礦山環境恢復治理中邊坡支護方式探討

郭黨生

(中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102)

門頭溝采空棚戶區在歷史上曾是北京的主要煤炭產地，20世紀五六十年代，采空區內建設了大量簡易平房，最終形成了人口規模較大的采空棚戶區。2008年以來，門頭溝被確定為首都西部重點生態保護及區域治理協作區、首都西部綜合服務區和京西特色歷史文化旅游休閑區，該區內的礦山環境恢復治理逐漸加快。本文以北京門頭溝采空棚戶區某地塊邊坡支護工程為例，該工程地形地貌復雜，支護類型多樣，項目人文景觀要求水平高。通過詳盡的現場調查，分析了不同地形地貌下各類邊坡潛在的地質危害，針對性地采取了不同的邊坡支護方式，并取得了良好的治理成效，對同類工程有一定的借鑒意義。

1 場地工程地質概況和邊坡類型

擬建場地位于北京市門頭溝區龍泉鎮東龍門村，北側臨近九龍山，整體地勢北高南低，南北高差達60m，地勢起伏較大。根據勘測，地層巖性為穩定性較差的粉土、碎石和風化粉砂巖等。

1.1 地層分布

工程勘察揭露深度最深為20.5m，地層巖性自上而下分四層。表層為人工填土，其下為一般第四紀坡洪積成因的粘性土、碎石土和侏羅紀九龍山組粉砂巖(圖1)。粉質粘土素填土①層：黃褐色，稍濕，松散—稍密，以粉質粘土為主，含磚渣、碎石和植物根。夾碎石素填土和雜填土透鏡體，個別鉆孔混有少量礫砂。人工填土最大厚度5.5m。粉質粘土②層：褐黃色—雜色，可塑，含氧化鐵、氧化錳等，混有少量碎石，碎石局部含量可達35%左右。本層厚度0.8～7.4m。碎石③層：雜灰色，稍濕，密實，以棱角形為主，一般粒徑2～4cm，最大粒徑可達17cm左右，碎石含量約65%，以粘性土和中細砂充填，母巖成分以砂巖為主。全風化粉砂巖④層：淺黃—灰黃色，全風化，巖體破碎，呈碎屑狀，泥質膠結。未鉆穿此層，最大揭露厚度9.1m。

圖1 典型地質剖面圖

1.2 邊坡類型

工程主要地段位于九龍山邊緣，屬于太行山余脈，山嶺兩側各有四條山脊，主峰海拔685m。邊坡類型主要分為自然邊坡和人工開挖邊坡。自然邊坡以粉質粘土②層土質以及全風化粉砂巖④層為主，坡度多小于20度，部分地段存在倒坡。自然邊坡坡高一般小于10m，部分坡高超過10m，在重力牽引下有較大的滑坡趨勢。這些邊坡植被低矮，表層以粉質粘土為主，較松散。部分邊坡散布有風化巖石，巖體破碎，風化嚴重。

人工開挖邊坡有歷史成因的老邊坡和新的填方與挖方邊坡。歷史成因的老邊坡多為頁巖礦工程遺址或煤矸石堆場，主要位于山體的邊緣，部分堆積有建筑及有機質垃圾。新填方與挖方邊坡產生于平整場地工程，填方土質以粉質粘土為主，挖方則主要是放坡降低土層自重。人工開挖邊坡有土質邊坡、巖質邊坡以及上層為土質下層為巖質的混合邊坡。相對自然邊坡，人工邊坡的坡度和坡高往往較大，邊坡的穩定性較差[1]。

2 存在的潛在地質災害

本工程邊坡成因可分為自然邊坡和人工開挖邊坡。兩類邊坡的土層均為穩定性較差的粉土、碎石和風化粉砂巖等，由于缺乏支護和維護，在重力作用或雨水沖刷下，容易發生滑坡、泥石流等地質災害。

2.1 滑坡

滑坡是山體地形常見的地質災害，受重力作用，重力勢能大的高坡山體有向下滑移的趨勢，雨水、人工切坡等多是滑坡的誘因，滑坡會造成道路、房屋等損毀。本工程自然邊坡多為九龍山山體的前緣地帶，植被在雨水沖刷下根系發育較淺。缺乏植被保護的自然邊坡土質松散、巖層節理裂隙發育、巖層風化程度高，穩定性差，在暴雨等誘因下，極易發生滑坡、垮塌等災害。除自然因素，人為活動也加劇了自然邊坡滑坡災害發生的可能性[2]。工程地塊附近有煤礦、頁巖礦、金屬礦等礦區，開采后礦山的地質條件差異比較大，天然邊坡失穩現象較為常見，邊坡形態由于受到采礦工程以及爆破振動的影響，暴露的坡體很難及時得到維護，這增加了自然邊坡發生滑坡的機率[3]。

此外，本工程人工邊坡發生滑坡的機率更高。缺乏維護的露天礦山、廢棄尾礦壩的人工邊坡的暴露巖層比較多，極易受到巖體性質、地形、地下水以及氣候等方面因素的影響而失穩。且附近露天開采礦場開采手段比較原始，引發災害的幾率、產生災害的類型以及由災害帶來的危害強度都超出一般的露天開采礦山[4]。對于新的填方和挖方工程，雖然發揮著平整土地的作用，但也需要及時加以支護，否則這也是潛在的滑坡危害源。

2.2 泥石流

泥石流是易滑坡山體在暴雨氣候下常見的地質災害，其與邊坡區域的水環境有密切關系。為核查水環境對本工程的影響，在地質勘測時排查了臨近河道和溝渠等的情況。永定河距離工程約1.4km，且多年斷流，近年來才有所恢復，對工程無影響。距離最近的門頭溝距離工程約150m，且為季節性河流，發生洪水可能性極低。同時，經地質勘測，勘探深度20.5m范圍內未見地下水，工程所在區域水文地質條件簡單。但由于工程區塊土層穩定性差，而暴雨等天氣難以預測，泥石流屬于本工程潛在地質災害之一。為降低泥石流潛在風險，本工程在支護結構上分梯度設置有排(截)水溝，包括坡頂截水溝，坡底排水溝，集水進入門頭溝水系，人工排水方案足以消除雨水積累引發的泥石流災害。

2.3 采空區塌陷

工程地塊位于采空棚戶區，地下采空區因其井巷系統復雜以及隱蔽性等特點，會對地表產生影響。歷史上，門頭溝地區因采空發生塌陷的地質災害事例較為常見。為防止采空塌陷，工程對區域內的地下空間進行了勘測核查。經勘探，工程地塊區域內無采空坑洞。為排除臨近采空區塌陷影響，工程對東農門村區域的采空塌陷危險分級進行了核查。按王昌舉等[5]對埋深約40m，煤礦采空區邊界外擴29m為采空影響范圍線的劃分標準，臨近29m范圍內無40m深度采空區。另按張長敏等[6]的分類，龍泉鎮東龍門村屬于零級風險區。因此，本工程無采空區塌陷危害。

3 邊坡支護方式

本工程邊坡地形各異，不同地塊地貌和土質差別大。針對不同的邊坡類型和工程地質條件，分別采用拉錨土工格柵擋墻(B1、B7、B8)、拉錨格構擋墻(B2、B7)、下部重力式+上部擋墻(B3、B4、B)和現澆立柱式擋墻(B6)4種邊坡支護形式(圖2和表1)。

圖2 擋墻平面位置示意圖

表1 工程主要邊坡支護類型

3.1 拉錨土工格柵擋墻

土工格柵擋墻是一種加筋土擋墻，其利用土工格柵反包土體形成加筋土，加筋土利用自身的重力保持邊坡穩定。格柵施工可以與土方回填同時進行施工，同時發揮平整地面和支護邊坡的作用，造價經濟，工期短，同時坡面可以綠化，效果美觀[7]。本工程拉錨土工格柵擋墻選用高密度聚乙烯(HDPE)格柵材料，結合地形，選用平面和立體兩種類型的格柵網，在人工填土地段以及部分挖方地段采用土工格柵擋墻支護。

土工格柵擋墻利用人工抗拉材料護土，整體性高，耐雨水，結構可控，布置簡單，是高效率的擋墻支護結構。土工格柵可分層使用，不同的回填土層間放置一到多層格柵[8]。另外，結合生態反包麻袋，將上下兩層格柵連接成整體。由于土工格柵橫向抗壓能力較弱，為了防止土層位移，在格柵間設置橫向和縱向加強筋。在B1、B7、B8等地塊單獨或結合拉錨格構使用土工格柵擋墻，擋墻的高度8～10m，長度40～70m(圖3、圖4)。施工中回填土的土質以及回填方式十分重要，堆口反包麻袋后面坡體以回填材料回填，回填材料中灰土采用3∶7灰土，土料采用素土，土料內不得含有過大粒徑磚石、垃圾及腐殖質，白灰采用塊灰消化?；彝良捌麦w素土每層厚度0.5m，分兩步碾壓，每層虛填厚度不得超過0.3m，壓實系數不小于0.93?；靥钔戤吅?，在擋墻頂部設不小于200mm厚的C15鋼筋混凝土壓頂，內置2層Φ6規格200mm×200mm的鋼筋網，以增強頂部的抗壓和抗剪切力強度。在防水處理上，分別在最下一級擋墻坡腳處設排水溝，最上一級擋墻坡頂設截水溝，截水溝納入整個場區排水系統中進行統一設計。

圖3 B1擋土墻剖面圖

圖4 土工格柵擋墻(多部位使用)

3.2 拉錨格構擋墻

拉錨格構擋墻利用砼框架與錨桿結合，在邊坡表面形成格構結構，縱深以錨桿加固，支護力強，適用于本工程的挖方邊坡。與土工格柵擋墻相比，其主要依靠錨桿和面板來固定邊坡。錨桿設置在砼框架承力結構上，釘入巖層內，注漿，拉緊，從而將鋼筋混凝土墻面與土層連成一個整體。縱橫交錯的混凝土框架以及節點處的錨桿共同維護著邊坡穩定，框架內部也可以植草綠化，發揮美觀效果[9]。

在B2、B7地段單獨或結合土工格柵擋墻使用該方式。B2地段為挖方巖層邊坡，坡高約11m，坡長42m，分兩段坡，上層坡高5m，下層坡高6m，采用柱板式擋土墻結構，承力的柱板為相互垂直的橫向柱和縱向柱組成。在橫向柱和縱向柱交叉處設置錨桿，潛孔錘錨桿長度為4m，共6層，柱間土利用現澆鋼筋混凝土澆注固定，配合壓頂梁和聯系梁形成整體結構，穩固邊坡(圖5、圖6)。格構式擋墻應自下而上分段施工，下段強度達到60%以上方可進行上段施工。擋墻頂部設不小于200mm厚的C15鋼筋混凝土壓頂，內置2層Φ6規格200mm×200mm的鋼筋網。擋墻頂部和底部均需設置排水或截水溝。

圖5 B2擋土墻剖面圖

圖6 B2擋墻立面圖及拉錨格構擋墻效果圖

3.3 下部重力式+上部土工格柵或拉錨擋墻

重力式擋墻是依靠自身重力使邊坡保持穩定的構筑物，施工工藝成熟?？煞譃楦┬笔?、仰斜式、直立式和橫重式。采用重力式擋墻時，土質邊坡高度不宜大于6m，巖質邊坡不宜大于10m。與土工格擋墻相比，重力式擋土墻剛性強，可有效防止地基沉降，但重力式擋墻施工人工和材料成本較大，另外，重力式擋土墻占地面積大，對地基要求高。本工程毛石填方可利用現場材料，因此，在用地面積允許情況下，工程部分區段采用了毛石砌筑的直立式擋墻與其他擋墻聯用的方案。

重力式擋土墻適宜于坡高小于6m的邊坡，而本案邊坡的高度往往超過6m，因此，需結合拉錨擋墻等支護結構聯合使用。B3、B5地塊即采用了下部重力式+上部土工格柵擋墻支護結構(圖7)。B3、B5地塊為土質填方邊坡，施工前先清理場地，然后分層回填。底部重力式擋墻修筑完畢后，開始上部土工格柵施工(圖8)。B4地塊采用了下部重力式+上部土工拉錨格構擋墻結構。邊坡高度為11m，擋墻高度為6m，土工格構擋墻高度為5m。拉錨采用4m潛孔錘錨桿，共4層，40根。

圖7 B3擋土墻剖面圖

圖8 下部重力式+上部土工格柵擋墻

重力擋土墻需要堅實的基地，為防止滑坡，工程中，重力擋土墻基底采用逆坡，逆坡坡度為0.2∶1。墻背填土采用透水性強的碎石土填充，碎石粒徑不大于30mm，回填時分層回填，分層夯(壓)實。墻后設0.5m寬的反濾層，反濾材料采用碎石。反濾層上下各設高度不小于0.5m的粘土隔水區段，墻體內每隔2m設一道泄水孔，孔徑100mm。泄水孔豎向間距不大于2m，梅花形布置。擋墻頂部設200mm厚的C15鋼筋混凝土壓頂，內置2層Φ6規格200mm×200mm的鋼筋網。排水設施上，在最下一級重力式擋墻坡腳處設排水溝，并在最上一級擋墻坡頂設截水溝，截水溝納入整個場區排水系統中進行統一設計。

3.4 現澆立柱式擋墻

現澆立柱式擋墻是一種新式擋墻，這種方法將護坡樁、錨桿與擋土板有效的結合起來，可很好的起到擋土的作用。其特點是可以有效支護高差大于10m的高填方邊坡，且施工速度較快，效果美觀。

工程B6地塊坡高達13m，坡地巖層基礎較好，放坡面積小，因此采用現澆立柱式擋墻結構。立柱樁徑1m，樁間距1.6m，混凝土強度等級C30。立柱上設置3道預應力錨桿，錨桿長18m，縱向間距3m(圖9)。現澆立柱承壓能力強，結合預應力錨桿，可以發揮非常強的邊坡穩固效果(圖10)?，F澆立柱式擋墻利用立式板樁擋土，可結合錨桿錨固力和設帽梁連接成整體，從而形成穩固性強的連續結構，適宜于坡高較高且無放坡面積的地段。施工時，先綁扎鋼筋基礎，然后構架基礎模塊，最后澆筑混凝土。砼立柱地上部分可分段支模分段澆灌也可一次澆灌，砼澆灌嚴格按照鋼筋砼施工規范要求施工，澆筑中應注意在相應位置預留泄水孔，并在墻后設0.5m寬的反濾層，反濾材料采用碎石。反濾層上下各設高度不小于0.5m的粘土隔水區段。當回填土面層高于預應力錨桿2.0m后對錨索進行應力張拉。擋墻頂部設不小于200mm厚的C15鋼筋混凝土壓頂，內置2層Φ6規格200mm×200mm的鋼筋網。最下一級重力式擋墻坡腳處設排水溝，擋墻坡頂設截水溝，截水溝納入整個場區排水系統中進行統一設計。

圖9 B6擋土墻剖面圖

圖10 現澆立柱擋墻效果圖(擋墻6)

4 綜合治理效果

本工程位于九龍山山腳底，屬于順層巖質邊坡，邊坡巖層風化嚴重，表層粉質粘土顆粒松散，地塊整體處于動態塌方中。邊坡支護工程涉及的邊坡類型多，邊坡穩定性差，邊坡要考慮的危險因素包括滑坡、泥石流和采空塌陷等。邊坡支護方案設計難度較高[10]。工程從地形地貌角度出發，結合邊坡潛在危害類型，確定了不同邊坡類型適宜的邊坡支護方案。支護施工前，根據邊坡土質及地貌情況，開展了大量的土地平整工作，平整工作既消除了部分土質松散的土層，降低了邊坡自重，又形成了新的穩定的填方層。在此基礎上，根據填方和挖方土質結構，工程針對性地采取了土工格柵擋墻、拉錨—格構擋墻、重力擋土墻和現澆立柱擋墻等方案，各種方案因地制宜，混合采用，既就地取材，節約資源，又騰空有用空間，增強人文景觀豐富性。

根據治理工程效果來看，工程依山就勢選擇錯臺、錯層式建筑格局，挖方區布置主要建筑，填方區布置次要建筑等，既增加了工程景觀人文性，又可有效減少地質災害。本工程經歷了2012年7月21日以來數次特大暴雨的考驗，沒有出現任何次生災害，說明工程選用的支護方案科學合理。本工程作為地質災害治理項目，采取了多種支護形式，每一種支護形式都與當前的易于發生的災害類型相匹配，而且各種形式之間又相互協調，是實用性與景觀性相結合的優秀案例。將棚戶區地質災害隱患治理與當地自然風光相統一，一直是棚戶區地質災害治理思路的一個重要方向。本工程在方案設計中，注重邊坡危害治理與人文景觀相結合，工程考慮了周邊地形地貌景觀、地質構造特征、地質災害隱患類型等，既保留住當地的自然景觀，又能徹底消除地質災害的安全隱患。整體而言，本項目充分融入了政府規劃和百姓的工作生活需求，既節約資源、降低造價，又與整體環境融入一體，取得了非常好的采空棚戶區環境治理效果。

5 結論和建議

(1)地質災害治理工程需要與景觀建設巧妙結合，在考慮整體美化和協調的前提下對原有治理結構加以利用，本工程所采取的綜合治理的思路和技術特點，體現了地質災害治理工程的創新性及其社會和生態環境效益。

(2)本工程“門頭溝采空棚戶區石泉磚廠B地塊邊坡支護工程”采用了多種支護形式，剛性與柔性支護形式均有。重力式擋墻、現澆立柱式擋墻、土工格柵擋墻、格構擋墻、以及兩種擋墻的復合形式等，從項目內容上來看本工程涵蓋了幾乎所有的地質災害治理技術的支護形式，項目內容復雜，對施工單位的技術管理、現場組織協調提出了很高的要求。在詳盡的前期勘察和不斷的創新設計中，形成了切實有效的邊坡治理方案，并逐一落實到施工中。

(3)工程在施工中還成功地解決了不同類型的擋墻相交匯的結合、立式鋼筋混凝土擋土墻現場澆筑等難題。改善了棚戶區群眾居住條件，杜絕了滑坡等地質災害發生，給老百姓、尤其是工程用地范圍內的學校(小學及幼兒園)帶來了安全與舒心的環境，解決了棚戶區居民的后顧之憂。

(4)工程在保證支護效果的基礎上，既堅持了經濟性，又成功地將工程與當地人文景觀協調融合。工程經歷了2012年以來數次特大暴雨的考驗，沒有出現任何次生災害。本工程各類支護方案的協調一致，并于周邊環境和諧統一，對類似工程有重要的借鑒意義。