潘洛铁矿大格高排土场设计.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 有色冶金设计与研究 年 月 潘洛铁矿大格高排土场设计 ‘ 周国良 总 图设计室 〔摘 要〕废土石排 放堆里是 决定采区正常生产并涉及环 境保 护和社 会安定的关键 。 由于潘田大格 高排土场场地地形陡 峻 、 废土石性 质 差 、 幕雨频繁 、 台风强度 大 、 地下水丰 富和 出露 部位高等不利因素 , 又要 求设 计的排 土堆里高度大 、 稳 定 、 安 全 , 还要避免采用重 大型处理工程 。 为此 米用了排土场 与滑坡 泥石流防治 相结合的设 计思想 、 设 计工艺及观浏实施方案 。 在 完成水文地质和工程 地质勘察 、 废土石物质组分浏定和物理力 学性 质的系统试验 、 掌握其 时空变化规律的基础上 , 进行了极 限平衡和有限元数 值分析及模 型试脸 , 综 合地论证了自然山沐 及排土场的整休稳定 , 并运用现代使蚀理论与泥石流研究方法 系统地 总结了排土场侵 伙 、 泥沙流 失和泥 石流 成因与 类型 , 成 功地设计和建成了段 高的高阶段排土场 。 经过年的生 产 实践证明大格 高排土场安 全 、 稳定 , 有效地防止了滑坡 与泥 石流 灾 害 , 确 保了下游 农田 、 铁 路 、 桥梁及 人 民生命时产的安 全 , 为霉天矿排土场设计提供了范例 , 也为潘洛铁 矿带来了很 大 的经济 效益 。 〔关键词〕高排土场 设 计滑坡泥 石流防 治 目舀 潘洛铁矿是福建省最大的富铁矿 山 , 是三明钢铁厂铁矿石主要来源 。 废土石排 放堆置是决定矿山正常采掘生产并涉及环 境保护和社会安定等的一个关键问题 。 潘 田矿区废土排放堆置迫在眉睫 。 为此 , 本项 目技术研究目的在于设计和建成大格高排 土场系统工程 , 以稳定安全的排放堆置潘 田矿区 万废土石 。 收稿日期一 一 , 参加工作的还有姚永清 , 李培基等 。 大格高排土场的设计和建设的难度在 于场地地形陡峻 、 暴雨频繁 、 台风强大 、 地 下水 丰富 、 出露部位高 、 废土石性质差 , 在 这有限空间和较恶劣环境下 , 要排放堆置 万废土石 , 工程设计的关键在于既要 高的段高又要 稳定安全 , 同时还要避免采 用重大型处理工程 , 为此 , 率先采用 了排土 场与滑坡泥石流 防治相结合的设计工艺及 观测实施方案 。 在完成场地有关 的水文地质工程地质 勘察 、 废土石物质组分测定和物理力学性 质的原位与实验系统试验 、 掌握其时空变 化规律的基础上 , 进行了极限平衡和有限 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 有色冶金设计与研究 第卷 元数值分析及模型试验 , 并 采用新颖的工 程岩土体 自持观点 , 综合论证了自然 山体 稳定排土场整体和废石边坡的稳定性及其 稳定性条件与滑坡规律 , 同时 , 将工程地质 工作延伸和参与到排土场设计和滑坡泥石 流防治工程 中 。 工程运用现代侵蚀理论与 泥石 流研究方法相结合 , 系统的总结了排 土场侵蚀 、 泥沙输移和泥石流成 因与类型 建立 了国内第一个排土场泥沙流失量计算 方法成功的设计和建成了段高的 高 台阶排土场以及平台反坡 、 源头截水 工 程 、 平桐疏排基底泉水 、 大型浆砌块石坝和 干堆坝联 合 、 大型钢轨栅栏坝等排土 场 系 统工程 , 并制定和执行了系统规章制度 的 科学管理方法 。 在 环 境 恶 劣和 废土 石 性 质差的状况 下 , 成功地建成 段 高达排土 场系统 工程 , 在国 内外尚属 罕见 。 而且 由于正确的 试验观测研究和设计 , 优质的排土场 工程 和综合性的 防治工程以及科学 的管理 方 法 , 年来经 历 了场 台风暴雨 和两 次 年一遇 的洪水的严竣考验 , 排上 场稳定 安全 , 排入晋江的悬移质泥沙仅占该江年 输 沙量 的 , 达到 美 国对排土场泥沙的 控制水平 。 本项目技术研究成果属 国 内首创 , 达 到国际先进水平 。 大格高排土场的建立和使用 , 不但保 证了矿 山正常的生产 , 而且带来 ‘ 万 元直接经济效益及显著的环境效益和社会 效益 。 一 、 高排土场场址选择 露天矿山排土场场址选择的优劣 , 不 仅影响整个矿 山企业 的成 本 、 容纳废土石 的能力和总体稳定性 , 而且还常常吞食大 量土地 , 破坏地貌景观和生态平衡 , 污染大 气和水质 。 因此场址选择已成 为整个排土 场设计 中的十分重要一环 。 大格高排土场 场址是通过与其它个场址进行比较后于 年选定的 , 在运距 、 容积 、 占地 、 投 资 和运 营 费等方面均占优势详见 图 , 表 。 表潘洛铁矿潘田采区排土场场址选择比较表 排土场 名称 大柏树大格大格半山尾 园北部转角站南采矿回排 段高最终 万万方 方 虚实积容 指 标坡面角 排土方式 。 户 能 东西 运距 , 汽车土汽车排土汽车排上汽车排土汽车排土汽车排土 名 排土平台宽度 排土线长度 一 初始 堆 解 扣酌 称新修公路 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期潘洛铁矿大格高排土场设计 续表 排土场 名称 大柏树大格大格半山尾园 北部转角站南采矿回排 占用农田 , 占用经济林 , 扩 平台标高 , 附注已建成 指名名称 注该表指标数据系年至年期间的比较数据只表达方案比较性 图潘田采区排土场址选择 大格高排土场地形地貌其各要素的要求是场址选择最基本条件之 地形和高程是否能满足排土场场址及一 。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 有色冶金设计与研究 第巧卷 大 格高排 土场场址高程为上陡下缓之势 。 如表 。 , 属中高山沟壑区 , 地形坡度陡峻 , 有 表地形高程与坡度分布表 地形高程以上 只 地形坡度 表系大格高排土场基底实际地形坡 度值东冲沟坡度 , 谷坡与沟坡相 似 , 西基底坡度好于东部 。 场址的工程地质和水文地质 根据大格高排土场场址自然山体沟谷 形成过程分析和工程地质勘测工作 , 综合 起来有崩落 、 滑塌 、 冲沟等类型 。 其工程地 质在高程以上 由变质砂岩 、 坡洪积 粘土 碎石 层 、 坡 积粘土层等组成 , 在高程 以下由以花岗岩 为主 辅以少量坡洪 积粘土碎石层 。 大格沟谷 的水流特征有第 四纪层下风化花岗岩 裂隙泉水 出露处 , 分别在高程 ,,, 总流量为 , 属季节性泉水 , 常年不 竭 , 为大 格排土场基底主要水源 。 在 山体表层分布 着大片农田水 浇地 , 在农灌季节水 量大 且 浸蚀性特强‘部分水浇地常年赋有地表水 流 。 由此看来 , 大格排土场基底 , 其水流在 时间上和 空间上具有明显的差异和双重水 蚀性 。 由于设计非常重视水流浸蚀的危害 , 而采取了引泉和 山坡截洪等措施 , 防止了 工程地质和水文地质不良现象 的产生 。 大格高排土场场址的工程地质和水流 现状经过深入分析和计算 , 得出了场址山 体稳定的结论 , 并从发展趋势进行了定性 定 量的评价和预测 , 经过年的生 产实 践 , 证明了评价和预测是正确的 。 场址优点 大格高排土场 排 土终了或排土过 程 中 , 经过年的生产实践证明场址优点有 下列个方面 排土场堆置体三面环山有着较好的 散体稳定性 , 特别是废土石 量大 的状况更 为突 出 沟道狭窄且弯 曲 , 对废土石边坡稳 定和泥石流危害的防治十分有利 将排土平 台布置在主导 风 向下侧 , 避开 了强暴雨 随风速增强的侵蚀能力 , 同 时也解决 了废土石中的粉尘飘扬污染环境 的问题 , 较好地处理了大气污染 。 二 、 高排土场排土工艺的确定 废土石性质的确定 经过年 的探索认 为 , 一个好的排土 设计首先必须把排土场所接受的废土石性 质搞清楚 。 潘田矿区开采范 围内矿体的顶 底盘围岩和夹石分类及氧 化杀件和氧化程 度情况如下 ①由黑云母石英片岩夹黑云母钾长片 麻岩组成的废土石 , 主要分布在南采区 。复 盖于该区的围岩云母成分 、 高岭石化成份 普遍 , 且强烈风化 , 岩性极为松散 。 ②以薄层状变质粉砂 岩为主 , 伴以中 厚层状变质细砂岩和少量 的黑色 板岩 、 砂 质板岩等组 成的废 土石 , 主要分布在北采 区 , 风化程度较深 。 以黑色粉砂岩 、 灰白色 细砂岩为主的 废土 石 , 主要分布在南 、 北 矿体下盘 , 除以 上岩性外北采区尚有少量上三迭纪下朱罗 系梨山群的厚层变质砾岩 , 并有第四纪堆 积物 。 应该指 出 , 潘田全矿区包括围岩断 裂十分发育 , 高角度断层和水平断层组成 了纵横交错的断层 网 , 特别 是贯穿矿 区的 、 。 断层大破碎带直接复盖于矿体之上 , 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期潘洛铁矿大格高排土场设计 为氧化向深部发展提 供了条件 。 矿体顶底 板及夹层大部风化在开采标高以上 尤为强烈 , 矿体倾斜与山坡坡 向一致且出 露面积大 , 大面积接受地表水补给 , 矿体中 还有普遍发育的黄铁矿致使地下水形成酸 性介质 , 更促成 围岩深度变质 , 砂岩高岭石 化十分严重 , 出现随着开采标高的下降 , 围 岩性质变坏 的趋势 , 导致抗剪强度降低 , 渗 透性降低 , 粒度减小等不利因素 。 最初矿山地 区勘探阶段所给出的围岩 颗粒机械组成见表 。 表潘田南采区台阶废土石机械组成 了年 月 粒径 重量百分比 , 年月大 格排土场泥 石 流 防治 工程效益观测站在潘田南采区台阶 取样 , 属前泥盆系变质岩 。 经筛分试验 , 其 颗粒机械组成见表 。 表潘田南采区台阶废土石机械组成 拉径一 重量百分比环 , , 根据福建水利科学研究所在潘 由大格 排土场一标高排土坡面上 取样 , 废土石性质属前泥盆系变质岩 , 经该 所土工试验得知其主要力学性能指标 ’ 。 三年后 , 年月大格排土场观测 站又在南采区台阶取样分析其颗粒 变化情况见表 。 经筛分 发现废土石有 明 显的 向更细粒度发展的趋势 。 该项指标系相当于现场已固结一年的 性能指标 。 表 粒径 潘田南采 区台阶废土石机械组成年月 重量百分比 鉴于潘田废土石性质随着开采标高的 不断下降 , 颗粒组成不断变细影 响力学性 能并趋向降低 , 它直接影响着废土 石堆放 的稳定 。 年月武汉岩土力学研究 所 在潘田采区大格排土场东 平台 一 边坡高程处取样 分析均属 前 泥盆系变质岩 , 其颗粒机械组成见表 。 表大格排土场东平台坡面废土石机械组成年月 粒径 重量百分比 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 有色冶金设计与研究第卷 将近粒径小 于的废 土 石表 按不同边坡位置进行进一步分析其结果见 表大格高排土场东平台坡面粒径废土石机械组成年月 粒径 , 任 ,二, 边坡上部 。 。 。 边坡中部 。 , , 边坡下部 考虑到上述变化情况和矿 山今后 生产 具体实际 , 其 围岩变化总的趋势是以前泥 盆 系黑云母石英片岩和二迭纪薄层状变质 粉砂岩为主 , 其比例大致 为 。 因此于 年月经潘矿 、 武汉所 、 南 昌院三方 协商重新在段沟工作面上 , 自线 至线及线西至线处分别取两 组样品 , 其试验结果见表和表 。 根据综 合测定结果 。 值定为 , , 尹 值为 。 表 粒径 南采区台阶废土石颗粒机械组成 重量百分比 表北采区台阶废土石颗粒机械组成 拉径 ,。 , 重量百分比 , 上述试验样 , 代表了今后矿山生产排 放的废土 石的力学性能 。 排土方式 潘田采区多年来的生 产实践证明 , 汽 车运输能适应复杂的山地条件 , 并具有机 动灵活 , 爬坡能力大的特点 , 汽车排土在排 土工艺和排土管理上较其它排土 方 式简 单 。 大格高排土场排土方式选用汽车并辅 以推土机转排的运输方式 。 排土 段高和坡面 角度的确 定 段高是排土场设 计的基本要素之 一 , 松散体堆置形成的边坡角度更是排土场设 计首先确定的基本参数 。 因此 , 段高和 坡面角度这两 个至关重要的数据 , 对 于 准确地计算大格高排土场 的基底稳定性和 坡面相对稳定性 、 计算滑塌规模 、 坡脚形成 堆积位置 、 防治工程设施的布设以及计算 排土场堆置容积等都是十分重要的 。 段高 确定的合理与否 , 不仅影响矿山建设的经 济效益 、 运输效益 , 而且对今后的排土生产 发展会带来一定的影响 。 段高与坡 面角的 合理确定除直接与废土石的物理力学性质 发生关系外 , 还取决于排土场的地形 、工程 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期潘洛铁矿大格高排土场设计 地质 、 水文地质及排土方式等因素 。 段高的确定应保证排土场生产作业安 全 、 可靠 、 稳定 , 同时使 排土 生 产获得 良好 的技术经济指 标 , 保证排土场下游不受危 害 , 创造良好的社会效益和环境效益 。 段高和坡面角的设计依据应严格地根 据排土场所接受的废土石的物理力学性质 室 内大面积剪切试验和 室 内三轴试验得 出的抗剪强度指标 , 即枯聚力 。、 内摩擦角 甲 、 容重 俨 等项指标 。 年由中科院 武汉岩土力学研究所提供的抗剪强度指标 检验大格排土场设计的段高和坡面角 。 武汉岩土所提 供的主要依据如 下废 土石性质为亚沙土和亚 粘土 , 内磨擦 角 尹 值分为 两种 状态饱 水 状态 时 上限值为 ‘ , 下限值为 ‘ 天然状态 时 上 限值为 ‘ , 下限值为 ’ 。 粘聚力值取 , , 容重 尹 值取 , 设计值取 ‘ 。 大格排土场的段高和坡面角计算与人 工边坡计算坡高和稳定坡 角的理论一样 。 上述条件作为大格高排土场段高和坡面角 的设计计算依据 。 计算公式工 程地质手册 , 年出 版为 才 一 切 一沪 式中 段高 , “ 坡面角 , 甲 废土石 内摩擦角 , , 废土石容重 , “ 。 废土石 内聚力 , , 。 经计算得 出大格 排土 场 极 限高度 , 此 高度基本 符 合排土场目前 的实际情况 , 说 明武汉岩土所试验得 出的废土石力学性能 和强度指标符合设计及实际情况 。 排土初始平台的确定 初始平台基底利用 山坡有利地形选 在的山包上 , 并避开横跨深谷 , 用废 石由转排设备 自身边 推边复压 实 , 沿垂直 等高线方向一次叠压填成 。 从年代初期 平台反坡形成后 , 经过年的排土生产实 践没有出现 一次事故 , 其稳定性 、 自然属 性 、 下沉量以及排土坡面 流水切 割等更趋 完好 , 它完全不与坡 面自然属性的滑动发 生关系 。排土 平台形成后由于其基底牢靠 、 安全 , 给平台上部的运输设备提供了保证 , 但坡 面不断堆积新的松散 的废土石 , 时刻 受着风 、水 的侵蚀 , 以及排土场自重力和外 荷载 的作用 , 这就自然而然 的出现 一些常 规变化 , 为了研 究平 台反坡的变 化规律特 征 , 观测站进行了长期观测 , 其观测测量数 据详见表 。 初始平台面积和排土线长度 的确定 为了满足汽车排土和推土机转排面积 的需要 , 根据潘田采区运土汽车的型号 、 吨 位 , 推土机重量等 , 考虑到一次最大运量的 需要 , 初始平台面积为 。 为了延 伸初始路基 , 必须沿着等高线方 向排土 。形 成初始基本平台后排土方 向就沿着垂直等 高线方向呈扇形扩展 , 直至形成稳定平 台 。 截至年月排土线长度已达 。 排土容积的确定 潘田采区近几年来废石量经常变 化 。 年提供的数据 为万 , , 年确定 的废土石数量为万 , 。 年 初 起算为万根据近年来潘田 排土量分析年排土量按万考 虑 。 限据年月日冶金部福建岩 土工程勘察院提出的 “ 科技成果技术鉴定 材料 ”中所列, 采区北矿体斜坡产生滑塌变 形形成一个高 一 一 , 宽 , 面积 约万 , , 塌方量约万的大型滑 坡 。 又根据采区南矿自然 山体边坡先于北 矿出现 的滑塌变形 的分析来看 , 其滑坡量 也有约万 。 总体考虑潘田采区将来 总废土石量大致在 万砰较 为适宜 。 详见表 。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 有色冶金设计与研究第卷 表平台反坡实测坡度及坡面角度 项目 排土平台反坡 坡度 排土坡面坡度排土坡面坡度 一 断面 一 断面 一 断面 一 断面 一 断面 一’断面 一 断面 一’断面 一 断面 。 。 久容 匕 表排土场址及堆置容积表 排土场址 堆置容积 万 说明 大格排土场东平台 主要考虑近几年坡面和平台眉线附近 需填补凸凹不完整部份的数量 大格排土场西平台 采区北坑内排土 考虑了以下堆置的数量 设计堆置为万 , 转角站 如果 内排和大格后期实在堆置不下可 往预备场地排放 排土场地表水排除原则的确定 大格高排土场位于潘田采区堑沟总 出 入口外侧 的荒山沟谷中 , 流域面积 仅为 , , 地区性降水十分丰富 , 气象属中 温多雨 亚热带山地气候类型 , 年平均气温 。 排土场泥石流防治工程观测站雨 量观测年统计资料如下 年平均降水量 年最大降水量 年平均降水天数天 日最大降雨量 小时最大降雨量 了 分钟最大降雨量 分钟最大降雨量 。 根据观测站雨量 观 测资料分析 , 可分 为种类型 。 春雨季月 , 该季雨晕 呀全午洋 水量的 。 梅雨季月 , 该李内量较集 中 , 占全年降水量的 。 台风雷雨季月 , 该季台风活动 较多 , 短历时降水 多分钟 、 分钟 、 分钟 , 占全年降水量的 。 秋冬旱季 一翌年 月 , 该季雨量 稀少 , 是大格排土场一年当中排土生产最 好季节 , 占全年降水量 的 。 众所周知暴雨是排土场充水的主要来 源 。 历史上也曾多次在潘田采区周 围造成 洪水危害 。在设 计大格排土场过程中 , 设计 者反复调查与计算 , 表 明暴雨形成 的地表 水径流对排土场 的侵蚀 , 完全可以形成泥 石流 。 水蚀是使露天排土场最不稳定的因 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期潘洛铁矿大格高排土场设计 素 。 因此 , 确立了如下项措施 。 ①不论是设计前期或后期排土作业平 台 , 一律用推土机形成反坡 , 使得雨水不向 排土坡面径流 , 以减轻水对坡面的侵蚀 , 反 坡平台坡脚处设置截水沟和沉沙池 ②排土场上端源头部分设置源头截 水沟 断面 , 拦截场外 来水 , 避免冲刷坡面 ③排土 坡 脚外处 设置截洪 沟 , 使水在自然山体内被截 , 不冲泡坡脚 。 上述项措施均在年首先提出 , 经过施工 生产实践证明 , 泥 沙流失量大大 减少 , 杜绝了灾害性泥石流的发生 , 增强 了 具有高度松散性质的排土 场 整体稳定性 , 效果很好 。 排土场地下水引出的原则 在大格排土场底 部西山坡上部 由 。、 、 个断裂带构成 的破碎带 , 西山坡 中 的冲沟内 , 在高程以下和高程 以上 , 连续分布着三处系第四纪层 下风化 花岗岩裂 隙性泉水 , 因泉水 出露的高度较 高 , 其泉水涌量共为 , 常年不竭 , 为排土场底部的沟谷 水流 , 对排土堆置体 的总体稳定性影响较大 , 必须引出 。 另一方面 , 在大格自然山体西侧谷坡 上分布大片水稻田 、 农灌季节水量较大 , 大 部分水 浇地常年赋有地表水流 , 雨季或降 雨时水蚀更甚 。 由此可知 , 不论谷底 的泉水 或谷坡 上的地表径流 , 其水流特征在时间 上和 空间上都具有明显 的差异 。 由水对排 土场有着特别敏感的危害 , 设计对处理解 决泉水的措施是在泉眼上游布设座拦 挡坝 , 在泉眼水流通过段设 置盲沟并铺设 隔沙透水的土工布 , 在水流通过段的尾部 布设座拦排水坝 , 泉水集 中于此被 引至 自然山体的截排洪沟 。 这一技术措施从设 计施工到投入使用一直得到矿 山和设计工 作者 的高度重视 , 年月建成后效果 良好 。 但使用年零个月后 , 因横遭乱采 乱挖的破坏 , 开挖土工布挪 为他用 , 致使盲 沟堵塞失效 。 为此 , 矿 山和设计院又提新方 案 , 采取平桐排水措施 , 此技术措施是首次 用于排土场 , 目前施 工进展顺利 , 效果良 好 。 泥沙流失量及拦淤库容量的确定 ①泥沙流失间题 包括泥沙 的侵蚀 、 挟 带 、 输移 、 淤积和密实的过程 , 这是排土场 一个 自然现象 , 但在高强度降水的作用下 , 使排土坡面上的废土石分离 、 移动 , 大颗粒 被搬运做为推移质淤积在下淤沉积 区内 , 细小颗粒被输移作为悬移质随水流作用 被携带至下游河道中 。 泥沙流失量参数的 合理确定是泥沙流失设计 中的重要因素之 一 。 年前设计确定的泥沙流失指标 , 按 潘田采区一次泥沙的来量计算约为万 。 另一指标是年至年赴南 方地区与潘田采区降水条件相似的矿 山排 土场调查获得的 , 如海南铁矿第土场 、 大 宝山矿排土场 、 云浮硫铁矿排土场等 , 得 出 按年排土量的计算 。 在完成大格高排 土 场 设 计 施 工和投产 后 , 从年至 年重点开展 了泥沙流失量 的观测 研 究工作 , 通过测量手段 , 按固定不变的测量 断面位置 , 测出泥沙搬运淤积在 沟道 中的 推移质 , 又通过测试手段在测量 断面上 测 量流量和流速 , 取样测出悬移质的含沙量 。 经过近年的观测综合分析计 算 , 得 出大 格高排土场年泥沙流失量为年废土石排方 量的肠 。 该数据经年月福州全 国审查会议和生产单位的认可 。 当时年在排土场 直接测验取 得泥沙流失量数据 , 国内尚无先例 , 现在亦 不多见 , 该项工作今后应推广开展 。 ②为解决好泥沙流失 中的推移质的拦 淤 , 减少泥沙流失对下游的影响 , 提高排土 场的环境效益 , 大格高 排土场布设级拦 截设施 , 在 社 重力式 拦 挡坝内布设级 , 仕 重力式拦挡坝内布设级 。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 有色冶金设计与研究第卷 根据泥沙流 失量的数据确 定 了 今后年 的库容量 。 首 先对大格排土场 ” 重 力 式拦挡坝加高作 为初 始 拦 挡 坝 。 在完成重力式拦挡坝 内三级拦淤任 务后加上在 ” 库内再建二级干堆坝 , 可供 拦淤万砰 , 解决了灭格高排土场今 后所有的泥沙流失量 。 为了预 防自然山体 流失所 产 生 的影响 , 在 壮 坝外至 牡 栅栏 坝 内视情况建座高的土石 混合坝 , 该坝库容用以拦截大格沟谷坡上的农田水 浇地产生的泥沙流失 。 排土场泥石流防治原则的确定 年月在潘洛铁矿 潘田采区大 格排土场设计 中完成 了露天矿高排土场泥 石 流 防治方案和施工 图设计 , 并在 全国审 查会上通过 , 这在当时全国尚属首例 。 大格高排土场所处区域的自然条件较 全国其他矿山复杂 , 如雨量丰富 , 年最大 降 水量达废土石为 亚 沙 土 亚枯 土 地 形陡峻 , 坡度 为 。 冲沟发 育等 。 在潘田采区历史上也曾出现过较大 泥石流 , 给下游铁路桥梁 、 农田水利造成 了 危害 , 大格排土场 因此被迫停止排土 , 给 采 矿生产造成 损失 。本 着上述状况 , 设计确定 了强化基底 稳定性 , 抑制坡 面及冲沟恶化 , 最大可能 的减少地表水和地下水对排土场 的危害等综 合治理泥石流 的原则 。 其具体 技术措施是 ①建立 源 头截水 工程 , 源头截水墙布 设在排土场源头 , 以堵拦上部山体 、 采场 、 排土公路以及排土平台反坡方 向的来水 , 使本来发育的坡面沟 、 冲沟得到抑制 。 ②排土平台形成 反坡 , 使得平 台上的 雨水本来沿 着 坡 面往 下 流而改 为 向回流 , 减少泥沙流失量 、 减轻坡面侵蚀 。 由于水动 能力减小 , 其坡 面上 泥沙搬运能力大大降 低 , 从而抑制了泥石 流的发生 。 ③大格东西 沟道内设置谷 坊 。 布设成 群组 至少座 , 要求下一级坝充填 物质回淤至上一级坝的坝基以达到改变沟 道内的纵坡度 。 经过实践证明 , 沟道两岸下 切崩塌得到控制 , 缓解了泥沙石的流速 , 减 缓泥沙搬运能力 。 ④截洪沟布设在排土坡面下部坡脚外 处 , 其功能是截走 自然山体上部的 所有水流 , 使之达到排土场外来水不至冲 刷坡脚 , 增强排土场整体稳定性 。 排土场整体稳定性分析 年代后期 , 大格高排土场设 计中提 出进行排土场整体稳定性分析 。 在没有资 料 、 没有先例 、 没有设计规范的情况下进行 了大面 积的技术考 察 , 提 出方案设计及排 土场整体稳定性分析 。 当时大格高排土场设计 的稳定分析主 要 依据场址基底地形 、 地貌 、 工程地质 、 水 文地质及废土石的物理力学性质等求得整 体稳定的安全系数值 。 由于当时工程地 质勘探工作尚在进行 , 基本要素缺乏 , 只能 借助工程地质部 门 、 铁路部 门的资料进行 分析和计算 。 排土场 的稳定分析有别于自然山体边 坡 稳定性分析 , 其主要不 同点是 ①排土 场 的边坡角是 自然堆积形成 的安息角②废 土石是具有高度松散和孔隙率很大的处于 自然沉陷 、 自身逐渐压实过程中的挠动土 ③排土场基底地形是给定的 。 当时大格高排土场稳定性分析采用了 以下公式进行计 算假设 某个滑 功面上 其 下 滑力与抗滑力 、 始终处于极限平 衡状态 。 一 , ⋯⋯ 。 ,, ⋯ ⋯ 一尸入 了 ,, ⋯⋯ 。 , ⋯⋯ 沪 一 将 、、 式代入 一式得 一 甲 。 尹 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期潘洛铁矿大格高排土场设计 即 一切 ⋯⋯ 式中 滑动面单位上 的下滑力 滑动面单位上的抗滑力 滑动摩擦系数 作用于滑动面单位面积上 的垂直压力 土体重量 滑动面倾角 即坡面角 甲 废土石内摩擦角 。 从公式式 可知排土场 的边坡 随时 随地都是处于 极限平衡状态 , 基本符合大 格排土 场边坡生产中的实际状态 , 处于自 卸汽车倾卸完毕所形 成 的 自然坡面角安 息角等于废土石的内摩擦角 。 排土场形成 的坡面这个刚堆置形成的坡 面就是边坡的 最弱面 , 此时此刻虽然形成高度的坡面 , 但 始终处于相对的极限平衡状态 的稳定性 , 这是所有排土场初始时所出现的状态 。 大格高排土场通过年生产 实践和 年的野外科研观测得 出这一结论即 当 初始坡面自然形成后 , 如遇重力作用或其 他外营 力作用 则边坡土 体 就有 可能 下 滑 下滑量视暴雨强度 、重 力大小及外营力大 小而定此时坡面上废土石角度如果 尹 , 坡 面 即稳定 , 如 果是 “ 切坡面即不稳 定 。 应当指 出 通过大格高排土场的实践与 观测得 出这一结论 , 只要 排土堆积体的滑 塌不 产 生无控制的变形 , 则 可以允许废土 石堆积体按 其本 身的自然属性 即力学属 性和规律产 生变形即角度关系变化 规 律 , 大格高排土场从开初方案设计就牢牢 抓住两 头的重要性 第一头 即是初始排土 平台的设计 , 其原则是绝对安全 和不许变 形 , 另一头 即被脚外的重力堆积区 。 该区分 段设防最后是防护工程设施 。 以源头到 堆积区尾部距离长达 。 大格高排土 场经年的形 成和演变至今没出过一次 事故 , 也没有给下游造成一次危害 。 目前大格东排土平 台的坡 面现 状是 从平 台眉线往下阶段 , 由 于年发生滑塌没有填补 , 坡面出现大 面积凹陷区 , 以高 程往下至 高程 近左右 , 基 本处于 甲 “ 状态 , 经层层堆积自然压实随时都是稳定 的 。 由于大格排土场 场 址地 形是多个 坡 度 , 设计选用多坡滑动面的稳定验算公式 计算排土场整体稳定性 。 计算式如下 。。 一 。 一 , 一一 。 几 一 一, 一 一。 〕 外 ’ ⋯” ” ’ ⋯ ⋯ 式中 第块土体的剩余下滑力 , 。 第块土体的单位容重 , “ 安全 系数 第块土体滑动面的倾角 、 第块土体的内摩擦角 一, 第块土体的剩余下滑力 如为负值时便不计入 。 第块土体单位粘聚力 , 。 第块土体的滑动面长度 ,。 经计 算东排土 平 台整体 稳定 性 , 西排土平台整体稳 定 性 , 一 以上均稳定 。 经生产实践检 验 , 安全系数与现场实 际基本相符 。 年我们就指 出 评价排土场稳定 性的困难并不在于现行计算方法存在某种 缺陷截至 目前为止排土技术工作者和研 究工作者 , 还没有从理 论上给出一个专门 计算排土场整体稳定性的计算公式 , 而在 于测定废土石物理力学性 能的计算指标 , 及其规律的近似值和边坡地质条件 即场 址山体 , 稳定性评价 。 通过大格排土场的 设计研究 , 这项工作已由南昌有色冶金设 计研究院和中科院武汉岩土力学研究所共 同合作填补了空白 。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 有色冶金设计与研究 第巧卷 三 、 排土场 防治工程的设计 高排土场泥石流防治措施 大格排土场 泥石 流 防治工程措施 , 过 去也有过考虑 , 但由于 当时对排土场泥石 流的认识不 足 , 防治方式不当 , 方法单一 , 单纯地设想建一高坝 , 将所排弃的废土石 拦截住 。一 道浆砌块石拦挡坝刚建成不久 , 年一场泥石 流将拦挡坝冲毁 , 事后又 不从源头截水 、 稳坡等治本措施着手 , 仅在 排土方式上采取低排 、分散排等措施, 在防 治工程上忙于头痛医头 , 脚痛医脚 的消极 的治表方法 , 没有一个系统的 、 综合性的防 治工程措施 , 因此治理屡遭失败 。 为了增强高排土场的稳定性 , 积极地 制止 或缓 解 松 散堆积 体的 滑 塌次 数和规 模 , 尽量堵截排土场界外的水流 , 完善排土 技术环境 , 提高矿山的经济效益和社会效 益 , 根据场址的水文 、 气象 、地 质等条件 , 大 格高排土场泥石流的防治采取了综 合性的 工程措施 , 大体分为预防和治理两大类 。 预防措施 在 尚未排弃废土石或已排放废土石而 未发生泥石流的沟谷中 , 要采取预 防措施 , 高排土场区域范围 内 , 加强管理 , 禁止乱垦 滥伐 , 引导当地村民合理开垦梯田 , 保护植 被 , 引水和修建谷 防坝 , 对 自然山体采取稳 坡措施 。 在矿体开采和废土石排弃时 , 应周 密规划设计 , 避免因矿体开采和废土石排 弃而发生坝塌 、 滑坡等现象 , 确保自然山坡 和排土边坡的稳定 。 治理措施 对于 因大量松散 的废土石的排弃有可 能酿成人为泥石流的沟谷采用生物及工程 的治理措施 。 图大格高排土场防治工程图 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期潘洛铁矿大格高排土场设计 生物措施是泥石流防治的重要组成部 分 , 一般采用种植乔 、 灌 、 草等植物 , 使流域 形成一种多结构 的地 面保护 层 , 充分发挥 其阻滞降水 , 保持水土 , 调 节 径流等功能 , 从而达到预防和制止泥石流发生或减少泥 石流规模 , 减轻其危害程度的目的 。 我们主 要采取在已形成的排土平台及停排的库区 堆积物上种植石竹 、 茶树 、 果木等 , 在停排 的排土坡面人工植草 , 使裸露的排土表 面 快速形成草类覆盖 , 以控降水 , 增加人渗及 汇水 阻力 , 保护表土免受侵蚀 , 控制冲沟的 产生和发展 , 从而达到 防治泥 石 流 流 失的 目的 。 随着矿 山不断地 开 采 , 大量废 土石松 散体源源不断地排弃 , 自然沟谷所受侵蚀 加剧 , 且排土边坡一直处于 临界稳定状态 , 当受雨水 、 廿体自重 、 采矿放 炮等影响时 , 崩塌 、 滑坡 盯有发生 , 单纯采取生物措施势 必很难生效 。在 排土场 尚未停排前 , 平台的 生物措施又不能实现 时 , 必 须采取工程措 施 , 这也是大 格排土场泥石流 防治的重点 。 我们采取 的工程措施有防 、拦、 排等类型的 工程设计 。 高排土场泥石流防治工程设计 由于泥石流理论研究还没有达到 圆满 解决灾害防治 问题的程度 , 因此大格高排 土场泥石 流防治工程设计 , 有些设 计 依据 欠充分 , 缺乏试验数据 , 有些设计参数选定 不 够合理有 赖于 在工程 施 工 和运 行过程 中 , 根据实际情况对设计进行修改和完善 。 截水工程 水是激发泥 石 流暴 发 的重 要 条件之 一 , 是尼石流组成部分和一种搬运介质 。泥 石流的水源是暴雨 。 大格高排土场地处我 国南方 , 暴雨多 , 雨量 大 , 所以我 们在大格 高排土场泥石流防治工程和工 程效益观测 期 间 , 始终强调源头截水工程 。 观测实践证 明 , 它是关系到 防治工程成败的首要环节 。 截水工程包括排洪工程和平台反坡及 排水边沟等 。 排洪工程为公路挡 洪墙 、 排洪 道 、 排洪隧洞等 , 年在沿公路外 侧建了一道长 、 宽 、 高的 挡洪墙 , 并将公路路面改为单坡 反 坡见 图 , 封 闭排土 场 源头来水 , 将水拦 截住 , 经采场东侧边缘排洪道及排洪隧洞 引 出排土场 , 排入大柏树支沟 , 流 入双溪 河 。 排水边沟 挡洪墙 图公路改造示意图 随着矿山废 土石的不断排弃 , 排土场 眉线的 向前伸展 , 排土平台面积将越来越 大 , 平台汇水 面 积 亦随之增 大 , 为加快 径 流 , 改小渗流量 , 将排土平 台整修成 的平台反坡 , 使平 台表 面的径流水通过 平台内侧水沟 , 迅速引出排土平台面 。 截洪沟工程 根据排土场区域的降水与表面径流 , 水文地质 、 地形等特征和排土场堆置体边 坡脚外围 竺 的汇水面积的水不进入 排土场 内 , 设计上布置了截洪沟 , 以最大限 度地将外来水全部截住 , 不至冲剧坡脚 , 保 证排土坡脚的稳定性 , 截洪沟在排