加筋土擋墻在煤矸石地基中的應(yīng)用

謝 德 強(qiáng)

(西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030053)

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加筋土擋墻在煤矸石地基中的應(yīng)用

謝 德 強(qiáng)

(西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030053)

介紹了煤矸石的化學(xué)成分與礦物組成，針對(duì)煤矸石的治理問(wèn)題，提出了在煤矸石地基中采用加筋土擋墻技術(shù)，并闡述了該技術(shù)在太原市杜兒坪礦矸石山的實(shí)施方法，取得了綠色環(huán)保的效果。

煤矸石，加筋土擋墻，矸石山，地基

1 煤矸石的化學(xué)成分和礦物組成

煤矸石是與煤體伴生的巖石，煤矸石在煤的開采和洗滌過(guò)程中被排出，我國(guó)煤矸石的積存量高達(dá)3.0×109t,每年不斷遞增1.5×108t。煤矸石的化學(xué)成分和礦物組成：

1)煤矸石的化學(xué)成分。煤矸石是由有機(jī)物(含碳物)和無(wú)機(jī)物(巖石物質(zhì))組成的混合物。前者可燃燒，但含量少；后者不能燃燒，且含量多。我國(guó)煤矸石的主要化學(xué)成分見表1。可以看出，煤矸石的無(wú)機(jī)組分多在80%以上，而可燃物僅10%左右，煤矸石還含有有害組分硫。

表1 煤矸石的化學(xué)成分表

2)煤矸石的礦物組成。煤矸石主要由高嶺土、石英、蒙脫石、長(zhǎng)石、伊利石、石灰石、硫化鐵、氧化鋁、氧化物組成。煤矸石中的金屬組分含量偏低，一般不具回收價(jià)值，但也有回收稀土元素的實(shí)例。

煤礦煤炭開采都無(wú)法避免的伴隨著大量煤矸石的產(chǎn)生，對(duì)它的堆放和封場(chǎng)治理是所有煤礦都面臨的一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)水平還達(dá)不到對(duì)煤矸石的科學(xué)利用，所以只能先把它們封閉起來(lái)待以后科學(xué)技術(shù)水平提高以后再來(lái)更好的利用。對(duì)每座堆放煤矸石形成的矸石山治理就顯得尤為重要，而在煤矸石山上做擋墻和護(hù)坡是必然的也是必須的，即所謂的先擋后護(hù)，由于煤矸石山大多堆積時(shí)間很短，還在不斷的自然沉降，且沉降量很大，又伴隨著大雨沖灌，會(huì)形成大量滑坡。在這類矸石山上做擋墻也只能做成適應(yīng)地基適當(dāng)變形的柔性擋墻，且封場(chǎng)治理也是一個(gè)長(zhǎng)久工程，可能幾十年甚至上百年都不再開發(fā)利用，因此要求所做的擋墻和護(hù)坡必須具有耐久性，不應(yīng)該按臨時(shí)建筑設(shè)計(jì)對(duì)待，更不能只是在表層堆黃土覆蓋處理，一下雨就全沖垮了。另外封場(chǎng)治理就是為了保護(hù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境，不讓煤矸石直接暴露在外，除了有很難聞的硫化物氣味，又極容易自燃，雨水直接落在煤矸石上又容易爆炸同時(shí)形成山體滑坡，嚴(yán)重危害當(dāng)?shù)鼐用竦纳踩?，必須?duì)其進(jìn)行合理的科學(xué)的治理。

2 加筋土擋墻特點(diǎn)

加筋土擋墻源于20世紀(jì)60年代初期的法國(guó)，并于70年代后期引入我國(guó)，我國(guó)于1979年首次在云南建成加筋土擋墻試驗(yàn)工程。加筋土技術(shù)的應(yīng)用也從最初的用作擋土墻而擴(kuò)展用于橋臺(tái)、護(hù)岸、堤壩。近年來(lái)加筋土技術(shù)廣泛應(yīng)用于高速公路兩側(cè)的土坡治理，既經(jīng)濟(jì)又美觀，可以在面板上標(biāo)識(shí)各種美麗的圖案，其優(yōu)越性越來(lái)越明顯，歸納起來(lái)有如下特點(diǎn)：

1)加筋土最大的特點(diǎn)是可以做成很高的垂直填土邊坡，從而可以減少占地面積，這對(duì)填土放坡困難的地區(qū)，城市郊區(qū)的道路，以及土地珍貴的地區(qū)、有著巨大的經(jīng)濟(jì)意義。

2)加筋土結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)地區(qū)較大的變形。

3)施工簡(jiǎn)便。加筋土的組成構(gòu)件(面板、拉筋、路緣石、欄桿、條形基礎(chǔ)等)均可以預(yù)先制作，除需壓實(shí)機(jī)械外，施工時(shí)一般不需配備其他機(jī)械，易于掌握。同時(shí)可縮短工期和節(jié)省勞力。

4)抗地震。由于加筋土結(jié)構(gòu)所獨(dú)有的柔性能吸收地震的能量，故具有剛性結(jié)構(gòu)物無(wú)法與之比擬的耐震性能。

5)造型美觀。墻面板形式可以根據(jù)需要、受力特點(diǎn)進(jìn)行各種設(shè)計(jì)、造型，并使之拼裝成美觀的建筑物，改善當(dāng)?shù)鼐坝^。

6)投資省。加筋土擋墻面板薄，基礎(chǔ)尺寸小，與重力式擋墻相比，可節(jié)省圬工數(shù)量95%～97%，造價(jià)可比石砌重力式擋墻和鋼筋混凝土擋墻減少20%～60%以上。擋土墻高度越大，節(jié)省資金越多。

3 加筋土擋墻應(yīng)用實(shí)例

西山煤電集團(tuán)杜兒坪礦矸石山擋墻就是一例，杜兒坪礦矸石山位于具有煤海之稱的山西省太原市萬(wàn)柏林區(qū)的西山地區(qū)，這里曾經(jīng)也是山清水秀，伴隨著半個(gè)多世紀(jì)的煤炭開采現(xiàn)在已經(jīng)是滿目蒼夷，環(huán)境污染到早已不再適合人類生存的地步。筆者于2009年4月接到單位的設(shè)計(jì)任務(wù)，在和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家多次考察完現(xiàn)場(chǎng)后，決定采用柔性擋墻。由于缺乏這方面的經(jīng)驗(yàn)，筆者參考了滑坡治理方面的很多書籍和資料，并多次下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，最終決定把加筋土擋墻用于煤矸石堆場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)煤礦矸石山治理方面尚屬較早應(yīng)用，也具有很大的示范推廣意義。

原先的杜兒坪礦矸石山位于兩山之間的山谷，在一次煤矸石山體自燃爆炸后，山頂高度降低了近一半，沖擊下來(lái)的煤矸石向前滑移了近百十米，造成了重大人員傷亡事故?；葡聛?lái)的煤矸石填塞山谷，平均厚度達(dá)到二十幾米，根本無(wú)法清底。在這種煤矸石地基上做擋墻并對(duì)其后的矸石山進(jìn)行封場(chǎng)治理難度很大，困難很多。如地基問(wèn)題、排水問(wèn)題都是關(guān)系到此類擋墻和矸石山治理成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的擋墻無(wú)論是鋼筋混凝土擋墻還是片石擋墻都對(duì)地基有很高的要求，都必須座在老土上，且要求地基承載力特征值都很高，而此類煤矸石地基最多能達(dá)到80 kPa左右。適合此類柔性地基的擋墻只能做成柔性擋墻。加筋土擋墻就是柔性擋墻，適合此類地基，可以伴隨地基輕微變形，但也不能沉降過(guò)大。此類擋墻施工包括下列工序：基槽(坑)開挖、地基處理、排水設(shè)施、基礎(chǔ)澆(砌)筑、構(gòu)件預(yù)制與安裝、筋帶鋪設(shè)、填料填筑與壓實(shí)、墻頂封閉等，其中現(xiàn)場(chǎng)墻面板拼裝、筋帶鋪設(shè)、填料填筑與壓實(shí)等工序是交叉進(jìn)行的。加筋土擋墻施工前必須對(duì)煤矸石地基注漿滅火、夯實(shí)、淺層灰土換填基底煤矸石，個(gè)人經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為換填2 m厚較適宜，另外擋墻縱向每隔10 m左右設(shè)一道沉降縫，縫寬30 mm，內(nèi)塞瀝青麻刀或膠泥稻草。另外就是排水問(wèn)題，擋墻施工前首先要解決排水問(wèn)題，以免形成人為的堰塞湖，此工程先沿山谷兩側(cè)各做一片石排水明溝，水溝凈寬1 m，凈高0.8 m，坡度同山谷縱向地形由上游向下游排水，這樣可以最大限度的解決兩側(cè)山坡匯集下來(lái)的雨水排入擋墻后面和下部的煤矸石縫隙中造成滑坡。又于擋墻背后做了一道鋼筋混凝土截水溝，凈寬高均為1 m，壁厚0.2 m，水溝底板厚0.25 m。并用5根直徑1 m的鋼筋混凝土排水管將水引入下游排走。

此加筋土擋墻下部擋墻高5.4 m，上部擋墻高6.8 m。中間有錯(cuò)臺(tái)，總高約12 m。面板后填料選用礫(碎)石類土，計(jì)算內(nèi)摩擦角為35°，容重為20 kN/m3,筋帶與土體摩擦系數(shù)f=0.5，填土分層壓實(shí)厚度不宜超過(guò)250 mm，筋帶與面板的鋼筋焊接宜采用雙面焊接，焊縫長(zhǎng)度大于5d。上部擋墻碎石土后需豎向打1.5 m厚三七灰土進(jìn)行封閉，截水溝上方豎向范圍內(nèi)需鋪設(shè)1 m厚卵石濾水層，加筋土擋墻后側(cè)堆矸按相關(guān)環(huán)保部門要求鋪2 m矸石和1 m黃土分層鋪設(shè)。擋墻要求基底承載力特征值不小于100 kPa。基坑開挖后應(yīng)進(jìn)行碾壓夯實(shí)，使基底允許承載力滿足設(shè)計(jì)要求后方可施工加筋土工程，墻址部分的基坑，在基礎(chǔ)施工完成后應(yīng)及時(shí)回填夯實(shí)。墻面板預(yù)制后拼裝，為固定墻面板需要安裝錨桿和錨固塊。為墻面穩(wěn)定和施工安全，壓路機(jī)等大型設(shè)備不得靠墻面板過(guò)近作業(yè)，以防止預(yù)制塊與其后部所連筋帶被后側(cè)土壓力擠壞，在靠墻面板1 m范圍內(nèi)需采用人工或小型打夯機(jī)分層壓實(shí)，壓實(shí)厚度控制在0.25 m左右，壓實(shí)系數(shù)不小于90%，靠近面板1 m范圍以外方可以用壓路機(jī)碾壓，壓實(shí)系數(shù)不小于95%。經(jīng)過(guò)前后近一年的艱苦施工，建設(shè)單位和施工單位多次就現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的問(wèn)題組織有關(guān)人員圖紙交底和現(xiàn)場(chǎng)會(huì)審，排除了一個(gè)又一個(gè)困難，最終此擋墻于2010年7月建成。至今已有6個(gè)多年頭，當(dāng)時(shí)還在擋墻面板上布設(shè)了一些觀測(cè)點(diǎn)，至今既無(wú)明顯沉降，變形縫也沒(méi)有變形，面板保持完好。該擋墻早已成杜兒坪礦矸石山治理的示范工程(見圖1)，也成為當(dāng)?shù)匾坏懒聋惖娘L(fēng)景線，吸引好多其他地方的同行們過(guò)來(lái)參觀。

2016年年底，西山煤電集團(tuán)鎮(zhèn)城底礦主井矸石山同樣需要封場(chǎng)治理，筆者和相關(guān)專家去現(xiàn)場(chǎng)考察完地形地貌后，一致認(rèn)為加筋土擋墻是最適合的，相信很快就會(huì)在這里見到另一座美麗的加筋土擋墻。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著環(huán)保要求越來(lái)越高，以及生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展的深入人心，將來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的新技術(shù)應(yīng)用于此類柔性地基之上。作為一個(gè)設(shè)計(jì)人員，需要在多方面的設(shè)計(jì)中融入環(huán)保和創(chuàng)新理念，要勇于不斷推陳出新。在吸取前輩設(shè)計(jì)精髓的基礎(chǔ)上，與時(shí)俱進(jìn)，努力設(shè)計(jì)出更多符合時(shí)代要求的好的作品。盡最大努力為后人營(yíng)造一個(gè)個(gè)綠色的，生態(tài)的，美麗的矸石山。

[1] 鄭穎人，陳祖熠，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社,2007.

[2] 謝德強(qiáng).西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦矸石山治理S2010-49土(設(shè)計(jì)圖紙)[Z].

The application of reinforced earth retaining wall in coal gangue foundation

Xie Deqiang

(Xishan Coal and Electricity Group Design Institute, Taiyuan 030053, China)

This paper introduced the chemical composition and mineral composition of coal gangue, according to the treatment problems of coal gangue, put forward using reinforced earth retaining wall technology in coal gangue foundation, and elaborated the implementation method of this technology in Taiyuan Duerping mine gangue dump, made green environmental protection effect.

coal gangue, reinforced earth retaining wall, gangue dump, foundation

1009-6825(2017)12-0064-03

2017-02-19

謝德強(qiáng)(1977- ),男,工程師

TU476.4

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