花崗巖采石場高陡硬質(zhì)巖壁復(fù)綠難點(diǎn)及對策

鄒 浩, 王章瓊, 陳金國, 陳 兵

(1.湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊,湖北 黃岡 438000; 2.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430073)

湖北省黃岡市擁有豐富的花崗巖資源,主要分布于黃梅、蘄春、麻城、團(tuán)風(fēng)、浠水等縣市,面積約1 000 km2。近幾十年來,隨著社會對各種建筑材料需求的持續(xù)增加,當(dāng)?shù)叵群蟪霈F(xiàn)了數(shù)百座規(guī)模不等的采石場。由于早期采石場施工技術(shù)缺乏規(guī)范性以及大規(guī)模的透支性開采,使得原生植被、生態(tài)環(huán)境和地形地貌景觀遭到嚴(yán)重破壞,引發(fā)了一系列地質(zhì)環(huán)境問題,亟待進(jìn)行治理[1-4],而生態(tài)復(fù)綠是地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)的重要內(nèi)容[5]。

針對采石場生態(tài)復(fù)綠問題,有學(xué)者開展了大量研究,取得了豐碩成果。宋暉[6]運(yùn)用掛網(wǎng)噴播生態(tài)復(fù)綠技術(shù)對某采石場進(jìn)行邊坡復(fù)綠,但該技術(shù)僅適用于小面積實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用;楊志雄等[7]針對采石場邊坡的具體條件,提出了階梯法、板槽法、燕巢法、噴植法、覆土法、框架法、點(diǎn)穴法等復(fù)綠技術(shù);張波[8]采用“類壤土基質(zhì)”噴播技術(shù)開展礦山植被恢復(fù),但該技術(shù)主要適用于坡度≤73°的各類邊坡;李輝[9]提出采用植被混凝土對灰?guī)r群采區(qū)巖質(zhì)高陡邊坡進(jìn)行綠化;李成[10]指出,石灰?guī)r采場高陡邊坡可采用綠化砼噴播、坡面爆破客土栽植等技術(shù)進(jìn)行復(fù)綠。黃岡地區(qū)花崗巖采石場邊坡為近直立且表面光滑的硬質(zhì)花崗巖壁,與上述研究所涉及的礦山有顯著差異,具體表現(xiàn)為更高陡、更硬、表面更光滑,這大大增加了復(fù)綠難度,因此有必要對該類礦山的復(fù)綠方法開展深入研究。

1 花崗巖采石場礦山特點(diǎn)

1.1 巖石裸露面積大

采石場礦山以露天開采為主,工作面較大,由于長期過度開采,往往形成巨大的露天礦場,礦區(qū)綠色植被遭到嚴(yán)重破壞,致使大面積基巖裸露(圖1)。這不僅破壞生態(tài)環(huán)境,影響自然景觀,還加快山體風(fēng)化,為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生埋下隱患。

圖1 某采石場礦山航拍圖片F(xiàn)ig.1 Aerial photographs of a quarry mine

1.2 巖壁堅硬、高陡、光滑

采石場山體巖體完整性好,開采的巖體為堅硬且未風(fēng)化的花崗巖。開采過程中經(jīng)大型機(jī)械切割后,基巖形成了光滑的巖壁,巖壁傾角約85°,近直立(圖2)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計,黃岡市花崗巖采石場巖壁高度多為20～50 m,最高達(dá)70余米。植被種子及有機(jī)質(zhì)難以在巖壁上附著,因此采石場廢棄多年后仍鮮有植被生長。

圖2 某采石場礦山全景Fig.2 Panorama of a quarry mine

1.3 土壤資源匱乏

花崗巖采石場山體第四系覆蓋層較薄,厚度約10～30 cm,主要為花崗巖風(fēng)化后形成的殘積物,顆粒成分以粗砂、中砂為主,透水性較好,有機(jī)質(zhì)含量低。該類覆蓋層持水能力弱,肥力差,不適宜于植物生長。此外,礦山開采過程中排放大量廢石堆集于采石場附近,導(dǎo)致礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞,加劇了水土流失,植被難以生存。

1.4 水資源匱乏

盡管黃岡地區(qū)雨量充沛,當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅考s1 300 mm,且采石場周圍往往發(fā)育有季節(jié)性溪流。但由于長期開采,形成大面積表面光滑的裸露花崗巖,礦區(qū)內(nèi)既無植被、土壤能夠截留儲存自然降雨,雨水又難以通過完整巖體下滲,導(dǎo)致大氣降水大多成為地表徑流排泄,難以儲存大量水源滿足植被生長需要。

2 花崗巖采石場復(fù)綠難點(diǎn)分析

2.1 基質(zhì)稀缺

采石場原有山體第四系覆蓋層在開采前被剝離,經(jīng)地表徑流沖刷后流失。礦區(qū)平坦場地多為廢石料堆積場,地表土壤被占壓。礦區(qū)及周邊以低山—丘陵地貌為主,山麓及低洼平坦處多為耕地,耕地資源稀缺,且土壤保水性差。如開展生態(tài)復(fù)綠,須依靠外來土壤彌補(bǔ)復(fù)綠基質(zhì)質(zhì)量和數(shù)量上的不足,這在一定程度上增大了復(fù)綠難度,也提高了工程造價。

2.2 自然環(huán)境惡劣

無論采用何種植物進(jìn)行采石場復(fù)綠,都需要滿足植物生長所必須的環(huán)境條件,即土壤、水分、光照和適宜的溫度等。如前文所述,礦區(qū)土壤及水資源匱乏,巖壁上根本不存在土壤,也無法涵養(yǎng)植物生長所需的水分。更為重要的是,大面積裸露的巖壁,在夏季受到烈日的曝曬后溫度極高,據(jù)2018年7—8月在某采石場現(xiàn)場實(shí)測,最高溫可達(dá)到60～70 ℃。如直接在巖壁上種植植物,不僅會使種植基質(zhì)中水分快速蒸發(fā),還會灼傷植物細(xì)嫩的枝葉,導(dǎo)致植株干枯死亡。某廢棄十余年的采石場,巖壁上幾乎未見植物,即是很好的說明(圖3)。

圖3 某采石場礦山巖壁Fig.3 Rockwall of a quarry mine

2.3 施工難度大

采石場生產(chǎn)過程中是自上而下進(jìn)行,機(jī)械切割巖石每次深度約1 m,連續(xù)切割一定深度后留下寬2～5 m的作業(yè)平臺,上下級作業(yè)平臺之間高差10～30 m不等,由此形成了若干級巖壁。如在巖壁上開展復(fù)綠工程作業(yè),因巖壁高陡、光滑,搭建臨時施工平臺的難度大且成本高。

此外,采石場礦山多位于山腰以上,運(yùn)營期間修建的臨時運(yùn)輸便道未經(jīng)硬化,寬度3～5 m不等,經(jīng)過重載運(yùn)輸車輛長期碾壓后嚴(yán)重破損,大型施工設(shè)備及材料難以運(yùn)輸。

2.4 植物攀爬難度大

不同類型的采石場,其生產(chǎn)過程中采用的開挖方法不同,主要有爆破、機(jī)械開鑿、機(jī)械切割等。其中,爆破和機(jī)械開鑿形成的巖石壁面粗糙,且裂隙較多,有利于攀爬植物根系附著;而花崗巖采石場生產(chǎn)過程中均采用機(jī)械切割,形成的壁面十分光滑,且近垂直,攀爬植物的藤蔓、根系幾乎無法附著,這極大地增加了礦山復(fù)綠的難度。

3 常用復(fù)綠方法及其在花崗巖采石場中的局限性

生態(tài)復(fù)綠是礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理的重要方面,工程技術(shù)人員在以往的復(fù)綠實(shí)踐中,結(jié)合不同類型礦山特點(diǎn),探索出一系列技術(shù)方法,取得了良好效果。但這些方法都有一定的適應(yīng)條件,具體分析如下:

3.1 階梯法

階梯法又稱臺階法,是利用礦山開采過程中形成的臺階種植植物,采取喬木、灌木、藤本植物混種的方式實(shí)現(xiàn)綠化。階梯法是目前應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的復(fù)綠方式,適用于陡峭地形。然而花崗巖采石場上下相鄰巖壁之間落差過大,一般在10 m以上,喬木、灌木生長速度較慢,短期內(nèi)很難達(dá)到復(fù)綠效果。且各級平臺均為完整、堅硬的微風(fēng)化花崗巖,喬木、灌木根系難以向下生長,其存活率和抗傾覆能力無法保證。因此,若采用臺階法對花崗巖高陡巖壁進(jìn)行復(fù)綠,藤本植物是最佳植物類型。

3.2 噴播復(fù)綠法

噴播復(fù)綠是將種子、基質(zhì)、粘合劑等混合物通過高壓泵機(jī)噴射到巖石表面,形成噴播層,植物種子在噴播層中萌發(fā)并生長。噴播復(fù)綠法施工效率較高,可實(shí)現(xiàn)快速綠化,在公路邊坡、礦山邊坡綠化中得到廣泛應(yīng)用。該方法一般適用于緩坡,對于稍陡的邊坡(坡度約45°～60°)則需掛金屬網(wǎng),以增強(qiáng)噴播層的附著力?；◢弾r采石場壁面近直立,即便在巖壁上掛金屬網(wǎng),噴播層也很難附著。且絕大多數(shù)壁面高度均超過10 m,現(xiàn)場噴射操作難度大、危險性高。因此,該方法不適宜。

3.3 飄臺法

飄臺法是指在巖壁上鉆孔,插入金屬構(gòu)件后向孔內(nèi)灌漿,以金屬構(gòu)件為支撐點(diǎn),在巖壁表面架起各種形狀的容器,即為飄臺,在容器中添加基質(zhì)材料后可種植植物,通過植物的莖葉覆蓋坡面,以達(dá)到坡面整體綠化的目的。飄臺法適用于極陡、平滑的巖壁,但對于10 m以上的高陡巖壁而言,因搭建施工平臺難度大、成本高,導(dǎo)致其效果受到一定影響。

3.4 燕巢法、魚鱗穴法

燕巢法和魚鱗穴法是利用開采過程中石壁上留下的小平臺、石窩、石縫,或經(jīng)人工開鑿、定向爆破形成洞穴等,在其中回填基質(zhì)并種植植物,以達(dá)到復(fù)綠效果。上述方法適用于壁面凹凸不平、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石相對軟弱的山體。花崗巖采石場高陡巖壁表面光滑,無石窩、石縫,通過人工開鑿、爆破等方式制造洞穴的難度較大,因而該方法也不適宜。

3.5 框架法

框架法是指在坡面上用磚、石砌筑或現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),形成不同形狀的框架,框架結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)固坡體,在框架中回填土體,可以種植灌木、草本植物等。框架法集邊坡防護(hù)與綠化為一體,在高速公路及建筑邊坡中得到廣泛應(yīng)用。該方法可用于緩坡和一般陡坡,但對于近直立的陡坡并不合適。一方面,框架結(jié)構(gòu)施工難度大,造價相對較高,且須與坡體緊密連接,增加了技術(shù)復(fù)雜程度;另一方面,植物生長基質(zhì)如何在近直立的框架中有效附著,也是不易解決的問題。

由上述分析可知,目前常用的復(fù)綠方法中,噴播、飄臺、燕巢、魚鱗穴、框架等均不適合于花崗巖采石場陡壁的復(fù)綠。階梯法的適用條件與本文所述花崗巖高陡硬壁最為接近,可考慮在階梯法基礎(chǔ)上,吸收其他復(fù)綠方法的優(yōu)勢,進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和改良,以達(dá)到最佳效果。

4 陡壁硬巖礦山復(fù)綠措施建議

由上述分析可知,因花崗巖采石場礦山幾何形態(tài)、環(huán)境等方面的獨(dú)特性,給復(fù)綠工作帶來較大困難,目前常用的復(fù)綠方法在該類礦山中難以達(dá)到理想效果。筆者結(jié)合該類礦山特點(diǎn),以及不同植物的生長特性,提出以下復(fù)綠措施建議。

4.1 復(fù)綠植物的選擇

針對巖壁高陡光滑、自然環(huán)境惡劣等特點(diǎn),宜選擇抗逆性、攀爬能力均較強(qiáng)的鄉(xiāng)土先鋒植物,且該植物不對周圍既有植物構(gòu)成威脅。具體應(yīng)滿足以下原則:①選擇木質(zhì)藤本植物,考慮到綠化的長期性,宜選擇木質(zhì)藤本植物;②選擇抗性強(qiáng)的鄉(xiāng)土植物,能夠耐干旱、耐貧瘠、耐高溫、耐強(qiáng)光照或陰濕,并具備一定的抵御極端氣候因子變化的能力;③生長速度快,能較快地覆蓋石壁坡面;④攀附能力強(qiáng),具有發(fā)達(dá)的吸盤、氣生根或卷須等攀援器官;⑤保證石壁復(fù)綠后與周邊自然環(huán)境的協(xié)調(diào),并使其具有一定的觀賞性?；谝陨弦?可選擇爬山虎、常春油麻藤等作為復(fù)綠植物。

4.2 上爬下掛立體綠化

高陡巖壁復(fù)綠的主體植物是爬藤植物,因臺階高度過大,采取單一的植物攀爬復(fù)綠方式速度緩慢。根據(jù)近年來城市建筑中立體綠化的原理[11],為了提高復(fù)綠效率,可充分利用開采平臺的空間,采取上爬下掛的立體綠化模式,即在某一級平臺上分別種植上爬植物以及下掛植物,上爬植物種植在平臺內(nèi)側(cè)(靠近上一級壁面的一側(cè)),便于向上一級壁面攀爬,下掛植物種子在平臺外側(cè)(靠近下一級壁面的一側(cè)),便于向下一級壁面垂吊(圖4)。根據(jù)爬藤類植物生長特性,下掛植物可以選擇金銀花、凌霄、薔薇、紫藤等。

圖4 上爬下掛立體綠化示意圖Fig.4 Greening schematic map of climb up and hang down the three-dimensional

種植槽采用漿砌塊石,充分利用采場堆積的廢石料,既可以降低工程造價,又能在一定程度上解決廢石壓占土地問題,實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。

4.3 植物攀爬輔助措施

盡管爬山虎一類藤本植物具有極強(qiáng)的攀附能力,但能否牢固吸附光滑巖壁尚有待進(jìn)一步考察;同時,吸附在巖壁上的爬藤植物還要受到自然風(fēng)等外部荷載的威脅。為提高植物攀爬效率、增強(qiáng)植物附著的可靠性,宜在壁面增設(shè)金屬網(wǎng)或金屬線等,以輔助植物攀爬。

4.4 壁面降溫

為避免夏季持續(xù)高溫天氣時巖壁溫度過高,導(dǎo)致附著在其上的爬藤植物受烘烤后干枯死亡,可在地勢高處修建若干蓄水池,蓄積自然降雨。采用PVC塑料管將水引至坡頂,通過水閥控制水流量,讓水在壁面緩慢流淌,并自上而下逐漸覆蓋壁面,從而起到降低壁面溫度的作用。同時,水流還可以被爬藤植物的氣生根吸收,起到緩解干旱的作用。

4.5 基質(zhì)保水續(xù)肥

因采石場礦山大多較偏遠(yuǎn),開展日常維護(hù)工作難度大、成本高,考慮到礦區(qū)內(nèi)干旱缺水,且種植基質(zhì)的肥力隨時間的增長而逐漸降低,為延長日常維護(hù)周期、降低維護(hù)成本、增強(qiáng)植物抵抗惡劣環(huán)境的能力、提高存活率,可在種植基質(zhì)中添加一定量保水劑、緩施復(fù)合肥等。

5 結(jié)論及建議

(1) 通過現(xiàn)場調(diào)查,歸納總結(jié)了黃岡地區(qū)采石場礦山的特點(diǎn),主要表現(xiàn)為:巖石裸露面積大,巖壁堅硬、高陡、光滑,土壤及水資源匱乏等。對該類礦山進(jìn)行復(fù)綠時,普遍存在基質(zhì)稀缺、自然環(huán)境惡劣、施工難度大、植物攀爬難度大等難點(diǎn)。

(2) 分析階梯法、噴播法、飄臺法、燕巢法、魚鱗穴法、框架法等常用礦山復(fù)綠方法的特點(diǎn)及適用條件,上述方法中,均無法直接應(yīng)用于花崗巖采石場礦山。結(jié)合礦山的主要特點(diǎn),提出改進(jìn)階梯法的復(fù)綠方式,即“上爬下掛”的立體綠化,以提高綠化效率。

(3) 針對黃岡地區(qū)花崗巖采石場礦山高陡巖壁的特點(diǎn),結(jié)合常用復(fù)綠技術(shù)的方法和原理,提出了復(fù)綠措施建議,具體包括復(fù)綠植物的選擇、上爬下掛立體綠化、植物攀爬輔助、壁面降溫、基質(zhì)保水續(xù)肥等。