花岗岩采石场高陡硬质岩壁复绿难点及对策

邹 浩, 王章琼, 陈金国, 陈 兵

(1.湖北省地质局 第三地质大队,湖北 黄冈 438000; 2.武汉工程大学 土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430073)

湖北省黄冈市拥有丰富的花岗岩资源,主要分布于黄梅、蕲春、麻城、团风、浠水等县市,面积约1 000 km2。近几十年来,随着社会对各种建筑材料需求的持续增加,当地先后出现了数百座规模不等的采石场。由于早期采石场施工技术缺乏规范性以及大规模的透支性开采,使得原生植被、生态环境和地形地貌景观遭到严重破坏,引发了一系列地质环境问题,亟待进行治理[1-4],而生态复绿是地质环境恢复的重要内容[5]。

针对采石场生态复绿问题,有学者开展了大量研究,取得了丰硕成果。宋晖[6]运用挂网喷播生态复绿技术对某采石场进行边坡复绿,但该技术仅适用于小面积实验性应用;杨志雄等[7]针对采石场边坡的具体条件,提出了阶梯法、板槽法、燕巢法、喷植法、覆土法、框架法、点穴法等复绿技术;张波[8]采用“类壤土基质”喷播技术开展矿山植被恢复,但该技术主要适用于坡度≤73°的各类边坡;李辉[9]提出采用植被混凝土对灰岩群采区岩质高陡边坡进行绿化;李成[10]指出,石灰岩采场高陡边坡可采用绿化砼喷播、坡面爆破客土栽植等技术进行复绿。黄冈地区花岗岩采石场边坡为近直立且表面光滑的硬质花岗岩壁,与上述研究所涉及的矿山有显著差异,具体表现为更高陡、更硬、表面更光滑,这大大增加了复绿难度,因此有必要对该类矿山的复绿方法开展深入研究。

1 花岗岩采石场矿山特点

1.1 岩石裸露面积大

采石场矿山以露天开采为主,工作面较大,由于长期过度开采,往往形成巨大的露天矿场,矿区绿色植被遭到严重破坏,致使大面积基岩裸露(图1)。这不仅破坏生态环境,影响自然景观,还加快山体风化,为地质灾害的发生埋下隐患。

图1 某采石场矿山航拍图片Fig.1 Aerial photographs of a quarry mine

1.2 岩壁坚硬、高陡、光滑

采石场山体岩体完整性好,开采的岩体为坚硬且未风化的花岗岩。开采过程中经大型机械切割后,基岩形成了光滑的岩壁,岩壁倾角约85°,近直立(图2)。经现场调查统计,黄冈市花岗岩采石场岩壁高度多为20～50 m,最高达70余米。植被种子及有机质难以在岩壁上附着,因此采石场废弃多年后仍鲜有植被生长。

图2 某采石场矿山全景Fig.2 Panorama of a quarry mine

1.3 土壤资源匮乏

花岗岩采石场山体第四系覆盖层较薄,厚度约10～30 cm,主要为花岗岩风化后形成的残积物,颗粒成分以粗砂、中砂为主,透水性较好,有机质含量低。该类覆盖层持水能力弱,肥力差,不适宜于植物生长。此外,矿山开采过程中排放大量废石堆集于采石场附近,导致矿区土壤结构遭受严重破坏,加剧了水土流失,植被难以生存。

1.4 水资源匮乏

尽管黄冈地区雨量充沛,当地年平均降雨量约1 300 mm,且采石场周围往往发育有季节性溪流。但由于长期开采,形成大面积表面光滑的裸露花岗岩,矿区内既无植被、土壤能够截留储存自然降雨,雨水又难以通过完整岩体下渗,导致大气降水大多成为地表径流排泄,难以储存大量水源满足植被生长需要。

2 花岗岩采石场复绿难点分析

2.1 基质稀缺

采石场原有山体第四系覆盖层在开采前被剥离,经地表径流冲刷后流失。矿区平坦场地多为废石料堆积场,地表土壤被占压。矿区及周边以低山—丘陵地貌为主,山麓及低洼平坦处多为耕地,耕地资源稀缺,且土壤保水性差。如开展生态复绿,须依靠外来土壤弥补复绿基质质量和数量上的不足,这在一定程度上增大了复绿难度,也提高了工程造价。

2.2 自然环境恶劣

无论采用何种植物进行采石场复绿,都需要满足植物生长所必须的环境条件,即土壤、水分、光照和适宜的温度等。如前文所述,矿区土壤及水资源匮乏,岩壁上根本不存在土壤,也无法涵养植物生长所需的水分。更为重要的是,大面积裸露的岩壁,在夏季受到烈日的曝晒后温度极高,据2018年7—8月在某采石场现场实测,最高温可达到60～70 ℃。如直接在岩壁上种植植物,不仅会使种植基质中水分快速蒸发,还会灼伤植物细嫩的枝叶,导致植株干枯死亡。某废弃十余年的采石场,岩壁上几乎未见植物,即是很好的说明(图3)。

图3 某采石场矿山岩壁Fig.3 Rockwall of a quarry mine

2.3 施工难度大

采石场生产过程中是自上而下进行,机械切割岩石每次深度约1 m,连续切割一定深度后留下宽2～5 m的作业平台,上下级作业平台之间高差10～30 m不等,由此形成了若干级岩壁。如在岩壁上开展复绿工程作业,因岩壁高陡、光滑,搭建临时施工平台的难度大且成本高。

此外,采石场矿山多位于山腰以上,运营期间修建的临时运输便道未经硬化,宽度3～5 m不等,经过重载运输车辆长期碾压后严重破损,大型施工设备及材料难以运输。

2.4 植物攀爬难度大

不同类型的采石场,其生产过程中采用的开挖方法不同,主要有爆破、机械开凿、机械切割等。其中,爆破和机械开凿形成的岩石壁面粗糙,且裂隙较多,有利于攀爬植物根系附着;而花岗岩采石场生产过程中均采用机械切割,形成的壁面十分光滑,且近垂直,攀爬植物的藤蔓、根系几乎无法附着,这极大地增加了矿山复绿的难度。

3 常用复绿方法及其在花岗岩采石场中的局限性

生态复绿是矿山地质环境恢复治理的重要方面,工程技术人员在以往的复绿实践中,结合不同类型矿山特点,探索出一系列技术方法,取得了良好效果。但这些方法都有一定的适应条件,具体分析如下:

3.1 阶梯法

阶梯法又称台阶法,是利用矿山开采过程中形成的台阶种植植物,采取乔木、灌木、藤本植物混种的方式实现绿化。阶梯法是目前应用最广、技术最成熟的复绿方式,适用于陡峭地形。然而花岗岩采石场上下相邻岩壁之间落差过大,一般在10 m以上,乔木、灌木生长速度较慢,短期内很难达到复绿效果。且各级平台均为完整、坚硬的微风化花岗岩,乔木、灌木根系难以向下生长,其存活率和抗倾覆能力无法保证。因此,若采用台阶法对花岗岩高陡岩壁进行复绿,藤本植物是最佳植物类型。

3.2 喷播复绿法

喷播复绿是将种子、基质、粘合剂等混合物通过高压泵机喷射到岩石表面,形成喷播层,植物种子在喷播层中萌发并生长。喷播复绿法施工效率较高,可实现快速绿化,在公路边坡、矿山边坡绿化中得到广泛应用。该方法一般适用于缓坡,对于稍陡的边坡(坡度约45°～60°)则需挂金属网,以增强喷播层的附着力。花岗岩采石场壁面近直立,即便在岩壁上挂金属网,喷播层也很难附着。且绝大多数壁面高度均超过10 m,现场喷射操作难度大、危险性高。因此,该方法不适宜。

3.3 飘台法

飘台法是指在岩壁上钻孔,插入金属构件后向孔内灌浆,以金属构件为支撑点,在岩壁表面架起各种形状的容器,即为飘台,在容器中添加基质材料后可种植植物,通过植物的茎叶覆盖坡面,以达到坡面整体绿化的目的。飘台法适用于极陡、平滑的岩壁,但对于10 m以上的高陡岩壁而言,因搭建施工平台难度大、成本高,导致其效果受到一定影响。

3.4 燕巢法、鱼鳞穴法

燕巢法和鱼鳞穴法是利用开采过程中石壁上留下的小平台、石窝、石缝,或经人工开凿、定向爆破形成洞穴等,在其中回填基质并种植植物,以达到复绿效果。上述方法适用于壁面凹凸不平、节理裂隙发育、岩石相对软弱的山体。花岗岩采石场高陡岩壁表面光滑,无石窝、石缝,通过人工开凿、爆破等方式制造洞穴的难度较大,因而该方法也不适宜。

3.5 框架法

框架法是指在坡面上用砖、石砌筑或现浇钢筋混凝土结构,形成不同形状的框架,框架结构可以稳固坡体,在框架中回填土体,可以种植灌木、草本植物等。框架法集边坡防护与绿化为一体,在高速公路及建筑边坡中得到广泛应用。该方法可用于缓坡和一般陡坡,但对于近直立的陡坡并不合适。一方面,框架结构施工难度大,造价相对较高,且须与坡体紧密连接,增加了技术复杂程度;另一方面,植物生长基质如何在近直立的框架中有效附着,也是不易解决的问题。

由上述分析可知,目前常用的复绿方法中,喷播、飘台、燕巢、鱼鳞穴、框架等均不适合于花岗岩采石场陡壁的复绿。阶梯法的适用条件与本文所述花岗岩高陡硬壁最为接近,可考虑在阶梯法基础上,吸收其他复绿方法的优势,进行适当调整和改良,以达到最佳效果。

4 陡壁硬岩矿山复绿措施建议

由上述分析可知,因花岗岩采石场矿山几何形态、环境等方面的独特性,给复绿工作带来较大困难,目前常用的复绿方法在该类矿山中难以达到理想效果。笔者结合该类矿山特点,以及不同植物的生长特性,提出以下复绿措施建议。

4.1 复绿植物的选择

针对岩壁高陡光滑、自然环境恶劣等特点,宜选择抗逆性、攀爬能力均较强的乡土先锋植物,且该植物不对周围既有植物构成威胁。具体应满足以下原则:①选择木质藤本植物,考虑到绿化的长期性,宜选择木质藤本植物;②选择抗性强的乡土植物,能够耐干旱、耐贫瘠、耐高温、耐强光照或阴湿,并具备一定的抵御极端气候因子变化的能力;③生长速度快,能较快地覆盖石壁坡面;④攀附能力强,具有发达的吸盘、气生根或卷须等攀援器官;⑤保证石壁复绿后与周边自然环境的协调,并使其具有一定的观赏性。基于以上要求,可选择爬山虎、常春油麻藤等作为复绿植物。

4.2 上爬下挂立体绿化

高陡岩壁复绿的主体植物是爬藤植物,因台阶高度过大,采取单一的植物攀爬复绿方式速度缓慢。根据近年来城市建筑中立体绿化的原理[11],为了提高复绿效率,可充分利用开采平台的空间,采取上爬下挂的立体绿化模式,即在某一级平台上分别种植上爬植物以及下挂植物,上爬植物种植在平台内侧(靠近上一级壁面的一侧),便于向上一级壁面攀爬,下挂植物种子在平台外侧(靠近下一级壁面的一侧),便于向下一级壁面垂吊(图4)。根据爬藤类植物生长特性,下挂植物可以选择金银花、凌霄、蔷薇、紫藤等。

图4 上爬下挂立体绿化示意图Fig.4 Greening schematic map of climb up and hang down the three-dimensional

种植槽采用浆砌块石,充分利用采场堆积的废石料,既可以降低工程造价,又能在一定程度上解决废石压占土地问题,实现废弃物的资源化利用。

4.3 植物攀爬辅助措施

尽管爬山虎一类藤本植物具有极强的攀附能力,但能否牢固吸附光滑岩壁尚有待进一步考察;同时,吸附在岩壁上的爬藤植物还要受到自然风等外部荷载的威胁。为提高植物攀爬效率、增强植物附着的可靠性,宜在壁面增设金属网或金属线等,以辅助植物攀爬。

4.4 壁面降温

为避免夏季持续高温天气时岩壁温度过高,导致附着在其上的爬藤植物受烘烤后干枯死亡,可在地势高处修建若干蓄水池,蓄积自然降雨。采用PVC塑料管将水引至坡顶,通过水阀控制水流量,让水在壁面缓慢流淌,并自上而下逐渐覆盖壁面,从而起到降低壁面温度的作用。同时,水流还可以被爬藤植物的气生根吸收,起到缓解干旱的作用。

4.5 基质保水续肥

因采石场矿山大多较偏远,开展日常维护工作难度大、成本高,考虑到矿区内干旱缺水,且种植基质的肥力随时间的增长而逐渐降低,为延长日常维护周期、降低维护成本、增强植物抵抗恶劣环境的能力、提高存活率,可在种植基质中添加一定量保水剂、缓施复合肥等。

5 结论及建议

(1) 通过现场调查,归纳总结了黄冈地区采石场矿山的特点,主要表现为:岩石裸露面积大,岩壁坚硬、高陡、光滑,土壤及水资源匮乏等。对该类矿山进行复绿时,普遍存在基质稀缺、自然环境恶劣、施工难度大、植物攀爬难度大等难点。

(2) 分析阶梯法、喷播法、飘台法、燕巢法、鱼鳞穴法、框架法等常用矿山复绿方法的特点及适用条件,上述方法中,均无法直接应用于花岗岩采石场矿山。结合矿山的主要特点,提出改进阶梯法的复绿方式,即“上爬下挂”的立体绿化,以提高绿化效率。

(3) 针对黄冈地区花岗岩采石场矿山高陡岩壁的特点,结合常用复绿技术的方法和原理,提出了复绿措施建议,具体包括复绿植物的选择、上爬下挂立体绿化、植物攀爬辅助、壁面降温、基质保水续肥等。