岗平台基准面控制在178水平左右,西部山岗平台基准面控制在164水平左右;两个平台间南侧边坡顶部修一条马道相连通,同时在边坡降阶过程中,东部平台沿J58-J57号界桩方向向下修一条可供行人行走的踏步路与最终可利用场地相连,西部平台沿J69-J71号界桩方向向下修一条踏步路与原上山公路平台相连。
为了达到治理区最终可利用场地面积最大化的目的,结合现场实际情况及建设单位提出的局部变更要求,对设计可变更前后局部最终可利用场地作以下对比(见图2):
4、东西两侧平台预留后,在保证边坡马道正常宽度、正常边坡角和确保边坡稳定的情况下,把最终坡脚线向征地界限范围扩至最大化(见图2),同时目前上山公路从+80m水平段和宕口边坡第一条马道+89m左右水平相通,沿宕口环绕一周至宕口东侧+77水平相连,马道宽度8米,必须具备行车条件。
5、针对治理区目前山体状况,项目开工后首先利用现有上山公路,对治理区西侧山岗进行表土剥离和削顶开阶;剥离物利用可堆置场地进行堆置以便后期绿化加以综合利用,马道复绿需种植土约1.7万m3,最终挡墙需回填土石方约0.7万m3;
6、沿西侧山岗边坡顶部向东至J58号界桩修一条便道(前提是要处理好越界的土地征用问题),以便对东部山岗进行削顶降阶;东部拐角J58-J60段178标高左右实施预留平台,按正常放坡后可利用平台面积约约3.3亩,然后利用钻机或三角架钻机自上而下逐层进行穿孔作业,手风钻加以辅助进行削坡降阶;西部山岗J65-J70桩界拐角段164水平左右预留一平台,按正常放坡后可利用平台面积约17.4亩,164水平以下降阶与南侧马道修整按自上而下、从左到右的顺序交叉同步进行;
7、先期利用治理区西南侧118平台,对西南侧118至204标高山体进行爆破拉运,待整体边坡除了预留平台外降至118水平后,顶部第一套破碎机组须转移至J53-J54界外山包上,然后再对A区118水平以下山体逐层进行爆破推进施工;
8、削坡降阶自上而下,做好顶部排水沟设施,待南侧清坡加固C区完成SNS柔性防护网施工后,先期完成的A、B区上半部分和东、西两个预留平台等马道台阶,便可以进行交叉复绿施工,保持一定的超前关系,以A区为主、B区为辅,马道挡墙、覆土绿化和削坡开阶同步进行;
9、钻机穿爆主要以A区山体开挖为主,边坡修整和现有马道修整以手风钻辅助为主;B区南侧边坡降阶穿爆过程中,可以尽量利用岩层天然光滑面进行放坡,确保边坡稳定和美观平整。
10、施工顺序为:
施工测量→山体剥离开挖→削坡开阶(爆破施工)→坡面清理→土石回填→修筑挡墙和护墙→挡墙和护墙绿化→植被养护。
图2
(二)削坡开阶(山体剥离开挖)
本工程开挖区表土覆盖较薄,着重以山体开挖为主,削坡开阶、清坡加固施工为辅,利用矿山现有台阶、上山公路和施工便道,采用自上而下逐级、逐层从治理区东西两侧合拢跟进进行爆破施工,首期东侧预留平台削顶标高定在+206m,西侧预留平台削顶标高定在+188m,施工作业分幅、分行交叉作业,石方清运与凿岩爆破轮翻作业,以加快工程进度。
先期爆破施工的同时,充分利用矿山现有两套破碎机组,实行24小时作业制度,对开挖岩石进行加工破碎以便综合利用;待A区(山体开挖区)爆破施工影响到破碎机组安全的时候,再把破碎机组移迁到治理区东北侧J54桩外小山包处,继续对后期开挖石方进行破碎加工。
(三)爆破
本着充分利用治理区矿石资源、美观及最终可利用场地最大化的目地,针对目前矿区不规则的台阶和坡面,参照设计边坡角和台阶宽度要求,采用中深孔加浅孔的爆破方法自上而下进行分台段爆破施工,横向到边、纵向到底,大致可分为77m、92m、107m、122m、137m、152m、167m和182m共8个台阶,除了东西两侧178m和164m预留平台外,最终达到台阶高度基本一致、马道宽度基本一致和坡面平整美观的效果。
为有效控制飞石、震动、滚石等有害效应的影响,结合以往类似爆破经验,将该工程爆破施工实施分区管理,划分不同爆破区块,实施不同施工方法和安全技术措施。
A区主要以中深孔加预裂爆破为主,B区主要以中深孔、光面爆破辅助浅孔刷坡为主,浅孔主要以辅助爆破(如二次破碎和局部边坡修整等)为主。
光面爆破虽然对边坡平整度控制效果较好,但施工工艺复杂,爆破成本较高,施工过程中可以以现场情况综合考虑安全、经济等方面因素加以摸索实施;为防止超爆,主爆区与边坡留有一定距离,确定装药孔中心线与边坡线的预留距离,爆破后较宽的平台边坡用镐头机和挖掘机刷坡至设计标准。
1、浅孔爆破参数
根据机具情况,在此区域可以采用爆破施工中常用的手持式风动凿岩机(手风钻)或手持式内燃凿岩机(内燃钻)进行钻孔作业,钻杆采用中空六楞钢,钻头采用“一”字形镶嵌合金钻头,钻头直径40MM。
(1)、钻孔直径D:
D=40mm
(2)、最小抵抗线W:
W=d√(7.85△τ/qm)取1.4m(3)、底盘抵抗线W1:
W1=(25~40)D=1.6m(4)、孔深H:
取5m。
(5)、孔距a:
a=m1w1=(1.0~1.5)w1=1.6~2.4m(6)、排距b:
b=W=1.4m
(7)、超深Δh:
Δh=(0.15~0.35)W1=0.24~0.56m(8)、单耗q:
取q=0.35kg/m3。
(9)、单孔装药量Q:
Q前=qaw1HQ后=qabH(10)、装药长度L1:
L1=Q/qxqx:
炮孔装药线密度qx=1kg/m
(11)、填塞长度L2:
L2=L-L1根据控制爆破的要求应满足L2=1.0~1.2W1
2、光面、预裂爆破技术参数
为确保边坡的稳定、光滑和平整,减少边坡修整工程量,最终边坡降阶局部采用光面、预裂爆破技术,两种爆破方式除了起爆时间有区别外,其他爆破技术参数基本相同,其中光爆孔在主爆区起爆完后起爆,而预裂孔则在主爆区起爆前起爆,例光面爆破参数:
⑴台阶高度:
正常台段H取15m,其他以原台段高度而定⑵钻孔孔径:
D=90mm;
⑶钻孔倾角:
按边坡坡度设计要求确定。
⑷钻孔深度L=(H+h)/sinα,H为台阶高度,α为钻孔倾角,h为超深,取1.0m;⑸孔距:
a光=(10~20)D,取a光=1.5m;
⑹最小抵抗线:
W光=(1.2~1.8)a光,取W光=2.0m;⑺线装药密度:
取q线=0.5Kg/m;
表1浅孔控制爆破参数表
(D=40mmq=0.35kg/m3,线装药密度1kg/m)
台阶高度H(m)
抵抗线
w1(m)
超深
Δh(m)
孔距
a(m)
排距
b(m)
填塞长度
L2(m)
单孔装药
Q(kg)
1.0
0.7
0.2
1
1
0.85
0.35
1.5
1
0.2
1
1
1.18
0.53
2.0
1.1
0.2
1.2
1.1
1.28
0.92
2.5
1.2
0.2
1.3
1.2
1.34
1.37
3.0
1.3
0.3
1.3
1.3
1.53
1.77
4.0
1.3
0.3
1.4
1.3
1.75
2.55
5.0
1.4
0.3
1.5
1.4
1.62
3.68
表2 光面爆破设计参数汇总表
序号
基本参数
单位
数量
备注
1
台阶高度H
m
10、15
2
孔径D
mm
90
3
钻孔倾角a
度
60º、65º
4
超深h
m
1.5
5
钻孔深度L
m
(H+h)/sinα
根据台段高度而定
6
孔距a光
m
1.5
7
最小抵抗线W光
m
2.0
8
线装药密度q线
Kg/m
0.50
3、中深孔爆破参数
A、当钻机钻头直径为90mm时,孔网各项参数为:
台段高度:
正常台段H=15m,其他以现场原台段高度而定
第一排孔底盘抵抗线:
W=40×90=3.6m(根据矿石易爆性而定),孔间距:
a=0.8~1.2W=3.36~5.04m=3.6m,多排时排间距:
b=0.7~0.9W=3.0m,超深:
L=0.1H=1.5m。
单位炸药消耗量:
第一排g=0.44kg/m3=0.164kg/T,后排g=0.5kg/m3=0.186kg/T,这样第一排孔:
V=Hwa=15×3.6×3.6=194.4m3=522.94T,Q=g·v=0.44×194.4=85.5kg/孔,后排:
V=Hab=15×3.6×3=162m3=435.78T,Q=g·v=0.5×162=97.2kg/孔。
关于装填系数:
延米装药量=(90/2)2×3.14×10分米=6.35kg/m,第一排装药高度=85.5kg÷6.35kg/m=13.46m,装药系数:
13.46÷17=79.2%,充填高度:
17m-13.46m=3.54m,充填系数:
3.54÷17=20.8%,充填长度≥W即3.54≈3.6m,较为合理。
延米取矿量=(522.94×4+435.78)÷(5×17)=29.74T/m
B、当钻机钻头直径为115mm时,孔网各项参数为:
台段高度:
H=15m,其他以现场原台段高度而定;根据经验公式:
W1=K·d,式中:
W1:
底盘抵抗线,m;K:
系数,根据经验F=6-10时,K在35~43之间选取,本案K=40;d:
炮孔直径φ=115mm;W1=40×115=4.6m;孔深L及超深h值,超深值的选取按h=0.1H常规参数选取,段高在10m以下时h=1.0m,段高超过10m时h=0.1H,现台段高度以15m为主,h=0.1×15=1.5m,故孔深L=16.5m(垂直孔)。
孔距a,排距b值
根a=mw1公式,式中a=0.7—1.4(常规爆破),本矿爆破属常规岩土爆破m=1.0,故a=m×w1=1.0×4.6=4.6m
排距b值的选取,b=0.6~1.0W,根据经验b=0.869×4.6m=4m为宜。
装药量计算
前排按下式计算Q=w1·H·a·q,后排按下式计算Q=b·H·a·q
W1=4.6mH=15ma=4.6mb=4m
q:
单位炸药消耗量㎏/m3,前排q=0.44㎏/m3后排q=0.50㎏/m3
Q前=Hwaq=15×4.6×4.6×0.44kg/m3=139.7kg/孔
Q后=Habq=15×4.6×4.0×0.50kg/m3=138kg/孔
延米装药量:
Qm=πR2ρ炸药密度=(120/2)2×3.14×1.0kg/dm3=11.304㎏/m
前一排装药高度L1=Q前÷11.304kg/m=139.7÷11.304=12.36m
装药系数L1﹪=L1÷L=12.36÷16.5=75﹪
前排充填高度L2﹪=L-L1÷L=16.5-12.36=4.14÷16.5=25﹪
后排装药高度L1=Q后÷11.304kg/m=138÷11.304=12.2m
前排充填长度L2=L-L1=16.5-12.36m=4.14≈4m
后排充填长度L2=L-L1=16.5-12.2=4.3≈4m
从计算上看L2均大于0.8w1较为合理。
延米取矿量:
V前=15×4.6×4.6=317.4×2.69T/m3=853.8T/孔
V后=15×4.6×4=276×2.69T/m3=742.44T/孔
延米取矿量=5×16.5=46.35T/m
注:
单耗药量以现场试爆后为准。
4、装药结构
⑴主爆孔装药结构:
采用连续柱状装药,详见装药结构示意图5。
⑵光爆、预裂孔装药结构:
采用不耦合装药;
光爆、预裂孔装药将炸药卷绑在竹片上,药卷紧靠导爆索,竹片靠向保留边坡侧,炮孔底部1.0~1.5m线装药密度为平均线装药密度的3倍,堵塞长2-3米。
5、布孔方式
正规台段采用三角形布孔(梅花孔),特殊地段布孔依地形而定。
图3深孔爆破炮孔布置及参数设置示意图(例:
孔径90mm)
3.6m3.6m
3m
3m
3.6m
图4
3.6m3m
3.5m充填
15m16.5m
1.5m超深
为确保安全准爆,设计采用塑料导爆管网路联结,每个炮孔内装设两发导爆管微差雷管。
一般网路联结方式和装药结构分别如下图示意:
图5装药结构示意图
堵塞
装药
起爆雷管
说明:
孔内雷管反向安设(聚能穴朝向孔口)。
孔底垫三~四节炸药后,装第一个起爆药包,第二个起爆药包装于全孔装药的中上部。
图6“V”字形起爆网路连接示意图
1
32123
321423
321423
321423
①图中炮孔连线和序数为起爆顺序,实际施工中控制炮孔起爆顺序孔间隔约25~50毫秒;排间隔约75毫秒;
②实际施工中当炮孔深度调整时,可适当调整炮孔间、排距,以增加延米取矿量或减少大块率。
6、爆破安全距离计算
矿山安全生产的关键环节是穿爆安全,其中关键是地震效应和个别碎石飞扬和空气冲击波,现分述如下:
A、爆破引起的地震波安全记算及控制
Rd=Kd·α
,R式中Rd:
安全距离,m;Kd:
地基系数,按表3选取;Q:
单段最大装药量,Kg。
表3
建筑物基础
坚硬致密岩石
坚硬而裂隙发育岩石
硕石、碎石基础
沙土
粘土
回填土
含水土
Kd值
3
5
7
8
9
15
20
Rd=8·1.2·
=8·1.2·5.18=49.8m
B、用质点振动速度公式进行验证
r=K·(
/R)
=250·1.397217=0.3493cm/s
式中:
r.质点振动速度,R.质点到爆中的距离,m,Q.单段最大装药量Kg,K、a:
与地形条件有关的系数和指数按下表选取。
表4爆区不同岩性的K、a值
岩性
K
a
坚硬岩石
50~150
1.3~1.5
中坚硬岩石
150~250
1.5~1.8
软岩石
250~350
1.0~2.0
表5我国爆破安全规程规定的主要质点最大允许速度
土窑洞、土坯房、毛石房屋
1.0cm/s
一般砖房、非抗震大型切块建筑物
2-3cm/s
钢筋混凝土框架房
5cm/s
水工隧道
10cm/s
交通隧道
15cm/s
矿山隧道
围岩不坚固,但有良好支护的隧道
10cm/s
围岩中等坚固,有良好支护的隧道
20cm/s
围岩稳定,无支护隧道
30cm/s
根据以上计算和对照上表,农村土坯房可承受振速1.0m/s而爆破引起的振速只有规定的1/3,应该是安全的。
C、用单段最大允许装药量验证:
Qm=R3·(
)
式中Qm:
单段最大允许装药量,r:
保护对象在地质点允许振速,R、K、a:
与上2式意义同
Qm=2003·(1.0/250)
=8000000·(0.004)1.666=806.3Kg
单孔装药量139.7Kg远小于最大允许值806.3Kg,也是安全的。
D、空气冲击波安全距离
一般深孔爆破空气冲击波可以不考虑,只是在警戒时加以注意就可以了,特别爆区正面比较空旷,只要警戒范围内人员清理干净,警戒人员在起爆瞬间保护自身就可以了。
为了根除空气冲击波的危害,本治理区杜绝裸露药包(糊炮)爆破,如遇特殊情况,非经领导特批,否则不得采用。
E、个别碎石飞扬安全距离计算
台阶深孔爆破时按下式计算
R飞=k飞·d。
式中R飞=个别碎石飞扬距离,m;K=安全系数,取15~16;
d=药孔直径,11.5cm
R飞=16·12=184m
F、警戒距离
正面300m以外,侧面200m,双人多岗,起爆前15分钟警戒人员由爆源向外清理人员,到指定岗位,设岗必要时封锁交通,待起爆后解除信号发出后恢复正常。
7、爆破控制要求
本爆破工程主要控制高程和坡率,按设计要求进行施工,并根据《土方与爆破工程施工及验收规范》GBJ201—83验收评定。
A、前排抵抗线测量
前排抵抗线过大过小都易造成飞石危害,为此控制前排抵抗线是控制飞石的重要措施,在布孔以及钻孔完毕后验孔时,应反复测量抵抗线,根据抵抗线的大小,调整孔位和装药结构。
B、高程控制:
严格按设计标高要求开挖与平整,做好施工测量放样工作;
C、粒径控制:
爆破粒径控制在50cm以内,如用来垒挡土墙,则用镐头机分解至符合设计要求的粒径范围。
D、坡率控制:
严格按低于《地质灾害危险性评估报告》高宽比1:
0.5的坡率放坡,山体开挖工艺原则上遵循自上而下台阶式开挖,工作坡面角为75°,终了边坡角60°,平台高15m,安全平台宽5m,南、西两侧需预留边坡,最终边坡角为49°,高宽比1:
0.85的坡率。
E、钻孔检查和孔内排水
钻孔时由于意外原因较多,极易导致孔眼被堵塞而报废,因此作业时必须进行检查和孔口保护处理工作,防地表水流入。
孔内积水在装药前清除,采取吹水措施排尽积水。
F、装药和堵塞
本工程采用手工装药,在装入炸药前要注意结块,防止结块堵塞炮孔。
乳化炸药剥皮或划开包装,铵油炸药要慢速向孔内倾倒,以增加孔底的装药密度。
起爆药包和起爆雷管要分别放在孔底和炮孔中间。
堵塞材料使用钻孔返渣,严禁用石块堵塞。
为保证堵塞质量,每填入0.5m时用木棍或竹竿捣固密实。
G、爆破效果反馈及分析
每次爆破后,经一步步的严格操作,反馈到工程技术组,现场观察爆破后的效果、飞石和边坡稳定情况。
在达不到设计要求的情况下,根据施工经验和有关理论,观察岩石的结构、构造,调整钻爆参数以及单孔装药量和装药结构,并进一步对爆破效果进行分析,确定最佳的爆破方案。
(四)坡面清理
1、坡面清理须自上而下、由左到右进行,避免施工对边坡体稳定和坡下已有建筑物的安全造成不利影响。
2、施工区段设立警示标志,做到安全、有效的施工,施工时保持坡面的稳定,严格按照施工规范进行。
3、开挖到位后,对原有的边坡裂缝进行注浆治理,断绝地表水的集中渗入。
4、进行凿岩、清除浮石及修整边坡的工作人员,必须戴安全帽、系安全带(绳),进入施工现场必须戴安全帽。
(五)土石回填
本治理区A区大部分有地表土覆盖,以充分利用现有资源为原则,为保证治理工程后期绿化能顺利有序进行,在山体开挖的同时储备一部分剥离表土,待马道施工完后,自上而下进行土石回填,马道复绿需种植土约1.7万m3,最终挡墙需回填土石方约0.7万m3;同时做好各挡墙进行绿化施工。
(六)浆砌块石挡墙及排水施工
A、砂砾石垫层
挡墙内砂砾石垫层材料充分利用现场爆后精选石渣,经监理工程师验收合格后,垫层施工采用人工和机械结合施工、装载机粗平,再用人工精平。
B、砼垫层
混凝土配合比由试验室提供,在拌制时拌和机计量准确,拌和时间要符合规定,由试验人员控制水灰比、坍落度。
混凝土浇注前,对模板、钢筋、预埋件认真检查,报监理工程师批准后方可浇注。
混凝土的振捣,严格按振动棒的作用范围进行,严防漏捣、欠捣和过度振捣,振捣时不可在钢筋上平拖,不可碰撞模板、钢筋、钢绞线和预埋件。
混凝土浇注完毕初凝后,即时养护。
C、浆砌块石施工
1)墙体材料采用M10浆砌块石砌筑,块石强度等级不应低于MU30,上下面应尽可能平整,厚度不应小于200mm。
基底砌筑前须清除干净,采用座浆法砌筑,砌体施工必须保证质量,砂浆饱满,分层错缝搭叠,不得留有空洞和直缝。
2)墙体在施工前要做好地面排水工作,保持边坡坡面干燥。
3)、施工工艺
施工准备、场地平整、测量放样墙底基槽开挖复核基底轴线与标高尺寸石材选择、砂浆试块检验砌墙基础砌墙身砂浆沟缝伸缩缝、泄水孔设置与处理
4)材料选择
浆砌块石须选用新鲜、坚硬石块,块石表面清洗干净。
严禁使用风化石,其抗水性、抗冻性及抗压强度必须满足设计要求。
砌石过程中块石应冲洗干净,并保持湿润。
强度不低于MU30。
5)材料运输
块石利用开挖区爆破后块石用自卸汽车运至施工现场。
6)砌筑方法
①砌筑前先请监理工程师对基底进行验收,待验收合格后进行砌筑施工。
基底力求粗糙,对粘性土地基和基底潮湿时,应夯填50mm厚砂石垫层。
②浆砌石施工前,先放样并整修好基面。
块石不得乱堆乱放。
采用座浆法砌筑,砂浆稠度不宜过大。
砌筑挡土墙时,接缝要上下互相错开,咬合紧密、牢固,基底及墙趾台阶转折处,不得做成垂