某廢棄露天采石場生態修復方案研究

張 朝，楊 濤*，沈 銘，李 喜

(1.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質環境總站，湖北 武漢 430034)

礦山地質環境生態修復是中國生態文明建設的重要領域。廢棄露天采石場往往存在易產生崩滑地質災害的高陡巖質邊坡，且植生立地條件差，已成為當前礦山地質環境生態修復研究領域的熱點問題之一[1-4]。針對廢棄露天采石場生態修復工作，有大量學者展開了研究，宋衛[5]提出坡面整形+回填+覆種植土+栽植植物的廢棄礦山生態修復方案；林國評[6]提出針對高陡巖質邊坡，首先進行坡面危石清除，再在馬道平臺上布設排水溝，然后對坡面采用飄板植生槽法或液壓噴播的方式進行生態修復；甘柯等[7]針對礦山高陡巖質邊坡提出坡面清理+掛網噴播綠化+坡面種植槽綠化工程等綜合治理措施。綜合國內外研究成果認為，目前對廢棄露天采石場生態修復領域主要存在礦山地質災害治理與生態修復有機結合不夠、高陡硬質巖坡長期生態綠化效果不佳等問題[8-9]。

本文針對某廢棄露天采石場，分析其存在的礦山地質環境問題及采坑邊坡穩定性，并以消除礦山地質災害安全隱患、修復已損毀的地表生態植被和美化視覺環境為總目標，提出合理的生態修復方案。通過工程實施，取得了良好的生態修復效果，其集地質災害治理與生態植被恢復為一體的生態修復模式對其他同類礦山具有可借鑒意義。

1 廢棄礦山概況

該廢棄露天采石場位于某城市主干道南側山體處，其南、北兩側分別緊鄰某公墓園區和城市主干道，坡底為公墓園區加工車間和公廁等公共設施(照片1)。該廢棄采石場始采于20世紀80年代初，至2009年底關停，開采礦種為石英砂巖，為責任主體滅失礦山。

照片1 露天采坑全貌

根據現場調查，受卸荷、風化、降雨等不良外部環境因素影響，該采石場邊坡曾多次發生規模不等的崩滑與落石等地質災害，并造成坡底建筑物和西側大門、圍墻受損，所幸無人員傷亡。坡頂六角亭位置因前期多次崩滑導致邊坡后緣整體向后推移約2～3 m，使邊坡后緣距六角亭圍墻最近距離不足1 m，坡頂無放坡空間，危險性增大。另外，該采石場裸露的巖坡面嚴重影響了城市整體形象和視覺環境，因此對其開展生態修復是十分必要的。

2 地質條件

2.1 地形地貌

區內屬剝蝕堆積崗地地貌，山脈總體走向為NWW向，自然山體坡度一般為18°～30°，局部較陡，地面標高一般為30.0～58.6 m，地表自然植被茂密。

2.2 地層巖性

該采石場主要出露志留系、泥盆系及第四系地層，由老至新依次為：志留系中統墳頭組(S2f)灰黃—黃綠色薄—中層狀粉砂巖、泥質粉砂巖及頁巖，厚度>150 m；泥盆系中—上統云臺觀組(D2-3y)灰白微帶肉紅色中—厚層狀石英質礫巖夾雜色黏土巖、薄—中厚層狀石英砂巖夾雜色黏土巖，厚度>90 m；第四系殘坡積(Qel+dl)粉質黏土、碎石土等，厚度0～2.8 m。

2.3 地質構造

該采石場位于官家畈向斜翼部，該向斜軸向NWW，西段在馬龍山揚起，東段被第四系覆蓋；核部由三疊系下統大冶組(T1d)構成，兩翼由泥盆系—二疊系地層構成，北翼傾向SW，傾角40°～80°；南翼傾向NNE，局部NNW向，傾角27°～34°。區內未見有規模的斷裂構造。

2.4 水文地質特征

區內地下水類型為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水兩類。松散巖類孔隙水主要分布于周邊溝谷緩坡地帶，含水介質由第四系殘坡積粉質黏土和碎石土組成，主要來源為大氣降雨入滲補給，富水性弱。碎屑巖類裂隙水主要分布于泥盆系中—上統石英砂巖裂隙中，巖體構造裂隙較發育，裂隙率一般為0.6%～0.8%，為地下水遷移的良好通道，富水性較強，其下伏的志留系中統粉砂巖、泥質粉砂巖及頁巖構成相對隔水巖組。

3 主要礦山地質環境問題

3.1 礦山地質災害

由于早期公墓園區建設已對該采石場露天采坑進行了回填處理，目前回填區地面現狀穩定，未見不良地面變形跡象。該廢棄礦山在治理前主要存在不穩定露天采坑邊坡問題。采坑邊坡平面上呈EW向弧形，剖面上總體呈直線形，走向長131 m，相對高差5～29 m，平均坡角50°(坡頂局部達85°)，坡向15°～22°，斜坡面積3 840 m2，潛在崩滑方量3 204 m3。邊坡類型為巖質邊坡，結構類型為斜向坡，地層巖性為泥盆系中—上統云臺觀組中—厚層狀石英砂巖、石英質礫巖，局部夾黏土巖，產狀82°∠46°，坡頂原始地面殘坡積層碎石土不足0.5 m。該邊坡坡體曾多次發生規模不等的崩滑與落石地質災害，已造成較嚴重的經濟損失，主要危害對象為坡頂公墓、坡下公廁以及道路。

3.2 地形地貌景觀破壞

該采石場經歷二十余年的露天開采和關停后采坑邊坡發生的多次崩滑，造成了嚴重的自然山體植被破壞和水土流失(照片2)，與周邊原有的自然環境形成巨大的視覺反差[10-12],影響了城市整體形象和視覺環境。

照片2 地形地貌景觀破壞現場

3.3 土地資源破壞

區內采礦活動對土地資源的破壞主要表現為露天開采挖損土地，破壞土地類型主要為灌木林地，破壞方式為挖損，破壞面積約6 486.7 m2，破壞程度總體較嚴重。

3.4 含水層破壞

該采石場礦石和廢石不含可溶性有毒有害物質，采礦活動對礦區及周圍水環境影響程度總體較輕。

4 穩定性評價

對礦山進行生態修復前，必須查明采坑邊坡在治理前的穩定性狀況，從而為治理工程方案的選型、工程布置、加固強度與加固參數的確定提供依據[13-14]。

4.1 巖土體物理力學參數及計算標準

根據現場勘測、反演分析與工程類比，綜合確定采坑邊坡巖體及結構面的物理力學參數，如表1所示。

表1 巖體及結構面物理力學參數

計算時選用兩種工況，即工況1：自重；工況2：自重+飽水(20年一遇暴雨)。計算時不考慮地震荷載作用，安全系數取1.30(平面或折線滑動法)。

4.2 破壞模式分析

根據邊坡地形地貌、地層結構與巖性、節理裂隙發育情況以及巖體風化程度等現場地質調查結果來看，各坡段除沿坡體發生局部巖滑、危巖體崩塌與落石地質災害外，還可能沿強風化與中風化巖體接觸面發生滑動破壞。取2—2′、3—3′和4—4′三個典型工程地質剖面(圖1、圖2)進行邊坡穩定性計算，其中2—2′、4—4′剖面可能發生平面滑動破壞模式，3—3′剖面可能發生折線滑動破壞模式。

圖1 2—2′工程地質剖面簡圖

圖2 3—3′工程地質剖面簡圖

4.3 穩定性計算

根據上述破壞模式，2—2′、4—4′剖面采用平面滑動破壞模式計算，其安全系數K的計算公式為：

(1)

式中：H為邊坡高度，m；α為邊坡坡角，(°)；β為結構面傾角，(°)；γ為巖體天然重度，kN/m3；c為結構面黏聚力，kN/m2；φ為結構面內摩擦角，(°)。

3—3′剖面采用傳遞系數法進行穩定性計算，其安全系數K的計算公式為：

(2)

其中:Ri=Wicosθitgφi+CiLi;

Ti=Wisinθi;

Ψj=cos(θi-θi-1)-sin(θi-θi-1)tanφi+1。

式中：Wi為第i條塊重力，kN/m3；Ci為第i條塊滑面黏聚力，kPa；φi為第i條塊滑面內摩擦角，(°)；θi為第i條塊底面傾角，(°)，反傾取負值；Ψj為傳遞系數；Ri為第i條塊抗滑力，kN/m；Ti為第i條塊下滑力，kN/m；Rn為第n計算條塊滑體抗滑力，kN/m;Tn為第n計算條塊滑體下滑力，kN/m;Li為第i條塊滑面長度,m。

根據平面與折線滑動破壞模式計算原理，分別按天然和飽和兩種工況計算各典型剖面的穩定性系數，計算結果見表2。根據穩定性計算結果與現場宏觀地質調查綜合分析，采坑邊坡在天然狀態下總體處于穩定狀態，在飽和狀態下處于欠穩定—不穩定狀態，特別是當坡體后期進一步遭受降雨、風化、卸荷等不良外部環境因素影響時，坡體仍會持續發生局部崩滑與落石等地質災害，同時還可能沿強風化與中風化巖體接觸面發生更大規模的崩滑破壞，其發展趨勢為不穩定，必須進行工程治理。

表2 邊坡穩定性計算結果

5 生態修復方案

5.1 目標、原則與要求

首先消除礦山地質災害安全隱患，同時考慮治理區生態環境的綠化與美化，最終實現保障當地人民生命財產安全、修復采石場生態環境的目的。

本次礦山地質環境生態修復總體遵循因地制宜、標本兼治、環境美觀、經濟合理的原則，將礦山地質災害治理與生態恢復、景觀美化進行有機融合[15-17]。

根據采石場生態修復的總體目標和原則，充分考慮采石場礦山地質環境現狀等，確定如下生態修復方案：削(清)方與筑臺反壓、錨桿植生墻、擋土墻、截(排)水溝、生態綠化與監測(圖3、圖4)等,即①為減小邊坡坡體下滑荷重及修整坡面，按一定坡率對坡體進行削方與坡面整形，并在坡體中部布設一道馬道平臺，再利用削(清)方廢渣對坡腳進行反壓；②沿邊坡坡腳和馬道平臺內側分別布設一道重力式混凝土結構和格賓結構擋土墻，對反壓坡體進行支擋；③為保證坡頂六角亭和圍墻的安全以及降低邊坡綠化的難度，沿邊坡中上部布設兩道錨桿擋土植生墻；④為減輕地表雨水對坡體造成直接沖刷，并引排地面雨水，在坡腳和馬道平臺擋土墻外側分別布設一道混凝土結構和預制U型截(排)水溝，截(排)水溝水流通過坡面跌水、坡腳消力池后引排至市政管網；⑤對削坡整形后邊坡面進行生態綠化，以美化周邊視覺環境；⑥為隨時掌控治理后邊坡體變形發展趨勢與治理效果，預防突發性地質災害發生，采用專業監測與宏觀巡查相結合的監測方案對治理工程進行效果監測。

圖3 生態修復方案平面布置圖

圖4 生態修復方案剖面布置圖

5.2 生態修復方案具體內容

5.2.1削(清)方與筑臺反壓

為盡可能保持礦區“清、削、挖、填”相平衡，對采坑邊坡采用削(清)方與筑臺反壓方案進行工程整治[18]。首先對可能影響施工安全的坡面浮石、松石以及崩滑體等進行清理，然后按1∶1.43的坡率對坡體進行削方與坡面整形，再利用削(清)方廢渣對坡腳進行反壓，反壓坡率為1∶1.73～1∶2.75，同時在反壓體中部高程為45.0～46.1 m位置布設一道馬道平臺，平臺寬度為1.5～2 m。反壓回填土體必須分層鋪設分層碾壓，分層虛鋪厚度≤30 cm，壓實系數≥0.92，反壓回填前必須對坡(地)面浮渣、松土、雜物、植被等全部進行清除，且不得有積水[19-20]。

通過筑臺反壓，有效增強了邊坡的穩定性，降低了邊坡坡度和裸露巖坡高度，不僅較好地解決了削(清)方等廢渣的歸置問題，還降低了工程成本，便于邊坡生態綠化與環境美化。

5.2.2擋土墻工程

為了對反壓坡體進行支擋，沿邊坡坡腳和馬道平臺內側分別布設一道重力式混凝土結構和格賓結構擋土墻。坡腳擋土墻DT1選用重力現澆混凝土結構型式，墻高2.8 m，墻頂寬1.0 m，墻胸坡比1∶0.2，墻背坡比1∶0.1，地面以上出露1.6 m，埋深1.2 m，墻底逆坡坡比0.2∶1，墻趾高40 cm、寬30 cm。馬道平臺內側擋土墻DT2選用重力式格賓擋土墻結構型式，墻高3.0 m，墻頂寬1.5 m，格賓擋墻基礎網箱埋深1.4 m，單元格賓網籠長×寬×高為1.5 m×1.0 m×1.0 m。

根據穩定性驗算結果，各擋土墻抗滑移安全系數>1.3，抗傾覆安全系數>1.5，符合規范[21]要求。

5.2.3錨桿植生墻工程

為保證坡頂公墓園區安全并解決高陡巖坡面生態綠化難題，沿采坑邊坡中上部布設兩道錨桿植生墻，即利用錨桿對中上部不穩定采坑邊坡進行加固，同時利用邊坡錨拉墻和坡面微地形構造有利于生態綠化的“大燕槽”，進而將邊坡加固和生態綠化有機地融合起來。錨桿植生墻(圖5)采用錨拉式現澆鋼筋混凝土墻結構型式，其中錨桿采用全長黏結水泥砂漿錨桿，植生墻由鋼筋混凝土基礎梁和懸臂擋土面板組成，基礎梁和懸臂擋土面板采用C25混凝土分段現澆整體連接，中對中布置。墻體總高度2.5 m，出露墻高1.2 m，埋深1.3 m。基礎梁和懸臂擋土面板均采用矩形斷面，其中基礎梁高×寬為1.3 m×0.8 m，懸臂擋土面板高×寬為1.2 m×0.4 m。錨桿與基礎梁縱筋采用點焊連接，錨桿水平間距2 m，垂直間距1 m，上下排錨桿交錯布置。錨桿采用1根Φ32HRB400鋼筋，布設角15°。

圖5 錨桿植生墻剖面布置圖

根據穩定性驗算結果，加固后的邊坡體在天然和飽和狀態下的穩定系數分別為2.367和1.603，符合規范[21]要求。

5.2.4截(排)水溝工程

為減輕雨水對坡體的直接沖刷并引排地面雨水，在坡腳和馬道平臺擋土墻外側分別布設一道混凝土結構和預制U型截(排)水溝，截(排)水溝水流通過坡面跌水、坡腳消力池后引排至市政管網。根據治理區降雨強度和匯水面積經水力計算，在坡腳擋土墻外側設置一道現澆混凝土結構排水溝PS1，過水凈斷面寬×高為0.3 m×0.4 m，壁厚0.25 m,底厚0.3 m；在馬道平臺擋土墻外側設置一道預制U型排水溝PS2，槽體凈斷面寬0.54 m，溝深0.45 m，溝壁厚5 cm，單塊長度0.5 m。排水溝PS2攔截地表水后通過跌水溝引至坡腳消力池，再通過排水溝PS3引至市政管網。排水溝PS3采用帶蓋板現澆混凝土結構排水溝，過水凈斷面寬×高為0.4 m×0.5 m，壁厚0.25 m,底厚0.3 m。各截(排)水溝溝底坡度≥0.5%。

5.2.5生態綠化工程

生態綠化工程采用以垂直綠化為主的生態修復技術，選擇以低矮灌木、地被植物和攀緣植物為主的植物，實施“土工格室客土鋪草皮+孤植景觀樹+攀緣植物上爬下垂+條植綠化帶”綠化方案。

(1)植草。由于采坑邊坡東西段削方區為巖質坡面，不僅土壤貧瘠、保水性差，而且邊坡坡度較大，若直接覆耕植土易遭受雨水沖刷，且對邊坡長期穩定性不利，難以達到理想的固坡和綠化效果。因此，為保證植物成活率并達到長期綠化效果，在鋪設草皮前首先鋪設土工格室并客填耕植土，耕植土填實度以澆水后不沉陷為宜。土工格室類型為壓花、打孔型，格室高8 cm，焊接間距40 cm，展開尺寸4.5 m×5.0 m。土工格室采用長度≥30 cm U型釘固定，U型釘平均每2.0 m2坡面至少布設1根。土工格室鋪設后，采用人工客填由黏性土、泥炭土及復合肥混合拌制而成的耕植土，然后人工鋪設草皮。對邊坡中段填方反壓坡面整形后，直接覆30 cm耕植土鋪設草皮。

(2)植樹。對馬道平臺穴植兩排喬木，根據治理區氣候與土壤條件等，喬木樹種選用紅葉石楠、香樟樹或生命力旺盛的鄉土喬木樹種，株距2 m，排距1.6 m，交錯栽植，胸徑6 cm。對鋪草皮區域孤植景觀樹，樹種選用桂花、女貞或生命力旺盛的鄉土灌木樹種，株距4 m，排距4 m，交錯栽植，冠徑1 m。喬、灌木采用坑穴法栽植方式，坑穴直徑60 cm，深度60 cm。

(3)攀緣性植物。在各擋土墻頂部條植兩排藤本下垂植物，根據治理區氣候與土壤條件等，攀緣性植物選用野迎春、常春藤、凌霄或生命力旺盛的鄉土藤本植物。采用條行穴法，株距0.3 m，排距0.2 m，嚴禁扦插種植。

(4)綠籬帶。為美化治理區環境，在坡腳擋土墻植生槽內布設一條綠化景觀帶。苗木選用法國冬青、紅葉石楠、女貞等灌木景觀樹種。綠化帶采用條行穴法，株高1 m，株距0.3 m，排距0.2 m，交錯栽植。

(5)綠化養護。根據場區地形地貌與養護水源條件等，采用噴灌養護方案，該養護方案具有節水、保土和高效等優點。養護水源使用園區內生活用水，利用供水管直接從園區內公廁引水至消力池，消力池兼蓄水池，然后利用潛水泵連接養護系統，對植物進行噴灌養護。

5.2.6監測工程

為隨時掌控治理后邊坡體變形發展趨勢與治理效果，預防突發性地質災害發生，采用專業監測與宏觀巡查相結合的監測方案對露天采坑巖質高邊坡、坡(地)面開裂、各類支擋結構、地面生態植被成活情況進行監測。根據治理區監測對象分布以及地形地貌與周邊環境通視條件等，共布設監測墩7個，其中基準墩2個、變形監測網點5個。

5.3 生態修復效果

該廢棄采石場按照生態修復方案順利實施后，經近一個水文年的效果監測與檢驗，發現生態修復效果良好(照片3)。此次礦山生態修復不僅有效地消除了礦山地質災害安全隱患，而且有效地恢復了礦區生態植被，特別是高陡巖坡立面綠化效果良好，植物存活率高，極大地改善了礦區環境視覺效果。

照片3 礦山生態修復效果

6 結論

(1)通過現場調查與勘測，查明該廢棄露天采石場主要存在礦山地質災害、地形地貌景觀破壞、土地資源破壞等礦山地質環境問題。

(2)針對礦山地質環境問題現狀與周邊環境狀態，深入研究并確定了“削(清)方與筑臺反壓+錨桿植生墻+擋土墻+截(排)水溝+生態綠化+監測”的生態修復方案。

(3)通過生態修復方案的具體實施，不僅有效地消除了礦山地質災害安全隱患，而且取得了良好的生態修復效果，特別是筑臺反壓、錨桿植生墻相結合的地質災害治理與生態綠化模式，可為同類礦山生態修復所借鑒。