柔性生態(tài)技術在礦山修復中的應用

許思益

（中國有色金屬工業(yè)西安勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710054）

隨著國民經(jīng)濟持續(xù)增長，對于煤礦資源需求體系增大，陜西省為中國重要的產(chǎn)煤大省，煤礦開采對其生態(tài)環(huán)境破壞十分嚴重，常規(guī)礦山恢復手段主要針對于地質(zhì)災害進行治理，但對于礦山開采過程中所破壞的自然環(huán)境恢復考慮較少。本文研究的礦山位于銅川市北部，在采礦過程中針對礦山安全性進行了治理。但未對毀壞的生態(tài)環(huán)境進行修復，大量邊坡與地面裸露，且渣堆破壞占用大量農(nóng)田，導致當?shù)刈匀画h(huán)境滿目瘡痍。由于此礦山位于城市飲用水源地保護區(qū)內(nèi)，故在治理中提出以生態(tài)修復為目標，恢復自然環(huán)境為首要任務。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

項目區(qū)為黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢北高南低，呈北西—南東向傾斜，平均高度1 132 m，地形復雜，地貌多樣。

1.2 地層巖性及分布特征

根據(jù)現(xiàn)場勘察和收集已有資料，將整個場地劃分為二疊系砂巖（T2）、白堊系礫巖（K2）、第四系全新統(tǒng)的坡積卵石（Q4dl+pl）、沖洪積黃土狀土、卵石（Q4al+pl）及人工填（Qml）土等，現(xiàn)自上而下、自新至老分述如下。

①-1層填土（Qml）：主要由卵石組成，充填少量黏性土及砂礫，局部含少量生活垃圾，結(jié)構(gòu)松散不均。該層遍布場地表層，厚度0.5～3.2 m。

①-2層填土（Qml）：主要由碎石（煤矸石）組成，充填少量黏性土，局部含少量生活垃圾，結(jié)構(gòu)松散不均。該層主要分布在該區(qū)北部溝道內(nèi)，厚度為3.2～11.5 m。

③層卵石（Q4dl+pl）：主要由變質(zhì)巖碎塊組成，磨圓較好，一般粒徑2～8 cm，最大20 cm，充填黏性土及砂約20%，中密—密實狀態(tài)。該層分布于大部分勘察場地內(nèi)，層厚2.8～15.0 m。

③-1層粉質(zhì)粘土（Q4dl+pl）：黃褐色，土質(zhì)較均勻，含少量圓礫及卵石，表層含大量植物根系，硬塑。該層僅在13#勘探點表層被揭露，層厚2 m。

④-1層礫巖（K2）：紫紅色，一般粒徑2～5 cm，最大15 cm，磨圓好，泥質(zhì)膠結(jié)，中風化。

④-2層砂巖（T2）：淺紅色，細粒結(jié)構(gòu)，表層強風化，風化厚度一般小于50 cm。

1.3 水文地質(zhì)條件

勘察期間，治理區(qū)內(nèi)各鉆孔和探井均未見地下水，該區(qū)屬于黃土殘原溝壑區(qū)，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水，以潛水的形式存在，水位埋深較深，水的分布局限大、水量小，可不考慮其對邊坡的影響。

2 治理區(qū)存在的問題

礦山經(jīng)過多年開采，為國家和地方經(jīng)濟社會建設作出了巨大貢獻。但過去為了爭搶礦業(yè)資源，使得礦區(qū)礦業(yè)開采秩序十分混亂，忽視了地質(zhì)環(huán)境治理工作[1]。目前該礦區(qū)存在的主要地質(zhì)環(huán)境問題是礦山采礦煤矸石堆、礦區(qū)邊坡滑塌、廢棄工業(yè)場地等造成的生態(tài)環(huán)境破壞，主要地質(zhì)災害問題包括礦山建設開挖形成的不穩(wěn)定邊坡等。另外，還有礦山工業(yè)場地及建構(gòu)筑物占用土地，礦山生產(chǎn)排放的廢渣堆占用土地及堵塞河道等造成的地形地貌景觀破壞及土地資源破壞問題。地質(zhì)災害、地形地貌景觀及土地資源破壞最終導致水土流失生態(tài)環(huán)境破壞。并且由于堆積面裸露，加之表面風化物、顆粒物松散，在干燥起風的條件下，易產(chǎn)生大量風蝕揚塵，對周邊的空氣造成污染。裸露的廢渣堆和周圍環(huán)境形成鮮明對比，渣體表面產(chǎn)生反射，易造成視覺污染。

3 設計治理目標

第一，恢復植被、減輕水土流失、生態(tài)環(huán)境修復。通過治理工程的實施，平整采礦區(qū)廢石堆，并進行土壤改良、恢復綠植，完善相應的排水設施，減輕水土流失，緩解因水土流失造成對山地、農(nóng)田的污染，改善生態(tài)環(huán)境。

第二，提高土地資源率。將治理區(qū)內(nèi)的坡地整治，通過復墾恢復為林地或耕地，交由當?shù)卣y(tǒng)一分配，可以提高農(nóng)民收入。

第三，地質(zhì)災害隱患消除。主要手段包括；對礦區(qū)廢渣堆邊坡進行平整，修建排水渠減少山洪或坡面匯水對渣堆的沖擊作用；對礦區(qū)邊坡滑塌災害采取防護治理，保證當?shù)厝罕姷纳敭a(chǎn)安全，為礦區(qū)轉(zhuǎn)型后可持續(xù)發(fā)展提供保障。

4 治理方案對比

對于礦山邊坡處理的常規(guī)方式包括土釘墻、錨噴支護、擋土墻、鐵絲石籠、抗滑樁等[2]。常規(guī)手段主要針對邊坡，進行支護圍擋，短期效益較好，長遠來看不能恢復當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，礦山采礦過程中原有植被破壞較為嚴重，常規(guī)方式不能恢復當?shù)厣鷳B(tài)，反而由于多以混凝土砌石為主要用料，加劇生態(tài)環(huán)境退化。且本項目位于水源地保護區(qū)，應以生態(tài)恢復為目標。

邊坡的生態(tài)治理主要優(yōu)點包括固定坡面土層，防止雨水沖刷，抗雨水侵蝕，降低地表徑流速度。植物葉莖形成保護層，該層有抗侵蝕作用，阻止坡面水向內(nèi)滲透，坡面常綠。噴播客土增加土體本身粘聚力與內(nèi)摩擦角。植物長成后根系發(fā)達，可產(chǎn)生類似加筋土的效果，提高土體抗滑能力，解決礦山邊坡問題。

在同等狀態(tài)下，生態(tài)手段性價比較高，前期投入少，長遠效果好，植物成長過程中，邊坡愈加穩(wěn)固，解決當?shù)厮亮魇?，成長后可保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，提升社會效益，故本項目以生態(tài)防護為主要設計思路。

5 治理工程總體部署

遵循系統(tǒng)觀、整體觀和以生態(tài)保護修復為主的原則，結(jié)合當?shù)睾笃诔掷m(xù)發(fā)展的需要，對治理區(qū)采取分級刷坡整平，邊坡采用加筋生態(tài)擋墻進行加固，坡邊恢復生態(tài)林帶，平臺復墾為耕地，沿治理區(qū)修坡平臺設置截水溝，沿治理區(qū)周邊設置排水溝綜合治理措施。

6 治理工程分項

6.1 植物生態(tài)袋護坡與邊坡整治

植被護坡的功能主要有2 個方面：力學方面，淺根與表層土地形成加筋土體提高土的內(nèi)聚力，深根進入穩(wěn)定土層對土體可以起錨固效果；環(huán)境方面，吸收水分降低坡體孔隙水壓力、植物的莖葉減少降雨直接沖刷，削弱水的濺蝕、減少地面徑流，保水保墑[3]。故修復中采用生物技術保護邊坡并同時布置生態(tài)袋進行綜合考慮。在保持礦區(qū)現(xiàn)在有地形地貌的基礎上，對治理區(qū)依據(jù)地形開挖回填整平，分為四級平臺。填筑施工時應按水平分層向上鋪土填筑，不得順斜坡填筑，每層厚度不得大于50 cm。每層各工作面之間碾壓搭接寬度不小于1.0 m。填筑壓實設備應采用平碾或振動碾碾壓，壓實系數(shù)大于0.9。

沿治理區(qū)修坡平臺設置截水溝。排水方法明溝排水，設置矩形截水溝。根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗設計斷面尺寸為底部寬度0.4 m，深度0.4 m，壁厚30 cm。沿治理區(qū)周邊設置排水溝。

邊坡采用加筋生態(tài)擋墻進行加固，坡比1∶1。平臺邊8.0 m 寬植樹造林，形成生態(tài)帶。綠化采用喬灌結(jié)合，本著“因地制宜，適地適樹，以鄉(xiāng)土樹種為主”的原則，選取樹種為遼東櫟、油松、白楊，樹苗規(guī)格0.8～1.0 m，樹徑3 cm；灌木選取胡枝子、迎春花，規(guī)格高度50 cm，地徑0.3 cm。采用挖穴種樹，樹穴規(guī)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m，間距2.0 m，混交比1∶1，隔行混交。

6.2 生態(tài)噴播

針對于土質(zhì)較差且較陡不易開挖的邊坡可以采用客土生態(tài)噴播技術，生態(tài)噴播在修復類項目中大量應用，特點包括實施快捷、材料易得、成本較低、適應性好。其原理是利用混合機械設備將催芽處理的種子、水、種植土、營養(yǎng)肥料、纖維覆蓋物、土壤改良劑等制成混合漿液，等漿液有一定黏稠度后，通過特制噴播系統(tǒng)噴播到生態(tài)環(huán)境遭破壞的邊坡表面，進而形成噴播的基礎覆蓋層。噴播可以改良土壤，同時依靠噴播的纖維與膠體形成半滲透的保濕表層依附在地表，為植物生長創(chuàng)造良好條件，既可以防止水土流失，也可固定種子不被沖走，同時夠起到涵養(yǎng)當?shù)厮趾宛B(yǎng)分的作用，是植物種子良好生長的培養(yǎng)基，通過此項措施可促進植被恢復、改善視覺景觀、保護生態(tài)環(huán)境。

6.3 加筋生態(tài)擋墻

對于加筋生態(tài)擋墻采用分級設置加緊材質(zhì)為HDPE 的單向土工格柵，根據(jù)擋墻的高度和受力特點，單向土工格柵長度為8.0～17.0 m，分層鋪設分層碾壓回填，每層厚度不超過50 cm，根據(jù)坡高不同，每個邊坡設置2～3 級邊坡，坡比1∶1，平臺寬度3.0 m。面層采用反包生態(tài)袋護面，反包格柵與上層格柵之間通過坦薩連接棒足強度連接。生態(tài)袋是用聚丙烯及其他高分子材料復合制成，布料拉伸強度大于等于4.5 kN/m，布料斷裂伸長率大于等于40%。生態(tài)袋內(nèi)植物種子按照黑麥草5 g、高羊茅8 g、紫穗槐5 g、沙棘3 g、小葉女貞2 g 進行配置。填挖交界面和邊坡內(nèi)部設置碎石滲水盲溝。

對設計加筋土邊坡穩(wěn)定性進行設計驗算，穩(wěn)定性計算應采用規(guī)范要求的圓弧法，利用軟件模擬邊坡穩(wěn)定分析模塊進行計算。項目區(qū)抗震烈度為Ⅵ度，故不考慮地震工況。根據(jù)GB 50330—2013 規(guī)范3.2 及本工程特點，邊坡安全等級綜合按一級考慮，故結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)按1.1 考慮。使用期限：本工程為永久性支護，結(jié)構(gòu)設計使用期限為50 年，設計邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)一般工況1.35，飽和工況1.15。計算參數(shù)按照勘察報告結(jié)論選取。飽水工況按照表層飽和厚度3.0 m 考慮，參數(shù)按飽和重度與飽和狀態(tài)時的抗剪強度參數(shù)選取。土工格柵UXC 型格柵抗拉強度取44.2 kN/m，UXB 型格柵抗拉強度取27.1 kN/m。

6.4 土地復墾

對整平后的平臺覆土復墾為耕地。

對于田埂田坎采用人工種植連翹和紫花苜蓿的方式，保護田坎穩(wěn)固性，防止和降低水土流失對新增耕地造成的危害。連翹栽植間距為3 m×3 m，紫花苜蓿為撒播草籽播種。

根據(jù)《高標準基本農(nóng)田建設規(guī)范》項目耕作層厚度應達到30 cm 以上，有效土層厚度應達到60 cm 以上，故覆土厚度應大于60 cm，對項目區(qū)回填土利用自然降水、機械壓實等方法讓土壤沉降，使土壤密實度達到80%左右，由于項目回填土均為生土，應進行土壤培肥后移交至。土壤培肥可采用種草肥田的方法，種植綠肥、豆科、牧草來培肥地力，提高經(jīng)濟產(chǎn)量。

7 施工技術

7.1 生態(tài)袋護坡與生態(tài)噴播技術

生態(tài)袋一般應當于施工現(xiàn)場制作，一可節(jié)約運費，二可消耗邊坡清理過程中產(chǎn)生的棄土。做好施工準備后，將生態(tài)袋按順序碼放，安裝好生態(tài)袋之間的接扣，保證結(jié)構(gòu)扣能夠?qū)ι鷳B(tài)袋之間做好穩(wěn)定的連接。每層生態(tài)袋鋪設完畢，進行夯實或人力壓實，進一步提升生態(tài)護坡中接扣與生態(tài)袋之間的穩(wěn)定性。三層之間增加一層加筋格柵，提高生態(tài)護坡整體性。重復上述步驟，直至封頂。封頂后采用液壓噴播系統(tǒng)對構(gòu)筑好的生態(tài)袋墻面進行噴播綠化施工，完畢后做好養(yǎng)護工作，提高項目的施工質(zhì)量。

7.2 自嵌式生態(tài)擋墻

首先進行場地清理，測量放線，對進場土工布、自嵌式植生塊按照相關規(guī)定復檢，保證植生塊表面平整，防止由于材料質(zhì)量問題引起的連鎖反應。施工重點做好第一層的安裝，首先在平整的場地上安裝土工格柵布，且對第一層植生塊嚴格做好復核工作，保證第一層與土工布層的完整接觸，墻后排水填料的厚度不小于30 cm，做好回填加筋土的分層壓實，在壓實過程中避免破壞土工布。第一層安裝好之后，應嚴格按照圖紙進行后續(xù)施工，在安裝上層一定要清理好雜土，保證兩層的嵌塊咬合，將強度的方向垂直墻面鋪設，不得反鋪，對于拐角外弧等位置做好切割處理，提高擋墻的整體性。大型機械在施工過程中做好管理，不得直接在土工格柵布上操作，填土過程采用倒退法。

8 結(jié)束語

現(xiàn)階段過程中，環(huán)境保護是國家的基本國策，政策上加大對礦山生態(tài)環(huán)境治理投入，并且制定相關的法律制度，對礦山生態(tài)環(huán)境治理的重點和目標作出了明確的規(guī)定。對于礦山關停后的后續(xù)治理問題已成為重中之重，特別是對于生態(tài)保護區(qū)的恢復已經(jīng)成為了一個新的課題[4]。

柔性治理生態(tài)防護作為一種環(huán)境恢復與保護的方式，在多種地質(zhì)災害治理中已經(jīng)推廣開來。它在多種治理方案中體現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性，特別是針對山區(qū)、水源地保護區(qū)，提高了當?shù)刂脖桓采w率，有利于防止水土流失，這是常規(guī)治理手段所不能達到的效果。本次通過柔性治理，綠色治理，既可保證治理效果，又可提高當?shù)鼐G化水平，恢復耕地面積，有著良好的社會經(jīng)濟效益[5]。