基于非污染礦山高陡邊坡微地形的多種客土噴播技術(shù)應(yīng)用研究

田占良

(河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，河北 石家莊 050081)

20世紀(jì)90年代我國(guó)引進(jìn)客土噴搖技術(shù)后，該技術(shù)迅速在公路邊坡、鐵路路塹的植被建植等領(lǐng)域推廣使用。在我國(guó)北方地區(qū)，礦山開(kāi)采形成的高陡邊坡不僅嚴(yán)重破壞了優(yōu)美的原生自然景觀，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的視覺(jué)污染，還容易引起滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。由于礦山高陡邊坡存在坡度陡峭、水土流失嚴(yán)重等惡劣地形地貌條件，導(dǎo)致山體表層植被難以在短期之內(nèi)自然恢復(fù)并形成植物群落，采用工程手段對(duì)其進(jìn)行治理，又受到氣候、資金等多重因素制約，目前已成為礦山生態(tài)修復(fù)工作中的難題和焦點(diǎn)[1-7]。

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，礦山高陡邊坡的治理愈發(fā)引起社會(huì)各界的重視。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員將客土噴播技術(shù)逐步拓展應(yīng)用到了礦山高陡邊坡生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，并對(duì)礦山高陡邊坡的坡度、坡面粗糙程度等微地形特征與客土噴播實(shí)施效果的關(guān)系展開(kāi)了研究。顧衛(wèi)等[8]針對(duì)我國(guó)北方地區(qū)客土噴播存在的有機(jī)肥或緩釋肥的使用量很少、有機(jī)纖維的用量不足、在急陡邊坡和巖石邊坡不適當(dāng)使用、植被種類單一、對(duì)工程棄土利用不夠等問(wèn)題提出了對(duì)策。段偉強(qiáng)[9]通過(guò)統(tǒng)計(jì)邯鄲市武安市、石家莊市鹿泉區(qū)、保定市阜平縣、張家口市涿鹿縣四個(gè)縣(區(qū))的典型客土噴播典型工程實(shí)例，并觀察礦山恢復(fù)治理的后期效果，從自然條件和植物生長(zhǎng)所需條件兩大方面統(tǒng)計(jì)研究了客土噴播技術(shù)在京津冀周邊地區(qū)的應(yīng)用。單士鋒等[10]以銅陵市勁松石料廠客土噴播工程為例，對(duì)工程坡面處理、噴播材料配置、施工工序及養(yǎng)護(hù)等噴播施工關(guān)鍵技術(shù)及治理效果進(jìn)行了闡述。司志國(guó)等[11]對(duì)徐州市王山廢棄礦山掛網(wǎng)噴播前后土壤理化性質(zhì)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明掛網(wǎng)噴播后，土壤水土流失量降低，抗蝕性明顯提高，土壤總孔隙度和田間持水量增加，土壤密度和pH值降低，土壤養(yǎng)分含量及綜合肥力指數(shù)明顯提高。王偉[12]結(jié)合江蘇省多年來(lái)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程實(shí)施情況，對(duì)露采礦山邊坡掛網(wǎng)客土噴播質(zhì)量通病類型及原因進(jìn)行了分析研究，并提出了相應(yīng)的防治措施。孫汝斌等[13]針對(duì)江蘇省宜興市廢棄礦山的實(shí)際情況，部分地段植被恢復(fù)采取掛網(wǎng)客土噴播的方式，探討了確保掛網(wǎng)客土噴播區(qū)植物成活并適應(yīng)環(huán)境采用的特殊管護(hù)，如前期持續(xù)45 d的霧噴養(yǎng)護(hù)和坡面覆蓋植被毯等管理，后期近3 a的澆水、施肥和病蟲(chóng)害防治等日常管護(hù)。李歡[14]以朝陽(yáng)市鐵礦坑破損山體為對(duì)象，采用整體客土、穴狀客土以及掛網(wǎng)客土噴播3種植被恢復(fù)方式對(duì)其進(jìn)行治理，并對(duì)效果進(jìn)行了研究。

為了進(jìn)一步研究有效利用微地形特征，調(diào)整客土噴播工藝，從而提升坡面固土能力和穩(wěn)定性，進(jìn)而達(dá)到更好的礦山高陡邊坡生態(tài)修復(fù)效果，從2016年開(kāi)始，河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心在太行山掌子面治理技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，選擇典型高陡邊坡進(jìn)行了相關(guān)研究工作。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于石家莊市鹿泉區(qū)銅冶鎮(zhèn)嶺底村西山礦區(qū)，與當(dāng)?shù)氐纳角按蟮?石家莊市的景觀公路)相鄰，原是一處開(kāi)采滑石礦遺留的廢棄礦山跡地，本文所研究的高陡邊坡暴露在山前大道西側(cè)可視范圍之內(nèi)，視覺(jué)污染極其嚴(yán)重。

研究區(qū)屬太行山東麓以變質(zhì)巖為主的丘陵小區(qū)地貌，海拔高程180～340 m。周邊原始山坡坡度一般在20°～40°之間，植被覆蓋率較高，物種豐富。周邊出露地層及巖性主要為古元古界甘陶河群南寺組白云巖、變質(zhì)砂巖、蝕變閃長(zhǎng)巖和第四系殘坡積碎石土。受構(gòu)造控制，閃長(zhǎng)巖順層侵入于白云巖，呈現(xiàn)條帶狀分布，形成數(shù)米至十多米巖脈產(chǎn)出，閃長(zhǎng)巖兩側(cè)白云巖蝕變?yōu)殁}質(zhì)滑石巖、滑石白云巖和滑石蝕變閃長(zhǎng)巖。

本文研究的典型高陡邊坡位于山脊東側(cè)山坡上，屬半陰坡，西、南、北三面為陡坡，其中，西面最高，頂部高程為265 m，并逐漸向南、北兩側(cè)降低，東面采礦活動(dòng)的出入口。邊坡底部為一處地形平坦的采礦平臺(tái)，高程為191 m，面積4 129 m2。邊坡平面投影面積6 412 m2，坡面面積11 696 m2，最大高差為74 m，坡度在22°～81°之間，整體上呈陡下緩，中上部基巖裸露，坡度40°～81°，坡面分布有浮石，面積3 818 m2，塊徑一般為5～35 cm，體積約370 m3，下部為多年來(lái)坡面碎石崩落形成的渣坡，坡度22°～40°。渣坡底部與平臺(tái)銜接部位已建有漿砌石擋墻，有效減弱了浮石掉落對(duì)平臺(tái)采礦活動(dòng)的危害。

2 邊坡微地形綜合分區(qū)及客土噴播設(shè)計(jì)

本文將高陡邊坡主要按照坡度、坡面粗糙程度兩種微地形特征分別進(jìn)行了區(qū)片劃分。

2.1 坡度分區(qū)

按照坡度特征分為a區(qū)(≥60°)、b區(qū)(40°～60°)、c區(qū)(<40°)三類分區(qū)，如圖1所示。各分區(qū)特征見(jiàn)表1。

表1 高陡邊坡坡度分區(qū)及基本特征Table 1 Gradient division and basic characteristics of high and steep slope

圖1 高陡邊坡坡度分區(qū)圖Fig.1 Division of high and steep slopes grade

2.2 粗糙程度分區(qū)

坡面粗糙程度主要依據(jù)坡面凹凸度針對(duì)基巖裸露的巖質(zhì)坡面進(jìn)行量化區(qū)分，分為A區(qū)(≥10 cm)、B區(qū)(5～10 cm)、C區(qū)(<5 cm)三類分區(qū)，D區(qū)為坡面下部崩落堆積而形成的渣坡，如圖2所示。各分區(qū)特征見(jiàn)表2。

表2 高陡邊坡坡面粗糙程度分區(qū)及基本特征Table 2 Roughness division and basic characteristics of high and steep slopes

圖2 高陡邊坡坡面粗糙程度分區(qū)圖Fig.2 Roughness division of high and steep slopes

2.3 綜合分區(qū)及客土噴播設(shè)計(jì)

綜合研究以上兩種主要微地形特征，并結(jié)合坡面臺(tái)階的分布、規(guī)模特征、巖石裂隙發(fā)育特征等其他條件，將研究區(qū)劃分為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)四個(gè)分區(qū)。分區(qū)特征詳見(jiàn)表3。

表3 基于微地形的高陡邊坡綜合分區(qū)基本特征Table 3 Basic characteristics of comprehensive zoning of high and steep slopes based on micro-topography

依據(jù)研究區(qū)微地形綜合分區(qū)結(jié)果進(jìn)行多種客土噴播技術(shù)設(shè)計(jì)。Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)分別選用直接客土噴播、掛網(wǎng)客土噴播和格室客土噴播，Ⅳ區(qū)由于存在坡度陡峭、坡面光滑、位置相對(duì)較高等不利于客土噴播的因素，因此未進(jìn)行客土噴播設(shè)計(jì)，如圖3所示。通過(guò)掛鐵絲網(wǎng)和格室增加坡面粗糙程度，保障客土留存厚度和強(qiáng)度，提升坡面水土保持能力，加快生態(tài)修復(fù)速度。

圖3 基于微地形的高陡邊坡客土噴播設(shè)計(jì)分區(qū)圖Fig.3 Design zones of spray seeding on high and steep slopes based on micro-topography

3 客土噴播工藝要點(diǎn)

3.1 施工機(jī)械及材料

主要機(jī)械：水力噴射播種機(jī)(PJ6073型)、混凝土輸送泵、裝載機(jī)、連續(xù)上料機(jī)、空壓機(jī)、皮帶機(jī)等。

主要材料：水、當(dāng)?shù)攸S土、草炭土、木纖維、保水劑、黏合劑、有機(jī)肥、復(fù)合肥、種子、鍍鋅鐵絲網(wǎng)、格室、鋼筋錨桿、PPR管件等。

3.2 工序流程

本文研究的掛網(wǎng)客土噴播和格室客土噴播是在直接客土噴播的基礎(chǔ)上增加了掛鐵絲網(wǎng)和格室的工序，具體工序流程如圖4所示。其中，直接客土噴播為工序1—4—5；掛網(wǎng)客土噴播為工序1—2—4—5；格室客土噴播為工序1—3—4—5。

圖4 多種客土噴播工序流程圖Fig.4 Flow of variety of guest soil spraying process

3.3 重要工序技術(shù)要求

3.3.1 掛鐵絲網(wǎng)

1) 錨桿施工：沿坡面從上至下進(jìn)行錨桿鉆孔，孔眼要求垂直坡面，交錯(cuò)排列。主錨桿、次錨桿均采用Φ14 mm螺紋鋼。主錨桿間距3.00 m，長(zhǎng)度0.42 m，入巖深度不小于0.25 m，次錨桿間距1.00 m，長(zhǎng)度0.35 m，入巖深度不小于0.20 m。在節(jié)理裂隙較發(fā)育處加密錨桿的數(shù)量。

2) 掛鐵絲網(wǎng)：鐵絲網(wǎng)采用正四邊形、機(jī)編雙扭結(jié)單層14號(hào)鍍鋅鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)目邊長(zhǎng)不大于5 cm。自上而下進(jìn)行掛網(wǎng)施工，相鄰兩卷鍍鋅鐵絲網(wǎng)分別用鐵絲綁扎連接固定，兩網(wǎng)交接處重疊寬度至少20 cm。鐵絲網(wǎng)與坡面保持距離>4 cm。在鐵絲網(wǎng)與坡面緊貼處，插入木條，撐起鐵絲網(wǎng)片，以保證兩者間距。

3.3.2 掛格室

1) 錨桿施工：同3.3.1部分的掛鐵絲網(wǎng)錨桿施工。

2) 掛格室：格室為厚度10 cm、邊長(zhǎng)40 cm的強(qiáng)化HDPE材料制成，室間開(kāi)孔。連接時(shí)，將未展開(kāi)的格室組件并齊，對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的連接塑件，插入特制圓銷，然后展開(kāi)。

3.3.3 客土噴播

客土噴播按照首先營(yíng)養(yǎng)基層，其次種子層，再次防沖刷層的順序開(kāi)展。各層材料配比見(jiàn)表4。

表4 客土噴播各層材料配比Table 4 Material ratio of each layer of the guest soil spraying seeding 單位：kg

1) 噴播營(yíng)養(yǎng)基層。 將泥炭土、當(dāng)?shù)赝粱旌?，加入黏合劑、保水劑、木質(zhì)纖維和水?dāng)嚢杈鶆?，采用噴播機(jī)械將混合物噴播到坡面上，客土噴播厚度為7 cm。采取分層實(shí)施作業(yè)，第一次噴播3 cm厚，待客土穩(wěn)定后(10～20 min)再噴播，在巖性破碎、硬坡段噴層厚度可適當(dāng)增加。在噴播過(guò)程中不斷修正噴播角度，盡可能從正面進(jìn)行，噴射順序自上而下，噴射作業(yè)分段分片依次進(jìn)行。混合料應(yīng)拌和均勻，隨拌隨用，并再次過(guò)篩，同時(shí)嚴(yán)防石塊、雜物混入。

2) 噴播種子層。將草籽、灌木籽和保水劑、植物纖維、黏合劑加入噴播機(jī)料筒，充分混合攪拌后用噴播機(jī)管槍噴播混合物，厚度1 cm。草籽選用黑麥草、高羊茅、紫花苜蓿等，灌木樹(shù)種選用胡枝子、沙打旺、紫穗槐等，喬木樹(shù)種選用椿樹(shù)、刺槐等。草∶灌∶喬種籽比例為3∶5∶2。種子用量約0.05 kg/m2。種子噴播前進(jìn)行催芽處理。

3) 防沖刷層。為保障植物能夠順利出芽生長(zhǎng)，噴種子覆蓋防沖刷層是必不可缺的重要措施，厚度為1～2 cm，對(duì)種子層進(jìn)行保護(hù)，保溫保濕，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，有效防止成型后的作業(yè)面被雨水沖刷。

4 實(shí)施效果分析

4.1 整體效果分析

本文項(xiàng)目于2016年底竣工，在2017年和2018年實(shí)施人工跟蹤養(yǎng)護(hù)，2019年停止養(yǎng)護(hù)。2021年5月研究區(qū)整體實(shí)地景觀效果如圖5所示，基于高陡邊坡微地形而選用的多種客土噴播技術(shù)均已使坡面生態(tài)修復(fù)達(dá)到了預(yù)想效果，原本基巖裸露、植被稀疏的高陡邊坡逐漸煥發(fā)出勃勃生機(jī)，并與周邊原始山坡生態(tài)環(huán)境趨于和諧。坡面植物逐漸從竣工時(shí)的先鋒植物演替成為本土植物，并形成以草、灌為主，喬木為輔的多層次本土植被群落，草類主要為狗尾草、狗牙根、結(jié)樓草、野蒿等，灌木主要為酸棗、荊條、紫穗槐等，喬木主要為臭椿、刺槐等。灌木株高0.3～0.5 m，冠幅為0.2～0.6 m2，喬木株高2.5～3.0 m，冠幅為2～3 m2。與掛網(wǎng)客土噴播、格室客土噴播相比，直接客土噴播具有施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉的優(yōu)勢(shì)，因此在多種客土噴播均使用的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用直接客土噴播。

圖5 多種客土噴播區(qū)域2021年5月實(shí)景Fig.5 Variety of guest soil spraying areas live in May 2021

4.2 分區(qū)效果分析

4.2.1 直接客土噴播區(qū)(Ⅰ區(qū))

該區(qū)分為兩個(gè)片區(qū)，其一為坡面下部渣坡，坡度22°～40°，屬坡面崩坡堆積物，整體穩(wěn)定性較好，優(yōu)先采用直接客土噴播技術(shù)，此外渣坡物質(zhì)松散，有利于植物扎根生長(zhǎng)，該區(qū)域植被覆蓋率達(dá)到95%；其二為北面坡體東側(cè)、南面坡體中間部分巖坡，坡度55°～65°，較為陡峭，但其粗糙的坡面和大量的水平狀微小臺(tái)階為客土留存提供了穩(wěn)定的空間，使坡面呈現(xiàn)出點(diǎn)狀或線狀生態(tài)修復(fù)效果。

4.2.2 掛網(wǎng)客土噴播區(qū)(Ⅱ區(qū))

該區(qū)為南面坡體西側(cè)巖坡，坡度40°～65°，坡面較粗糙，裂隙較發(fā)育，微小臺(tái)階數(shù)量少。采用掛鐵絲網(wǎng)和木條支撐的措施，增加坡面粗糙程度及穩(wěn)定性，使客土易于留存。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，植物根系已穿透鐵絲網(wǎng)并扎入巖石縫隙，使客土層具有了良好的整體性和較強(qiáng)的抗沖刷能力，該區(qū)域植被覆蓋率為85%。

4.2.3 格室客土噴播區(qū)(Ⅲ區(qū))

該區(qū)為西面坡體中上部巖坡，坡度40°～75°，上部坡面較粗糙，裂隙較發(fā)育，中部坡面粗糙，分布大量點(diǎn)狀釬孔凹腔。采用掛格室的措施，增加坡面粗糙程度，使客土留存在格室單元內(nèi)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，坡面≥60°的大部分格室單元內(nèi)客土流失嚴(yán)重，植被存活率較低，坡度<60°的格室單元存土較飽滿，植被基本全部存活。植物根系側(cè)向穿透格室隔板孔洞互相交纏，垂向則扎入巖石縫隙，增強(qiáng)了格室和客土層的穩(wěn)定性，該區(qū)域植被覆蓋率80%。

4.2.4 保留區(qū)域(Ⅳ區(qū))

該區(qū)為西側(cè)坡體頂部、北面坡體西側(cè)和南面坡體東側(cè)巖坡，坡度65°～81°，坡面較光滑，不適合客土噴播研究。 該區(qū)域僅有自然恢復(fù)的零星點(diǎn)狀植被。

5 結(jié) 論

1) 礦山高陡坡面的坡度、坡面粗糙程度等微地形特征，是植被立地生存的基礎(chǔ)條件，也是客土噴播技術(shù)應(yīng)用的主要參考因素。

2) 從技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理等角度綜合考量，對(duì)于坡度<40°的土坡或巖坡，可優(yōu)先選用直接客土噴播；對(duì)于坡度40°～60°的巖坡，當(dāng)其具備坡面粗糙(凹凸度≥10 cm)或微臺(tái)階發(fā)育兩個(gè)條件之一時(shí)，也可選用直接客土噴播，當(dāng)其坡面較粗糙(凹凸度5～10 cm)時(shí)，可選用掛網(wǎng)客土噴播或格室客土噴播；坡度≥60°且坡面粗糙程度微弱(凹凸度<5 cm)的巖坡，不宜選用客土噴播。

3) 客土噴播植物種子以本次研究高陡邊坡周邊原始山坡上的鄉(xiāng)土植被物種為主，適當(dāng)加入先鋒物種，目的是使先鋒植物群落數(shù)年后逐漸演替為本地鄉(xiāng)土植物群落，并與周邊自然生態(tài)相融合?？茖W(xué)配置草、灌、喬種子比例，一般比例為3∶5∶2。