施燦海，常 普，尚大奎，李 旅，孫高月

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051； 2.昭通市生態(tài)環(huán)境局鎮(zhèn)雄分局，云南 鎮(zhèn)雄 657200)

0 引 言

境內(nèi)硫磺冶煉始于20世紀(jì)50年代，由于當(dāng)時(shí)煉硫工藝落后，硫磺的回收率約30 %，產(chǎn)生大量含硫及含重金屬?gòu)U渣，加之環(huán)境意識(shí)淡薄、環(huán)境監(jiān)管不到位等原因，導(dǎo)致硫磺冶煉廢渣大面積、分散、露天堆放。當(dāng)?shù)卣m強(qiáng)行取締了土法煉硫，上千座“石灰窯”式土法煉硫爐窯全面關(guān)閉，結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)40多年的土法煉硫歷史，但項(xiàng)目區(qū)大小山頭，卻留下密密麻麻的敞口式煉硫爐殘?bào)w、煉硫廢渣筑起的一座座“沙漠”式山嶺。從2012年起著手磺區(qū)生態(tài)環(huán)境治理至今，各級(jí)政府正在有序?qū)嵤﹨^(qū)域內(nèi)歷史遺留廢渣點(diǎn)位的風(fēng)險(xiǎn)管控和生態(tài)修復(fù)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，人工堆積廢渣陡坡生態(tài)路徑的選擇成為了難點(diǎn)。

客土噴播技術(shù)常應(yīng)用于公路、水利、礦山治理等工程邊坡治理和生態(tài)復(fù)綠，主要應(yīng)用范圍為巖質(zhì)或土質(zhì)邊坡，尤其是巖質(zhì)高陡邊坡的技術(shù)研究受到了諸多學(xué)者的關(guān)注，并取得了顯著的工程治理效果和生態(tài)修復(fù)效益。高次團(tuán)粒噴播材料、不同基質(zhì)層的穩(wěn)定性等問題等近年來成為研究熱點(diǎn)，但對(duì)于工業(yè)固廢人工堆積陡坡的研究鮮有文獻(xiàn)。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(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，嘗試對(duì)廢渣陡坡生態(tài)修復(fù)路徑進(jìn)行選擇和工程實(shí)踐。項(xiàng)目實(shí)施過程中，采用了適用于歷史遺留硫磺冶煉廢渣陡坡生態(tài)修復(fù)的掛網(wǎng)噴播方式，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管控的同時(shí)，獲得了顯著的生態(tài)修復(fù)效果，區(qū)域內(nèi)屬首次應(yīng)用。

根據(jù)項(xiàng)目前期開展的廢渣固廢類別、土壤、地表水等環(huán)境調(diào)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(fēng)險(xiǎn)管控，工程周期短、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小、費(fèi)用低、能實(shí)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)可控、有效控制污染物遷移和對(duì)周邊環(huán)境潛在的污染，且改善景觀。

1 廢渣物理力學(xué)指標(biāo)

該項(xiàng)目實(shí)施前，開展了有針對(duì)性的巖土工程詳細(xì)勘察，查明歷史遺留廢渣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。具體試驗(yàn)結(jié)果和指標(biāo)見表1、表2。

表1 廢渣重型擊實(shí)試驗(yàn)成果表Tab.1 Results of heavy compaction test of the waste

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

根據(jù)巖土工程實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將廢渣含水量、密度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)繪制三維關(guān)系，見圖1。

圖1 廢渣含水量、密度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship of water content，density and shear strength parameters of the waste

據(jù)圖1顯示，廢渣在密度接近最大干密度，含水量接近最優(yōu)含水量的時(shí)候，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)能取大值，反之，應(yīng)取小值。鑒于項(xiàng)目地處于半濕潤(rùn)區(qū)，降水充沛，廢渣不可能長(zhǎng)期處于最優(yōu)含水量狀態(tài)。因此，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，廢渣的黏聚力取40 kPa，內(nèi)摩擦角取24.0°，密度取1.95 g/cm3。

2 邊坡穩(wěn)定

2.1 計(jì)算方法

充分考慮生態(tài)修復(fù)工程特點(diǎn)，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件結(jié)合項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告中提供水位資料和各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)，并根據(jù)場(chǎng)地所處場(chǎng)地地震設(shè)防烈度等級(jí)，采用簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行了現(xiàn)狀廢渣堆積邊坡抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算分析。

2.2 堆積邊坡等級(jí)

參照《冶金礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB51119—2015)要求，并結(jié)合生態(tài)修復(fù)工程周邊環(huán)境條件，按二級(jí)排土場(chǎng)要求進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算。

2.3 計(jì)算斷面選擇

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

2.4 計(jì)算工況和安全系數(shù)

邊坡抗滑穩(wěn)定的計(jì)算工況和各工況邊坡安全系數(shù)應(yīng)按表3確定。

表3 邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況及安全系數(shù)表Tab.3 Conditions and safety factors for the slope’s anti-sliding stability calculation

2.5 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

場(chǎng)地類別屬Ⅱ類建筑場(chǎng)地，其場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，對(duì)應(yīng)設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。廢渣堆積邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4，計(jì)算成果見圖2。

表4 現(xiàn)狀廢渣堆積不同工況下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表Tab.4 Stability calculations of current waste accumulation in different working conditions

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

經(jīng)計(jì)算，生態(tài)修復(fù)工程選擇計(jì)算剖面計(jì)算安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求最小值，廢渣堆積邊坡總體上是穩(wěn)定和安全的。對(duì)該點(diǎn)位處置點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控以后，經(jīng)過周邊截洪排水、場(chǎng)地整平、地表阻隔、生態(tài)恢復(fù)等工程，在實(shí)現(xiàn)處置點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)管控的同時(shí)，滿足邊坡安全的要求。

3 陡坡生態(tài)修復(fù)路徑

根據(jù)查明的河道歷史最高洪水位，設(shè)置臨河擋墻，頂標(biāo)高安全超高1.5 m。廢渣臨河一側(cè)采取“截洪+掛網(wǎng)+噴播植草”的處置方式，防止雨水及河水對(duì)廢渣的沖刷，降低廢渣流失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在施工完成擋墻的基礎(chǔ)上，對(duì)臨河一側(cè)歷史遺留硫磺冶煉廢渣堆積邊坡進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。施工技術(shù)路線詳見圖3。

圖3 施工技術(shù)路線圖Fig.3 Construction technology roadmap

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前需在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置安全防護(hù)區(qū)及施工標(biāo)志，施工現(xiàn)場(chǎng)附近禁止行人通過，同時(shí)嚴(yán)格按照安全操作規(guī)范要求，選擇安全防護(hù)措施，從邊坡頂部設(shè)置下懸繩索系安全帶施工。現(xiàn)場(chǎng)施工人員佩戴安全帽及必要?jiǎng)诒Ｓ镁摺?/p>

3.2 邊坡處理

(1)清坡。人工對(duì)邊坡進(jìn)行清理，主要包括坡面的松散石塊及雜物，使需進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的陡坡坡面平整，清除松散體。一方面確保施工過中設(shè)備及人員安全，另一方面為混合土的噴射提供一個(gè)穩(wěn)定的基質(zhì)層。若發(fā)現(xiàn)坡面有滲水，可設(shè)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(shè)置，根據(jù)項(xiàng)目匯水面積內(nèi)的水文計(jì)算結(jié)果及水力驗(yàn)算，截水溝采用C25毛石砼結(jié)構(gòu)，矩形，過水?dāng)嗝鎎×h=0.6 m×0.8 m。

3.3 鍍鋅網(wǎng)鋪設(shè)及固定

(1)鋪網(wǎng)。按照孔為6 cm×6 cm的14#鍍鋅菱形鐵絲網(wǎng)對(duì)坡面進(jìn)行鋪設(shè)，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鋪設(shè)范圍對(duì)長(zhǎng)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(duì)坡面鋪設(shè)，鍍鋅鐵絲網(wǎng)拼接寬度不低于10 cm，鋪設(shè)的網(wǎng)面需要離坡面有一定的距離，留4～6 cm的間隙。鍍鋅鐵網(wǎng)編織結(jié)構(gòu)及連接見圖4。

圖4 鍍鋅鐵網(wǎng)編織結(jié)構(gòu)及連接圖Fig.4 Weaving structure and connection of the galvanized iron mesh

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

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

(3)覆土。在鋪設(shè)網(wǎng)與廢渣堆積面的空隙之間填入合適植物生長(zhǎng)的種植土，但覆土不可超過網(wǎng)面。

3.4 噴射混合土

完成施工準(zhǔn)備、邊坡處理和鍍鋅網(wǎng)鋪設(shè)后，方可進(jìn)行噴射混合土作業(yè)：①植物纖維、微生物菌肥、保水劑、泥炭土、緩釋復(fù)合肥、固結(jié)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(jī)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(wǎng)上。噴射分2次進(jìn)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(dá)到一定強(qiáng)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(shí)際噴射混合材料平均厚度不低于6～7 cm。

3.5 營(yíng)養(yǎng)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(jié)劑、緩釋復(fù)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(diǎn)播灌木為刺梨，陡坡生態(tài)修復(fù)見圖6。

圖6 陡坡生態(tài)修復(fù)大樣圖Fig.6 Detail of ecological restoration of steep slope

3.6 復(fù)綠后養(yǎng)護(hù)

(1)在養(yǎng)護(hù)期間，需保持坡面濕潤(rùn)至植被全滿、齊苗；

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

(3)竣工后1—3月，全面檢查噴播植物生長(zhǎng)的情況，對(duì)于生長(zhǎng)明顯不均勻的部位應(yīng)予以補(bǔ)栽處理；

(4)養(yǎng)護(hù)過程中定期進(jìn)行施肥、病蟲害防治等，保持植物良好的生長(zhǎng)狀態(tài)。

廢渣臨河一側(cè)采取“截洪+掛網(wǎng)+噴播植物”的處置方式，實(shí)現(xiàn)了廢渣風(fēng)險(xiǎn)管控的同時(shí)，在磺區(qū)治理過程中取得了突出的生態(tài)復(fù)綠效果，實(shí)施前(a)、中(b)、后(c)對(duì)比見圖7。

(a)

(b)

(c)圖7 陡坡生態(tài)修復(fù)效果對(duì)比圖Fig.7 Comparison of ecological restoration effect of steep slopes

4 結(jié) 語

(1)通過“截洪+掛網(wǎng)+噴播植物”對(duì)歷史遺留硫磺冶煉廢渣陡坡進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，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(tài)修復(fù)效果。

(2)對(duì)于陡坡生態(tài)修復(fù)，需要開展有針對(duì)性的巖土工程勘察，查明各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)并進(jìn)行堆積邊坡穩(wěn)定計(jì)算，是路徑選擇的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

(3)歷史遺留硫磺冶煉廢渣陡坡生態(tài)修復(fù)路徑選擇，需遵循“因地制宜，優(yōu)化設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)施工”的原則。

(4)生態(tài)修復(fù)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(jié)合、固氮能力、根系發(fā)育等因素，確保工程實(shí)施后植被形成群落，良好生長(zhǎng)。