某高速公路沿線灰巖礦山地質環境治理技術探討

李洪凱

(河南省地質礦產勘查開發局第一地質工程院，河南 駐馬店 463000)

某高速公路沿線灰巖礦山地質環境治理技術探討

李洪凱

(河南省地質礦產勘查開發局第一地質工程院，河南 駐馬店 463000)

河南省某高速是省內重點交通基礎設施，也是河南知名旅游高速通道。近年，隨著城市建設需要，高速公路沿線采石等采礦活動比較頻繁。礦業開發在滿足經濟發展需要的同時，不斷改變和破壞著礦區及周邊的地質環境，存在易引發地質災害、地形地貌景觀破壞等地質環境問題。本文以高速公路沿線某灰巖采坑為例，論述礦山地質環境治理技術，擬采取邊坡整理、覆土、護坡、礦渣堆平整、擋墻、道路修整、標志碑及生物工程等治理手段恢復受損礦山地質環境。該治理工程可為當地人民生產、生活創造良好的生態環境，保障下游群眾生命財產安全及高速公路等重要交通設施安全，改善該條觀光旅游線路的人居環境和旅游環境，提升河南旅游城市整體形象。

高速沿線;灰巖礦山;地質環境

河南某高速公路是河南省的重點交通基礎設施，線路全長41.54 km。是經國務院批準的重點交通基礎設施建設項目，不僅是河南省內重要的旅游線路，也是煤炭、建材等大量物資外運的交通要道。

高速沿線石灰巖礦山主要以開采寒武系巨厚層狀石灰巖為主，開采規模為 15～10萬 t/a，以小型、中型居多。據訪問，石灰巖礦開采歷史50年以上。2009年6月后，政府進行了強制關閉。目前，區內石灰巖礦均已關停。

沿線采石場分布分散，點多面廣，距離高速公路0.5～15 km 不等，面積 0.04 ～1.10 km2，采坑深度 1.5 ～58 m，最深超過58 m。強烈的礦山開采活動，對周圍的交通設施、土地、水文、植被和大氣影響巨大，產生易引發地質災害、地形地貌景觀破壞等一系列地質環境問題。不僅威脅下游群眾生命財產安全及高速公路等重要交通設施安全，而且影響著高速公路沿線旅游城市整體形象。

1 地質背景簡述

1.1 氣象、水文

工作區地處暖溫帶大陸性季風氣候區，冷暖氣團頻繁交替，冬春干燥，夏秋多雨是其主要特征。該區年平均氣溫在14.2～15.3℃之間，歷年平均無霜期為 206～234天。歷年平均降雨量在 599.5 ～707.0 mm，最高達 1 180.8 mm，最小降雨量為73.98 mm(1996年)。歷年平均蒸發量 1 300～1 393.08 mm，蒸發量是降水量的2.0～2.2倍。災害性暴雨天氣主要出現在7～8月份，24小時降水≥50 mm的暴雨概率為2.5%，≥100 mm的大暴雨概率為0.3%。

工作區屬淮河流域穎河水系，自西向東流，主要支流為潁河、石淙河、雙洎河和賈魯河。潁河、石淙河、雙洎河和賈魯河流域河流年徑流量為5.78億 m3，基本特征是地表徑流量少，季節和年際變化大，調度能力低。洧水河是雙洎河上游的主要河道，校核洪水頻率1/500，最大洪峰流量為390 m3/s;石淙河是潁河上游的干流之一，全長37.7 km，為季節性河流，校核洪水頻率為1/500，最大洪峰流量為260 m3/s。區內河網密度較大，小型水利設施較多。

2.2 地形地貌

工作區位于河南省中部嵩箕山地與黃淮海平原的過渡地帶，地勢西北高、東南低，西、北、南三面環山，中部溝壑相間，海拔高程114～938 m。主要地貌類型為低山、丘陵。

低山區屬嵩山東段南麓，山體走向呈現NE向，海拔高程為600～900 m，最高938 m。由于河流侵蝕下切作用強烈，溝谷常呈“V”字形，相對高差一般為 100～20 0 m，局部達300 m左右，地形陡峭，地形坡度一般為10°～20°，局部可高達30°以上。由元古界片巖、震旦系石英巖及寒武系灰巖組成。

丘陵丘陵海拔高程為330～500 m，相對高差100～200 m，山丘地表呈饅頭狀，地勢較低矮平緩，呈緩坡狀，多呈 NE向展布。主要由寒武系、奧陶系灰巖和石炭、二疊系砂、頁巖含煤巖系組成。上寒武系灰巖地表巖溶地貌發育，在上寒武系鳳山組白云質灰巖表面發育有條溝狀溶蝕現象。

丘間凹地為丘陵的重要組成部分，多被第四系松散堆積物覆蓋。由中上更新統黃土狀粉質粘土或粉土組成，縱向坡度較緩，沖溝發育，多呈“U”字形。在有黃土狀土時形成陡壁，切割深度較大。

2 礦山地質環境問題

2.1 礦山地質環境現狀

沿線的采石小礦山的開采是以破壞地質環境為代價的，礦業活動造成沿線的地質景觀嚴重破壞，使原本視覺上較為協調的地質景觀、秀美山川遭到了嚴重的破壞。本文以沿線XM01區采石場為例，進行礦山地質環境問題及治理方案闡述。

XM01區位于某高速+16 km處西側廟里溝－北莊一帶，占地面積1.10 km2。東南200 m即為某高速公路，工作區地貌屬低山，山體走向呈現北東向，溝谷形態呈“U”字形，絕對海拔高程為349.17～449.63 m，地表巖性以寒武系中、下統灰巖、泥質灰巖、白云質灰巖、白云巖為主。

采石在山體東南及東北坡順坡就勢開挖，廢棄采坑平面形態呈圓弧狀、橢圓狀，邊坡高度 9.5～53.8 m，坡角 65°～85°，具高陡特征，巖層產狀主要為 85°∠32°、230°∠32°，節理、裂隙較發育，主 要 為 55°∠72°、340°∠76°、75°∠70°、165°∠55°等，發育密度 0.3 ～1.2 條/m，多處可見崩、滑現象。發育崩塌3處，滑坡1處。礦渣堆順坡就勢堆積于坡面低洼處，占地面積約40 060 m2。采場內凸凹不平，高差可達12～21 m，低洼處可見積水，水深 0.2～0.6 m。采坑邊坡改造成階梯狀，單級高度20～25 m，寬度48～95 m，開挖邊坡多處為寬 90～510 m、長 5～47m、高9.5～53.8 m 的陡崖，可見崩、墜物堆積于坡腳。

2.2 礦山主要地質環境問題

2.2.1 地質災害隱患點

(1)崩塌

石灰巖礦山倚坡開挖，采礦廢棄采坑邊坡高度大，一般10～25 m，最高超過 60 m，邊坡坡度 65～85°，臨空面大，后緣產生卸荷張裂縫;巖體節理裂隙發育，發育密度0.8～2.5條/m，坡體被切割破碎凌亂，呈塊裂 －碎裂狀構造;55°∠72°、340°∠76°及 290°∠85°等近于直立狀節理，與邊坡斜交或同向，構成危險外傾結構組合。示意圖1。在暴雨條件下，易引發崩塌災害，威脅高速公路等交通設施安全及礦區居民生命財產安全。調查崩塌點3處，均為巖質崩塌，崩塌體積16 000～79 000 m3不等，按規模劃分均為中型。

圖1 采場崩塌形態示意圖

(2)滑坡

石灰巖礦山順坡就勢，開挖山腳，揭露坡體軟弱層面，使前緣臨空，導致斜坡失穩，邊坡臨空面大，后緣多有卸荷拉張裂縫，暴雨條件下，雨水沿裂縫進入，沿滑面貫通后，坡體在自重力牽引作用下產生滑動;棄渣隨意堆置于邊坡及坑內低洼處，改變了邊坡外形和應力狀態，增大了堆積體的下滑力，易引發滑坡災害。威脅采坑周邊交通設施及周邊居民生命財產安全。

2.2.2 地形地貌景觀破壞

(1)土地毀壞

露天礦山開采進行了大面積的開挖，使原始平整的土地變得高低不平，植被稀少。使土地本身可利用性及其附著物受到破壞。礦山生產施工道路、排渣場及加工廠占用大量土地，尤其是廢石、尾礦排放量巨大，工作區內累計積存量約8.3萬 m3，壓占毀壞土地約5.01萬 m2。大量棄渣存放壓占土地，使開采區及廢渣堆積區的大量土地閑置浪費。

(2)山體破損

露天采礦對自然地形地貌破壞較為嚴重，工作區山體破損面積約3.2萬 m2。采坑及礦渣堆嚴重破壞了原始地貌。露天礦山經多年的采掘，山體整體性遭到破壞，采坑遍布礦區，XM01－01采坑整座山被挖去過半，山體巖石裸露，山體破損嚴重，造成礦山生態環境脆弱。

(3)植被破壞

開礦棄渣沿山坡排放、堆積，分布于沖溝上部，毀壞植被;礦山企業就地燒制石灰，并對生石灰進行粉碎和過篩，這樣不但將開挖區植被全部破壞，而且在風的作用下將石灰粉吹到周邊一定范圍內把植被燒死。礦區植被破壞面積約13.5萬 m2，植被破壞嚴重。

(4)景觀破壞

采石露天開挖對地貌景觀破壞性影響十分突出，山體的自然景觀破壞嚴重，景觀破壞面積0.17 km2。森林植被破壞嚴重，山體光禿，基巖裸露，山體坡面破碎、凌亂，在高速公路及旅游觀光線路兩側視線可及范圍內，尤為礙眼，嚴重影響著高速公路乃至沿線城市形象。

3 治理方案設計

3.1 治理思路

礦山地質環境的破壞是在礦山長期開采過程中逐漸造成的，是長期累積的結果。本方案設計應在充分掌握礦山地質環境問題的形成條件、發展趨勢、危害程度的基礎上，利用科學的方法和手段，因地制宜、因勢利導，實事求是、經濟、合理、有效地布設治理工程。堅持注重效益、分區實施以及工程措施與生物措施相結合的原則，順勢而治，少挖小填，以最小的資金取得最大的治理效果。

3.2 治理工程方案

3.2.1 邊坡整理工程

區內建材礦山開采后形成高、陡邊坡，坡體巖性為石灰巖，堅硬、致密，發育多組陡傾節理、裂縫，邊坡坡面分割為塊裂－碎裂狀。在雨水淋濾、震動、風化作用等條件下坡體可能失穩，存在崩塌災害隱患，需采取必要防護措施。鑒于崩塌危害主要威脅坡荒地及少量進入礦區人員，危害較小，本次邊坡整理工程設計主要對風化強烈、坡面破碎、存在較大安全隱患的邊坡及危巖體實施削方、挖填整理。其余邊坡整理以清除危巖、懸空塊石，消除崩塌隱患為宗旨，盡量維持原始地形地貌，順坡就勢進行邊坡整理，清除危巖體，打掉突出巖石，使坡面盡可能平整，可采用鐵鍬、水、氣力沖刷清除施工坡體表面的浮石與雜物。

針對XM01－01、XM01－02子采坑部分山體部分邊坡巖體風化強烈，邊坡整理應采用多級削坡、設置馬道等措施增加其穩定性。坡度控制在 1:1.0～1:1.50，邊坡分級高度12.0～15.0 m，每級馬道寬度 2.0 ～4.0m。馬道為反向坡，坡降5～10%，并覆土植樹綠化。

為增添整治效果，結合礦業城市當地風土人情，在 XM01－01、XM01－04子采坑整理后坡面進行巖面雕塑，主體文字為“義”和“禪”，字高15 m，寬12 m，與對面 XM02區高速沿線巖面“武”字遙相呼應。見圖2至圖5。邊坡整理47 920.27 m2，爆破危巖及挖運 34 034.85 m3，雕塑 2座。

3.2.2 覆土工程

對整理好的廢棄采場、平臺、擋墻臺背及邊坡間馬道進行覆土，采場、平臺覆土厚度0.5～0.7 m，擋墻臺背覆土厚度0.5 ～2.0 m，覆土總工作量為 64 279.63 m3。覆土應為適宜植物生長所需理化性能的自然界中的土壤，含砂量不大于5%。臨近高陡邊坡設置多級擋墻處，覆土應分層壓實，每層鋪土的厚度應根據土質、密實度要求和機具性能確定。一般條件下，人工夯打土為0.2～0.25 m，機械碾壓土應不超過0.3～0.5 m。壓實系數不小于 0.9。擋墻臺背夯填粘土19 766.23 m3，其中，由于多數填土部位在坡頂或邊坡坡面，需要膠帶機傳送土16 469.68 m3。

覆土面積 97 696.92 m2，覆土 64 279.63 m3。

3.2.3 護坡工程

護坡工程主要布署在 XM01－01、XM01－02子采坑坡面破碎、穩定性較差邊坡。

對坡面整理后高度大于25 m邊坡，設計多級護坡，坡度控制在1:1.0～1:1.50。單級高度 12～18 m，以馬道相隔。馬道寬度2.0～4.0 m，馬道外側設置漿砌石擋墻，擋墻墻背與坡腳接觸處覆土，植樹綠化。

護坡采用方格型漿砌片石截水骨架內置生物工程護坡，設計使用3×3 m方格型骨架，骨架與水平線呈45°角，截水骨架寬度 0.5 m、厚 0.4 m，其中 0.3 m 埋入地下，在其上余0.1 m骨架寬度上，上面迎水坡0.25 m與坡面相平，其余高出0.1 m，頂面用0.03 m厚的砂漿抹平，最上面與坡面頂部修筑鑲邊相接，鑲邊規格 0.5 ×0.4+0.5 ×0.4 m，鑲邊頂部與坡面線一致。骨架內種植草本植物，草種選擇為狗牙根、龍須草、茅草等，選擇與噴植草本相同類型的混合種子。坡面積 4 749.74 m2，砌石 2 188.85 m3，抹面 7 504.67 m2。

3.2.4 礦渣堆平整工程

針對采場內礦渣、棄石隨坡就勢，隨意堆積;廢棄采坑深度大，分布多，邊坡陡直等特點。以礦山采場平臺平均高程為基準削高填低，傾向、坡降盡量與自然坡面一致，坡比0.5% ～7.5%，削掉的棄渣廢石主要推向廢棄采坑及緩坡低洼處，達到以最小的工程量達到對礦渣堆綜合整治的目標。

礦渣堆平整 34 422.5 m2，礦渣挖運 24 239.27 m3，石方挖運 73 963.65 m3，土石方填筑 130 621.40 m3。

3.2.5 擋墻工程

為利于覆土、植樹，減少治理區水土流失。在邊坡坡頂、坡腳及馬道外側設置擋墻。擋墻為M10漿砌石結構，高0.6～ 0.8 m，厚 0.5 m，外側墻體傾斜坡比 1:0.2。基礎埋深 0.3 m，地表外露部分0.5 m。與基巖接觸處墻肩應嵌入基巖0.3 m。

針對XM01－01采坑邊坡高陡、邊坡破碎等特點，順坡就勢，結合采坑邊坡實際地形，分多級設置擋墻攔護，墻背覆土綠化措施，以恢復礦區生態環境。單級寬1.0～3.0 m，墻身高度0.7～2.3 m。結合 XM01－04采坑邊坡深度大，坡面巖體整體性較好等特點，在距離邊坡3～5 m和8～10 m分別設置兩級擋墻，墻身高度2.3 m，基礎埋深0.3 m。

墻身砌出地面后，基礎應及時回填夯實，墻背填料選擇適宜植物生長所需理化性能的自然界中的土壤，并做成不小于5%的向外流水坡，以免積水下滲，影響墻身穩定。

砌筑擋墻 6 195.26 m，砌石 9 084.23 m3，抹面3 311.52 m2，沉伸縫 605.62 m2，挖方 1 585.11 m3。

3.2.6 道路修整工程

區內道路是廟里溝等村莊通往外界的重要通道，年久失修，凸凹不平。為使其與治理工程協調統一，在現有道路基礎上平整拓寬。

依通過簡易道路日平均交通量一類車(載重2500kg以下)10輛次，四類車(載重15 000～20 000 kg)2輛次計算，設定一類車用解放CA141標準載重、四類車用交通牌SH 361標準載重換算，各級軸載作用次數分別為 10次/日、2次/日。現有路基碎石含量達50% ～60%，依《道路柔性路面設計規范(JTJ014－86)》回彈模量建議值為45～55 Mpa，取日車道當量軸次為40次/日車道，為慎重起見本次面層厚度取20 cm。道路修整工程量為1 070 m。

路基鋪設應依原始地形，盡量為低填方、零填及挖方路基，其40 cm深度內最小壓實度為0.95。

道路沿主沖溝北側及采場平臺依地形條件順勢鋪設，路寬8～10 m，泥結碎石路面厚20 cm。經過水庫及 XM01－03子采坑處，為加強行路安全，在路基兩肩間隔1.0 m砌筑垛墻，規格為1.0 ×0.5 ×0.8 m，其中0.3 m 埋入地下，上余0.5 m，外露部分全部砂漿勾成凸縫，頂部用0.03 m砂漿抹平。

3.2.7 標志碑工程

在治理區入口處設立標志碑1個。標志碑由碑體與基座組成，碑體用加筋混凝土制作，碑體規格1.60 m×0.3 m×1.4 m，基部采用二級 M10漿砌石，臺階自上至下高 0.6 m、0.5 m，寬 0.25 m，其中 0.50 m 埋入地下，上部 0.6 m 成杯形預留口與標志碑對接，標志碑內容包括地質環境保護標志、工程名稱、工程簡介、項目實施單位、承擔單位、建碑日期等。

3.2.8 生物工程

生物措施主要起到覆蓋地表、穩定邊坡、控制水土流失、改善礦區生態環境、提高工程措施使用年限等作用。采用草、灌、喬木相結合的方法，達到盡快恢復礦區生態環境的目的。依據園林設計標準，本次生物工程落葉喬木與常青喬木比值為6:4，喬灌比為1:4。喬木樹種選擇側柏、刺槐、速生楊、刺柏等，植喬木32 502株;灌木選擇各色木槿，植灌木57 954株;藤本植物選擇凌霄、爬山虎等，規格要求三年生，藤本植物種植3 100株;草種選擇為狗牙根、小冠花、龍須草、茅草等，植草66 234.41 m2。采場、整理平臺及上部山體區域種植側柏、刺槐、刺柏等樹種;沖溝沿線種植速生楊、側柏等樹種;護坡及臨近高速公路沿線種植觀賞灌木;高陡邊坡下部及頂部植爬山虎、凌霄等藤本植物，凌霄與爬山虎比率為2:1。通過草、灌、喬生物立體種植，達到快速恢復礦區生態環境的目的。應用的苗木應具備生長健壯、枝葉繁茂、冠形完整、色澤正常、根系發達、無病蟲害、無機械損傷、無凍害等基本質量要求;使用的苗木樹胸徑4～7 cm，樹冠高 3.0～4.0 m。樹種規格見表1。

表1 樹種規格及栽種位置一覽表

根據臨近區域樹木成活情況，確定區內喬木栽種行距3 m，株距為2 m，灌木行距及株距為0.5 m。對臨近高速公路沿線可視范圍內200 m以內采坑，應加強建造綠化帶，XM01－02區栽種行距與株距均為2 m。栽種采用擋墻圍攔蓄土為主，穴狀整地為輔的方法。擋墻臺背覆土厚度應達0.5～2.0 m，落葉喬木樹穴規格為 0.6 m ×0.6 m ×0.6 m，常青喬木樹穴規格0.7 m×0.7 m×0.7 m。基巖區植樹穴應采用爆破石方辦法，保證樹穴幾何尺寸，以利于樹木成活。斜坡栽樹穴面與原坡面持平或稍向內傾斜，每方格內一棵。樹穴沿等高線布設，上下兩行坑口呈"品"字形錯開排列。栽植時應將樹苗扶直，栽正，根系舒展，深淺適宜。填土時應先填表土、濕土，后填生土干土，分層踩實。并根據實際情況在樹間種草綠化。植樹成活率應控制在90%以上，如低于控制指標，應及時在第二年春季進行補栽。生物工程養護期為一年，養護用水和就近在區內水庫內采取。

生物工程植側柏5 459株，植刺柏 7 487株，植刺槐15 734株，植速生楊3 822株，植灌木57 954株，植藤本植物3 100 株，植草 66 234.41 m2。

4 工程效益

礦山地質環境恢復治理項目屬公益性、社會性項目，其價值具有間接性、潛在性和長久性的特點。治理工程的實施將優化旅游環境，符合交通部提出的高速公路"暢、綠、潔、美"的要求。項目實施后，將消除沿線排渣場、廢棄采坑所引發崩塌、滑坡地質災害隱患，礦山地質環境得到明顯改善，有力保障下游群眾生命財產安全。增加綠地6.62公頃，為當地人民生產、生活創造良好的生態環境。高速沿線植樹綠化，為當地人民生產、生活創造良好的生態環境。社會效益明顯。

該高速公路是河南境內主要重要旅游線路，沿線景點繁多，對帶動沿線城市旅游業和經濟發展起著重要的作用。該治理工程的實施，將有效提高該高速治理區沿線森林覆蓋率，使沿線景觀綠化美觀，部分改善了該條觀光旅游線路的人居環境和旅游環境，對打造旅游景區的品牌效應，提升河南旅游城市整體形象有深遠意義。環境效益顯著。

5 結論

(1)某高速公路治理區沿線建材礦山開采引發地質環境問題主要為地質災害隱患、地形地貌景觀破壞等。

(2)采取邊坡整理、覆土、護坡、礦渣堆平整、擋墻、道路修整、標志碑及生物工程等治理方案恢復礦山地質環境。

(3)治理工程可為當地人民生產、生活創造良好的生態環境，保障下游群眾生命財產安全及高速公路等重要交通設施安全，改善該條觀光旅游線路的人居環境和旅游環境，提升河南旅游城市整體形象。

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1004－1184(2012)01－0135－04

2011－10－14

李洪凱(1970－)，男，河南信陽人，地質工程師，主要從事工程地質、環境方面工作。