談青山河地質災害的成因及治理的探究

論文類別:理學論文 > 地質學論文
論文作者: 李相軍 曹鐘廣
上傳時間:2009/11/11 11:10:00

  論文关鍵詞:地質災害 災害成因 災害治理

  論文摘要:通過水文地質分析和理論計算,揭示了青山河地質災害的內在和外部成因,總結治理的經驗教訓,提出了最佳治理方案,经過實施,遏制了地質災害的危害程度,為地質災害治理作了成功的探索。

  青山河位於銅綠山礦南露天西側,由南向北流入大冶湖,流域匯水面積7~8 km2,主要接受大氣降雨补給,為間歇性小溪,最大瞬間洪水流量為6.44 m3/s,最高洪峰水位為23. 13 m。該河中下遊距南露天矿采場約50 m,屬喀斯特地貌, 1980年代开始產生沈陷、塌坑現象。

  隨著南露天開采境界增大,深度加深及周邊抽取地下水,特別是进入20世紀末,周邊小井采掘深度越來越深,每年汛期,洪水決堤、漫壩,從塌坑灌入溶巖,造成采礦的極大隱患。銅綠山礦及當地政府對該河进行了長達20多年的治理,但由于對地質災害規律的認識和研究不夠,不能從根本上遏制災害的发生。

  進入21世紀,礦里組織技術人員作了大量地質勘察工作,研究塌陷規律,總結歷年來的经驗教訓。2003年財政部、國土資源部青山河地質災害治理批準列為礦山地質环境治理項目(財建【2003】530號),礦山配合投入相當資金,為探究更有效遏制和治理青山河地质災害創造了條件。

  1 地質災害的成因

  1.1 工程地質及水文地質

  青山河及礦區地層為三疊系大冶群的灰巖和白雲質灰巖。岩漿巖為燕山早期第三次巖浆侵入形成的石英閃長巖。巖漿巖除环繞大理巖殘留體外還沿層間断裂帶侵入與大理巖發生接觸。接觸帶為斷裂活動持續疊加的部位,進一步發育為接触破碎帶。青山河中下遊長約1000 m區域的喀斯特地質構造與礦區破碎大理巖相连,是礦區巖溶的補給源。区域內5~10 m厚表層土下為較破碎碳酸盐巖體,主要由大冶群第5, 6, 7個巖性段的大理巖組成。

  第5巖性段(T. dy5)巖石呈黃-褐黃,略帶色,層面縫合線较稀疏,膠結構較緊密,性脆而堅硬。

  第6巖性段(T. dy6)層面縫構成,膠結緊密,性較脆而堅硬。

  第7巖性段(T. dy7)層理較閉合,膠結緊密,性脆且堅硬。

  青山河矿區大理巖巖溶裂隙含水量的分布范圍與-500 m標高以上的大理巖残留體相一致。含水巖自風化带以下的深度至少超過200 m,與大理巖風化破碎的發育深度相一致,沿接觸帶與圍巖裂隙含水層無严格分界線。

青山河靠近南露天流域,巖溶發育,以巖溶裂隙為主的地下水与西南邊坡相連為徑流通道,在洪水期,南露天坑湧水量突然增大,湧水量達168 m3/h,壓力0. 01~0. 06MPa。

  1.2 地質災害的成因及演化

  青山河地質災害有其發生、發展、形成的過程,是其深刻的内部原因及特殊的外部條件共同作用的結果。

  1. 2. 1 流域巖溶裂隙水流的滲流及塌陷機理青山河巖溶區域地表層5~10 m冲積土層,下為較破碎大理岩,從工程勘探資料可看出,有一定數量的大小溶洞分布且與南露天相連。區域近似地構成了多孔介質中變形場、渗流場、溫度場以及多場耦合作用的模型。假設土層和巖層為飽和與準飽和的多孔介質,固體顆粒不可壓縮,水是可壓縮的,滲流服從達西定律,熱質在固、液介質中傳導,對流為主。

  3場全耦合模型的控制方程由考慮滲流與熱應力影響的靜力平衡方程;考慮巖體骨架位移與温度影響在內的可壓縮流體的滲流連續性方程;以及熱傳導、對流及熱、液、固耦合的能量守恒方程構成。應用奧地利巖石工程軟件FINAL進行有限元分析。土層、巖層的參數及边介條件分別見表1、表2。

  谈青山河地质灾害的成因及治理的探究

  分析結果表明,在3場耦合的作用下,水分遷移、固體顆粒運動而引起不均勻沈降,沈降點在域中心段比邊界多25%,沉降量中間為16. 9 mm,兩邊為12. 9 mm,水頭呈梯度降低。根據水文地質資料進行理論計算,證明了以下事實:

  (1)青山河巖溶區域因采礦尤其是露天采礦使地下水位從地表下1 m降至-20~-90 m,呈漏斗梯度分布;

  (2)常年經歷幹旱—大氣補水—幹旱的循環,導致表土層、巖層沈降—有限恢復—再沈降,同時,土體岩體顆粒被滲流場的水不斷地運走,形成溶洞空區,逐漸破壞巖體平衡,形成垮落带,深部斷裂帶形成後,靠近地表開始形成彎曲帶;

  (3)由於區域岩體為較破碎風化的大理巖,又有地表水滲透,使巖體C、φ值迅速下降,加速垮陷,彎曲帶也成為断裂垮落帶,誘成地表沈陷、塌陷等地質災害。

  1. 2. 2 塌陷區地質灾害的演化

  青山河流域原是一派山青水秀的田園景色。20世紀80年代初期,南露天向海平面標高以下剝離日漸加深,南露天西南幫地下湧水逐漸加大。青山河出現小範围塌陷,主要集中在以公路橋為中心左右约200 m的河床附近,有時出現崩堤。汛期洪水灌入巖溶後,增加了南露天的湧水量。銅綠山礦在河床及塌陷區采取了一些工程措施,在一定程度上緩解了災害損失。

  20世紀90年代中期以後,一方面,周邊小礦井無序開采,形成許多未充填新空區,損壞原有治水設施,大量抽取地下水使地下水位急速下降,加劇地表塌陷程度,擴大塌陷區範圍;另一方面,流域內許多不規範的小选廠,隨意在河床築壩欄水取水,尾砂漿又排入河床,造成河堤破損,河床淤塞,過流量大为減少,汛期洪水決堤、漫壩從塌陷坑流入巖溶,給露天及井下采礦造成極大威脅,不僅嚴重制約矿山正常安全生產,而且植被破损,影響環境保護,還引起復雜的工農關系問題。

  2 地質灾害治理的探索

  2.1 傳統治理的歷程及誤區

  知道塌陷區與采礦排水的對應關系后,對小範圍的塌陷一般采用簡單的拋石回填,對河堤也是簡單地恢復,對塌陷嚴重的河床采用或石填、或鋼砼、或鋼板直鋪,最後用鋼板河床。結果每年投入巨大,收益甚微,未能有效地解決問題。进入21世紀後,地质災害危害程度呈上升趋勢,主要存在以下誤區:

免费論文下載中心 http://www.hi138.com   (1)對塌陷區危害的嚴重性、長期性認識不足,抱有僥幸心理;

  (2)对塌陷區產生的發展規律研究不夠,認為只要回填紮實,將河堤做牢固就一勞永逸;

  (3)治理方法單一,沒有綜合性措施;

  (4)對亂采亂挖、亂排亂放制止不力。

  2.2 治理方法

  2. 2. 1 水泥帷幕註漿堵水方法

  離南露天西南幫永久性开采境界50~100 m,長約500 m處,布置两排鉆孔,孔徑DN100,孔深100~200 m,註漿配合比為水∶水泥∶砂=0. 7∶1. 0∶0. 5,水灰比盡量取小值;註漿壓力控制在2. 5~6. 0MPa;每孔水用量為1. 5~8. 0 t。在破碎第5巖性段約150 m長段,孔距由15~20 m改為10 m,註漿水泥改為加入高標号425華新水泥,縮短初凝時間,提高早期強度,同時加入添加物料,改善提高堵水效果。經鉆孔取樣,膠結凝固構造面巖石滲流作用明顯減少,露天湧水基本停止,只有少量滲流現象;塌陷區地下水位明顯回升到10m左右。治理效果較明顯。

  2. 2. 2 清理小礦井和充填空區

  1996年後,個體業主西南有數个小礦井,無序開采,采矿量逐年增加,采掘深度逐年加深,形成不填充空區、破坏水泥幕墻防水設施,大量抽排地下水,流域地下水位又降至-45~-100 m,又多次大範圍激活了塌陷地質災害。南露天坑地下湧水增大,曾2次造成淹設備停產事故,洪水漫壩冲毀農田,損失很大。2003年,礦山與地方管理部门達成共識後,對小矿井進行清理,充填空區,對滲透層進行封堵。

  2. 2. 3 桩基鋼砼連續槽式河床及其它治理方法

  青山河河段、公路橋100多米長是塌陷重災區。河床、河堤常常毀壞,是洪水灌入巖溶的重要途徑,也是治理重点。人工砼河床一層又一層, 1990年,甚至采用钢板焊制人工河床,都不能阻止地質災害發生。1998年,在公路橋兩側各100 m範圍內,采用樁基鋼砼連接槽式人工河床,樁挖至基巖深1 m內,並對樁基溶洞用砼充填築實。

  鋼砼連續槽式人工河床設計成连續箱梁,保證了結构整體強度、剛度和稳定性,通過洪水能力大大提高,又不影響發生塌陷時的回填,大大減少了洪水灌入巖溶。

  汛期時,应全面檢查青山河堤完好性、淤塞、塌陷等情況;修整河堤,疏通河道,回填塌陷坑。回填時,先用大塊石料,再鋪設土夾石碾壓,最後用500~1000 m粘土覆蓋並碾壓實。有條件的地方,應植樹恢復植被或復墾。

  2. 2. 4 治理成果及遺留的問題

  2005年5月,治理項目竣工验收合格,發揮了效能,連續2年南露天減少排水電費約100萬元以上,減少工農赔償費30萬元以上。整個汛期保證了采礦正常生產、安全生產,没有發生洪水漫壩、塌陷大範圍復活,洪水灌入岩溶的現象。生態環境得到了較大改善,基本制止了水土流失状況,大片農田已復墾耕種,達到了治理的目的。

  但是,極少數個體業主因利益驅動,仍有偷采、無序開采治理區地下礦藏,人為破壞地下治水設施現象時有發生;在治理區內私自辦小選礦廠,亂排亂放,人為破壞地表治水設施的行為並沒徹底制止;比較系統的检查監測系統尚未建立,如地下水位、水壓、徑流量等數據采集等。

  3 結 論

  (1)青山河塌陷區的形成是由區域特定喀斯特地質構造、水文地質、采礦采動與抽取地下水共同作用的結果。地質災害的发生頻度和危害程度与采動對裂隙破碎滲水帶破壞程度、抽取地下水深度、區域內河床暢通与完好程度、大氣降雨強度有直接關系。

  (2)帷幕註漿,人工河床、河床加固與疏通、塌陷區回填夯實、植被恢復,地下采空區充填與裂隙封堵等工程措施綜合運用,从根本上遏制了地質災害發生的頻度,降低危害程度。同时,應加強對塌陷區的管理,強化日常監督檢查,處罰人為破壞违法違紀行為。

  (3)建立塌陷區科學檢測和預报制度。塌陷區內按水壓、水位梯度設置檢測井,定期或不定期檢測數據。對数據進行分析,發現異常應進一步分析和研究,加之對塌陷區域地物地貌異常現象分析,作出科學而準確的預報,及時采取技術、管理和工程措施,消除或減輕地質災害損失。

  (4)只要該區域繼續采礦、大量抽取地下水,青山河塌陷區復活的可能性依然存在。因此,青山河地質災害的預防、預報和治理將是一項長期、艱苦的而有意义的挑戰。

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