張 朝，楊 濤*，沈 銘，李 喜

(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復是中國生態(tài)文明建設的重要領域。廢棄露天采石場往往存在易產(chǎn)生崩滑地質(zhì)災害的高陡巖質(zhì)邊坡，且植生立地條件差，已成為當前礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)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(tài)修復工作，有大量學者展開了研究，宋衛(wèi)[5]提出坡面整形+回填+覆種植土+栽植植物的廢棄礦山生態(tài)修復方案；林國評[6]提出針對高陡巖質(zhì)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(tài)修復；甘柯等[7]針對礦山高陡巖質(zhì)邊坡提出坡面清理+掛網(wǎng)噴播綠化+坡面種植槽綠化工程等綜合治理措施。綜合國內(nèi)外研究成果認為，目前對廢棄露天采石場生態(tài)修復領域主要存在礦山地質(zhì)災害治理與生態(tài)修復有機結合不夠、高陡硬質(zhì)巖坡長期生態(tài)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(zhì)環(huán)境問題及采坑邊坡穩(wěn)定性，并以消除礦山地質(zhì)災害安全隱患、修復已損毀的地表生態(tài)植被和美化視覺環(huán)境為總目標，提出合理的生態(tài)修復方案。通過工程實施，取得了良好的生態(tài)修復效果，其集地質(zhì)災害治理與生態(tài)植被恢復為一體的生態(tài)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(cè)山體處，其南、北兩側(cè)分別緊鄰某公墓園區(qū)和城市主干道，坡底為公墓園區(qū)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(jù)現(xiàn)場調(diào)查，受卸荷、風化、降雨等不良外部環(huán)境因素影響，該采石場邊坡曾多次發(fā)生規(guī)模不等的崩滑與落石等地質(zhì)災害，并造成坡底建筑物和西側(cè)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(huán)境，因此對其開展生態(tài)修復是十分必要的。

2 地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

區(qū)內(nèi)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(tǒng)墳頭組(S2f)灰黃—黃綠色薄—中層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及頁巖，厚度>150 m；泥盆系中—上統(tǒng)云臺觀組(D2-3y)灰白微帶肉紅色中—厚層狀石英質(zhì)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(zhì)黏土、碎石土等，厚度0～2.8 m。

2.3 地質(zhì)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(tǒng)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(qū)內(nèi)未見有規(guī)模的斷裂構造。

2.4 水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)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(zhì)由第四系殘坡積粉質(zhì)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(tǒng)石英砂巖裂隙中，巖體構造裂隙較發(fā)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(tǒng)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及頁巖構成相對隔水巖組。

3 主要礦山地質(zhì)環(huán)境問題

3.1 礦山地質(zhì)災害

由于早期公墓園區(qū)建設已對該采石場露天采坑進行了回填處理，目前回填區(qū)地面現(xiàn)狀穩(wěn)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(wěn)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(zhì)邊坡，結構類型為斜向坡，地層巖性為泥盆系中—上統(tǒng)云臺觀組中—厚層狀石英砂巖、石英質(zhì)礫巖，局部夾黏土巖，產(chǎn)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(fā)生規(guī)模不等的崩滑與落石地質(zhì)災害，已造成較嚴重的經(jīng)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(jīng)歷二十余年的露天開采和關停后采坑邊坡發(fā)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(huán)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(huán)境。

照片2 地形地貌景觀破壞現(xiàn)場

3.3 土地資源破壞

區(qū)內(nèi)采礦活動對土地資源的破壞主要表現(xiàn)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(zhì)，采礦活動對礦區(qū)及周圍水環(huán)境影響程度總體較輕。

4 穩(wěn)定性評價

對礦山進行生態(tài)修復前，必須查明采坑邊坡在治理前的穩(wěn)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(shù)的確定提供依據(jù)[13-14]。

4.1 巖土體物理力學參數(shù)及計算標準

根據(jù)現(xiàn)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(shù)，如表1所示。

表1 巖體及結構面物理力學參數(shù)

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(shù)取1.30(平面或折線滑動法)。

4.2 破壞模式分析

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

圖1 2—2′工程地質(zhì)剖面簡圖

圖2 3—3′工程地質(zhì)剖面簡圖

4.3 穩(wěn)定性計算

根據(jù)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(shù)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(nèi)摩擦角，(°)。

3—3′剖面采用傳遞系數(shù)法進行穩(wěn)定性計算，其安全系數(shù)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(nèi)摩擦角，(°)；θi為第i條塊底面傾角，(°)，反傾取負值；Ψj為傳遞系數(shù)；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(jù)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(wěn)定性系數(shù)，計算結果見表2。根據(jù)穩(wěn)定性計算結果與現(xiàn)場宏觀地質(zhì)調(diào)查綜合分析，采坑邊坡在天然狀態(tài)下總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，在飽和狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)，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(huán)境因素影響時，坡體仍會持續(xù)發(fā)生局部崩滑與落石等地質(zhì)災害，同時還可能沿強風化與中風化巖體接觸面發(fā)生更大規(guī)模的崩滑破壞，其發(fā)展趨勢為不穩(wěn)定，必須進行工程治理。

表2 邊坡穩(wěn)定性計算結果

5 生態(tài)修復方案

5.1 目標、原則與要求

首先消除礦山地質(zhì)災害安全隱患，同時考慮治理區(qū)生態(tài)環(huán)境的綠化與美化，最終實現(xiàn)保障當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全、修復采石場生態(tài)環(huán)境的目的。

本次礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)修復總體遵循因地制宜、標本兼治、環(huán)境美觀、經(jīng)濟合理的原則，將礦山地質(zhì)災害治理與生態(tài)恢復、景觀美化進行有機融合[15-17]。

根據(jù)采石場生態(tài)修復的總體目標和原則，充分考慮采石場礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀等，確定如下生態(tài)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(tài)綠化與監(jiān)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(nèi)側(cè)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(cè)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(wǎng)；⑤對削坡整形后邊坡面進行生態(tài)綠化，以美化周邊視覺環(huán)境；⑥為隨時掌控治理后邊坡體變形發(fā)展趨勢與治理效果，預防突發(fā)性地質(zhì)災害發(fā)生，采用專業(yè)監(jiān)測與宏觀巡查相結合的監(jiān)測方案對治理工程進行效果監(jiān)測。

圖3 生態(tài)修復方案平面布置圖

圖4 生態(tài)修復方案剖面布置圖

5.2 生態(tài)修復方案具體內(nèi)容

5.2.1削(清)方與筑臺反壓

為盡可能保持礦區(qū)“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(shù)≥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(wěn)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(tài)綠化與環(huán)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(nèi)側(cè)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(xiàn)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(nèi)側(cè)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(wǎng)箱埋深1.4 m，單元格賓網(wǎng)籠長×寬×高為1.5 m×1.0 m×1.0 m。

根據(jù)穩(wěn)定性驗算結果，各擋土墻抗滑移安全系數(shù)>1.3，抗傾覆安全系數(shù)>1.5，符合規(guī)范[21]要求。

5.2.3錨桿植生墻工程

為保證坡頂公墓園區(qū)安全并解決高陡巖坡面生態(tài)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(wěn)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(tài)綠化的“大燕槽”，進而將邊坡加固和生態(tài)綠化有機地融合起來。錨桿植生墻(圖5)采用錨拉式現(xiàn)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(xiàn)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?；A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(jù)穩(wěn)定性驗算結果，加固后的邊坡體在天然和飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)分別為2.367和1.603，符合規(guī)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(cè)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(wǎng)。根據(jù)治理區(qū)降雨強度和匯水面積經(jīng)水力計算，在坡腳擋土墻外側(cè)設置一道現(xiàn)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(cè)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(wǎng)。排水溝PS3采用帶蓋板現(xiàn)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(tài)綠化工程

生態(tài)綠化工程采用以垂直綠化為主的生態(tài)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(qū)為巖質(zhì)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(wěn)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(jù)治理區(qū)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(xiāng)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(qū)域孤植景觀樹，樹種選用桂花、女貞或生命力旺盛的鄉(xiāng)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(jù)治理區(qū)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(xiāng)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(qū)環(huán)境，在坡腳擋土墻植生槽內(nèi)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(yǎng)護。根據(jù)場區(qū)地形地貌與養(yǎng)護水源條件等，采用噴灌養(yǎng)護方案，該養(yǎng)護方案具有節(jié)水、保土和高效等優(yōu)點。養(yǎng)護水源使用園區(qū)內(nèi)生活用水，利用供水管直接從園區(qū)內(nèi)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(yǎng)護系統(tǒng)，對植物進行噴灌養(yǎng)護。

5.2.6監(jiān)測工程

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

5.3 生態(tài)修復效果

該廢棄采石場按照生態(tài)修復方案順利實施后，經(jīng)近一個水文年的效果監(jiān)測與檢驗，發(fā)現(xiàn)生態(tài)修復效果良好(照片3)。此次礦山生態(tài)修復不僅有效地消除了礦山地質(zhì)災害安全隱患，而且有效地恢復了礦區(qū)生態(tài)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(qū)環(huán)境視覺效果。

照片3 礦山生態(tài)修復效果

6 結論

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

(2)針對礦山地質(zhì)環(huán)境問題現(xiàn)狀與周邊環(huán)境狀態(tài)，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(tài)綠化+監(jiān)測”的生態(tài)修復方案。

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