台阶式露天采矿方法在南沙石场整治的运用.pdf

兰 壅 堕 施 工技 术 I 专 版 台阶式露天采矿方法在南沙石场整治的运用 1 引 言 摘要 介绍南沙开发区石场整治 的必要性 ， 介绍石场 台阶式整治 方法 ， 对石场边坡稳定性进 行了定量计算和 评价 ， 经过整治后南沙投资环境 提升的效果。 关键词 南沙采石场 ； 整治； 边坡稳定性 ； 环境 自然生态破坏是我 国当前环境质量 恶化 的重要原 因之一 ， 已成 为我 国经济 、 社会可持续发展 的严 重障碍。 随着 国家对矿 产资源 需求 的迅速增加及矿业经济 的迅 猛发展 ， 因矿 山开采而 造 成的生态环境破 坏 问题也 日趋严重 ， 特 别是露天开 采 ， 不但 影 响和破坏森林植被 与 自然景 观、 造 成污 染环 境 ， 而且还 会诱 发山体滑坡 ， 造 成水土流失等地质灾害。 由于许 多采石场布局 不合理 、 管理跟不上 ， 出现乱采滥挖 、 安全事故 多、 破坏环境等 问题 ， 一定程度上影 响了投 资环境。南 沙开发是 广州市建设 国际性区域 中心城市和 提高城市综 合竞 争力的需要 ， 是 实现广州城市 空间“ 南拓 ” 的重要战略部署。而 南沙开发 区石场 整治复绿 工程是广州 市青 山绿 地工程 的重要 组成部 分。 2 工程 概况 南沙开 发区位于 广州番禺区南部 ， 公路有广珠 东线、 京珠 高速、 新光 快速路 、 南部快速干线、 东部 快速干线等经过或通 向 该 区， 水路 东有狮子 洋水域、 中间有焦 门水域 、 西有洪奇沥水道 等流经 区内汇入伶丁洋 ， 区 内交通发达 ， 公路 、 水路 纵横交错 ， 口 谢 世 强 是 广州市重点开发区与深水港码头 建设区。本区位 于珠 江口狮 子洋 西岸， 地处北 回归线 以南 ， 近临南 海， 属亚热 带海洋性季风 型气 候 。 3 地 质概 况 南 沙采石场所 在的南 沙开发 区位 于番 禺区南 区珠 江入 海 口， 地貌类型 以冲积平原和 剥蚀 残丘为主 ， 地势北高南低 ， 地面 标 高在 3 0 0 m 以下 ， 自然坡度在 2 0～4 0 。之间。 山坡上覆盖层 较 薄， 大部分地段有基 岩出露。 据地质勘察 报告 ， 岩 土层力学强度指标建议 值见下表 成 因类 岩土层名称 承载力特征 重 k N ／ m 凝聚力 C 内摩擦角 变形模量 型 值丘 k P a k P a 中 。 E 。 MP a Q m 素填土 6 0 1 8 0 1 0 1 0 砂质粘性土 2 3 0 1 8 5 2 0 2 3 4 5 全 风 化 花 岗 岩 3 2 0 1 9 0 ～1 9 5 2 2 2 6 8 5 强 风 化 4 5 0 1 9 5 -2 0 0 2 5 3 0 1 5 0 2 花 岗 岩 y 5 中等 风 化 花 岗 岩 3 0 0 0 2 6 0 7 0 0 4 5 5 0 0 0 微 风 化 花 岗 岩 4 0 0 0 2 6 5 2 0 0 0 5 0 ～ 6 0 2 0 0 0 0 希 希 乔 带 不 乖 不 乖 币 乖 币 币 币 筇 绵 乔 乔 币 { 计 、 施工 方法尚有待于 深入研究 。砌体强度 不足、 安全 系数 偏 小 、 冻胀预 防措施 考虑不周 、 设计较粗 糙等原 因将引起 因设计 缺 陷导致的墙体 裂缝 ； 施工材料 不满足设计 要求 、 组砌 方法不 合理 、 构造措 施不 当等也会 引起墙 体裂缝 使 用单位随 意凿墙 打 洞、 改变使用功能、 增加 使用荷载等也会使墙体产生裂缝。 4 裂缝的预防措施 4 ． 1 裂缝的预 防措施 4 ． 1 ． 1 为避免 温度 变化 而引起裂缝可采取下列措 施 当建筑物长度较大时，应适 当设置变形缝 。据 国外资料表 明， 其垂直缝宽度 为 1 2 mm 左右 ， 缝 内填充聚 乙烯薄板、 沥青油 毛毡或塑料带； 在钢 筋混凝土平屋盖上应设置隔热层或保温层 采用刚性防水层时 ， 应 设置隔离层、 隔热板、 分舱 缝 分舱缝应填 以柔性材 料 在多层房屋的两端顶层及下一层两个开间的窗台 高度处沿内外纵墙及横墙 设置钢筋混凝土墙带或钢筋墙 带 在 不影响房屋整体 刚度 的情况下，可在房刷屋端部 或变形缝两侧 开间的屋面板底设置滑动层 刷废机油二遍或铺油毡一层 。 4 ． 1 ． 2 对 于由变形引起 的裂缝 ， 可采取下列措施 多层房屋设计时应使结构的刚度分布均匀 ， 建筑体 型简洁 ． 并按有关规范规程要求设置沉降缝 为增强房屋整体刚度 ， 对 四层 以上房 屋须在房屋 四大角及 外墙 转角 、 楼梯 间、 四角设 置 混凝土芯柱 ， 一般为三孔。对于软 弱地基 ， 还要在 角孔或中孔配 置钢筋混凝土芯柱 对于软 弱地基上的三层及 以上 的房屋 ． 其 长高比值 不大于 2 、 5 ， 尽量做到纵墙 不转折 或少转折 对于软 弱 地基上采用筏板基础 的房屋 ， 当预估最 终沉 降量大于 1 2 0 mm 时， 应有不少于两道纵墙拉直贯通 ， 每量 大于层板 底设置圈梁 ， 并尽 量使上部 结构重心和基础底板形心重合 若墙体 由两种或 两 种以上材 料混合砌筑时 ， 可在两种材料 的交接 处范围内增设 一 层钢 丝网， 再抹面层 2 ～ 3道。钢丝网的存在 可有效地改善局 部 应再抹面层力不均 匀的状况 ， 减 少裂缝 的出现。 4 ． 1 3 为减 少由砌块干缩引起墙体裂缝采取的措 施 混凝土砌块应 在达 到设计强 度等级并 在龄期 一个 月以后 方可使用 ； 砌块 应采用密实性混凝土 ， 并机械成型 砌块在砌筑 前应适 当干燥 ， 砌块 的含水量等于或 略低于 当地空 气的平均湿 度 ； 砌筑 前不应洒水淋湿 ， 对于 已砌好的墙 体 ， 最 好能覆盖塑料 布防雨 ， 被雨淋湿处 ， 应拆 除最上一皮 ， 方能继续砌筑。 4 、 1 ．4 其他预防措施 设计、 施工单位 应对业 主传授 必要的房屋 养护知 识 ， 以防 止使用单 位盲 目改变使 用功 能 ， 随意拆 墙打洞 ， 造 成墙 体受力 性能改 变 ， 引起人 为的墙 体或 结构损坏 ； 应 开展适合地 区特点 的砌块墙 体研 究 ， 形 成可作 为设计 依据 的地方性规 程 ， 提高设 计水平 ， 从根本上消除裂缝 的危害。 4 _ 2 裂缝的修复方法 1 水玻璃砂浆填补法。材 料为水玻璃 、 粒化高炉 、 矿 渣粉 、 砂、 氟硅酸 钠 ， 按 一定 比例配制。作 法 沿裂缝每 隔 2 5 0 mm 打 直径 2 5 mm 的小孔， 将水玻璃砂浆注入 孔。 2 1 0 7 胶水泥砂浆填补法。 材料为水泥、 1 0 7胶、 砂 ， 按一定比 例配制。作法 将裂缝处清洗干净 ， 用 1 0 7胶水泥砂浆填补抹平。 3 若 裂缝宽度较 大 ， 影 响建 筑结 构的安全使用 ， 则要及 时 进 行 加 固 处 理 。 ● 作者单位 广州珠 江工程建设监理公 司 1 1 5 广东科技 2 0 0 7 ． 0 7 总第 1 6 9期 维普资讯 专 版 I 根 据石场边 坡工程地质 测绘和调 查结 果 ，就整 个边坡 而 言 ， 强风化花 岗岩厚度 不大 ， 坡面主要 由 中风化岩 及微风 化岩 组成 ， 属岩质边坡。在边坡 范围内没有发现断裂和连续 的软 弱 结 构面 。 4 石场整治的必要性 原有石场是“ 一面墙 ” 式 的高 陡边坡 坡高 5 0 m一1 6 0 m、 边 坡角约 6 5 。 ～8 0 。。坡面很不规整 ， 今后很有可能发生碎石滑 落或岩体崩塌甚至造成 山体滑坡 的现象 ，因而存在 安全隐患 ； 另外 ， 石场开采 立面 坡 面 位于京 珠高速等 交通干 线旁边 ， 属 交通干线的可视范围 ， 直接影响景观 ， 因此石 场需加以整治 ， 为 复绿工作 的实施提供条件 ， 提升南 沙投 资环境。 5 整治方式和整治方案的选择 根 据实 际条件 ， 采用“ 自上 而下 ， 分水平 台阶开采 ” 的山坡 型露天开采 整治 方式 ， 即台阶式整治方式。 石场整治 的 目的， 首先是确保边坡稳定 、 安 全， 为复 绿工 程 提供 既安 全稳定又 经济合理 的整治边坡 ， 尔后恢复 绿化 ， 再考 虑土地开发利用及其可能性。 同时， 随着立面 的绿化提 升土地 的利用价值 。 5 ． 1 最终边坡参数的选取及境界确定 5 ． 1 ． 1 最终边坡参数的选取 根据地质勘 察报告 ， 白地表 1 3 m 以上覆 盖层 含 全风化 、 强风化岩层 视 为土体 段 1 3 m 以下为中 、 微 风化花 岗岩石料 ， 岩层整体性较 好。石场水文地质条件属简单类型。 复绿 方案是在 台阶式整治 的基 础上进 行。具体 技术 措施 是 台阶平 台间高差以小于 1 2 m， 平 台宽 3 ． 5～6 m， 平台回填土 前 ， 外侧砌 浆石挡土墙 ， 高 0 ． 6～1 ． 2 m， 回填种植 土 0 ． 5～1 ． 2 m 厚 平台中间种两排灌木或后排乔木 、 前排灌木 梅 花点分布 ， 后侧靠壁面种上 攀援藤 类， 前 缘种 下爬 类藤本。 综上所述 ， 并 结合地质 资料及 ” 岩土层 力学强 度指标 建议 值表 ” ， 石场整治 的最 终边坡参数确定如下 1 岩石 台阶 台阶高度 h 1 0 r h ， 台阶坡面 角 7 0 。 ， 平 台宽度 b 5 m 2 近地表 的土体段台阶 ， 自上而下 第一台阶 台阶高度 h ≤5 m， 台阶坡面角 4 5 。 ， 平台宽 度 b 4 m 为表土层 台阶， 可能含少量强风 化层 第 二台阶 台阶高度 h 7 ． 5 m， 台阶坡面 角 4 5 。 ， 平 台 宽度 b 4 m 为强风化层 台阶 第 三台阶 台阶高度 h 7 ． 5 m， 台阶坡 面角 6 0 。 ， 平 台 宽度 b 4 m 为强风化层 台阶 ， 含部 分中风化岩 每个岩石台阶两侧 出地表段 ，约 3 0～5 0 m 范 围内属土体 段 ， 其台阶坡面角 由 7 O 一6 O 一4 5 一 尖灭。 5 ． 1 ． 2 最终境界的确 定 结合石场实测 的原有坡底点高程 ， 综合分析和确 定整治石 场底部 第一 台阶平 台的标 高 ， 并 以其为基础 ， 按确定 的边 坡构 成参数 ， 自下而上进行各 台阶的 圈定 ， 绘制各台阶终 了平面 ， 综 合形 成石场整治终了平面 终 了最大采高为 1 6 0 m 自坡底标高 1 5 ． 0 m 至坡 顶标 高 1 7 5 m ， 经计 算此处最 终帮坡角为 4 7 _7 。 ， 其 中土体段帮坡 角为 3 9 。 ， 岩石段帮坡 角为 5 0 。 。 5 _ 2开拓运输方式选择 台阶式 整治 ， 必须执行 “ 自上 而下 ， 分水平 台阶开 采” 的原 则。但原有石场均是 “ 一面墙” 式 的高陡边坡 ， 整治 终了的边坡 大 多在 1 0 0～1 7 5 m， 基本属 山坡型露采整治 方式 ， 按最 小整治 工程量 的设计原 则和确 保总体边坡 既稳定安 全又满足 复绿平 台最小宽度要求的前提下 ， 上部 台阶需适 当外扩。 1 1 6 广东科技 2 0 0 7 ．0 7 ． 总第 1 6 9期 因此 ， 在 这种特 定 条件下 ， 选择投 产快 、 投资 省 的溜坡 方 案 即利用原 有坡 面溜放物 料。 5 ． 3 采剥工作 因石场整治要 求扩 帮平 台的宽度 有限 ， 同时为保护 总体边 坡稳 定 ， 不宜采 用牙轮钻 或潜孔钻 等深孔爆破 手段 ， 应采 用浅 孔爆 破 方式进 行爆破作 业 ， 爆下 的石料沿原坡 面下溜 ， 如 此循 环 ， 自上而下 逐步 形成台阶。 6 石场边坡稳定性定量计算和评价 终 了边坡 的高度 、 帮坡角和形态是 影响石场边坡稳定 性的 重要 因素 ， 故选择石场最 大采高处进行边坡稳定性分析。 由于 石 场 边坡 的最 大 采高 为 1 6 0 m 坡 脚 标 高 1 5 m，坡 顶 标 高 1 7 5 m 。根 据工程地质 ， 此地段 自 1 7 5～1 5 5 m 标 高段为土层 和 强风 化岩 层组 成 的土 体段 自 1 5 5～ 1 5 m 标高段 为中、 微 风化 岩层 组成 的岩石段。根据 已确定的终了边坡 构成要素作剖面 图， 可求 土体段 的终 了帮坡 角 如 图 1所 示 图 1 土体段 边坡 稳定性 分析 7． 57．55．0 7 ．5c t g 6 O 。 7 ．5c ￡ g 4 5 。 5 ． 0 c t g 4 5 。 24 ．0 0． 8 0 5 5 故求得 JB 1 3 8 ． 8 5 0 5 。 3 9 。。 1’ 7． 57． 55． 0 7 ． 5c O 。 7 ． 5c 5 。 5 ． 0c ￡ 5 。 24 ． 0 5 ． 0 0 ． 6 7 0 5 故求得 ’ 3 3 ． 8 4 0 5 。 一3 4 。 。 同理 ， 可求得岩石段 的终 了帮坡角 口 为 2 0 7 4 故求得 fl 2 5 0 ． 3 6 6 5 。 一5 0 。 综合 的最大采高处的最 终帮坡 角8为 器 0 9 7 5 丽 1 4 丽 ’ 求得 ／ 3 4 7 ． 6 6 0 6 。 一4 7 ． 7 。 另外 ， 对边坡稳定 不利 的因素还有边坡立面绿化 ， 给边坡增 加了额外荷重。为便于验算 ， 在此暂取种植灌木类植物的单位荷 重为 口 5 0 K N 包括高 O ． 6 m 挡 土墙 ， 槽宽 3 m、 厚 0 _ 5 m 种植土 和双排灌木成林 后的荷重及可能的风载等 取种植乔灌木 类植 物的单位荷重为 口 2 1 5 0 K N 包括 高 1 ． 2 m 挡土墙 ， 槽 宽 4 m、 厚 1 ．0 m 种植土和双排乔灌木成林后的荷重及可能的风载等 。 其 次 ， 当地 的地 震裂 度 属 V0 度 区 。 以上 条件是边坡稳 定验 算的客观条件 ， 岩土层力 学强度指 标建议值 则是验 算的主要依据。 6 ． 1 土体边坡的稳定性验算 假定 土体边坡 处于 天然状态 ， 且坡 顶无张裂 隙 ， 坡顶 地形 近似水平 。 由于包 括强风化岩 在 内的土体 尚具有一定 的凝聚 力， 故按平面滑坡形式作定 量验 算。 已知土体段的终了帮坡角 3 9 。 ，取土体 的平均内摩擦 角 2 8 。， 则当滑移角 等于危险滑移角e o 姜 虹 3 3 ． 5 。 时 ， 平面滑移便可发生。 维普资讯 如上 图所示 ， 滑坡棱柱体 的单位 自重为 1 0 7 6． 1 6 k N 因受绿 化外加荷重 的影响 ， 有两 个种植平 台 ， 则滑坡 的单 位 自重变为 1 1 2 口 1 1 0 7 6． 1 6 2 X 5 01 1 7 6 1 6 k N 据 此可反 求出滑坡体变化后的岩 土重度 为 1 2 X1 1 7 6 ． 1 6 XS i n 3 9 。 XS i n 3 3 ． 5 。 【 2 0 ． 0 XS i n 3 9 。- 3 3 ． 5 。 1 2 1 ． 3 1 k N ／ m0 上述 式中 岩土的重度 ， 平均 取为 1 9 ． 5 k N ／ m。 岩土的内摩擦角 ， 平均取 为 2 8 。 设计预 测的土体边坡高度 ， H 2 0 ． 0 m 土体段设计终了帮坡角 ， 3 9 。 i 2 q l 两个植 树平 台的额外荷重 ， 2 X 5 0 k N 。 在 0 0 o 的条件下 ， 可求出要求土体具有 的最大凝聚力为 ， ’一YlH m ax 一 一 2 1 ． 31 X 2 0 2 3．5 2 31 K P L a f 堑 墨 二 璺 1 2 8 。 根据地质 报告 中的天然状态直剪强度指标 ， 土体 实际的平 均凝聚力 为 C ， 2 2 ． 5 K P a ，故相 对于凝聚力 而言 的边坡安 全系 数 为 6- 3 9 验 算的 K 1 6 ．3 9远大于一般 1 ． 5～2 ． 0的要求 ， 土体边坡当 属稳定的。 6 _2 总体边坡的稳定性验算 验 算示意 图如图 2所示 图中 土体段终 了帮坡角 ， 3 4 。 一 岩石段 终了帮坡角 ， ／ 5 o 。 一 总体边坡终 了帮坡 角， ／ 3 4 7 ． 7 。 总体边坡平面 滑移角 ， 取 0 4 2 。 ，， 在 上部 土体 段 边坡 稳 定 的条 件 下 ， 岩 石段也按 滑坡 形式考虑 ， 并 假定 蠹 l 地表 无张裂隙 ，岩体 无地 下水 ， 以中风 一 化岩石为主， 按直线滑移面计算。 根据 图2总体边坡稳定性分析 地 质 资 料 ， 风 化 花 岗 岩 内 摩 擦 角 咖 2 4 0 。 ， 故取总体边坡平面滑移角 0 4 2 。 ， 即卢 咖 作 计算 条件。按验算示意图作力平衡计算如下 6 ． 2 ． 1计 算边坡的滑坡体下滑力 F 1 滑体 的 自重 Q 。 土体段 p ．1 口B C DE面积 X 1 ‘ ． ’ 口 B CDE面 积 1 ／ 2X BEXH1 1 ／ 2 XCDXH1 ， B EH 2 X c t g O - c 2 ， CDH X c t g O - c ， 已知 1 9 ． 5 k N ／ m0 ． ‘ ．Q 1 1 ／ 2 X B E H1 X 1 1 ／ 2 XC DH1 X 1 1 3 6 7 3 ． 6 k N 岩体 段 Q 2 1 ／ 2 X 2 XAEX A B X s i n - 0 ‘ ． ‘ A EH2 s i n O ， A BH2 s i n 』3 2 已知 2 2 6 k N ／ m。 ． ’ 、Q 2 1 ／ 2 X2 61 4 0 X s i n 5 0 。 一 4 2 。 s i n 4 2 。 X s i n 5 0 。 6 9 1 81 ． 5 k N 故 滑体 的 自重 Q Q 1 Q 2 1 3 6 7 3 ． 66 9 1 8 1 ． 58 2 8 5 5 ． 1 k N 学 术 建 设 园地 施 工技 术 l 专 版 2 边坡上复绿的额外荷重 该额外荷重 P包括土体段 2 q 和岩体段 1 ， 即 P2 口 1 1 4 q 2 2 X 5 01 4 X 1 5 02 2 0 0 k N 3 地震力的影响 因属整治性 质的工程 ， 以浅 孔爆破 为主 ， 故不 考虑爆破 震 动力的影 响， 当地属V 度地震烈度区， 查表地震力 为 F b ／ 3 K d p 尸 } 0 ． 2 X 0 ． 0 2 5 X 8 2 8 5 5 ． 1 2 2 0 0 4 2 5 k N 其 中 F b 1 卢 d Q 1 尸 1 0 ． 2 X0 ．0 2 5X 1 3 6 7 3 ． 61 O 0 6 9 k N R2 ／ 3 K d p 2 P 2 0 ． 2 X0 ． 0 2 5 X 6 9 1 8 1 ． 5 2 1 0 0 3 5 6 k N 式中 土体段地震力 厂岩石段地震力 岛 一 动力系数 ， 取 为 0 ． 2i 厂地 震 系 数 ，V 度 K d n 为 1 门0 0 ～ 1 ， 4 0 ， 取 0 ． 0 2 5 。 总体边坡的滑坡体在上述 Q、 P 、 F b 的作 用下 ， 总的下 滑力 F 为 F Q 尸 } X s n X c o s O 8 2 85 5． 1 2 2 0 0 X s i n 4 2 。 4 2 5 X c o s 4 2 。 5 7 2 2 9 k N 6 2 ． 2 计算边坡的滑坡体总抗滑力 S S { 【 Q 1 尸 1 X C O S O -- 1 X s i n O I X ￡ g 1 【 Q 2 P 2 X c o s O 一 X s i n O I X ￡ 2 } C 2 X AE C 1 XE D ’ ． ‘AE 2s i n O ， ED 1s i n O ； 已 知 24 0 。 ， C 1 2 2 ． 5 0 k p a， C 2 7 0 0 k p a ． ’ 、S { “ 1 3 6 7 3 ． 6 1 0 0 X c o s 4 2 。一 6 9X s i n 4 2 。I X t g 2 8 。 【 6 91 8 1 ． 5 2 1 0 0 X C O S 4 2 。 一3 5 6 X s i n 4 2 。 I X t g 4 0 。 } 7 0 0X1 4 0s i n 4 2 。 2 2 ． 5X 2 0 s i n 4 2 。 1 9 67 9 8 k N 式中 C 1 土体的平均 凝聚力， C 1 2 2 ． 5 K P a i C 厂中风化岩体的凝聚力， C 2 7 0 0 K P a ； 土体的平均 内摩 擦角 厂中风化岩体 的内摩擦角 ； 其它符号意义同前。 因此 ， 总体边坡 的安全系数 K为 KS ／ F 1 9 67 9 85 7 2 2 93．4 4 可见验 算的 K3 ． 4 4大于一般 1 ． 5～2 ． 0的要求 ， 总体边 坡 是安全 的。但 上述计算是有假设条件 的并 受岩土体的物理力学 指标影 响， 尤其 是结构面和水 因素 的影 响。复绿养护过程 中， 应 重视浇灌对边坡 的影响 ， 做好边坡 的截、 排水工程。 7 结 语 矿 山环境 已经被视 为可持续发展战略的重要方面。南沙石 场 的整治复 绿， 不仅消 除或 降低 了原 石场 高陡边坡发生 滑坡 的 危 险 ， 恢 复 了森林 植被 ， 特别 是紧邻京 珠高速 沿路 山坡今 已变 成 了一条绿 色走廊 ， 而且 改善 了南 沙投资环境 ， 营造 了青 山绿 水 ， 提升 了南 沙开 发区投 资地位 ， 取得 了较 好 的社 会及经济 效 果 。 一 参考文献 【 1 l 岩石力学原理 加 科茨著 ； 刘宝琛等译． 冶金工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． 1 1 【 2 l 矿 山岩体力学概论 刘宝琛． 长沙 湖南科学技术出版社 1 9 8 2 ． 9 ． 【 3 l 金属矿 山露天开采 焦玉书． 冶金工业出版社 ， 1 9 8 9． 1 ． 【 4 l 采矿设计手册 中国建筑工业出版社1 9 8 7 ． 作者单位 广东省 台 金建筑设计研究院 广东科技 2 0 0 7 0 7 ． 总第 1 6 9期 1 1 7 维普资讯