硫磺冶煉廢渣臨河堆積邊坡生態修復技術應用

施燦海，常 普，尚大奎，李 旅，孫高月

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051； 2.昭通市生態環境局鎮雄分局，云南 鎮雄 657200)

0 引 言

境內硫磺冶煉始于20世紀50年代，由于當時煉硫工藝落后，硫磺的回收率約30 %，產生大量含硫及含重金屬廢渣，加之環境意識淡薄、環境監管不到位等原因，導致硫磺冶煉廢渣大面積、分散、露天堆放。當地政府雖強行取締了土法煉硫，上千座“石灰窯”式土法煉硫爐窯全面關閉，結束了長達40多年的土法煉硫歷史，但項目區大小山頭，卻留下密密麻麻的敞口式煉硫爐殘體、煉硫廢渣筑起的一座座“沙漠”式山嶺。從2012年起著手磺區生態環境治理至今，各級政府正在有序實施區域內歷史遺留廢渣點位的風險管控和生態修復。在項目實施過程中，人工堆積廢渣陡坡生態路徑的選擇成為了難點。

客土噴播技術常應用于公路、水利、礦山治理等工程邊坡治理和生態復綠，主要應用范圍為巖質或土質邊坡，尤其是巖質高陡邊坡的技術研究受到了諸多學者的關注，并取得了顯著的工程治理效果和生態修復效益。高次團粒噴播材料、不同基質層的穩定性等問題等近年來成為研究熱點，但對于工業固廢人工堆積陡坡的研究鮮有文獻。該文基于查明歷史遺留硫磺冶煉廢渣人工堆積體物理力學性質的基礎上，嘗試對廢渣陡坡生態修復路徑進行選擇和工程實踐。項目實施過程中，采用了適用于歷史遺留硫磺冶煉廢渣陡坡生態修復的掛網噴播方式，實現風險管控的同時，獲得了顯著的生態修復效果，區域內屬首次應用。

根據項目前期開展的廢渣固廢類別、土壤、地表水等環境調查資料，歷史遺留硫磺冶煉廢渣堆存年限超過40年，采用原位風險管控，工程周期短、對周邊環境擾動小、費用低、能實現環境風險可控、有效控制污染物遷移和對周邊環境潛在的污染，且改善景觀。

1 廢渣物理力學指標

該項目實施前，開展了有針對性的巖土工程詳細勘察，查明歷史遺留廢渣物理力學性質指標。具體試驗結果和指標見表1、表2。

表1 廢渣重型擊實試驗成果表Tab.1 Results of heavy compaction test of the waste

表2 廢渣顆粒分析試驗成果表Tab.2 Results of the waste particles analysis

根據巖土工程實驗結果，將廢渣含水量、密度與抗剪強度參數繪制三維關系，見圖1。

圖1 廢渣含水量、密度與抗剪強度參數的關系Fig.1 Relationship of water content，density and shear strength parameters of the waste

據圖1顯示，廢渣在密度接近最大干密度，含水量接近最優含水量的時候，其抗剪強度參數能取大值，反之，應取小值。鑒于項目地處于半濕潤區，降水充沛，廢渣不可能長期處于最優含水量狀態。因此，結合試驗結果，廢渣的黏聚力取40 kPa，內摩擦角取24.0°，密度取1.95 g/cm3。

2 邊坡穩定

2.1 計算方法

充分考慮生態修復工程特點，應用數值模擬軟件結合項目巖土工程勘察報告中提供水位資料和各巖土層物理力學指標，并根據場地所處場地地震設防烈度等級，采用簡化畢肖普法進行了現狀廢渣堆積邊坡抗滑穩定驗算分析。

2.2 堆積邊坡等級

參照《冶金礦山排土場設計規范》(GB51119—2015)要求，并結合生態修復工程周邊環境條件，按二級排土場要求進行邊坡穩定計算。

2.3 計算斷面選擇

根據場地地形條件及工勘資料地層情況，該次計算選取順溝谷地形最大斷面(1剖面和2剖面)為邊坡穩定分析的最不利斷面。

2.4 計算工況和安全系數

邊坡抗滑穩定的計算工況和各工況邊坡安全系數應按表3確定。

表3 邊坡抗滑穩定計算工況及安全系數表Tab.3 Conditions and safety factors for the slope’s anti-sliding stability calculation

2.5 穩定計算結果

場地類別屬Ⅱ類建筑場地，其場地地震動峰值加速度為0.05 g，反應譜特征周期為0.40 s，對應設防烈度為6度，設計地震分組為第二組。廢渣堆積邊坡抗滑穩定計算結果見表4，計算成果見圖2。

表4 現狀廢渣堆積不同工況下穩定性計算結果表Tab.4 Stability calculations of current waste accumulation in different working conditions

圖2 廢渣堆積邊坡計算圖Fig.2 Calculation diagram of waste accumulation slope

經計算，生態修復工程選擇計算剖面計算安全系數均滿足規范要求最小值，廢渣堆積邊坡總體上是穩定和安全的。對該點位處置點進行風險管控以后，經過周邊截洪排水、場地整平、地表阻隔、生態恢復等工程，在實現處置點風險管控的同時，滿足邊坡安全的要求。

3 陡坡生態修復路徑

根據查明的河道歷史最高洪水位，設置臨河擋墻，頂標高安全超高1.5 m。廢渣臨河一側采取“截洪+掛網+噴播植草”的處置方式，防止雨水及河水對廢渣的沖刷，降低廢渣流失的環境風險。在施工完成擋墻的基礎上，對臨河一側歷史遺留硫磺冶煉廢渣堆積邊坡進行生態修復。施工技術路線詳見圖3。

圖3 施工技術路線圖Fig.3 Construction technology roadmap

3.1 施工準備

施工前需在施工現場設置安全防護區及施工標志，施工現場附近禁止行人通過，同時嚴格按照安全操作規范要求，選擇安全防護措施，從邊坡頂部設置下懸繩索系安全帶施工。現場施工人員佩戴安全帽及必要勞保用具。

3.2 邊坡處理

(1)清坡。人工對邊坡進行清理，主要包括坡面的松散石塊及雜物，使需進行生態修復的陡坡坡面平整，清除松散體。一方面確保施工過中設備及人員安全，另一方面為混合土的噴射提供一個穩定的基質層。若發現坡面有滲水，可設置嵌入坡體的d=5 cm PVC、孔深100 cm的排水管。

(2)坡頂截水溝設置，根據項目匯水面積內的水文計算結果及水力驗算，截水溝采用C25毛石砼結構，矩形，過水斷面b×h=0.6 m×0.8 m。

3.3 鍍鋅網鋪設及固定

(1)鋪網。按照孔為6 cm×6 cm的14#鍍鋅菱形鐵絲網對坡面進行鋪設，再根據現場實際鋪設范圍對長度裁剪，坡頂需延伸1 m以上，開溝并錨釘固定之后回填。先將坡頂固定好，后自上而下對坡面鋪設，鍍鋅鐵絲網拼接寬度不低于10 cm，鋪設的網面需要離坡面有一定的距離，留4～6 cm的間隙。鍍鋅鐵網編織結構及連接見圖4。

圖4 鍍鋅鐵網編織結構及連接圖Fig.4 Weaving structure and connection of the galvanized iron mesh

(2)訂網。使用大小錨釘對廢渣堆積邊坡進行支護，兼做釘網使用。錨桿平均長度L=4.5 m，普通式自進式錨桿LHZ25，以間排距3.0 m按梅花形進行布置，鉆孔按垂直巖面或上傾角10°～15°鉆入，孔內注入1：1水泥漿。錨釘采用直徑6.5HRB400螺紋鋼筋，平均長度L=0.45 m，以間排距0.5 m按梅花形進行布置。鋪網、釘網平面見圖5。

圖5 鋪網、釘網平面示意圖Fig.5 Diagram of net laying and nailing

(3)覆土。在鋪設網與廢渣堆積面的空隙之間填入合適植物生長的種植土，但覆土不可超過網面。

3.4 噴射混合土

完成施工準備、邊坡處理和鍍鋅網鋪設后，方可進行噴射混合土作業：①植物纖維、微生物菌肥、保水劑、泥炭土、緩釋復合肥、固結劑等混合材料按比例攪拌均勻；②干料通過噴射泵和空壓機送至坡面，混合土與適量的水混合后通過噴射管噴射在坡面的鐵網上。噴射分2次進行，第一次噴射不含種子的混合料，厚度4～5 cm；待第一次噴射的混合土達到一定強度后，緊接著第二次噴射含有種子的混合材料，厚度不低于1～2 cm，實際噴射混合材料平均厚度不低于6～7 cm。

3.5 營養液及植物種子(或莖)噴播

把通過催芽處理后的種子放入過篩的腐殖土里，黏結劑、緩釋復合肥、纖維等混合均勻后，噴射在混合土層上，厚度1～2 cm。

噴播植物種子和輔助材料方案見表5。

表5 噴播植物種子和輔助材料方案表Tab.5 Scheme of spraying plant seeds and auxiliary materials

噴播植物如上表所示，點播灌木為刺梨，陡坡生態修復見圖6。

圖6 陡坡生態修復大樣圖Fig.6 Detail of ecological restoration of steep slope

3.6 復綠后養護

(1)在養護期間，需保持坡面濕潤至植被全滿、齊苗；

(2)高溫季節及雨季，使用覆蓋遮陽網，待草生長到4～5 cm的高度時，為不阻礙植物生長，可揭開遮陽網；

(3)竣工后1—3月，全面檢查噴播植物生長的情況，對于生長明顯不均勻的部位應予以補栽處理；

(4)養護過程中定期進行施肥、病蟲害防治等，保持植物良好的生長狀態。

廢渣臨河一側采取“截洪+掛網+噴播植物”的處置方式，實現了廢渣風險管控的同時，在磺區治理過程中取得了突出的生態復綠效果，實施前(a)、中(b)、后(c)對比見圖7。

(a)

(b)

(c)圖7 陡坡生態修復效果對比圖Fig.7 Comparison of ecological restoration effect of steep slopes

4 結 語

(1)通過“截洪+掛網+噴播植物”對歷史遺留硫磺冶煉廢渣陡坡進行生態修復，有效解決其無序堆積和常年流失的問題，并取得了突出的生態修復效果。

(2)對于陡坡生態修復，需要開展有針對性的巖土工程勘察，查明各巖土層的物理力學指標并進行堆積邊坡穩定計算，是路徑選擇的基礎和關鍵。

(3)歷史遺留硫磺冶煉廢渣陡坡生態修復路徑選擇，需遵循“因地制宜，優化設計，動態施工”的原則。

(4)生態修復植物配置需充分考慮氣溫、降雨、海拔等氣候因素和植被灌草結合、固氮能力、根系發育等因素，確保工程實施后植被形成群落，良好生長。