矿山环境恢复治理中边坡支护方式探讨

郭党生

(中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102)

门头沟采空棚户区在历史上曾是北京的主要煤炭产地，20世纪五六十年代，采空区内建设了大量简易平房，最终形成了人口规模较大的采空棚户区。2008年以来，门头沟被确定为首都西部重点生态保护及区域治理协作区、首都西部综合服务区和京西特色历史文化旅游休闲区，该区内的矿山环境恢复治理逐渐加快。本文以北京门头沟采空棚户区某地块边坡支护工程为例，该工程地形地貌复杂，支护类型多样，项目人文景观要求水平高。通过详尽的现场调查，分析了不同地形地貌下各类边坡潜在的地质危害，针对性地采取了不同的边坡支护方式，并取得了良好的治理成效，对同类工程有一定的借鉴意义。

1 场地工程地质概况和边坡类型

拟建场地位于北京市门头沟区龙泉镇东龙门村，北侧临近九龙山，整体地势北高南低，南北高差达60m，地势起伏较大。根据勘测，地层岩性为稳定性较差的粉土、碎石和风化粉砂岩等。

1.1 地层分布

工程勘察揭露深度最深为20.5m，地层岩性自上而下分四层。表层为人工填土，其下为一般第四纪坡洪积成因的粘性土、碎石土和侏罗纪九龙山组粉砂岩(图1)。粉质粘土素填土①层：黄褐色，稍湿，松散—稍密，以粉质粘土为主，含砖渣、碎石和植物根。夹碎石素填土和杂填土透镜体，个别钻孔混有少量砾砂。人工填土最大厚度5.5m。粉质粘土②层：褐黄色—杂色，可塑，含氧化铁、氧化锰等，混有少量碎石，碎石局部含量可达35%左右。本层厚度0.8～7.4m。碎石③层：杂灰色，稍湿，密实，以棱角形为主，一般粒径2～4cm，最大粒径可达17cm左右，碎石含量约65%，以粘性土和中细砂充填，母岩成分以砂岩为主。全风化粉砂岩④层：浅黄—灰黄色，全风化，岩体破碎，呈碎屑状，泥质胶结。未钻穿此层，最大揭露厚度9.1m。

图1 典型地质剖面图

1.2 边坡类型

工程主要地段位于九龙山边缘，属于太行山余脉，山岭两侧各有四条山脊，主峰海拔685m。边坡类型主要分为自然边坡和人工开挖边坡。自然边坡以粉质粘土②层土质以及全风化粉砂岩④层为主，坡度多小于20度，部分地段存在倒坡。自然边坡坡高一般小于10m，部分坡高超过10m，在重力牵引下有较大的滑坡趋势。这些边坡植被低矮，表层以粉质粘土为主，较松散。部分边坡散布有风化岩石，岩体破碎，风化严重。

人工开挖边坡有历史成因的老边坡和新的填方与挖方边坡。历史成因的老边坡多为页岩矿工程遗址或煤矸石堆场，主要位于山体的边缘，部分堆积有建筑及有机质垃圾。新填方与挖方边坡产生于平整场地工程，填方土质以粉质粘土为主，挖方则主要是放坡降低土层自重。人工开挖边坡有土质边坡、岩质边坡以及上层为土质下层为岩质的混合边坡。相对自然边坡，人工边坡的坡度和坡高往往较大，边坡的稳定性较差[1]。

2 存在的潜在地质灾害

本工程边坡成因可分为自然边坡和人工开挖边坡。两类边坡的土层均为稳定性较差的粉土、碎石和风化粉砂岩等，由于缺乏支护和维护，在重力作用或雨水冲刷下，容易发生滑坡、泥石流等地质灾害。

2.1 滑坡

滑坡是山体地形常见的地质灾害，受重力作用，重力势能大的高坡山体有向下滑移的趋势，雨水、人工切坡等多是滑坡的诱因，滑坡会造成道路、房屋等损毁。本工程自然边坡多为九龙山山体的前缘地带，植被在雨水冲刷下根系发育较浅。缺乏植被保护的自然边坡土质松散、岩层节理裂隙发育、岩层风化程度高，稳定性差，在暴雨等诱因下，极易发生滑坡、垮塌等灾害。除自然因素，人为活动也加剧了自然边坡滑坡灾害发生的可能性[2]。工程地块附近有煤矿、页岩矿、金属矿等矿区，开采后矿山的地质条件差异比较大，天然边坡失稳现象较为常见，边坡形态由于受到采矿工程以及爆破振动的影响，暴露的坡体很难及时得到维护，这增加了自然边坡发生滑坡的机率[3]。

此外，本工程人工边坡发生滑坡的机率更高。缺乏维护的露天矿山、废弃尾矿坝的人工边坡的暴露岩层比较多，极易受到岩体性质、地形、地下水以及气候等方面因素的影响而失稳。且附近露天开采矿场开采手段比较原始，引发灾害的几率、产生灾害的类型以及由灾害带来的危害强度都超出一般的露天开采矿山[4]。对于新的填方和挖方工程，虽然发挥着平整土地的作用，但也需要及时加以支护，否则这也是潜在的滑坡危害源。

2.2 泥石流

泥石流是易滑坡山体在暴雨气候下常见的地质灾害，其与边坡区域的水环境有密切关系。为核查水环境对本工程的影响，在地质勘测时排查了临近河道和沟渠等的情况。永定河距离工程约1.4km，且多年断流，近年来才有所恢复，对工程无影响。距离最近的门头沟距离工程约150m，且为季节性河流，发生洪水可能性极低。同时，经地质勘测，勘探深度20.5m范围内未见地下水，工程所在区域水文地质条件简单。但由于工程区块土层稳定性差，而暴雨等天气难以预测，泥石流属于本工程潜在地质灾害之一。为降低泥石流潜在风险，本工程在支护结构上分梯度设置有排(截)水沟，包括坡顶截水沟，坡底排水沟，集水进入门头沟水系，人工排水方案足以消除雨水积累引发的泥石流灾害。

2.3 采空区塌陷

工程地块位于采空棚户区，地下采空区因其井巷系统复杂以及隐蔽性等特点，会对地表产生影响。历史上，门头沟地区因采空发生塌陷的地质灾害事例较为常见。为防止采空塌陷，工程对区域内的地下空间进行了勘测核查。经勘探，工程地块区域内无采空坑洞。为排除临近采空区塌陷影响，工程对东农门村区域的采空塌陷危险分级进行了核查。按王昌举等[5]对埋深约40m，煤矿采空区边界外扩29m为采空影响范围线的划分标准，临近29m范围内无40m深度采空区。另按张长敏等[6]的分类，龙泉镇东龙门村属于零级风险区。因此，本工程无采空区塌陷危害。

3 边坡支护方式

本工程边坡地形各异，不同地块地貌和土质差别大。针对不同的边坡类型和工程地质条件，分别采用拉锚土工格栅挡墙(B1、B7、B8)、拉锚格构挡墙(B2、B7)、下部重力式+上部挡墙(B3、B4、B)和现浇立柱式挡墙(B6)4种边坡支护形式(图2和表1)。

图2 挡墙平面位置示意图

表1 工程主要边坡支护类型

3.1 拉锚土工格栅挡墙

土工格栅挡墙是一种加筋土挡墙，其利用土工格栅反包土体形成加筋土，加筋土利用自身的重力保持边坡稳定。格栅施工可以与土方回填同时进行施工，同时发挥平整地面和支护边坡的作用，造价经济，工期短，同时坡面可以绿化，效果美观[7]。本工程拉锚土工格栅挡墙选用高密度聚乙烯(HDPE)格栅材料，结合地形，选用平面和立体两种类型的格栅网，在人工填土地段以及部分挖方地段采用土工格栅挡墙支护。

土工格栅挡墙利用人工抗拉材料护土，整体性高，耐雨水，结构可控，布置简单，是高效率的挡墙支护结构。土工格栅可分层使用，不同的回填土层间放置一到多层格栅[8]。另外，结合生态反包麻袋，将上下两层格栅连接成整体。由于土工格栅横向抗压能力较弱，为了防止土层位移，在格栅间设置横向和纵向加强筋。在B1、B7、B8等地块单独或结合拉锚格构使用土工格栅挡墙，挡墙的高度8～10m，长度40～70m(图3、图4)。施工中回填土的土质以及回填方式十分重要，堆口反包麻袋后面坡体以回填材料回填，回填材料中灰土采用3∶7灰土，土料采用素土，土料内不得含有过大粒径砖石、垃圾及腐殖质，白灰采用块灰消化。灰土及坡体素土每层厚度0.5m，分两步碾压，每层虚填厚度不得超过0.3m，压实系数不小于0.93。回填完毕后，在挡墙顶部设不小于200mm厚的C15钢筋混凝土压顶，内置2层Φ6规格200mm×200mm的钢筋网，以增强顶部的抗压和抗剪切力强度。在防水处理上，分别在最下一级挡墙坡脚处设排水沟，最上一级挡墙坡顶设截水沟，截水沟纳入整个场区排水系统中进行统一设计。

图3 B1挡土墙剖面图

图4 土工格栅挡墙(多部位使用)

3.2 拉锚格构挡墙

拉锚格构挡墙利用砼框架与锚杆结合，在边坡表面形成格构结构，纵深以锚杆加固，支护力强，适用于本工程的挖方边坡。与土工格栅挡墙相比，其主要依靠锚杆和面板来固定边坡。锚杆设置在砼框架承力结构上，钉入岩层内，注浆，拉紧，从而将钢筋混凝土墙面与土层连成一个整体。纵横交错的混凝土框架以及节点处的锚杆共同维护着边坡稳定，框架内部也可以植草绿化，发挥美观效果[9]。

在B2、B7地段单独或结合土工格栅挡墙使用该方式。B2地段为挖方岩层边坡，坡高约11m，坡长42m，分两段坡，上层坡高5m，下层坡高6m，采用柱板式挡土墙结构，承力的柱板为相互垂直的横向柱和纵向柱组成。在横向柱和纵向柱交叉处设置锚杆，潜孔锤锚杆长度为4m，共6层，柱间土利用现浇钢筋混凝土浇注固定，配合压顶梁和联系梁形成整体结构，稳固边坡(图5、图6)。格构式挡墙应自下而上分段施工，下段强度达到60%以上方可进行上段施工。挡墙顶部设不小于200mm厚的C15钢筋混凝土压顶，内置2层Φ6规格200mm×200mm的钢筋网。挡墙顶部和底部均需设置排水或截水沟。

图5 B2挡土墙剖面图

图6 B2挡墙立面图及拉锚格构挡墙效果图

3.3 下部重力式+上部土工格栅或拉锚挡墙

重力式挡墙是依靠自身重力使边坡保持稳定的构筑物，施工工艺成熟。可分为俯斜式、仰斜式、直立式和横重式。采用重力式挡墙时，土质边坡高度不宜大于6m，岩质边坡不宜大于10m。与土工格挡墙相比，重力式挡土墙刚性强，可有效防止地基沉降，但重力式挡墙施工人工和材料成本较大，另外，重力式挡土墙占地面积大，对地基要求高。本工程毛石填方可利用现场材料，因此，在用地面积允许情况下，工程部分区段采用了毛石砌筑的直立式挡墙与其他挡墙联用的方案。

重力式挡土墙适宜于坡高小于6m的边坡，而本案边坡的高度往往超过6m，因此，需结合拉锚挡墙等支护结构联合使用。B3、B5地块即采用了下部重力式+上部土工格栅挡墙支护结构(图7)。B3、B5地块为土质填方边坡，施工前先清理场地，然后分层回填。底部重力式挡墙修筑完毕后，开始上部土工格栅施工(图8)。B4地块采用了下部重力式+上部土工拉锚格构挡墙结构。边坡高度为11m，挡墙高度为6m，土工格构挡墙高度为5m。拉锚采用4m潜孔锤锚杆，共4层，40根。

图7 B3挡土墙剖面图

图8 下部重力式+上部土工格栅挡墙

重力挡土墙需要坚实的基地，为防止滑坡，工程中，重力挡土墙基底采用逆坡，逆坡坡度为0.2∶1。墙背填土采用透水性强的碎石土填充，碎石粒径不大于30mm，回填时分层回填，分层夯(压)实。墙后设0.5m宽的反滤层，反滤材料采用碎石。反滤层上下各设高度不小于0.5m的粘土隔水区段，墙体内每隔2m设一道泄水孔，孔径100mm。泄水孔竖向间距不大于2m，梅花形布置。挡墙顶部设200mm厚的C15钢筋混凝土压顶，内置2层Φ6规格200mm×200mm的钢筋网。排水设施上，在最下一级重力式挡墙坡脚处设排水沟，并在最上一级挡墙坡顶设截水沟，截水沟纳入整个场区排水系统中进行统一设计。

3.4 现浇立柱式挡墙

现浇立柱式挡墙是一种新式挡墙，这种方法将护坡桩、锚杆与挡土板有效的结合起来，可很好的起到挡土的作用。其特点是可以有效支护高差大于10m的高填方边坡，且施工速度较快，效果美观。

工程B6地块坡高达13m，坡地岩层基础较好，放坡面积小，因此采用现浇立柱式挡墙结构。立柱桩径1m，桩间距1.6m，混凝土强度等级C30。立柱上设置3道预应力锚杆，锚杆长18m，纵向间距3m(图9)。现浇立柱承压能力强，结合预应力锚杆，可以发挥非常强的边坡稳固效果(图10)。现浇立柱式挡墙利用立式板桩挡土，可结合锚杆锚固力和设帽梁连接成整体，从而形成稳固性强的连续结构，适宜于坡高较高且无放坡面积的地段。施工时，先绑扎钢筋基础，然后构架基础模块，最后浇筑混凝土。砼立柱地上部分可分段支模分段浇灌也可一次浇灌，砼浇灌严格按照钢筋砼施工规范要求施工，浇筑中应注意在相应位置预留泄水孔，并在墙后设0.5m宽的反滤层，反滤材料采用碎石。反滤层上下各设高度不小于0.5m的粘土隔水区段。当回填土面层高于预应力锚杆2.0m后对锚索进行应力张拉。挡墙顶部设不小于200mm厚的C15钢筋混凝土压顶，内置2层Φ6规格200mm×200mm的钢筋网。最下一级重力式挡墙坡脚处设排水沟，挡墙坡顶设截水沟，截水沟纳入整个场区排水系统中进行统一设计。

图9 B6挡土墙剖面图

图10 现浇立柱挡墙效果图(挡墙6)

4 综合治理效果

本工程位于九龙山山脚底，属于顺层岩质边坡，边坡岩层风化严重，表层粉质粘土颗粒松散，地块整体处于动态塌方中。边坡支护工程涉及的边坡类型多，边坡稳定性差，边坡要考虑的危险因素包括滑坡、泥石流和采空塌陷等。边坡支护方案设计难度较高[10]。工程从地形地貌角度出发，结合边坡潜在危害类型，确定了不同边坡类型适宜的边坡支护方案。支护施工前，根据边坡土质及地貌情况，开展了大量的土地平整工作，平整工作既消除了部分土质松散的土层，降低了边坡自重，又形成了新的稳定的填方层。在此基础上，根据填方和挖方土质结构，工程针对性地采取了土工格栅挡墙、拉锚—格构挡墙、重力挡土墙和现浇立柱挡墙等方案，各种方案因地制宜，混合采用，既就地取材，节约资源，又腾空有用空间，增强人文景观丰富性。

根据治理工程效果来看，工程依山就势选择错台、错层式建筑格局，挖方区布置主要建筑，填方区布置次要建筑等，既增加了工程景观人文性，又可有效减少地质灾害。本工程经历了2012年7月21日以来数次特大暴雨的考验，没有出现任何次生灾害，说明工程选用的支护方案科学合理。本工程作为地质灾害治理项目，采取了多种支护形式，每一种支护形式都与当前的易于发生的灾害类型相匹配，而且各种形式之间又相互协调，是实用性与景观性相结合的优秀案例。将棚户区地质灾害隐患治理与当地自然风光相统一，一直是棚户区地质灾害治理思路的一个重要方向。本工程在方案设计中，注重边坡危害治理与人文景观相结合，工程考虑了周边地形地貌景观、地质构造特征、地质灾害隐患类型等，既保留住当地的自然景观，又能彻底消除地质灾害的安全隐患。整体而言，本项目充分融入了政府规划和百姓的工作生活需求，既节约资源、降低造价，又与整体环境融入一体，取得了非常好的采空棚户区环境治理效果。

5 结论和建议

(1)地质灾害治理工程需要与景观建设巧妙结合，在考虑整体美化和协调的前提下对原有治理结构加以利用，本工程所采取的综合治理的思路和技术特点，体现了地质灾害治理工程的创新性及其社会和生态环境效益。

(2)本工程“门头沟采空棚户区石泉砖厂B地块边坡支护工程”采用了多种支护形式，刚性与柔性支护形式均有。重力式挡墙、现浇立柱式挡墙、土工格栅挡墙、格构挡墙、以及两种挡墙的复合形式等，从项目内容上来看本工程涵盖了几乎所有的地质灾害治理技术的支护形式，项目内容复杂，对施工单位的技术管理、现场组织协调提出了很高的要求。在详尽的前期勘察和不断的创新设计中，形成了切实有效的边坡治理方案，并逐一落实到施工中。

(3)工程在施工中还成功地解决了不同类型的挡墙相交汇的结合、立式钢筋混凝土挡土墙现场浇筑等难题。改善了棚户区群众居住条件，杜绝了滑坡等地质灾害发生，给老百姓、尤其是工程用地范围内的学校(小学及幼儿园)带来了安全与舒心的环境，解决了棚户区居民的后顾之忧。

(4)工程在保证支护效果的基础上，既坚持了经济性，又成功地将工程与当地人文景观协调融合。工程经历了2012年以来数次特大暴雨的考验，没有出现任何次生灾害。本工程各类支护方案的协调一致，并于周边环境和谐统一，对类似工程有重要的借鉴意义。