京張高鐵昌平段廢棄石灰礦礦山生態修復治理技術實踐

穆嘉琳 趙 健 高 琦

（北京市昌平區園林綠化局）

京張高鐵是連接2022 年冬奧會和冬殘奧北京賽區、延慶賽區和張家口賽區的重點軌道交通配套工程，為北京到冬奧會、冬殘奧會場館的人員出行提供有力的交通保障。加強京張高鐵沿線景觀建設，對高標準兌現北京冬奧會可持續承諾、展示首都和國家形象、貫徹落實昌平分區規劃、促進宜業宜居生態城市建設具有重要意義，較好地推進京津冀協同發展，踐行綠水青山就是金山銀山的理念［1］。

礦產資源推動人類社會發展的同時，破壞了礦區生態環境［2］，影響了地質環境，產生了嚴重的環境污染［3］。首先，采礦過程形成大量的開采面、危巖、渣堆，破壞了礦區原始植被，導致地表裸露，產生荒漠化，造成揚塵污染，滑坡泥石流等地質災害［4-6］。其次動、植物生存環境被破壞，加劇了對動、植物的棲息地干擾，使廢棄礦山植物和動物喪失多樣性。最后，還會通過水污染、土壤污染以及不同程度的固體污染，逐步擴大污染區域。

本研究基于目前礦山廢棄地生態修復技術，運用Trimble TX8 三維激光掃描儀、Trimble RealWork 點云處理平臺、Cloudcompare 軟件、Surfer軟件進行現場勘察數字模型分析制作；以北京市昌平區京張高鐵居庸關附近礦山廢棄地生態修復為例（以下簡稱修復區），論述了廢棄礦山治理的工程模式和技術方案，確保經過修復后降低地質災害和水土流失的災害頻率，同時促進生態系統多樣性的建設，為京津冀地區礦山修復提供技術基礎。

1 礦山廢棄地生態修復理念

目前，國內廢棄礦山治理技術主要有4 種，即消災修復技術、工程修復技術、生態修復技術和生物修復技術［7-8］。我國多項廢棄礦山修復工程均結合區域自然條件與礦區實際問題，提出了可行的治理方案［9］。劉民生［10］等提出了以地質災害治理和生態修復為核心的治理思路。趙學宏［11］等提出了分區設計制定修復方案，大力推薦生態復綠技術。劉少君［12］等強調了綜合利用生態修復技術實現礦山復綠。聶守智［13］等采用無土混合纖維噴播復綠技術進行山體復綠。凌峰平［14］、廖隆榮［15］總結了包括高次團粒噴播技術在內的多項礦山生態修復技術。李欽韜、孫永濤等［16-17］通過綜合利用生態修復技術進行了廢棄礦山生態修復探索。相關資料和實踐結果證實，礦山廢棄地生態修復的關鍵在于邊坡的修復和加固，而增強礦山邊坡的穩固性和抗侵蝕性，只有通過提高生態系統自身組織和恢復功能才是實現對礦山生態環境科學治理的唯一途徑［18］。在礦山廢棄地邊坡修復的過程中，對邊坡進行整治，尤其是對存在安全隱患的邊坡進行科學改造就顯得尤為重要［19］。修復需要對礦山廢棄地原始外觀、現場生態環境和植被同時進行改造和修復。為此，需要結合地區、地質特點，選擇鄉土化、適應性強、多樣性高、抗逆性強和穩定性好的植物，科學的規劃，建立喬、灌、草和花等多層次的植物群落，充分利用藤本植物生長速度較快，以及具備良好吸附性、纏繞性等攀援的特性，迅速形成立體景觀，促進礦山生態環境恢復，減少外來因素的影響和制約［20-21］。

2 工程概況

2.1 地形地貌特征

修復區位于北京市昌平區南口鎮居庸關村、花園分區，位處燕京八景之一的居庸疊翠范圍內，北側緊鄰居庸關長城風景區，西鄰G6 京藏高速公路和京包鐵路線，京張高鐵在本段北側穿過，是南口隧道和居庸關隧道銜接之處，中心地理坐標為東經116°05′55.70″，北緯40°16′53.85″，詳見圖1（a），屬暖溫帶大陸性季風氣候。生長期較長，高溫期與多雨期一致，平均生長期為200 d，全年平均無霜期為163 d，常年降雨量600 mm。一月平均溫度為-4.1 ℃，七月平均氣溫為25.8 ℃。

經過現場調查發現，修復區為1 處廢棄石灰礦，面積為38 hm2（570 畝）。修復區內邊坡角度在70°左右，最大坡度80°～90°，詳見圖1（b）。整個修復區包括邊坡36 處，坡面面積15.97 hm2（239.6 畝）；緩坡7 處，坡面面積1.7 hm2（25.5 畝）；渣坡5 處，坡面面積4.2 hm2（63.0 畝）；平臺20 處，平臺面積15.3 hm2（230畝）；水塘3 處，面積0.79 hm2（11.9 畝）；渣堆7 處，堆積體積18 260.7 m3；危巖3 處。此外因為受到采礦活動的影響，地下水系統受到破壞，地下水轉為地表水流使地表水發育，在修復區聚集形成3處水塘。

2.2 修復區地塊情況

根據修復區內現場條件與實際問題，將修復區分為北區和南區進行造林修復，共包括A 區～J 區10個區，北區包括A區～G區7個區，除G區外，其余各區均存在高陡巖壁，北區面積30.29 hm2（454.4 畝）；南區包括H 區～J區3個區，南區面積7.7 hm2（115.6畝），各區分布情況詳見圖2、3所示。

注：A～J表示10個分區，WY表示危巖，BP表示邊坡，PT表示平臺，HP表示緩坡，ZP表示渣坡，ZD表示渣堆，ST表示水塘。

A 區位于修復區東側，該區為三角形巖質邊坡，坡寬38.1 m，坡高24.5 m，坡度為69°，坡向8°，坡面面積1 085.5 m2，坡面上無植被。

（2）B 區位于修復區東北側，分為5 個巖質二級邊坡（B-BP01～B-BP05），2 個巖質二級平臺（BPT01～B-PT02）。B-BP04 東北側（N40°46′58.52″，E116°06′11.23″）有三角形危巖WY01，體積為89.0 m3（13.7 m×5.4 m×1.2 m（長×寬×高）），危巖植被覆蓋率低。

（3）C 區位于修復區北區，分為13 個巖質二級邊坡（C-BP01～C-BP06），5 個 巖 質 二 級 平 臺（CPT01～C-PT05），3 個巖質二級緩坡（C-HP01～CHP03），1 個二級渣坡C-ZP01，坡高34.1 m，坡度32°，坡向193°，面積5 782.0 m2。

（4）D 區位于修復區北區，分為7 個巖質二級邊坡（D-BP01～D-BP06），4 個 巖 質 二 級 平 臺（DPT01～D-PT02），3 個巖質緩坡（D-HP01～D-HP03），2個碎石渣坡（D-ZP01～D-ZP03），D 區僅D-BP07 植被較好。

（5）E 區位于修復區西北側，分為6 個巖質二級邊坡（E-BP01～E-BP06坡體上覆蓋零星植被），4個巖質二級平臺（E-PT01～E-PT04），1處渣坡（E-ZP01）坡高25.7 m，坡度29°，坡向170°，粒徑2.0～10.0 cm，坡面面積20 764.0 m2。1 處渣堆（E-ZD01）長37.4 m，寬12.2 m，高8.5 m，粒徑2.0～3.0 cm，廢渣體積3 866.3 m3。E-BP06 東側處有1 條帶狀危巖（WY02），體積為272.0 m3（24.5 m×4.7 m×2.3 m（長×寬×高））。

（6）F 區位于修復區西側，為長條形巖質邊坡FBP01，坡高24.8 m，坡度為67°，坡向282°，坡面面積7 179.5 m2，坡面零星植被分布。

（7）G 區位于修復區北側，分為3 個巖質二級邊坡（G-BP01～G-BP03）；4 個二級平臺（G-PT01～GPT04），G-PT01～G-PT03為硬化平臺，G-PT04為巖質平臺，1個緩坡G-HP01，面積5 963.2 m2，2處渣堆（GZD01～G-ZD01）總 體 積1 574.3 m3，3 處 水 塘（GST01～G-ST03）均為不規則形狀，合計7 932.8 m2。

（8）H 區位于修復區東南側，該區為長條形巖質邊坡，坡高27.6 m，坡度為77°，坡向135°，坡面面積7 881.1 m2，坡面上可見零星植被分布。邊坡西側有1處條帶型危巖體（WY03），體積為134.1 m3（17.5 m×3.7 m×2.1 m（長×寬×高））。

（9）I區位于修復區東南側，該區為長條形巖質高陡邊坡，坡高42.8 m，坡度為69°，坡向110°，坡面面積15 081.4 m2，坡面零星植被分布。

（10）J 區位于修復區北側，分為1 個巖質平臺JPT01，面 積 為54 096.4 m2，4 個 渣 堆（J-ZD01～JZD04），總體積為12 820.08 m3，植被覆蓋率低。

3 綜合修復技術

3.1 修復原則

3.1.1 保證安全、以人為本

本次治理的基本原則是強化安全文明施工，保障施工安全。堅持以人為本的原則，強調人與自然和諧共生，改善當地人民居住環境，滿足人民群眾對優美生態環境的需要，在消除地質災害隱患的基礎上做綠化景觀效果，為可持續發展創造條件。

3.1.2 科學規劃、因地制宜、生態優先

遵循植被自然演替規律，以京津冀協同發展規劃綱要和北京城市總體規劃為依據，注重生態涵養，營造符合昌平物候規律的同緯度帶頂級森林群落。以植被恢復為中心，按照近自然的施工方法，因地制宜，合理布局，隨坡就勢，就地取材，合理留景，科學配置植物結構。以“鄉土、長壽、抗逆、食源、美觀”為原則，強調以喬木栽植為主，以昌平特色鄉土樹種為骨干，補充彩色樹種，堅持適地適樹，生態與景觀并重，保持苗木規格和組團大小與原有林相協調，加大異齡混交的比例，加大異齡樹種的規格，營造群落式景觀，增強景觀的融合性，最終演替為頂級群落的森林結構。

3.1.3 生態穩定、效果長期、效益多元

堅持生物多樣性和生態系統穩定性原則，充分應用科技措施，增加土壤改良、根系處理、保水成活等方面的資金預算和技術要求，保障當年成活率和種植效果，確保長期綠化效果，降低后期管護成本，形成能長期穩定發揮生態效益的多層次復層混交林。堅持適量、適度的原則，力爭做到最大限度地減少土方工程量，節約資源，節省資金，在經濟可行的情況下達到最大的治理效果。突出生態環境和社會效益，兼顧經濟效益，為冬奧會提供良好的景觀保障，為建設國際一流和諧宜居之都奠定良好的生態基礎。

3.2 礦山廢棄地修復

為保證不對京張高鐵線路造成影響，同時滿足京張高鐵綠色通道的綠化要求，保證綠化效果，礦山廢棄地修復采用綜合治理方式。在充分利用現有地形的基礎上采用清除危巖、放坡、擋墻護坡、高次團粒噴播、生態袋+格構梁綠化等多種技術手段，因地制宜地進行生態環境修復，減輕滑坡等災害發生，最大限度地回歸原有自然狀態且與周邊景觀相協調。

3.2.1 危巖處理工程

為減輕修復區現場邊坡巖石裂隙發育、崩塌和滑坡等地質災害隱患，保證人員安全，對修復區內存在的2 處典型危巖體WY02、WY03 進行從上而下綁掛人工風鎬清除，除石方量為406.1 m3。WY01 位于B 區域邊坡B-BP03 西北側，距離京張01 鐵路隧道較近，如果清理后可能會形成新的崩塌災害，且為防止沖刷B 區和C 區之間沖溝內的松散堆積物，因此對WY01進行攔石墻+落石槽防護，落石槽兼排水作用。攔石墻+落石槽工程示意圖詳見圖4，攔石墻采用毛石砌筑的方式，長度13.5 m；通過Rocfall計算結果，設計墻高3.0 m，埋深0.5 m，頂寬1.5 m，底寬2.0 m，墻背傾斜坡比1∶0.15；攔石墻后1.5 m 處修建落石槽，深1.5 m，坡度45°，底寬2.0 m。

3.2.2 邊坡綠化工程

對修復區具備綠化條件的邊坡采用高次團粒噴播以及錨桿格構梁+生態袋綠化的方式進行復綠。利用高次團粒噴播技術噴射時發生的團粒反應以及噴射后發生的疏水反應，進行復綠防止水土流失。對修復區內坡高10.5～52.1 m，坡度在30°～51°之間的現狀邊坡C-BP05、C-BP09、C-BP11 采用高次團粒噴播的治理措施進行綠化，噴播前先進行坡面整理，而后使用錨桿錨固，最后噴播混合刺槐、臭椿、荊條、紫穗槐；草本為高羊茅、黑麥草、二月蘭、紫花苜蓿搭配的喬灌木種子，噴播厚度為10 cm，高次團粒噴播示意圖詳見圖5（a）。高次團粒噴播材料由適當比例的黏土、砂、有機質的基質材料，添加了植物生長緩釋肥的復合性纖維，由天然植物性油脂的誘導體構成的土壤穩定劑、團粒劑、植物纖維及種子組成。

利用錨桿格構梁+生態袋綠化的方式對修復區鐵路周邊坡度較大的邊坡進行穩定綠化。邊坡頂部采用格構式錨桿擋墻、格構式擋墻底設置仰斜式重力擋土墻。在現狀邊坡B-BP02 下部，A-BP01 采用錨桿格構梁保證穩定，格構內堆疊生態袋進行綠化，生態袋綠化采用播草籽和種植紫穗槐苗木兩種方式。生態袋綠化技術詳見圖5（b）。格構梁格構采用邊長3.0 m的方形框格型式，沿坡面展布，鋼筋混凝土結構，采用C30 混凝土澆筑而成，主筋為HRB400φ28級普通熱軋鋼筋，箍筋φ8 mm@200 mm，錨孔2個50 cm加密φ8 mm@100 mm，混凝土等級C30，格構嵌巖深度0.1 m，每隔30.0 m 設置1道伸縮縫，縫寬3.0 cm，縫中填塞瀝青麻筋。錨桿注漿材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.45～0.5，注漿壓力不小于1 MPa；毛石強度不低于MU40，砌筑砂漿強度M10，每個框格內布設1個泄水孔，直徑10 cm，位于框格底部以上1.0 m處，排水溝采用紅機磚墻砌筑，砌筑砂漿強度等級M10。墻后回填材料優先選用巖石強度高（飽和單軸抗壓強度≥5 MPa）、級配良好的填料（不均勻系數Cu≥5，曲率系數Cc=1～3），填料最大粒徑不得超過 400 mm。生態袋原材料由聚丙烯人造纖維針刺成網的高強度平面穩定材料，可以抗紫外線的侵蝕，不受土地中化學物質的影響，不會發生變質腐爛，永久不可降解。

3.2.3 地形地貌整治綠化工程

針對修復區內無綠化條件的區域，通過地形地貌整治綠化工程，為綠化植物創造生長條件。首先針對修復區，包括北區現狀地形C 區現狀邊坡CBP09西部、C-BP12、C-BP13，現狀渣坡C-ZP01，現狀緩坡C-HP02、C-HP03 西部及北部，現狀平臺CPT04 西部、C-PT05，D 區整個區域，E 區現狀邊坡EBP04、E-BP06 以外區域，G 區現狀渣堆G-ZD01、GZD02，現狀緩坡G-HP01，現狀平臺G-PT04，南區的J區全部區域，進行地形整治工程及整理綠化用地工程。工程遵循挖高填低、分級放坡、提高坡體穩定性的原則，地形整治結束后清除采伐剩余物。其次，對地形整治出的平臺和地形整理形成的緩坡以及北區現狀平臺B-PT01、B-PT02、G-PT01、C-PT03、GPT02、C-PT02、C-PT04中部及東部、G-PT03南部、EPT01進行覆客土工程。之后，在覆客土的平臺、緩坡臨空面修建生態擋墻，以保證地形整治后所填廢渣及所覆客土的穩定，生態擋墻詳見圖6（a），生態擋墻采用生態袋堆疊而成，高1.2 m，寬0.4 m，埋深0.2 m。墻體底部澆0.1 m 厚的混凝土墊層，沿墻面設置泄水孔，水平間距2.0 m，泄水孔采用直徑0.1 m的PVC管，孔后為0.1 m 碎石反濾層。最后，對整治后的區域栽植油松、白皮松、華山松、欒樹、元寶楓、黃櫨、山桃、山杏、紅瑞木等，撒播草籽，平臺緩坡部分裸露巖壁下側種植五葉地錦等藤本植物，對地形整治后的平臺、緩坡等區域進行垂直綠化。

為保證水體不對岸體侵蝕，對修復區現狀水塘G-ST01、G-ST02、G-ST03 岸邊設置護岸工程。護岸工程詳見圖6（b），護岸采用自然石塊砌筑。

3.2.4 配套養護工程

為避免水流沖刷影響廢棄礦山修復區內的工程，同時方便對高次團粒噴播綠化、生態袋綠化及V型槽綠化的區域積攢養護所需用水，在坡腳、坡面適當位置設置主排水溝Ⅰ型，Ⅱ型分為坡腳排水溝Ⅱ1型、預制排水溝Ⅱ2 型，Ⅲ型為坡面排水溝，3 種型號排水溝并配套設置噴灌灌溉系統。噴灌系統詳見圖7，系統主要包括120 m 揚程水泵、水泵變頻器、主供水管道（金屬管）、供水支管（PE管）、搖臂噴頭和控制閥。沿坡頂等高線布設1 條主管連接水泵，并加1 個球閥與主水管連接；橫向支管間距10 m，支管每5 m設1個搖臂噴頭，噴頭臂為供水支管，每個長為0.5 m；豎向支管間距50 m，用球閥控制開關水流。

4 工程效益

項目充分考慮現場地質情況和環境條件，采取科學的生態修復措施，將工程措施與生物措施相結合，應用多植物進行礦山植被修復，構建樹種豐富、結構合理、自然協調、穩定健康的森林生態體系，消除高陡坡地質災害隱患，實現破損山體復綠，改善礦山區域內的生態環境，恢復居庸疊翠的原生態自然效果，發揮山區整體生態屏障作用和山區水源涵養、保持水土、防風固沙、生物多樣性保護等重要生態服務功能，為進一步實現礦山綠色生態修復的規范化和標準化奠定基礎。同時，經過治理后改善了投資環境，豐富了旅游休閑業條件，解決了當地富余勞動力就業問題，提高了昌平生態承載力、綠色增長力和可持續發展力，實現了效益多元化，為冬奧會召開奠定良好的基礎。

5 結 論

通過充分考慮現有地形的基礎上，結合綜合治理的方式以及施工期實時反饋的信息及監測數據，指導山體修復；運用清除危巖、放坡、擋墻護坡、高次團粒噴播、生態袋+格構梁綠化等多種技術手段因地制宜地進行生態環境修復；踐行“播種造林”先進的綠化理念，注重“植物群落”的概念，縮短施工周期，迅速達到綠色效果，減少后期養護管理工作，構成穩定的、多物種的立體植被結構；消除廢棄礦山地質災害隱患，最大限度地回歸原有自然狀態且創造景觀效果。