露天礦巖質邊坡生態重建技術研究現狀及發展趨勢

夏 冬 李富平 袁雪濤 郗紅超(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009)

采礦業是國家經濟和社會發展的基礎產業之一，而采礦業給國家經濟和社會發展做出貢獻的同時,也影響了礦區及其周邊環境，造成了一系列的生態環境問題[1]。縱觀國內外礦山開采的歷史可以發現，超過90%的鐵礦資源和大部分煤炭資源均采用露天開采的方式進行開采，即便很多礦山面臨露天轉地下開采，但今后較長一段時間內，露天開采礦山的數量仍不會明顯減少，尤其是石灰石等建材礦山，即使轉入地下開采或閉坑，其造成的生態環境問題，特別是露天開采形成的巖質邊坡生態恢復與重建問題并沒有得到有效的解決[2]。由于露天開采形成的邊坡高度高、坡度陡，植物很難適應其極端惡劣的立地條件，因此生態恢復與重建的重點與難點均是裸露的巖質邊坡[3]。就全國范圍而言，無論是鐵礦開采、煤礦開采還是石灰石礦開采所形成的巖質邊坡，到目前為止，絕大部分都沒有得到生態恢復與重建[4]。

露天礦巖質邊坡生態恢復與重建是礦區生態環境保護與植被恢復面臨的重大技術難題之一。當前，露天礦裸露巖質邊坡植被恢復大多借鑒較為成熟的公路邊坡植被恢復技術，如客土噴播技術[5]、植被混凝土防護技術[6-8]、三維植被網噴播技術[9-12]、飄臺法、植生袋法[13-16]、厚層基材噴播技術[17-20]、爆破燕窩生態重建技術、藤本護坡技術[21-26]等。上述各技術在高速公路巖質邊坡生態恢復與重建中得到了廣泛的應用，對指導巖質邊坡生態恢復與重建具有重要的指導意義。對于露天礦，巖質邊坡生態恢復與重建技術的選取應在礦區地質、氣候、土壤、生物、開采現狀調查的基礎上，充分考慮邊坡高度、坡面角、巖性、巖體結構空間幾何信息、巖體風化程度及巖體質量等級等因素對生態重建技術選取的影響，而在實際應用過程中，并未充分考慮邊坡巖體結構空間幾何信息及巖體質量等級對生態重建技術選取的制約作用。基于此，本研究將對國內外常用的生態重建技術進行綜述，并對基于巖體結構數字識別的露天礦巖質邊坡生態重建技術研究應用前景進行了展望。

1 巖體結構數字識別研究現狀

露天礦邊坡巖體的空間結構及邊坡的高度、坡面角的角度、巖性、邊坡巖體的風化程度等因素不僅影響邊坡的整體穩定性，而且對生態重建方案的選取同樣產生重要影響。在巖體結構空間幾何信息獲取方面，眾多學者根據其實踐經驗提出多種方法，傳統的方法主要有測線法[27-28]、精測線法[29]、鉆孔定向取芯法[30]、孔內照相法[31]、孔內電視法[32]和取樣窗法[33-34]等。上述獲取巖體結構信息的方法各有其優缺點，測線法和精測線法獲取的巖體結構信息較為準確，但其共同缺點是受地形因素影響大，且效率不高；孔內照相法、孔內電視法和鉆孔定向取芯法是通過數量較少的孔內信息獲取巖體結構信息，這幾種方法的缺點是不能全面反映大范圍巖體結構的空間幾何信息且成本高、效率低；取樣窗法主要用于統計單位面積內的節理信息[33]。隨著科技的進步，數字攝影測量技術和三維激光掃描技術以其自身的優點而被廣泛應用于實際的巖體工程中，但三維激光掃描技術的掃描精度受激光測距和點云密度的制約[35-36]，使其應用范圍受到一定程度的限制，而數字攝影測量技術作為一種全新、快速、高效、準確、全面地獲取隨機巖體結構信息的方法，在求解結構面方位和規模信息方面顯得尤為先進[37-38]。該方法的優點是依據非接觸測量手段，提供基于三維空間坐標數據和實體模型的數字產品[39-40]，通過一系列的數據處理和分析，可直觀地反映所測范圍內巖體結構空間幾何信息，并根據所獲取的巖體結構空間幾何信息建立巖體結構的實體模型[41]，該模型可再現所測區域巖體結構面的產狀及線密度等信息[42]。通過對比分析上述各巖體結構信息獲取方法的優缺點及適用范圍，將傳統的方法與非接觸測量技術相結合(如將孔內電視法和數字攝影測量技術相結合)，不僅可以快速獲取巖體表面結構面產狀、跡長、線密度等空間幾何信息，而且可以獲取巖體不同深度范圍結構面空間幾何信息，這些信息的精確獲取，不僅為邊坡穩定性分析提供基礎數據，更為巖質邊坡生態重建技術的選取及植物選型提供參考。

2 巖質邊坡生態重建技術研究現狀

日本、英國、澳大利亞、美國等國家在巖質邊坡植被恢復與景觀再造方面開展的研究工作較早，這些國家依據自身的實際條件，通過半個多世紀的理論及工程實踐研究，形成了適宜于本國環境條件的生態修復的理論與技術方法。上述國家中，日本在公路沿線巖質邊坡植被護坡研究方面處于國際領先地位且具有很強的代表性[43]。在歐美等發達國家，噴混植生技術是近年來應用最為廣泛的邊坡生態重建技術[44]。隨著技術的進步和人民環保意識的加強，高分子穩定劑在美、日等國家的邊坡生態防護中得到了廣泛的應用[45-46]。Alday等[47]對礦山廢棄地植被恢復后的生態演替規律進行了實地調查與分析。

我國在巖質邊坡生態重建方面的理論與實踐研究較歐美等發達國家開展得相對較晚，隨著國家對邊坡生態防護技術尤其是礦山巖質邊坡生態防護技術重視程度的提高，我國在這方面的研究得到了快速發展[48]。目前，眾多學者及工程技術人員對巖質邊坡生態重建技術主要集中于植被混凝土防護技術、客土噴播技術、三維植被網噴播技術、厚層基材噴播技術、植生袋生態重建技術等方面的研究。

2.1 植被混凝土防護技術

植被混凝土防護技術是在液壓噴播技術的基礎上發展起來的，該技術主要針對高速公路與鐵路沿線高陡巖質邊坡生態修復技術難度大而開發的。該技術是將土壤(主要是工程區附近的沙壤土)、膠凝材料(主要是低堿度水泥)、保水劑、草本及灌木種子、水等按適宜的比例混合后配制混凝土拌合物。其主要優點是材料來源廣、具有與土壤相似的多孔結構、具有一定的強度和抗侵蝕能力，且施工機械化程度高[6]。

目前，該技術主要集中于植被混凝土成分及其比例以及其基本力學參數的研究，而關于植被混凝土—根系—巖質邊坡的整體穩定性、植被混凝土中營養成分的變化規律、植被恢復后的生態演替規律、生態系統的穩定性及混凝土中水分的儲存及運移規律等方面的研究基礎相對較為薄弱，研究成果相對較少。

在植被混凝土成分及其比例以及其基本力學參數研究方面，許文年等[49-50]對植被混凝土有機質成分及含量對其強度的影響規律開展了一系列的試驗研究，結果表明有機質含量與其強度呈負相關；李富平等[51-52]為降低礦區邊坡生態重建成本，開發出以鐵尾礦為基礎材料，低堿度硫鋁酸鹽水泥、糠醛渣、蘑菇渣、秸稈纖維、保水劑、黏合劑、有機肥等為基質配比的植被混凝土，并對該植被混凝土的生物適宜性和基本力學參數開展了試驗研究；夏振堯等[6]研究了水灰比、有機質摻量和水泥含量對植被混凝土護坡基材初期強度的影響程度，結果表明上述3因素對植被混凝土初期強度的影響依次增大；梁永哲等[19]開展了植物纖維對植被混凝土抗凍耐久性影響的試驗研究，結果表明當棕纖維與黃麻纖維的含量分別為0.6%和0.9%時，植物纖維對植被混凝土的耐久性具有顯著的提高作用；Harianto等[54]的研究成果表明，植物纖維可明顯改善植被混凝土的持水性、保水性、干縮性、抗拉和抗剪等物理力學特性；張振東等[8]將斷級配植被混凝土應用于巖質邊坡生態護坡中，并在此領域開展了相關的研究工作，結果表明斷級配全填式植被混凝土具有生態重建效果好和抗沖刷性強的優點。

在植被混凝土—根系—巖質邊坡的整體穩定性方面，李紹才等[55]為探究根系與巖土體相互作用的力學機理，開展了原位抗拉拔試驗，結果表明根系直徑和類型是控制其抗拉強度的關鍵因素，研究成果為巖質邊坡生態重建植物選型和工程設計提供了參考；張翔宇等[56]采用單因素試驗方案，就根絲植入與土體強度之間的關系開展了試驗研究，結果表明根絲豎向放置對土體強度增強作用最為明顯；Katuwal等[57]以含黑麥草根系的根—土復合體為研究對象，對不同含根量的土體開展了抗剪強度試驗研究，結果表明含根量是控制根—土復合體抗剪強度的關鍵因素，且其強度與根系密度呈正相關；Ghestem等[58]為研究根系數量與根—土復合體強度之間的關系，以含鹽膚木、麻風樹和蓖麻3種植物根系的根—土復合體為研究對象，對其開展了抗剪強度試驗研究，結果表明細根數量是影響對根—土復合體抗剪強度的關鍵因素；黃曉樂等[59]分別對含紫花苜蓿、狗牙根根系的根—土復合體進行抗剪強度與分形特征開展了系統的試驗研究，結果表明，根—土復合體的抗剪強度隨根系分形維數的增加呈先增后減的趨勢；丁瑜等[60]對4種不同粗糙度的護坡基材土—巖接觸面開展了原位剪切試驗，研究成果為解決基材土—巖接觸區域的整體穩定性提供了必要的依據和指導。Tardio等[61]的研究表明，剪切位移對根—土復合體抗剪強度的貢獻率呈負相關；Rahardjo等[62]對灌木和深根系草本植物根系對邊坡加固作用開展了研究，提出了一種綜合分析應力—應變計算連續土質邊坡穩定性的方法。

在植被混凝土營養成分變化規律、植被恢復后生態演替規律、生態系統穩定性及混凝土植生基質中水分儲存及運移規律等方面，杜祥運等[63]以雙漢口水電站貧瘠土壤配制的植被混凝土為研究對象，開展了活化菌劑施用量對基材肥料及狗牙根生長狀況的影響規律的研究，結果表明活化菌劑的添加量為基礎質量的6%～9%時，可顯著改善植被混凝土的理化性質；陳璋等[64]對巖質邊坡生態防護系統中微量元素徑流損失模型開展了試驗研究，研究成果為植被混凝土養分設計提供理論依據；宋媛媛等[65]為研究人工土壤養分隨降雨徑流損失規律，對人工土壤中氮、磷、氯元素受降雨侵蝕流失規律開展了試驗研究，研究結果為人工土壤設計提供指導；李林霞等[66]的研究表明，合理的植物配置模式是促進群落向正演替方向發展的關鍵因素；張俊云等[67]采用人工降雨的方式研究了巖質邊坡植被護坡系統的水分平衡和運移規律，研究成果為巖質邊坡植被防護系統的水分平衡控制提供依據。

上述眾多學者的研究成果有力地推動了植被混凝土防護技術在巖質邊坡生態重建中的應用，但在應用該技術的過程中，并未充分考慮巖體裂隙的發育程度、邊坡高度、坡面角及巖性對植被混凝土基材配比、植物選型的影響，而對于巖質邊坡植被混凝土生態重建工程而言，植物的地境條件由巖體裂隙的發育程度、優勢結構面的方向、結構面的連通性、巖性和溫度等條件構成[68]。因此，在應用植被混凝土生態防護技術時，充分考慮植物的地境條件，不僅可優化植被混凝土的配比，降低生態重建成本，而且可優選適生植物，增強植被混凝土基質—根系—巖質邊坡坡面的整體穩定性。

2.2 客土噴播技術

客土噴播技術是將土壤、有機肥料、保水劑、酸堿調節劑、適宜的植物種子等混合均勻后，借助柱塞泵和空氣壓縮機提供的動力將上述混合物噴射到巖體或土體坡面上形成植物生長的土壤層[69]。該技術具有成本低、工藝簡單和施工速度快等優點，主要適用于硬土質邊坡、風化的巖質邊坡、軟巖邊坡等，對裂隙發育的巖質邊坡生態防護效果尤為明顯。李映等[70]對木質素含量與客土噴播材料抗剪強度參數之間的內在關系開展了研究工作，結果表明木質素可顯著增強基質的抗剪強度，研究成果為客土噴播基材的合理配比提供了借鑒和參考；楊奇等[71]開展了巖體表面粗糙度對客土噴播基材整體穩定性影響的研究工作，結果表明巖體表面粗糙度對噴播基材的整體穩定性起控制作用；田開洋[72]對客土噴播等生態重建技術的作用原理及其優缺點進行了詳細的論述與分析；孫汝斌等[73]對宜興廢棄礦山掛網客土噴播區植被前、后期的養護與管理進行了系統的研究，研究成果為客土噴播區植被養護與管理方案的制定提供參考；翟文光等[74]對客土噴播、混噴植生、生態植被毯等19種生態防護技術的優缺點、適用范圍及施工工藝原理進行了詳細的分析，分析結果為高速公路沿線巖質邊坡景觀提升及生態防護提供指導；黃燕[75]將客土噴播技術應用于黃南線二期改造工程，取得了良好生態防護效果；郭東升等[76]對客土噴播技術的經濟可行性及其效益進行了分析，并將客土噴播技術應用于礦山地質環境的治理；王來永等[77]綜述了客土噴播技術的發展概況、施工要點、在道路護坡、礦山及水利工程中的應用，并對其發展趨勢進行了展望；田繼龍等[78]通過對各邊坡生態防護技術對比分析后認為該技術可用于公路等邊坡的生態防護。

上述學者和工程技術人員的研究和工程實踐表明，客土噴播技術有其自身的優點和適用性，可作為邊坡生態恢復與重建的備選方案之一，但在實際的工程應用過程中，眾多學者和工程技術人員并未充分考慮邊坡角度、坡面特征對客土噴播根—土復合體與邊坡的整體穩定性的影響，而研究表明，邊坡角度和邊坡表面巖體節理裂隙的發育程度及優勢結構面的產狀是影響根—土復合體與邊坡的整體穩定性的關鍵因素。

2.3 三維植被網噴播技術

三維網噴播技術是利用活性植物并結合土工合成材料，在坡面構建具有自身生長能力的生態防護系統，通過植物生長對邊坡進行加固的一門技術[10]。該技術具有施工簡便、效率高、成本低及生態防護效果好等優點[11]，其施工過程主要包括坡面整理、掛網錨固、種子的選擇與處理、種植基材混合配制、種植基材噴固、覆蓋無紡布、后期的養護與管理。

眾多學者和工程技術人員對三維網噴播技術在巖質邊坡生態重建中的應用開展了大量的理論與實踐研究。陳浩明等[79]采用三維植被網護坡技術對臺山核電廠淡水水源地左右壩肩進行了生態防護，取得了良好的防護效果；鐘春欣等[12]對三維網加筋草皮坡面土壤抗侵蝕機理進行了試驗研究，結果表明加筋草皮可顯著減少坡面徑流的侵蝕模數；肖衡林等[80]對三維網指標合理選擇問題進行了理論推導和試驗研究；顧晶[81]將三維網噴播植草技術應用于廣州—惠州蘿崗段高速公路巖質邊坡生態恢復與重建，取得了良好的治理效果；蹇華雄等[82]對三維植被網噴播技術的材料要求及施工質量控制檢驗指標進行了說明，指出在應用該技術時，材料的物理力學性能及基材的配比要求必須符合一定的條件；肖成志等[83]對三維土工網墊植草護坡性能和坡面徑流沖刷機制開展了系統的試驗研究；羅藝偉等[84]采用三維植被網植被護坡技術對強、全風化花崗巖的巖質邊坡進行生態恢復與重建，結果表明該技術對上述所述巖質邊坡具有良好的生態防護作用。

上述研究成果表明，三維網噴播技術的應用進一步推動了邊坡生態恢復與重建技術的發展。但對于實際的巖質邊坡工程，在應用該技術的過程中并未充分考慮邊坡坡面特征、邊坡巖體結構的空間幾何信息、邊坡高度及坡面角等因素對該技術適用性的制約，而這些因素對植被網材料選取、噴播材料配比及植物選型均具有重要影響。因此，在應用該技術之前，需對影響該技術的邊坡坡面特征、邊坡巖體結構的空間幾何信息、邊坡高度及坡面角等進行詳細的調查，為植被網材料合理選用、噴播基材配比及植物選型提供依據。

2.4 厚層基材噴播技術

厚層基材噴播技術是隨公路及礦山巖質邊坡生態修復難度大而發展起來的一種新型生態防護技術。該技術是利用空氣壓縮機和混噴機械組成的噴播系統，將混有適宜植物種子的種植基質噴射到需進行生態修復的邊坡坡面上。種植基質中含有黏結劑，由于黏結劑的黏結作用和鐵絲網及部分植物根系的加筋作用，進而可以在坡面上形成一個既穩定又適宜植物生長的植生層。該技術對于施工和管理難度大的裸露巖質邊坡生態恢復具有明顯優勢[18]。

在厚層基材噴播技術的研究與應用方面，眾多學者與工程技術人員進行了大量的理論與實踐研究工作。張俊云等[17]研發出厚層基材噴射植被護坡技術，簡稱TBS技術(Thick-layer Base Material Spraying)，TBS技術解決了巖石邊坡無法生長植物的難題；張季如等[85]研制的適宜灌、草生長的ZZLS生態護坡材料具有較強的抗侵蝕能力；李義強等[86]以處于半干旱區域的京承高速三期沿線巖質邊坡為研究對象，從適生植物篩選、技術適宜性評價等方面開展厚層基材噴播技術的研究工作，研究成果對指導該區域公路沿線巖質邊坡植被恢復與重建具有一定的指導意義；張俊云等[17]對噴播基材的收縮恢復性開展了試驗研究，研究成果為噴播材料選取及配比提供了理論依據；黃滔等[87]詳細介紹了厚層基材噴播技術的施工過程并將該技術應用于邵懷高速公路沿線巖質邊坡的生態防護，取得了良好的防護效果；楊悅舒等[88]以恢復生態學為理論依據，在綜合分析水對水電工程區域氣候、地質、水體、水文、土壤和生物影響的基礎上，采用厚層噴播和植被混凝土技術對向家壩水電工程擾動邊坡進行生態防護，結果表明上述2種生態防護技術均取得了良好的生態景觀效應。

上述學者從厚層基材噴播技術的適用條件、基材配比、基材的力學性質、植物選型、施工工藝與技術、生態防護效果等方面開展了系統的研究工作，這些研究工作所取得的成果促進了厚層基材噴播技術在高速公路沿線、水電工程等邊坡生態重建中的應用，但在應用該技術時，同樣沒有充分考慮邊坡巖體的巖性、坡面巖體的風化程度、巖體節理裂隙的發育程度及巖體結構面的產狀對基材配比、鐵絲網網格大小、網格鐵絲直徑、植物選型等的影響。

2.5 植生袋生態重建技術

植生袋是目前高速公路、露天礦巖質邊坡及矸石山生態恢復與重建的重要材料之一，主要由培養土、植物種子和可降解的包裝袋組成[13]。該技術的施工工藝主要包括植生袋的制備、基質備料、裝袋、運送至工作面、植生袋碼放與固定和養護等工藝過程[16]。由于植生袋生態防護技術具有施工工藝簡單、復墾效果好、運輸方便、成本低等優點，因而可將其作為巖質邊坡生態防護的備選方案之一。魯明星等[14]將植生袋技術應用于鐵礦巖質邊坡生態防護工程并對邊坡的穩定性進行分析，結果顯示植生袋生態防護技術可顯著增強邊坡的安全系數；羅敏敏等[89]提出生態袋+SNS柔性生態防護技術并將該技術應用于巖質邊坡生態恢復與重建工程中，該方法的成功應用為解決巖質陡坡的生態防護提供了新的方法和思路；陳冀川等[15]探討了植生袋技術在巖質邊坡生態景觀設計中的作用，為巖質邊坡生態恢復與重建拓寬了思路。

綜上所述，眾多學者與工程技術人員的理論與實踐研究成果推動了巖質邊坡生態重建技術的快速發展，但其工作重點大多集中于護坡技術、植物選型、植生基質配比、植生基質物理力學參數、植生基質中養分和水分的變化規律以及施工后的養護等方面。事實上，巖質邊坡坡度、邊坡高度、坡面巖性及其風化程度、坡面節理裂隙的發育情況及優勢結構面的方位均對植物選型、植生基質配比、護坡技術選擇具有不同程度的制約作用。而在實際應用過程中大多數學者和工程技術人員并未充分考慮上述各因素對生態重建技術、植生基質配比及植物選型的影響。

3 巖質邊坡生態重建技術發展趨勢與展望

(1)巖質邊坡生態恢復與重建適生植物篩選與生態系統長期穩定性是巖質邊坡植被恢復成效的關鍵性因素之一，生物多樣性是保證生態系統穩定的基礎，如何根據邊坡所處區域氣候、水文、土壤等自然條件以及邊坡巖體結構面調查結果，采用喬、灌、草、藤本植物構建穩定的生態系統是巖質邊坡生態恢復與重建是否能夠實現的基礎前提，這方面的研究工作尚需完善與發展。

(2)低成本巖質邊坡植生基材還有待于進一步研制與開發。植生基材作為植物生長的基礎，其力學穩定性和營養的持久性是植被恢復與重建能否成功的關鍵，植生基材的研制力求以“利廢恢復”為原則，盡量利用礦山廢棄物如尾礦等為基本原料，輔以緩釋肥料、黏結材料、有機肥料、工業廢料等，研制出適宜于植物生長、與坡面黏結力強、成本低廉的植生基質。

(3)邊坡坡面—植生基質—根系統一體(三位一體)的相互作用機理及其整體力學穩定性仍然需要深入的研究。隨著試驗監測手段和數值模擬技術的進一步完善，在獲取邊坡坡面角、坡面巖體力學性質、坡面節理裂隙發育及分布情況以及坡面平整程度等方面信息的基礎上，結合不同植物品種、不同苗期以及不同配比情況下基材的物理力學性質，用三維數值模擬軟件開展數值模擬研究，將數值模擬結果與試驗結果進行對比分析，探索其整體穩定性變化規律，揭示邊坡坡面—植生基質—植物根系相互作用機理。

(4)露天礦巖質邊坡生態重建過程中，在礦區地質概況、氣候、土壤、生物、開采現狀調查的基礎上，充分考慮邊坡高度、坡面角、巖性及其風化程度、坡面節理裂隙發育情況及優勢結構面的方位、坡面粗糙度、坡面巖體質量等級，提出基于巖體結構數字識別的露天礦巖質邊坡生態重建技術。

(5)露天礦巖質邊坡生態重建技術研究的最終目的是為工程服務，為巖質邊坡生態重建提供理論依據和技術支持，如何將篩選的適生植物、低成本的植生基材、邊坡坡面—植生基質—根系統一體相互作用機理及基于巖體結構數字識別的露天礦巖質邊坡生態重建技術等研究成果應用于實際工程，有待生態重建專家與工程技術人員的共同努力。

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