基于非污染礦山高陡邊坡微地形的多種客土噴播技術應用研究

田占良

(河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081)

20世紀90年代我國引進客土噴搖技術后，該技術迅速在公路邊坡、鐵路路塹的植被建植等領域推廣使用。在我國北方地區，礦山開采形成的高陡邊坡不僅嚴重破壞了優美的原生自然景觀，產生了強烈的視覺污染，還容易引起滑坡、崩塌等地質災害。由于礦山高陡邊坡存在坡度陡峭、水土流失嚴重等惡劣地形地貌條件，導致山體表層植被難以在短期之內自然恢復并形成植物群落，采用工程手段對其進行治理，又受到氣候、資金等多重因素制約，目前已成為礦山生態修復工作中的難題和焦點[1-7]。

隨著我國生態文明建設的不斷推進，礦山高陡邊坡的治理愈發引起社會各界的重視。近年來，國內研究人員將客土噴播技術逐步拓展應用到了礦山高陡邊坡生態修復領域，并對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施效果的關系展開了研究。顧衛等[8]針對我國北方地區客土噴播存在的有機肥或緩釋肥的使用量很少、有機纖維的用量不足、在急陡邊坡和巖石邊坡不適當使用、植被種類單一、對工程棄土利用不夠等問題提出了對策。段偉強[9]通過統計邯鄲市武安市、石家莊市鹿泉區、保定市阜平縣、張家口市涿鹿縣四個縣(區)的典型客土噴播典型工程實例，并觀察礦山恢復治理的后期效果，從自然條件和植物生長所需條件兩大方面統計研究了客土噴播技術在京津冀周邊地區的應用。單士鋒等[10]以銅陵市勁松石料廠客土噴播工程為例，對工程坡面處理、噴播材料配置、施工工序及養護等噴播施工關鍵技術及治理效果進行了闡述。司志國等[11]對徐州市王山廢棄礦山掛網噴播前后土壤理化性質動態變化進行分析，結果表明掛網噴播后，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，土壤養分含量及綜合肥力指數明顯提高。王偉[12]結合江蘇省多年來礦山地質環境治理工程實施情況，對露采礦山邊坡掛網客土噴播質量通病類型及原因進行了分析研究，并提出了相應的防治措施。孫汝斌等[13]針對江蘇省宜興市廢棄礦山的實際情況，部分地段植被恢復采取掛網客土噴播的方式，探討了確保掛網客土噴播區植物成活并適應環境采用的特殊管護，如前期持續45 d的霧噴養護和坡面覆蓋植被毯等管理，后期近3 a的澆水、施肥和病蟲害防治等日常管護。李歡[14]以朝陽市鐵礦坑破損山體為對象，采用整體客土、穴狀客土以及掛網客土噴播3種植被恢復方式對其進行治理，并對效果進行了研究。

為了進一步研究有效利用微地形特征，調整客土噴播工藝，從而提升坡面固土能力和穩定性，進而達到更好的礦山高陡邊坡生態修復效果，從2016年開始，河北省地礦局國土資源勘查中心在太行山掌子面治理技術攻關試驗項目實施過程中，選擇典型高陡邊坡進行了相關研究工作。

1 研究區概況

研究區位于石家莊市鹿泉區銅冶鎮嶺底村西山礦區，與當地的山前大道(石家莊市的景觀公路)相鄰，原是一處開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可視范圍之內，視覺污染極其嚴重。

研究區屬太行山東麓以變質巖為主的丘陵小區地貌，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、變質砂巖、蝕變閃長巖和第四系殘坡積碎石土。受構造控制，閃長巖順層侵入于白云巖，呈現條帶狀分布，形成數米至十多米巖脈產出，閃長巖兩側白云巖蝕變為鈣質滑石巖、滑石白云巖和滑石蝕變閃長巖。

本文研究的典型高陡邊坡位于山脊東側山坡上，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、北兩側降低，東面采礦活動的出入口。邊坡底部為一處地形平坦的采礦平臺，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，下部為多年來坡面碎石崩落形成的渣坡，坡度22°～40°。渣坡底部與平臺銜接部位已建有漿砌石擋墻，有效減弱了浮石掉落對平臺采礦活動的危害。

2 邊坡微地形綜合分區及客土噴播設計

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行了區片劃分。

2.1 坡度分區

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

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

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

2.2 粗糙程度分區

坡面粗糙程度主要依據坡面凹凸度針對基巖裸露的巖質坡面進行量化區分，分為A區(≥10 cm)、B區(5～10 cm)、C區(<5 cm)三類分區，D區為坡面下部崩落堆積而形成的渣坡，如圖2所示。各分區特征見表2。

表2 高陡邊坡坡面粗糙程度分區及基本特征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圖Fig.2 Roughness division of high and steep slopes

2.3 綜合分區及客土噴播設計

綜合研究以上兩種主要微地形特征，并結合坡面臺階的分布、規模特征、巖石裂隙發育特征等其他條件，將研究區劃分為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區四個分區。分區特征詳見表3。

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

依據研究區微地形綜合分區結果進行多種客土噴播技術設計。Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區分別選用直接客土噴播、掛網客土噴播和格室客土噴播，Ⅳ區由于存在坡度陡峭、坡面光滑、位置相對較高等不利于客土噴播的因素，因此未進行客土噴播設計，如圖3所示。通過掛鐵絲網和格室增加坡面粗糙程度，保障客土留存厚度和強度，提升坡面水土保持能力，加快生態修復速度。

圖3 基于微地形的高陡邊坡客土噴播設計分區圖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

3.1 施工機械及材料

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

主要材料：水、當地黃土、草炭土、木纖維、保水劑、黏合劑、有機肥、復合肥、種子、鍍鋅鐵絲網、格室、鋼筋錨桿、PPR管件等。

3.2 工序流程

本文研究的掛網客土噴播和格室客土噴播是在直接客土噴播的基礎上增加了掛鐵絲網和格室的工序，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 重要工序技術要求

3.3.1 掛鐵絲網

1) 錨桿施工：沿坡面從上至下進行錨桿鉆孔，孔眼要求垂直坡面，交錯排列。主錨桿、次錨桿均采用Φ14 mm螺紋鋼。主錨桿間距3.00 m，長度0.42 m，入巖深度不小于0.25 m，次錨桿間距1.00 m，長度0.35 m，入巖深度不小于0.20 m。在節理裂隙較發育處加密錨桿的數量。

2) 掛鐵絲網：鐵絲網采用正四邊形、機編雙扭結單層14號鍍鋅鐵絲網，網目邊長不大于5 cm。自上而下進行掛網施工，相鄰兩卷鍍鋅鐵絲網分別用鐵絲綁扎連接固定，兩網交接處重疊寬度至少20 cm。鐵絲網與坡面保持距離>4 cm。在鐵絲網與坡面緊貼處，插入木條，撐起鐵絲網片，以保證兩者間距。

3.3.2 掛格室

1) 錨桿施工：同3.3.1部分的掛鐵絲網錨桿施工。

2) 掛格室：格室為厚度10 cm、邊長40 cm的強化HDPE材料制成，室間開孔。連接時，將未展開的格室組件并齊，對準相應的連接塑件，插入特制圓銷，然后展開。

3.3.3 客土噴播

客土噴播按照首先營養基層，其次種子層，再次防沖刷層的順序開展。各層材料配比見表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) 噴播營養基層。 將泥炭土、當地土混合，加入黏合劑、保水劑、木質纖維和水攪拌均勻，采用噴播機械將混合物噴播到坡面上，客土噴播厚度為7 cm。采取分層實施作業，第一次噴播3 cm厚，待客土穩定后(10～20 min)再噴播，在巖性破碎、硬坡段噴層厚度可適當增加。在噴播過程中不斷修正噴播角度，盡可能從正面進行，噴射順序自上而下，噴射作業分段分片依次進行。混合料應拌和均勻，隨拌隨用，并再次過篩，同時嚴防石塊、雜物混入。

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

3) 防沖刷層。為保障植物能夠順利出芽生長，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，對種子層進行保護，保溫保濕，促進植物的生長，有效防止成型后的作業面被雨水沖刷。

4 實施效果分析

4.1 整體效果分析

本文項目于2016年底竣工，在2017年和2018年實施人工跟蹤養護，2019年停止養護。2021年5月研究區整體實地景觀效果如圖5所示，基于高陡邊坡微地形而選用的多種客土噴播技術均已使坡面生態修復達到了預想效果，原本基巖裸露、植被稀疏的高陡邊坡逐漸煥發出勃勃生機，并與周邊原始山坡生態環境趨于和諧。坡面植物逐漸從竣工時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。與掛網客土噴播、格室客土噴播相比，直接客土噴播具有施工簡便、造價低廉的優勢，因此在多種客土噴播均使用的前提下，應優先選用直接客土噴播。

圖5 多種客土噴播區域2021年5月實景Fig.5 Variety of guest soil spraying areas live in May 2021

4.2 分區效果分析

4.2.1 直接客土噴播區(Ⅰ區)

該區分為兩個片區，其一為坡面下部渣坡，坡度22°～40°，屬坡面崩坡堆積物，整體穩定性較好，優先采用直接客土噴播技術，此外渣坡物質松散，有利于植物扎根生長，該區域植被覆蓋率達到95%；其二為北面坡體東側、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階為客土留存提供了穩定的空間，使坡面呈現出點狀或線狀生態修復效果。

4.2.2 掛網客土噴播區(Ⅱ區)

該區為南面坡體西側巖坡，坡度40°～65°，坡面較粗糙，裂隙較發育，微小臺階數量少。采用掛鐵絲網和木條支撐的措施，增加坡面粗糙程度及穩定性，使客土易于留存。根據現場觀察，植物根系已穿透鐵絲網并扎入巖石縫隙，使客土層具有了良好的整體性和較強的抗沖刷能力，該區域植被覆蓋率為85%。

4.2.3 格室客土噴播區(Ⅲ區)

該區為西面坡體中上部巖坡，坡度40°～75°，上部坡面較粗糙，裂隙較發育，中部坡面粗糙，分布大量點狀釬孔凹腔。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。據現場觀察，坡面≥60°的大部分格室單元內客土流失嚴重，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。植物根系側向穿透格室隔板孔洞互相交纏，垂向則扎入巖石縫隙，增強了格室和客土層的穩定性，該區域植被覆蓋率80%。

4.2.4 保留區域(Ⅳ區)

該區為西側坡體頂部、北面坡體西側和南面坡體東側巖坡，坡度65°～81°，坡面較光滑，不適合客土噴播研究。 該區域僅有自然恢復的零星點狀植被。

5 結 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條件，也是客土噴播技術應用的主要參考因素。

2) 從技術可行、經濟合理等角度綜合考量，對于坡度<40°的土坡或巖坡，可優先選用直接客土噴播；對于坡度40°～60°的巖坡，當其具備坡面粗糙(凹凸度≥10 cm)或微臺階發育兩個條件之一時，也可選用直接客土噴播，當其坡面較粗糙(凹凸度5～10 cm)時，可選用掛網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土植被物種為主，適當加入先鋒物種，目的是使先鋒植物群落數年后逐漸演替為本地鄉土植物群落，并與周邊自然生態相融合。科學配置草、灌、喬種子比例，一般比例為3∶5∶2。