摘要：以某隧道棄渣場為例，通過棄渣顆粒分析、堆積模型試驗、自燃傾向性分析和等溫吸附測試等，從棄渣堆積形態(tài)和粒度特征、棄渣自燃傾向性以及吸附能力等方面探究了該棄渣場的自燃成因。結(jié)果表明，在特定堆積環(huán)境下，棄渣中易燃炭質(zhì)物、硫鐵化合物與氧氣在一定條件下發(fā)生低溫氧化，是棄渣自燃的主要成因。綜合棄渣場水文地質(zhì)條件和污染狀況，提出了火源探測、滅火、截排水及水體污染治理和復(fù)綠緊密結(jié)合的自燃治理及生態(tài)修復(fù)一體化方案。

　　關(guān)鍵詞：隧道;棄渣;黑色巖系;自燃成因;自燃治理;生態(tài)修復(fù)

　　受高速鐵路技術(shù)指標(biāo)限制和秉承少占用土地的原則，工程建設(shè)中橋隧比越來越高。傳統(tǒng)的填方路基逐漸被橋梁、隧道所代替[1]。隧道開挖產(chǎn)生的渣土很難進(jìn)行二次循環(huán)利用，因而全部成為渣土廢棄物。隧道和橋梁施工多位于山溝峽谷處，地形崎嶇，交通不便，施工技術(shù)難度大，通常情況下，施工產(chǎn)生的棄渣都會沿山谷堆放在建設(shè)場地周邊，從而形成大小、形狀、規(guī)模不一的棄渣場(也稱棄土場)[2-4]。

　　棄渣是有機(jī)物和無機(jī)物的混合物，含有數(shù)量不等的金屬元素，在氧氣和水的參與下，會生成有毒有害物質(zhì)，嚴(yán)重威脅著人類身體健康[5-7]。中國晚震旦⁃早寒武黑色巖系分布廣泛，隧道不可避免會穿越易自燃的黑色巖系，這些黑色巖系棄渣易產(chǎn)生自燃。因此，揭示棄渣自燃的成因?qū)ΡＷo(hù)生態(tài)環(huán)境和防災(zāi)減災(zāi)非常重要[8-11]。

　　湘西某隧道開挖產(chǎn)生的棄渣經(jīng)爆破后采用卡車裝運，經(jīng)臨時碎石路運送至一個由三面環(huán)山的溪溝形成的棄渣場中。該棄渣場采用自然傾倒的方式排渣，露天堆放，順坡填溝。本文對該棄渣進(jìn)行了顆粒分析、堆積模型試驗、自燃傾向性分析和等溫吸附測試，基于隧道棄渣場的特點和試驗結(jié)果，分別從棄渣堆積形態(tài)和粒度特征、棄渣自燃傾向性以及吸附能力等方面，探究該棄渣場的自燃成因;最后，提出了該隧道棄渣場自燃治理和生態(tài)修復(fù)的建議。

　　1工程概況

　　湖南某隧道穿越南華紀(jì)富祿組、古城組、南沱組、震旦紀(jì)陡山沱組、燈影組、寒武紀(jì)牛蹄塘組、石牌組等黑色巖系地層，其中寒武紀(jì)牛蹄塘組在隧道中的分布最為廣泛，其次為南華紀(jì)南沱組。易自燃的地層主要為寒武系牛蹄塘組下段～晚震旦燈影組，其巖性主要為炭質(zhì)板巖、含炭鐵質(zhì)硅質(zhì)板巖、含炭質(zhì)泥巖、含炭鐵泥質(zhì)微晶灰?guī)r[12]。

　　隧道施工時產(chǎn)生的渣土采用自然傾倒的方式露天堆放于該隧道進(jìn)口處，自然滾落形成邊坡安息角為30°～50°的斜面，坡面長度可達(dá)40～80m。該棄渣場位于湖南省古丈縣羅依溪鎮(zhèn)西2.5km處一個三面環(huán)山的溪溝中，該區(qū)域原為附近居民種植及耕作用地，部分為林地，場地呈近南北向橢圓形，南北長約190m，東西寬約120m，占地面積18000m2，堆渣厚度10～30m，平均約20m，頂部有較大的平臺，邊坡休止角為35°～45°，坡面朝向北東。

　　根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查了解，棄渣場自燃最先開始和自燃最明顯的區(qū)域為棄渣場臨空坡面中上部，在臨空坡面自燃發(fā)生一段時間后慢慢擴(kuò)散至其他區(qū)域，坡面覆蓋大量燃燒后磚紅色棄渣，可見大量刺鼻白煙，且平臺縫隙冒煙處可見黃色～淡黃色單質(zhì)硫附著于棄渣巖石表面。另外，棄渣自燃使棄渣場呈強(qiáng)酸性環(huán)境，促使重金屬析出，對周邊水土等生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。

　　2基于棄渣物化特性試驗的自燃成因分析

　　根據(jù)該隧道出露的里程推算，棄渣場內(nèi)約混入了90000m3易自燃巖層，為棄渣自燃提供了必要的物質(zhì)條件。棄渣場自燃過程是復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，通常受到內(nèi)、外兩方面因素的控制。其中，棄渣自燃傾向性與吸附能力是內(nèi)因，是低溫氧化性的體現(xiàn)，與棄渣的氧化能力及發(fā)生氧化時釋放的熱量強(qiáng)度有關(guān);而外因則主要包括棄渣粒度和堆積方式等。本文主要從影響棄渣自燃的內(nèi)、外因出發(fā)，基于棄渣物化特性，綜合分析各因素對棄渣自燃的影響，探究該棄渣場自燃成因。

　　2.1棄渣自燃外因分析

　　2.1.1棄渣堆積形態(tài)影響

　　隧道棄渣排堆過程中，由于采用一坡到底的方式，棄渣堆剖面形態(tài)呈梯形或半錐形。當(dāng)堆積程度增加，土方量足夠大時，利用推土機(jī)、挖土機(jī)、鏟運機(jī)和壓路機(jī)等將棄渣平整，再填滿整個溝谷，屬“順坡傾倒”。受棄渣顆粒平均粒徑、級配程度、膠結(jié)程度及填充物量影響，安息角在30°～50°之間。這種堆積方式對自燃的影響表現(xiàn)在：①斜坡暴露面大，堆積疏松，為空氣進(jìn)入渣堆內(nèi)部提供了條件;②安息角大時，風(fēng)流動壓部分轉(zhuǎn)化為靜壓的效率提升;③斜坡中的裂隙(拉張、剪切、干縮等形成的空隙)為氧氣進(jìn)入及運移提供了通道。可見這種堆積形態(tài)為棄渣自燃提供了基礎(chǔ)的空氣流通條件。

　　2.1.2粒度分布影響

　　粒度大小決定了棄渣的比表面積。粒度越細(xì)，棄渣比表面積越大，易自燃棄渣暴露于空氣中的活性結(jié)構(gòu)越多，氧氣復(fù)合程度加大，氧化速率增強(qiáng)，放熱強(qiáng)度增大，熱量越容易聚集，其自燃性越強(qiáng)。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該隧道穿越不同等級的圍巖，導(dǎo)致棄渣物料來源于不同等級的圍巖。

　　而不同等級圍巖的巖體破碎程度不同，其粒度分布也不同。為此，進(jìn)行了不同等級圍巖產(chǎn)生的棄渣粒徑顆粒分析試驗，不同圍巖等級棄渣的粒徑集中區(qū)域不同：Ⅲ級圍巖棄渣顆粒粒徑主要集中在20～60mm，Ⅳ級圍巖棄渣顆粒粒徑主要集中在3～20mm，Ⅴ級圍巖棄渣顆粒粒徑主要集中在1～10mm。由于黑色巖系易燃棄渣硅質(zhì)含量高、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體較破碎，圍巖等級多為Ⅳ、Ⅴ級，其粒徑小，且分布范圍更窄，導(dǎo)致該棄渣具有較大的比表面積，棄渣自燃可能性增大。

　　2.1.3粒度偏析影響

　　排渣過程中不同粒徑顆粒在重力及顆粒間相互作用下不斷地被分層，最終形成的堆積體粒徑分級程度高，不均勻性強(qiáng)，具有明顯的成層結(jié)構(gòu)特征。由于該棄渣在斜坡上采取“順坡傾倒”方式通過多次排渣堆積形成，受重力作用，棄渣顆粒粒徑在垂直和傾斜方向分布皆不均勻。

　　給出了棄渣粒徑分層模型試驗結(jié)果。在垂直方向主要表現(xiàn)為細(xì)顆粒含量隨棄渣場高度增加而增加、粗顆粒含量隨高度增加而減少、大塊石基本聚集于底部;沿坡面平行的方向，斜向的分層特征主要表現(xiàn)在粗⁃細(xì)顆粒在沿與坡面平行方向交替聚集出現(xiàn)。粒度偏析現(xiàn)象對自燃的影響是：①使棄渣堆內(nèi)部形成了空氣通道(供氧)，產(chǎn)生煙囪效應(yīng);②提供了蓄熱環(huán)境;③使容易自燃的小粒徑棄渣發(fā)生富集。

　　2.2棄渣自燃內(nèi)因分析

　　2.2.1棄渣自燃傾向性

　　自燃傾向性是棄渣發(fā)生自燃難易程度和棄渣氧化性的體現(xiàn)，是棄渣自燃的內(nèi)在特性[13]。由于棄渣堆放采用“自上而下，由遠(yuǎn)至近”的方式，棄渣堆是隧道內(nèi)各地層的混雜體。

　　為保證該棄渣場自燃傾向性分析合理性，分別在隧道內(nèi)選取4件樣品(編號分別為SD1～SD4)、在棄渣場選取5件樣品(編號分別為QZ1～QZ5)用于自燃傾向性分析，被測試的9件樣品中，隧道內(nèi)樣品均為Ⅱ類(自燃)，棄渣場5件樣品中2件為Ⅱ類(自燃)、3件為Ⅲ類(不易自燃)。實際調(diào)查結(jié)果表明，該棄渣自燃最先發(fā)生的地層是下寒武統(tǒng)牛蹄塘組下段中上部，而QZ1～QZ3棄渣樣品位于震旦系燈影組中下部，本身不易自燃。

　　另外，QZ1～QZ3取自棄渣場頂部平臺，受碾壓、風(fēng)化影響，已較為破碎，部分黃鐵礦已低溫氧化，影響了吸氧量，且該棄渣從隧道至棄渣場再到實驗室測試，暴露時間過長，對自燃傾相性測試結(jié)果具有一定影響。綜合來看，該隧道晚震旦系⁃早寒武黑色巖系易自燃，具有較強(qiáng)的低溫氧化性。

　　2.2.2吸附性能

　　在自燃初期的低溫氧化過程中，吸附起到了重要作用，它為低溫氧化提供氧氣的同時，也為自燃提供了增溫的熱量。對湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖氣儲層進(jìn)行了等溫吸附測試。測試結(jié)果表明，湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色泥頁巖的Langmuir體積為1.63～7.39cm3/g，平均3.95cm3/g，Langmuir壓力為1.39～8.35MPa，平均5.13MPa，總體而言，吸附能力較強(qiáng)。牛蹄塘組Langmuir體積差別較大，這與比表面積、總孔隙體積、TOC、黃鐵礦含量呈正相關(guān)關(guān)系[14]，而受黏土礦物、石英含量等影響較小。低溫氧化過程中影響吸附作用的因素為比表面積和總孔隙體積，而總孔隙體積也會影響比表面積。

　　結(jié)合湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖微電鏡掃描結(jié)果可知，湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖中發(fā)育殘余原生孔隙、有機(jī)質(zhì)微孔隙、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔、礦物層間微裂隙和構(gòu)造裂縫，且構(gòu)造裂縫、有機(jī)質(zhì)微孔隙和不穩(wěn)定礦物溶蝕孔是研究區(qū)頁巖基質(zhì)孔裂隙的主要組成部分[15]，使得吸附能力加強(qiáng)，大大提高了低溫氧化性能，促成了自燃的發(fā)生。

　　2.3棄渣場自燃成因綜合分析

　　一般而言，自燃的發(fā)生需要滿足4個基本條件，即：具有低溫氧化特性的可燃物質(zhì)、有利于氧氣流通的通道、有蓄熱能力以及高于燃燒的溫度。基于影響自燃的內(nèi)、外因分析結(jié)果和影響自燃的4個基本條件，該隧道棄渣場自燃成因可解釋如下：首先，該隧道分布最廣的巖層是晚震旦系⁃早寒武世形成的層狀黑色巖系，該巖系含有炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、炭質(zhì)泥巖等，有機(jī)質(zhì)和硫化物含量高，化學(xué)性質(zhì)活潑，具有較強(qiáng)的低溫氧化性和自燃傾向性，發(fā)熱量高，為棄渣自燃提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　其次，隧道棄渣在斜坡上采用“順坡傾倒”的方式堆砌，斜坡結(jié)構(gòu)非常疏松，安息角偏大，加之坡體中存在裂隙，使棄渣堆與空氣接觸面積增大;另外，受粒度偏差效應(yīng)的影響，該棄渣內(nèi)部形成了空氣通道(供氧)，產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，為棄渣自燃提供了供氧條件。再次，該棄渣粒徑較小，粒度分布范圍窄，具有較大的比表面積，且由于構(gòu)造裂隙、有機(jī)質(zhì)孔隙和不穩(wěn)定礦物溶蝕裂隙發(fā)育，透氣性增強(qiáng)，提高了空氣滲入棄渣堆內(nèi)部的可能性;此外，該巖系硅質(zhì)含量高，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，在空氣中露天堆放，暴露于空氣中的活性結(jié)構(gòu)多，氧氣復(fù)合程度加大，氧化速率增強(qiáng)。

　　最后，粒度偏析為該棄渣場提供了蓄熱環(huán)境，微孔隙和裂隙使其吸附能力加強(qiáng)，為低溫氧化提供氧氣的同時也為自燃提供了增溫的熱量，熱量容易積聚，促成自燃的發(fā)生。綜上所述，該隧道棄渣場自燃的成因是：易燃棄渣中的炭物質(zhì)、硫鐵化合物和氧氣在各階段發(fā)生低溫氧化，在一定條件下產(chǎn)生自燃。

　　3棄渣場自燃治理建議

　　棄渣自燃治理不是簡單的滅火問題，棄渣場自燃治理過程中需要綜合考慮棄渣對生態(tài)環(huán)境的影響。一般而言，棄渣場自燃除了毀滅植被，還會釋放大量CO、SO2、H2S和NOx等有毒氣體，污染空氣，且大量氣體在來不及釋放的情況下還可能導(dǎo)致棄渣場熱爆炸。基于前述自燃成因分析，進(jìn)一步從系統(tǒng)論的角度，結(jié)合實際治理情況，提出相應(yīng)的棄渣場自燃治理及生態(tài)修復(fù)體系。棄渣場自燃治理是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，極易發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象，建議采用火源探測、滅火、截排水及水體污染治理、復(fù)綠緊密結(jié)合的自燃治理及生態(tài)修復(fù)方案。

　　該棄渣場自燃治理及生態(tài)修復(fù)方案各部分的相互關(guān)系及內(nèi)涵為：開展火區(qū)探測，為滅火工程提供指導(dǎo)，為自燃棄渣場分區(qū)治理提供依據(jù);棄渣場的滅火處理是后期治理的基礎(chǔ)，只有先滅火，才能消除植被恢復(fù)的高溫障礙，同時徹底滅火可進(jìn)一步鞏固山體穩(wěn)定、促進(jìn)生態(tài)恢復(fù);棄渣場沒有植被，山體表面疏松，自燃生成的有毒有害物體易在水土流失過程中對周邊造成嚴(yán)重污染，因此，截排水及地表水體污染防治是生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵;復(fù)綠植被覆蓋可減少降水入滲，減少暴雨沖刷形成的裂縫，有效保持水土，也會防止大量淋濾液產(chǎn)生，降低水體污染治理難度，可減少氧氣和水分進(jìn)入渣體，有效防止復(fù)燃。

　　4結(jié)論

　　1)湘西某隧道棄渣場巖性以晚震旦⁃早寒武世所形成的層狀黑色巖系為主，易燃部分為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和晚震旦系燈影組，具有較強(qiáng)的低溫氧化性能，為棄渣自燃提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。2)該棄渣場堆填疏松，安息角偏大，且棄渣粒徑較小，粒度分布范圍窄，具有較大的比表面積，使棄渣堆與空氣接觸面積增大，加之構(gòu)造裂隙、有機(jī)質(zhì)孔隙和不穩(wěn)定礦物溶蝕裂隙發(fā)育，透氣性增強(qiáng)，提高了空氣滲入棄渣堆內(nèi)部的可能性。3)棄渣表現(xiàn)出明顯的粒度偏析現(xiàn)象，為該棄渣場提供了蓄熱環(huán)境，且微孔隙和裂隙使其吸附能力加強(qiáng)，為低溫氧化提供氧氣的同時也為自燃提供了增溫的熱量，導(dǎo)致熱量容易積聚，自燃容易發(fā)生。

　　4)該棄渣場自燃是復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，棄渣自燃傾向性和吸附能力為內(nèi)因，棄渣粒度分布和堆填方式是外因。5)從系統(tǒng)論的角度，結(jié)合實際情況，提出了采用火源探測、滅火、截排水及水體污染治理和復(fù)綠緊密結(jié)合的棄渣場自燃治理及生態(tài)修復(fù)一體化方案。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[3]常勝.新疆某水庫工程棄渣場方案比選研究[J].黑龍江水利科技，2021，49(9)：130-133.

　　作者：石容丹1，2，劉發(fā)林1，朱文卿3，4，張良平4，易菲霆4