蜂巢約束系統(tǒng)在礦山地質環(huán)境恢復治理工程中的應用

袁正剛

（河南省地礦局第五地質勘查院，河南 鄭州 450001）

我國是礦產(chǎn)資源大國，經(jīng)過多年的無序開采，造成我國山體千瘡百孔，自然資源破壞嚴重，經(jīng)過多年的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復治理，但巖質坡面復綠是一個難題。蜂巢約束邊坡保護系統(tǒng)是指采用巢室三維約束和穩(wěn)定結構，由巢室、填料、土工布和植被構建的穩(wěn)定表土、保護邊坡、綠化坡面的復合覆蓋保護層。它具有生態(tài)環(huán)保、穩(wěn)定耐久、施工便捷、經(jīng)濟合理、因地制宜的特點與優(yōu)勢，尤其是在生態(tài)邊坡保護方面具有顯著優(yōu)勢。因此對采用了蜂巢系統(tǒng)進行邊坡的綠化和防護的技術特點和施工工藝進行闡述，以供同類工程建設研究參考。

1 項目簡介

1.1 工程概況

光山縣孫鐵鋪鎮(zhèn)滬陜高速沿線廢棄礦區(qū)位于光山縣孫鐵鋪鎮(zhèn)西南約6km，竹竿鎮(zhèn)南約5km，滬陜高速北約2km，杏山窯村東約500m處，開采主要礦種為建筑石料類大理巖礦，開采方式為露天開采，目前遺留廢棄采坑2處，工業(yè)廣場1處，兩處露天采坑位于山體兩側，中間有山體間隔，約100m，間隔山體表面破碎，下部堆積碎石。

邊坡屬于Ⅲ類巖質邊坡，風化程度中等，采用5級，分級高度10m，根據(jù)巖質邊坡坡率允許值，采用坡率為1∶1。

1.2 氣候特征

光山縣具有亞熱帶向暖溫帶過渡的氣候特點，雨量充沛，氣候溫和濕潤，四季分明。素有“北國江南”、“魚米之鄉(xiāng)”的美稱。年平均氣溫15.4℃，年平均無霜期226d。年平均降水量1094mm，年際相差較大，最大降水量1949mm（1956年），最小降水量666mm（1988年）；年內(nèi)分配不均，6～9月降水量占全年降水量的40%以上，日最大降水量290.2mm。降水量在空間上由南向北逐漸減少，縣南部多于北部200mm。項目區(qū)年平均降水量1050mm。

1.3 地質地貌

光山縣地處大別山北麓延伸地段，北臨淮河，南依大別山?？傮w地勢南高北低，大體由西南向東北傾斜，地面坡度0.1%～33%。南部為丘陵區(qū)，中北部為崗地，北部為河谷平原。境內(nèi)海拔高程在40～433.9m 之間，最高點為縣境南部的王母觀，海拔高程433.9m，最低點為縣境北部的王鄉(xiāng)村，海拔40m，相對高差達393.9m。

根據(jù)《河南省光山縣地質災害調查與區(qū)劃報告（1∶10萬）》及野外調查，項目區(qū)地貌類型分別為剝蝕殘山、剝蝕堆積崗地。

1.4 水文特征

光山縣境內(nèi)流域面積在30km2以上的河流有18條，均屬淮河流域右岸支流。其中白露河、小潢河、寨河和竹竿河為淮河一級支流，另外14 條小河流分別為白露河、小潢河、寨河和竹竿河的支流。

礦區(qū)屬于竹竿河流域，它發(fā)源于湖北省大悟縣北部大別山分水嶺北麓袁家灣，至大勝關入河南境內(nèi)。流經(jīng)湖北省大悟縣、河南省羅山縣、光山縣、息縣，最后于羅山縣和息縣交界處入淮河。竹竿河全長142km，流域面積2610km2，其中縣境內(nèi)長41km，流域控制面積144.2km2，最大洪峰流量2030m3/s，平均流量1320m3/s。

2 技術指標及材料選擇

2.1 錨桿錨桿長度計算

由于土工巢室的計算尚未有國家標準，本計算根據(jù)實際受力情況進行計算，計算過程中參照了《建筑邊坡工程技術規(guī)范》GB50330-2013。

填充材料為種植土，采用粉質粘土，在填土厚度不大時，綜合內(nèi)摩擦角取φ= 15°，取種植土重度為γ=18kN/m3，巢室規(guī)格h= 150mm，邊坡坡角反算后為53°，根據(jù)下式：

式中：Fns——覆蓋層的每延米凈下滑力，kN/m；

W——巢室系統(tǒng)及附加荷載的每延米重力，kN/m。

式中：h——巢室厚度，m；

L——坡面長度，m；

γ——巢室填土的飽和重度，kN/m3；

φ——巢室填土的內(nèi)摩擦角，（°）。

計算得到Fns=32.318kN。

巢室的抗拉強度根據(jù)下式進行驗算：

式中：S0——巢室端部焊縫間（單層壁板）的每延米抗拉強度，kN/m；

S1——巢室的每延米抗拉強度，kN/m；

Sw——巢室焊縫剝離強度，kN/m；

h——巢室厚度，m；

bc——巢格寬度，m；

取安全系數(shù)K=2.0時，需要的抵抗的下滑力為：

由于S1＜R，需要在邊坡坡面進行錨固才能滿足要求。

按下式確定錨釘間距：

式中：(S·w)max——錨釬陣列縱橫間距乘積的最大值，m2；

S1——巢室的每延米抗拉強度，kN/m；

L——坡面長度，m；

R——覆蓋層所需的每延米總抗滑阻力，kN/m。

從而得到S·w=4.01m2，設計錨釘布置為每4格設置一個，即(4×0.287)+(4×0.320) =2.428(m2)，能夠滿足要求。

由于底部地層為基巖，錨固長度為0.5m 時，能夠滿足要求。

2.2 蜂巢格室性能指標

蜂巢格室材料選用高分子納米合金。蜂巢格室檢驗報告如表1所示。

表1 蜂巢格室檢驗報告

2.3 格室選擇

考慮到整理后的邊坡本身基本穩(wěn)定，為了降低工程造價，采用坡面展鋪的形式進行表面生態(tài)綠化。蜂巢巢格采用展開尺寸為（l×w）287mm×320mm，焊炬445mm，高度為150mm。

2.4 草籽選擇

選擇耐澇、耐旱、耐貧瘠的植物種類；選擇多種生活型的植物種類，以鄉(xiāng)土植物為主，引入少量外來物種；選擇繁殖力強的物種等原則。本項目所選用的植物品種及用量見表2。

表2 選用的植物品種及用量

3 施工工藝

3.1 清理坡面

坡面平整關系到蜂巢格室植草護坡工程的成敗，坡面凹凸不平時鋪設蜂巢格室格易產(chǎn)生應力集中使格室焊點開裂、造成格室垮塌；同時亦會造成局部格室與坡面之間空隙過大給客土回填帶來極大的難度。因此邊坡在施工時嚴格控制平整順直，進行人工修坡，清除坡面浮石、危石直至設計要求。

3.2 坡面放線鉆孔、錨桿布設、注漿

在坡頂上翻1m處作為放樣起始線，錨桿在順邊坡走向方向間距不大于4l，在沿邊坡橫斷面方向間距不大于4w(l×w=287mm×320mm，見圖1 巢室展開示意圖）。為了保證錨桿能夠有效地控制巢室系統(tǒng)位移，在邊坡頂部兩排錨桿間距為2l×2w（單位：cm），即2 倍巢格長度和寬度放點鉆孔。錨桿采用?16mm 熱軋帶肋鋼筋與限位帽組成錨桿，長度70cm。鉆孔深度50cm，鉆孔直徑5cm,錨桿垂直釘入孔內(nèi)，外露20cm。為了縮短工期，選擇設計強度50MPa，設計流動速度10～17s的孔道專用壓漿料1600kg/m3摻地下水450kg/m3混合料注漿，經(jīng)過3d同條件試塊養(yǎng)護檢測達30MPa以上即可以進行下一步的蜂巢的鋪設、連接與錨固工序施工。

3.3 蜂巢格室鋪設、連接與錨固

3.3.1 蜂巢格室鋪設

蜂巢格室展鋪時，從坡頂往坡腳的順序展開，分別套入錨桿，鋪裝時讓蜂巢緊貼巖壁，避免張拉受力、折疊、打皺等現(xiàn)象發(fā)生，保持平順，松弛適度，防止過緊。

3.3.2 蜂巢格室連接與錨固

蜂巢格室連接上下和左右分別采用4 倍和2 倍蜂巢單層厚度的兩種聯(lián)結鍵連接。用限位帽將錨桿與蜂巢格室壁板連接定位，控制蜂巢松緊程度和位移程度。

3.4 填料及播種

蜂巢格室固定好后即可向格室內(nèi)15cm 填充客土?？屯帘M量選擇種植土，控制填料中碎石最大粒徑不超過5cm。充填前可適當濕潤土體使之成團有利于施工。充填時自下而上逐層進行。充填時使每個格室中的客土密實、飽滿，并高出格室表面1～2cm?？屯粱靥钔戤吅罅⒓催M行噴播施工。在巢室上部均勻噴射不大于2cm采用噴射營養(yǎng)土（種植土、草籽、肥料拌合）或噴播草籽，噴播重量為40g/m2。

3.5 蓋無紡布

為使草種免受雨水沖刷，并實現(xiàn)保溫保濕，應加蓋無紡布，促進草種的發(fā)芽生長。土工布接縫處要搭接，搭接長度30cm，無紡布覆蓋時應按40cm×40cm的間距設置固定竹釘。

3.6 坡腳防護（設置截排水渠）

邊坡排水系統(tǒng)的設置是否合理和完善直接影響到蜂巢植被的生長環(huán)境，對各級邊坡坡腳設置截水溝，將上級截水溝匯水通過豎向排水渠引至下級排水溝，直至引至底部排水渠將坡面匯水排出治理區(qū)。

3.7 養(yǎng)護

為了保證草種的成活，當拌有混合草種的基材噴射到坡面上，就要注意草種發(fā)芽生長的前期養(yǎng)護工作，養(yǎng)護的主要工具是高壓噴霧器，它使養(yǎng)護水霧化后均勻地濕潤在坡面基材上。在養(yǎng)護過程中,注意控制好噴頭與坡面的距離和移動速度，保證無高壓射流水沖擊坡面形成徑流,沖走綠化基材及草種。

4 復綠效果

本項目由于削坡工程量及廢渣處理工程量較大，2020年10月20日進場施工，至2021年10月5日完成了全部坡面施工，從削坡開始每兩個月后進行一次坡面蜂巢施工，這期間要完成坡面清理；坡面放線鉆孔、錨桿布設、注漿；蜂巢格室鋪設、連接與錨固；填料及播種；蓋無紡布；坡腳防護（設置截水渠）；養(yǎng)護等階段工作。2020年12月份幼苗露頭，2021年5月份長勢旺盛，到6月油菜長到1.0m 多，其他植物基本長到40cm 以上,坡面上有多種鮮花盛開，植被覆蓋率達到85%以上。

2021年10月汛期過后，經(jīng)過現(xiàn)場實地檢查，蜂巢穩(wěn)定良好，無位移、破損現(xiàn)象發(fā)生，種植土流失較少，植物仍然在屹立在坡面蜂巢上保護水土。

5 結論

通過光山縣孫鐵鋪鎮(zhèn)滬陜高速沿線廢棄礦區(qū)蜂巢約束邊坡保護系統(tǒng)的實施有效地穩(wěn)定了表土、保護了邊坡、較快地進行了坡面綠化，改善礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)。同時蜂巢約束邊坡保護系統(tǒng)具有耐久、施工便捷、經(jīng)濟合理、因地制宜的特點與優(yōu)勢，受到建設單位的充分肯定，因此在礦山恢復治理工程中有很大的推廣意義。