厚層基材噴播技術(shù)在江南地區(qū)石灰?guī)r礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

邵 蔚，姚慶健，許 峰，胡殿坤，莫福成，繆 信

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心安徽總隊(duì)，安徽 合肥 230031)

礦山開(kāi)采過(guò)程中對(duì)山體植被造成嚴(yán)重的挖損破壞，形成的裸露創(chuàng)面不僅存在地質(zhì)災(zāi)害隱患，且造成了水土流失、環(huán)境污染等問(wèn)題。江南地區(qū)石灰?guī)r礦山開(kāi)采形成了坡度陡、巖石堅(jiān)硬的裸露邊坡，邊坡復(fù)綠難度大，對(duì)可視范圍內(nèi)造成了嚴(yán)重的視覺(jué)污染。針對(duì)石灰?guī)r礦山高陡巖質(zhì)邊坡植被恢復(fù)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)厚層基材噴播技術(shù)進(jìn)行改良，采取了混合基材合理配比、植物種子的選配、植生稻草把改良型技術(shù)及自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，取得了改良型厚層基材噴播技術(shù)在江南石灰?guī)r礦山高陡巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)中的良好效果，為該區(qū)域內(nèi)同類型礦山邊坡復(fù)綠工程提供了參考。

1 工程概述及背景

礦山開(kāi)采造成大面積植被挖損破壞，土壤層結(jié)構(gòu)破壞，水土流失嚴(yán)重，巖質(zhì)坡面上植被生根、發(fā)育非常困難。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，該區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦山開(kāi)采形成的巖質(zhì)邊坡巖石完整且質(zhì)地堅(jiān)硬光滑，裂隙溶洞不發(fā)育，邊坡垂直高度約50m，邊坡坡度約65～70°不等，邊坡不規(guī)整，巖石全部裸露，巖質(zhì)堅(jiān)硬光滑，原有表土層和原生植被群落全部破壞，坡面已不具備植物生長(zhǎng)必備的水土條件。為有效解決該區(qū)域內(nèi)巖質(zhì)邊坡植被恢復(fù)這一技術(shù)難題，通過(guò)對(duì)該區(qū)域內(nèi)的各類礦山巖質(zhì)邊坡復(fù)綠工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，統(tǒng)計(jì)對(duì)比已實(shí)施生態(tài)修復(fù)各類礦山巖質(zhì)邊坡的相關(guān)技術(shù)參數(shù)、修復(fù)效果、施工成本；選擇厚層基材噴播技術(shù)作為邊坡綠化和植被恢復(fù)的主要手段，特別是在石灰?guī)r高陡巖質(zhì)邊坡的生態(tài)護(hù)坡中起到了重要的作用。

2 自然環(huán)境概況

江南地區(qū)丘陵平原，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有長(zhǎng)江流域過(guò)渡性氣候特征，溫暖濕潤(rùn)、四季分明、雨量充沛、日照充足。年平均氣溫15.9℃，年極端最高氣溫41.2℃，年極端最低氣溫-14.3℃；年平均降水量1 313.5mm。年內(nèi)降水多集中在6～8月，約占全年降水總量的60%以上，每年的11月至次年1月，降水量最少；多年平均蒸發(fā)量1 048.5mm，多年平均相對(duì)濕度78%。區(qū)內(nèi)無(wú)霜期231天。區(qū)內(nèi)土壤類型以地帶性黃棕壤、棕紅壤為主，質(zhì)地較為適中。鄉(xiāng)土植被主要為亞熱帶常綠—落葉針闊混交林、常綠闊葉林等。主要以灌木和草本植物為主，其次為藤本植物。區(qū)內(nèi)地形較平緩，區(qū)內(nèi)相對(duì)高差約200m，地形起伏，地形坡度平均約23°，區(qū)內(nèi)無(wú)水體和水系流經(jīng)。

3 厚層基材噴播技術(shù)及適宜性分析

3.1 技術(shù)原理

厚層基材噴播技術(shù)的基本原理是清理坡面并在坡面鋪設(shè)鍍鋅鐵絲網(wǎng)錨固件加固后，將有機(jī)質(zhì)、復(fù)合肥、粘合劑、保水劑、水等配置成專用輕型基質(zhì)，與植壤土、植被種子按照比例混合經(jīng)機(jī)械充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，按照設(shè)計(jì)厚度，采用客土噴播機(jī)、空壓機(jī)等設(shè)備將其均勻噴射到巖質(zhì)坡面上，形成有助于植物持續(xù)生長(zhǎng)的土壤結(jié)構(gòu)營(yíng)養(yǎng)層，經(jīng)過(guò)水肥養(yǎng)護(hù)后植物種子發(fā)芽生長(zhǎng)、自然演替，從而達(dá)到巖質(zhì)邊坡快速?gòu)?fù)綠、修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)和護(hù)坡的目的。厚層基材的合理配比是技術(shù)的關(guān)鍵[1]。

3.2 適宜性分析

針對(duì)區(qū)域內(nèi)石灰?guī)r礦山開(kāi)采形成的巖質(zhì)邊坡已不具備植物生長(zhǎng)必備的水土條件，對(duì)于邊坡坡度約為55～65°，可采用厚層基材噴播技術(shù)來(lái)重建植被生態(tài)系統(tǒng)[2-4]。對(duì)于邊坡坡度65°以上，坡面相對(duì)較平整的高陡巖質(zhì)邊坡，最適合采用高次團(tuán)粒噴播技術(shù)來(lái)修復(fù)邊坡植被生態(tài)系統(tǒng)。高次團(tuán)粒噴播技術(shù)的核心主要是土壤材料配比與團(tuán)粒劑、穩(wěn)定劑和的配比及設(shè)備配合應(yīng)用，對(duì)成本材料有一定的要求，施工技術(shù)成本相對(duì)于市場(chǎng)上的傳統(tǒng)噴播技術(shù)略微偏高，工程造價(jià)的問(wèn)題要充分結(jié)合項(xiàng)目考慮，設(shè)定目標(biāo)，解決問(wèn)題，達(dá)到效果，合理價(jià)格，選擇合理的邊坡復(fù)綠施工技術(shù)[5-7]。

本工程綜合考慮邊坡特點(diǎn)、氣候條件、施工工藝、工程造價(jià)等方面，選擇厚層基材噴播技術(shù)進(jìn)行高陡巖質(zhì)邊坡植被恢復(fù)，其施工工藝簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、施工成本合理，能夠使原裸露巖質(zhì)坡面植被迅速成坪，加強(qiáng)后期植被養(yǎng)護(hù)管理，確保巖質(zhì)坡面植被生長(zhǎng)的良好性與持續(xù)性。

4 在高陡巖質(zhì)邊坡的應(yīng)用

4.1 重建土壤培養(yǎng)基

厚層基材噴播技術(shù)的核心是在巖質(zhì)坡面上營(yíng)造一個(gè)既能讓植物生長(zhǎng)發(fā)育而種植基質(zhì)又不被沖刷的多孔穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[8]。該項(xiàng)技術(shù)的工程特征主要在巖體上鋪設(shè)鍍鋅鐵絲網(wǎng)(勾花網(wǎng))，并用錨固件使其固定在坡面上，根據(jù)邊坡地理位置、邊坡角度、邊坡巖性、相關(guān)綠化要求，將土壤、有機(jī)質(zhì)、保水劑、粘合劑、纖維及混合植物種子按一定比例組成的基材原料經(jīng)攪拌均勻后通過(guò)噴播機(jī)噴射到巖質(zhì)坡面上，形成一定厚度的土壤培養(yǎng)基層[9-11]。

4.2 噴播材料的組成

厚層基材噴播技術(shù)的材料從上到下依次由表層(植被種子層)、底基層(配置成型的輕型基材)、植生草把+鍍鋅鐵絲網(wǎng)(勾花網(wǎng))和錨固件等四部分組成。

(1)表層材料。

厚層基材噴播技術(shù)所噴射的材料分為兩層，其中上部為表層，下部為基材。表層材料由土壤、植物種子、保水劑、粘合劑加水混合而成，作為植物種子(草灌木群落)前期生長(zhǎng)的土壤環(huán)境。

按照因地制宜、保證坡面穩(wěn)定的原則，并與周邊植被相協(xié)調(diào)，同時(shí)注重植物多樣性，本工程植物種類的選擇注重以喬、灌、草、花的有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮草、花植物的先期護(hù)坡效果，同時(shí)注重灌木為主的中長(zhǎng)期綠化效果。為能有效的達(dá)到目標(biāo)植被群落的自然狀態(tài)，確定合理的初植密度，對(duì)各類植物種子用量進(jìn)行合理的配比(表1)。

表1 植物種子的選擇及配比用量(按噴播機(jī)容量8m3，噴播厚度2cm配置)

(2)底基層(成型的輕型基材)。

輕型基材主要由土壤(鄉(xiāng)土為宜)、泥炭土、草纖維、有機(jī)肥、粘合劑、保水劑等物質(zhì)加水混合配置而成，懸掛于鍍鋅鐵絲網(wǎng)上，使其更好地附著于巖石坡面上，防止巖石坡面的風(fēng)化剝落，作為植物的后期生長(zhǎng)環(huán)境，達(dá)到護(hù)坡綠化植被的效果。

為增強(qiáng)噴播的輕型基材混合物在石灰?guī)r高陡巖質(zhì)邊坡上的附著性和穩(wěn)定性，噴播材料的選擇及配比用量充分考慮工程邊坡所處的自然地理位置、邊坡角度、巖石質(zhì)地及噴播施工質(zhì)量控制要求等，根據(jù)噴播材料的特性、噴播厚度、噴播機(jī)的容量，對(duì)土壤、泥炭土、有機(jī)肥、草纖維、保水劑、粘合劑等材料進(jìn)行合理的配比(表2)。經(jīng)過(guò)工程試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)植壤土∶泥炭土∶纖維配合比例以6∶3∶1進(jìn)行配置為最佳。(3)植生稻草把+鍍鋅鐵絲網(wǎng)(勾花網(wǎng))。

表2 單位面積噴播基材配比用量(按噴播機(jī)容量8m3，噴播厚度10cm配置)

選用鍍鋅防腐鋼絲網(wǎng)，規(guī)格為14#；網(wǎng)孔4cm×4cm；網(wǎng)寬2m，長(zhǎng)20m；長(zhǎng)度可根據(jù)坡面實(shí)際需要進(jìn)行裁剪。鋪網(wǎng)時(shí)將網(wǎng)片向坡頂延伸不少于1m，開(kāi)溝并用長(zhǎng)大于50cm的樁釘固定后回填并覆土夯實(shí)。坡頂固定后自上而下鋪設(shè)，順層且光滑的坡面，可外加植生把將其加固于兩層勾花網(wǎng)之間，以增加噴播基材的附著性和保濕性。

兩片網(wǎng)之間搭接寬度不小于10cm。上下二張網(wǎng)搭接時(shí)搭接處所有接頭采用擰結(jié)，以連成整體網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。鋪網(wǎng)前可用厚度3～5cm的木條間隔一定距離固定在坡面上，以防網(wǎng)片緊貼坡面，鋪網(wǎng)完成后，在坡角大于65°的坡面上應(yīng)再加一層4cm×4cm的鍍鋅鐵絲網(wǎng)，上下網(wǎng)片之間采用鐵絲捆扎連接。

針對(duì)順層面或者裂隙面留下光滑陡壁，為提高噴播基質(zhì)附著性和保濕性，以往采用開(kāi)挖魚(yú)鱗坑及傳統(tǒng)植生袋雖能較好的修復(fù)但造價(jià)高昂，施工成本較大。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)改良后，本工程設(shè)計(jì)一種植生稻草把結(jié)合鍍鋅鐵絲網(wǎng)掛于順層光滑巖質(zhì)坡面能夠很好提升噴播基材附著性和保濕性，坡面修復(fù)效果良好且性價(jià)比較高。

(4)錨固件。

錨固件分為主錨固和次錨固：主錨固件采用直徑Φ16mm，長(zhǎng)度為450mm的螺紋鋼，次錨固件采用直徑Φ6mm，長(zhǎng)度為150mm的L型錨釘。沿坡頂線以每米設(shè)置一枚主錨釘；L型錨釘按間距50×50cm設(shè)置，在坡面鍍鋅鐵絲網(wǎng)搭接處布置一行，間距1m，在坡面其余位置，每平方米不少于5個(gè)L型錨釘，且梅花形布置。

釘網(wǎng)時(shí)盡量使鍍鋅鐵絲網(wǎng)隨坡面變化而變化，確?？障恫荒苓^(guò)大，特殊部位根據(jù)坡面實(shí)際情況加以調(diào)整，需確保釘網(wǎng)到位，不形成活動(dòng)空心網(wǎng)。錨釘需經(jīng)過(guò)涂層防腐處理方可使用。坡面角大于60°的坡面應(yīng)加密錨釘。

4.3 施工工藝

厚層基材噴播技術(shù)主要分為施工準(zhǔn)備階段、施工階段、養(yǎng)護(hù)階段(圖1)。本工程施工準(zhǔn)備階段主要配備的機(jī)械設(shè)備有液力噴播機(jī)(含攪拌機(jī)一體)、空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)、高壓輸送泵、水泵、運(yùn)料車、沖擊鉆及電纜線等，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形條件，噴播設(shè)備安裝設(shè)置以方便上料、噴播方便且安全為原則。噴播材料的配備主要有鍍鋅鐵絲網(wǎng)、錨釘、土壤、泥炭土、有機(jī)肥、草纖維、保水劑、粘合劑、植物種子等，相關(guān)材料均有出廠質(zhì)量合格證及檢驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告等。

圖1 施工工藝流程圖

厚層基材噴播技術(shù)施工階段主要過(guò)程及工藝有以下幾個(gè)方面。

(1)削坡降坡處理，使其符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)坡面的碎石、浮石進(jìn)行清理，以人工采用撬棍進(jìn)行清除，使其坡面盡可能平整，對(duì)于光滑巖質(zhì)坡面采用植生稻草把的措施使其固定于光滑坡面，以確保噴播基質(zhì)的附著性和保濕性。

(2)鋪設(shè)鍍鋅鐵絲網(wǎng)采用自上而下的方式，使其網(wǎng)面拉開(kāi)自然平鋪于巖質(zhì)坡面，確保貼近坡面，兩網(wǎng)之間重疊搭接，采用沖擊鉆垂直于坡面打孔，將錨固件釘入坡面固定。

(3)現(xiàn)場(chǎng)配置噴播基材鏟入噴播機(jī)內(nèi)攪拌，以確保物料混合的均勻性，厚層基材分兩層噴射，第一層基質(zhì)層不含種子，噴射厚度以10～12cm為宜，第二層種子層，噴射厚度以2～3cm為宜。通過(guò)空壓機(jī)利用高壓輸送泵使其拌和均勻物料噴射于坡面，使其進(jìn)入鍍鋅鐵絲網(wǎng)下部，確保鍍鋅鐵絲網(wǎng)處于噴播基材的中上部為宜。

(4)養(yǎng)護(hù)階段主要對(duì)種子層噴播后進(jìn)行覆蓋遮陽(yáng)網(wǎng)，以確保夏季太陽(yáng)光直曬，冬季保溫的作用，促進(jìn)植被的萌芽生長(zhǎng)，同時(shí)保護(hù)出牙前坡面噴播基質(zhì)雨水沖刷。在坡面上布設(shè)自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，合理布置自動(dòng)噴淋系統(tǒng)管網(wǎng)，確保控制整個(gè)巖質(zhì)坡面，選擇旋轉(zhuǎn)噴頭可形成細(xì)小的霧狀水滴，確保了噴灑水滴不破壞土壤培養(yǎng)基結(jié)構(gòu)，不損害植物。澆水養(yǎng)護(hù)應(yīng)避開(kāi)高溫天氣，早晚各一次，反復(fù)噴灑，澆透為止。

4.4 生態(tài)修復(fù)效果

治理區(qū)邊坡生態(tài)修復(fù)工程于2020年10月竣工，竣工后半年內(nèi)進(jìn)行了坡面植被恢復(fù)效果跟蹤調(diào)查，記錄其出芽、成坪、完工半年后等階段的植被生長(zhǎng)影像，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)，巖質(zhì)邊坡上植被生長(zhǎng)狀況良好，草本植物覆蓋率可達(dá)90%以上，小灌木也已成活，具備了喬、灌、草搭配的多層次結(jié)構(gòu)。原本因礦山開(kāi)采形成的高陡巖質(zhì)邊坡已完全被植物覆蓋，改善了因礦山開(kāi)采造成的環(huán)境破壞，提高了巖質(zhì)邊坡植被覆蓋率，有效地減輕了水土流失，消除了可視范圍內(nèi)的視覺(jué)污染，取得了良好的社會(huì)和生態(tài)效益(圖2)。

圖2 巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)效果

5 結(jié)論

(1)根據(jù)邊坡坡度及巖性等特征，確保治理效果的同時(shí)選用施工成本相對(duì)較低的厚層基材噴播技術(shù)，針對(duì)順層光面巖質(zhì)邊坡，設(shè)計(jì)一種植生稻草把技術(shù)以確保噴播基材能夠保持良好的附著性和保濕性。

(2)噴播基材配置合理，根據(jù)噴播材料的特性、噴播厚度及噴播機(jī)的容量，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證選擇植壤土∶泥炭土∶纖維以6∶3∶1的比例進(jìn)行配置為最佳，保證了噴播復(fù)綠效果，確保了植被生長(zhǎng)的良好性與持續(xù)性。

(3)根據(jù)區(qū)內(nèi)氣候、土壤、原始植被群落等條件，對(duì)植物種子選擇合理，配置用量適當(dāng)，選擇高羊茅、黑麥草、白三葉、紫穗槐、馬棘、刺槐、波斯菊等符合當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土植被組合配置，做到了喬灌草的有機(jī)結(jié)合，豐富了植被的多樣性。

(4)巖質(zhì)坡面建立了自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，加強(qiáng)了噴播后植被養(yǎng)護(hù)工作，確保了巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)效果。