CN110055983B - 排土场边坡的快装构件式防护结构 - Google Patents

排土场边坡的快装构件式防护结构 Download PDF

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Abstract

防护结构的边坡构造特点是:竖直坡面低台阶+分层似水平大平台,让常规排土场俯视范围的难治理的倾斜坡面归零;边坡排水系统的特点是:拦砂疏水、化浊为清、化整为零、以暗代明,彻底消除排土场水土流失;边坡防护特点是:倾斜角10°以上坡面实现100%的挡土板防护,确保边坡永久稳定;边坡生态恢复特点是:3~6个月实现100%的边坡绿化。

Description

排土场边坡的快装构件式防护结构
技术领域
本申请属矿山技术领域。
技术背景
排土场边坡防护一直是矿山和市政工程的一大难题;现有技术多是通过构建平台横向水沟和坡面纵向水沟的方法解决边坡排水问题,也有铺设坡面预制板排水系统的相关工艺;但目前所有方法和技术都不能切实有效的、立竿见影的、一劳永逸的解决排土场边坡防护、坡面排水和植被绿化问题;排土场问题的症结在于以下几点:其一,敞露于边坡地表的圬工沟渠排水系统难以适应排土场边坡泄洪要求;其二,高陡长大坡面很难抑制径流侵蚀,无法治理水土流失;其三,倾角25度以上的坡地即很难形成自然植被,而排土场坡面都在35度以上,绿化植物难种植、保不住、成活率极低,大量排土场边坡十年、二十年都不能形成稳定植被;其四,常规工艺对坡面不加工程防护,在雨水侵蚀下边坡稳定性下降,经常造成滑坡、坍塌等环境危害;另一个突出问题是:排土场治理耗时太长、反复性大,环境无法承受。
本申请彻底颠覆排土场治理的常规工艺,采取反其道而行的方法来彻底解决排土场久治不愈的疾患;主要方面是:将常规排土场的高台阶、小平台改变为低台阶、大平台;将常规排土场不加工程防护的倾斜坡面改变为全工程防护的竖直坡面;将常规排土场俯视范围的倾斜坡面变为零存在(俯视无坡面投影);将常规排土场边坡的明沟渠集中排水方式改变为化整为零式暗管排水系统,彻底消除地表明水和径流的危害;将常规排土场陡边坡种植的低效率改变为平地种植的高效率;将常规排土场边坡马拉松式的耗工耗时治理和久治无效改变为当天治理、当天见效,当年种植、当年彻底换新貌。
发明内容
边坡防护结构的工程结构参见说明书附图的图1;防护工程的主体部件是构造框架1,辅助部件有挡土板8、抗滑加压桩9和分层联系排水管10;其中,构造框架1由底板2、斜撑3、排水墙4、肩板5一体浇筑形成,底板带有贯通的水平排水孔7,排水墙带有与底板水平排水孔贯通的多个排水立孔6;构造框架1是钢筋混凝土浇筑构件,各部位配筋根据受力工况设计确定;构件框架1的结构尺寸由排土场的场地条件设计,依据低台阶、大平台的技术理念,构造框架的参考尺寸是:底板2长度3500mm~4000mm,底板断面由底部矩形平板和中间矩形凸起体两部分组成,底部平板宽420mm,厚度90mm,中间矩形凸起体宽180mm,高90mm,其中的水平排水孔直径80mm~90mm;排水墙4的高度为底板的底部矩形平板面以上2300mm,水平长度1300mm,墙厚180mm(与底板中间的矩形凸起体一致),其中的排水立孔直径50mm~60mm;肩板5与底板2的断面规格相同,高度为底板的底部矩形平板面以上2500mm,肩板高于排水墙200mm,作为分层平台的泄水高差;斜撑3的断面为方形,180mm×180mm,水平倾角约45°;挡土板8与建筑楼板大同,上下部挡土板的配筋和板厚适应不同深度侧压变化,挡土板的长度由防护结构的分节长度确定,两幅构造框架底板中心线的间距称为防护结构的分节长度;抗滑加压桩9的断面规格宜不小于100mm×100mm,长度宜不小于2500mm,钢筋混凝土制作,带有桩尖、桩帽和铁压板,铁压板是一块带有预留孔的铁板,位于桩帽下距离300mm,其预留孔用于安设膨胀螺栓与构造框架的底板固定;分层联系排水管10用于连接上下分层的底板水平排水孔以形成边坡排水系统,推荐采用工程塑料水管,其中竖直管的近地表段宜设置柔性连接,以适应排土体不均匀沉降;图1中分层联系排水管的竖直管与上分层采用直管三通对接是提示可间隔采取这种方式用于处理堵塞。
防护结构的整体边坡结构参见说明书附图的图2;整体边坡设计为小分层、大平台构造:本例参数为:分层高度3000mm,挡土板总高度2500mm,平台宽度4500mm~5000mm,整体边坡角<34°,略小于土体自然安息角,以确保边坡稳定;分层平台为似水平地坪(采矿学界术语:<10°为似水平,10°~30°为缓倾斜,30°~50°为倾斜,>50°为急倾斜),不影响植被栽种和生长;采用分层宽平台、低台阶的作用之一是有效消除上分层对下分层挡土板的侧压影响,之二是低台阶、小侧压有利于降低防护工程造价,挡土板低于分层高度500mm也是在于降低挡土板费用;就综合治理角度,本防护结构的构造框架、挡土板、排水管孔等都属于工程系统,而工程系统造就的似水平分层平台和绿化种植则是边坡综合治理的生态系统。
整个边坡防护结构的排水系统与常规排土场排水大相径庭,基本方案是拦砂疏水、化浊为清、化整为零、以暗代明;每节构造框架的排水墙都带有3~5个排水立孔,在排水立孔上孔口插入一种上凸式地漏;上凸式地漏由一根短插管、一个环形盖板、一个花孔透水管组合而成,短插管插入排水立孔定位,环形盖板封闭排水立孔的泥沙渗漏,花孔透水管允许外部积水向排水立孔泄流,由于上凸式地漏构造简单,未附制作图;在上凸式地漏外围设置简易反滤体,反滤体用10mm~20mm粒径砾石、2mm~5mm粒径石渣和普通中粗砂三层复合即可,反滤体下部用一层黏土压实作为隔水层,反滤体包覆全部排水立孔的上凸式地漏,反滤体上部微呈凹陷状,低于分层平台的地坪,分层平台的挡土板内侧和平台地坪要修整形成向两侧反滤体方向的微凹水道,以利排水;分层平台的降雨汇水量全部经反滤体过滤净化,这就是拦砂疏水、化浊为清;边坡防护结构的分节长度一般不大于4000mm,分层平台宽度约4500mm,不足二十平方米的降雨汇水量形成一个排水小单元,再汇入分层联系排水管,这就是化整为零;防护结构的分层联系排水管推荐采用工程塑料管,其中竖立管的近地表管段设置柔性结构,如接入一段柔性管或者伸缩管接,以适应排土体的不均匀沉降;结构框架中的水平排水孔、排水立孔以及分层联系排水管均埋置在土体中,边坡地表无明水流体,这就是以暗代明。
边坡防护结构的基本支挡构建是挡土板,挡土板是竖立排放的,构造框架的底板是水平安放的,挡土板两端由构造框架的肩板支挡,挡土板内侧土体要分层压实,挡土板竖立排放的优点是挡土板用量少且容土方量大;土体对挡土板施加侧压作用,造成构造框架和挡土板整体的外向滑动力和倾倒力矩;构造框架、挡土板自重和底板上覆土体的压重能产生抵抗滑动的摩擦阻力和抗倾倒力矩,因此要在构造框架的底板下要铺设适宜厚度水泥砂浆垫层,一为找平,二为增大摩擦阻力;为提升防护结构的安全可靠度,附加安全措施是在构造框架底板的尾部安设抗滑加压桩,如附图1所示,抗滑加压桩必须用膨胀螺栓或其他方法与构造框架的底板牢固连接;因此,这种防护结构的重要技术特点就是:防护结构与防护对象联合形成一个统一的工程体系,既实现了自身的稳定性和持久性,又实现了适应排土场工程地质、水文地质和环境地质等工况条件和综合治理要求的水土保持、抗灾防涝、绿化环保等综合功能,这是它与建筑领域挡土墙、拉筋墙等单一功能防护方式的最大区别。
全部防护结构的力学性能测算如下:防护结构外向滑动力:假设分节长度4000mm,土体容重20kN/m3,摩擦角34°,侧压系数0.282,不计粘聚力,挡土板高度2500mm,水平向总滑动力约为71kN,总倾倒力矩约为65kN.m;防护结构抵抗力:本例构造框架长度3500mm,断面尺寸如下:分层高度3000mm,挡土板总高度2500mm,平台宽度4500mm~5000mm,整体边坡角<34°,构造框架自重+覆盖土总重约70kN,抗倾倒力矩约为110kN.m,底板抗滑力约65kN,侧面摩擦抗滑力约25kN,水平向总抗滑力约为90kN;抗滑加压桩测算:假设桩长度2500mm、断面100mm×100mm、均埋深4000mm,则单桩正面被动土压力约为65kN,侧面摩擦阻力约为10kN,单桩总抗滑阻力约75kN;单桩抗拉拔力约为20kN,按本例加压力臂3.0m计,单桩抗倾倒力矩约为60kN.m;上述测算表明:正常工况时防护结构能满足边坡抗滑动、抗倾倒的稳定性要求,但雨季若遇到土体湿度和重度增大、摩擦角减小的情况,防护结构的安全系数恐有隐患;测算也表明抗滑加压-桩力学性能甚佳,且造价低廉,为提升防护结构的安全系数及适应较大防护节长,应将抗滑加压桩作为首选项;另外,分层平台排土初期,构造框架自身的抗滑动、抗倾倒能力尚未形成,需要用抗滑加压桩来维持平衡。
附图说明
图1是边坡防护结构的结构示意图,图中标注符号的意义如下:
1——构造框架,2——底板,3——斜撑,
4——排水墙,5——肩板,6——排水立孔,
7——水平排水孔,8——挡土板,9——抗滑加压桩,
10——分层联系排水管,11——上分层防护结构;
图2是边坡的横剖面示意图,图中标注符号的意义如下:
12——分层平台微倾角,
13——整体边坡角,14——分层平台微波浪地坪,15——排土体。
具体实施方式
防护结构的主体部件是构造框架,它的底板、肩板、斜撑和排水墙是用钢筋混凝土浇筑为一体的;推荐浇筑方法是:钢筋绑扎一次定型,水平排水孔和排水立孔同步设置——预埋管方式或者插拔内模方式,支模可分一次或者多次完成;浇筑方法推荐多批次浇筑,比如:先浇筑底板下部的底部矩形平板,(本例尺寸为宽×高=420mm×90 mm),初凝后浇筑底板中间的矩形凸起体,(本例尺寸为宽×高=180mm×90mm),初凝后再浇筑排水墙、斜撑和肩板至排水墙顶面高程,最后浇筑肩板高于排水墙的部分;当采用可靠模具和先进振捣工艺时,能实现一次浇筑;挡土板和抗滑加压桩制作较简单,不再详述。
防护结构的现场安装方法如下:在碾压密实的底板或者分层平台上的高程面,依据设计坡底线和分节长度完成放线定位,构造框架平行排列,底板平放,肩板竖直,底板中心线垂直于坡底线;允许边坡的坡底线转折,但要控制转角,使挡土板能够就位;在构造框架安放位置先开挖垫槽,再铺设30mm~50mm厚度的混凝土垫层,然后安放构造框架,构造框架就位后,即可安设分层联系排水管;构造框架底板的底部矩形平板上平面作为边坡分层平台的高程面;加设抗滑加压桩之后即可实施排土作业,注意在作业时应先堆土稳定构造框架,将构造框架的底板堆压牢固,然后分层排土,碾压密实,直至上分层设计高程,同时注意修整分层平台地坪,形成最优化的排水和种植条件。防护结构与两翼山坡连接段,会呈现出防护高度逐渐降低归零的情况,处置方法是:特制不同高度的构造框架以适应防护结构高度变化,山坡交界处开挖沟槽安放挡土板,或者于交界处另砌筑挡土墙支挡土体;场内暗埋排水系统与场外明沟的连接方法是:坡底防护结构的水平排水孔外接管与坡底排洪沟连通,两翼防护结构的水平排水孔外接弯管与场外两翼的截排水沟连通,以挡土墙替代本例防护结构的山坡交界处,另加排水管连接上分层防护结构的水平排水孔并与两翼的截排水沟连通;防护结构最大部件构造框架重约2.1吨,单块挡土板重约150公斤,挖掘机能够吊装,铲车、汽车皆可场内运输,适应排土场作业条件;另外,构造框架制作时,可增设吊装环,作业更方便。
分层平台的似水平地形完全改变了常规排土场高陡倾斜坡面的立地条件,为边坡绿化提供了本质优良的种植基础;就这个意义来讲,防护结构的构造框架和挡土板等只属于工程系统,工程系统造就的分层种植平台才属于生态系统;平台绿化应草、灌、树间作,以适应当地水土气候的乡土植物为主,实现生态多样性;为尽早实现边坡立面的绿化覆盖,特别要选择生长快的树种,不求树干高,只求树冠大;以本例的边坡结构,2500 mm高度挡土墙,以南方气候条件,3个月能实现俯视范围100%绿化覆盖率,6个月能实现边坡立面视野的100%绿化景观;平台绿化种植是排土场边坡治理的重要组成部分,必须抢时间完成边坡绿化、形成永久性植被,最终实现排土场边坡工程防护和生态保护相结合的综合治理目标。
概算造价:本例构造框架混凝土量约0.88m3,挡土板合计混凝土量约0.77m3,按综合配筋率0.25%计钢筋总用量约35公斤,另加两条抗滑加压桩、几只上凸式地漏、一根分层联系排水管,工程构件材料价值估计约1000元,安装施工费200元,防护结构单节总造价约1200元;按本例防护系统分节长度4000mm,分层高度3000mm计,以排土场边坡立面面积测算,防护成本约100元/m2;成本似乎略高,但作为百年大计的永久性防护工程,以目前国家环保政策要求,矿山能够接受。

Claims (1)

1.排土场边坡的快装构件式防护结构,其特征在于:
防护结构的主体部件是构造框架(1),辅助部件有挡土板(8)、抗滑加压桩(9)和分层联系排水管(10);其中,构造框架(1)由底板(2)、斜撑(3)、排水墙(4)、肩板(5)一体浇筑形成,底板带有贯通的水平排水孔(7),排水墙带有与底板水平排水孔贯通的多个排水立孔(6);
防护结构的安装方法如下:在碾压密实的底板或者分层平台的上高程面,依据设计坡底线和分节长度完成放线定位,构造框架平行排列,底板平放,肩板竖直,底板中心线垂直于坡底线;在构造框架安放位置先开挖垫槽,再铺设30mm~50mm厚度的混凝土垫层,然后安放构造框架;上下部挡土板的配筋和板厚适应不同深度侧压变化,挡土板的长度由防护系统的分节长度确定,挡土板两端由构造框架的肩板支挡,挡土板内侧土体要分层压实;抗滑加压桩(9)由钢筋混凝土制作,带有桩尖、桩帽和铁压板,铁压板是一块带有预留孔的铁板,其预留孔用于安设膨胀螺栓与构造框架的底板固定;分层联系排水管(10)用于连接上下分层的底板水平排水孔以形成边坡排水系统;每节构造框架的排水墙都带有3~5个排水立孔,在排水立孔上孔口插入一种上凸式地漏;在上凸式地漏外围设置反滤体,反滤体包覆全部排水立孔的上凸式地漏;分层平台的降雨汇水量全部经反滤体过滤净化;分层高度为3000mm,挡土板总高度2500mm,平台宽度4500mm~5000mm。
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