厚层基材喷播技术在江南地区石灰岩矿山高陡岩质边坡生态修复中的应用

邵 蔚，姚庆健，许 峰，胡殿坤，莫福成，缪 信

(中国建筑材料工业地质勘查中心安徽总队，安徽 合肥 230031)

矿山开采过程中对山体植被造成严重的挖损破坏，形成的裸露创面不仅存在地质灾害隐患，且造成了水土流失、环境污染等问题。江南地区石灰岩矿山开采形成了坡度陡、岩石坚硬的裸露边坡，边坡复绿难度大，对可视范围内造成了严重的视觉污染。针对石灰岩矿山高陡岩质边坡植被恢复问题，通过对厚层基材喷播技术进行改良，采取了混合基材合理配比、植物种子的选配、植生稻草把改良型技术及自动喷淋养护系统，取得了改良型厚层基材喷播技术在江南石灰岩矿山高陡岩质边坡生态修复中的良好效果，为该区域内同类型矿山边坡复绿工程提供了参考。

1 工程概述及背景

矿山开采造成大面积植被挖损破坏，土壤层结构破坏，水土流失严重，岩质坡面上植被生根、发育非常困难。研究区属亚热带湿润季风气候区，该区内石灰岩矿山开采形成的岩质边坡岩石完整且质地坚硬光滑，裂隙溶洞不发育，边坡垂直高度约50m，边坡坡度约65～70°不等，边坡不规整，岩石全部裸露，岩质坚硬光滑，原有表土层和原生植被群落全部破坏，坡面已不具备植物生长必备的水土条件。为有效解决该区域内岩质边坡植被恢复这一技术难题，通过对该区域内的各类矿山岩质边坡复绿工程现场进行实地调研，统计对比已实施生态修复各类矿山岩质边坡的相关技术参数、修复效果、施工成本；选择厚层基材喷播技术作为边坡绿化和植被恢复的主要手段，特别是在石灰岩高陡岩质边坡的生态护坡中起到了重要的作用。

2 自然环境概况

江南地区丘陵平原，属亚热带湿润季风气候区，具有长江流域过渡性气候特征，温暖湿润、四季分明、雨量充沛、日照充足。年平均气温15.9℃，年极端最高气温41.2℃，年极端最低气温-14.3℃；年平均降水量1 313.5mm。年内降水多集中在6～8月，约占全年降水总量的60%以上，每年的11月至次年1月，降水量最少；多年平均蒸发量1 048.5mm，多年平均相对湿度78%。区内无霜期231天。区内土壤类型以地带性黄棕壤、棕红壤为主，质地较为适中。乡土植被主要为亚热带常绿—落叶针阔混交林、常绿阔叶林等。主要以灌木和草本植物为主，其次为藤本植物。区内地形较平缓，区内相对高差约200m，地形起伏，地形坡度平均约23°，区内无水体和水系流经。

3 厚层基材喷播技术及适宜性分析

3.1 技术原理

厚层基材喷播技术的基本原理是清理坡面并在坡面铺设镀锌铁丝网锚固件加固后，将有机质、复合肥、粘合剂、保水剂、水等配置成专用轻型基质，与植壤土、植被种子按照比例混合经机械充分搅拌均匀后，按照设计厚度，采用客土喷播机、空压机等设备将其均匀喷射到岩质坡面上，形成有助于植物持续生长的土壤结构营养层，经过水肥养护后植物种子发芽生长、自然演替，从而达到岩质边坡快速复绿、修复生态系统和护坡的目的。厚层基材的合理配比是技术的关键[1]。

3.2 适宜性分析

针对区域内石灰岩矿山开采形成的岩质边坡已不具备植物生长必备的水土条件，对于边坡坡度约为55～65°，可采用厚层基材喷播技术来重建植被生态系统[2-4]。对于边坡坡度65°以上，坡面相对较平整的高陡岩质边坡，最适合采用高次团粒喷播技术来修复边坡植被生态系统。高次团粒喷播技术的核心主要是土壤材料配比与团粒剂、稳定剂和的配比及设备配合应用，对成本材料有一定的要求，施工技术成本相对于市场上的传统喷播技术略微偏高，工程造价的问题要充分结合项目考虑，设定目标，解决问题，达到效果，合理价格，选择合理的边坡复绿施工技术[5-7]。

本工程综合考虑边坡特点、气候条件、施工工艺、工程造价等方面，选择厚层基材喷播技术进行高陡岩质边坡植被恢复，其施工工艺简单、应用广泛、施工成本合理，能够使原裸露岩质坡面植被迅速成坪，加强后期植被养护管理，确保岩质坡面植被生长的良好性与持续性。

4 在高陡岩质边坡的应用

4.1 重建土壤培养基

厚层基材喷播技术的核心是在岩质坡面上营造一个既能让植物生长发育而种植基质又不被冲刷的多孔稳定结构[8]。该项技术的工程特征主要在岩体上铺设镀锌铁丝网(勾花网)，并用锚固件使其固定在坡面上，根据边坡地理位置、边坡角度、边坡岩性、相关绿化要求，将土壤、有机质、保水剂、粘合剂、纤维及混合植物种子按一定比例组成的基材原料经搅拌均匀后通过喷播机喷射到岩质坡面上，形成一定厚度的土壤培养基层[9-11]。

4.2 喷播材料的组成

厚层基材喷播技术的材料从上到下依次由表层(植被种子层)、底基层(配置成型的轻型基材)、植生草把+镀锌铁丝网(勾花网)和锚固件等四部分组成。

(1)表层材料。

厚层基材喷播技术所喷射的材料分为两层，其中上部为表层，下部为基材。表层材料由土壤、植物种子、保水剂、粘合剂加水混合而成，作为植物种子(草灌木群落)前期生长的土壤环境。

按照因地制宜、保证坡面稳定的原则，并与周边植被相协调，同时注重植物多样性，本工程植物种类的选择注重以乔、灌、草、花的有机结合，充分发挥草、花植物的先期护坡效果，同时注重灌木为主的中长期绿化效果。为能有效的达到目标植被群落的自然状态，确定合理的初植密度，对各类植物种子用量进行合理的配比(表1)。

表1 植物种子的选择及配比用量(按喷播机容量8m3，喷播厚度2cm配置)

(2)底基层(成型的轻型基材)。

轻型基材主要由土壤(乡土为宜)、泥炭土、草纤维、有机肥、粘合剂、保水剂等物质加水混合配置而成，悬挂于镀锌铁丝网上，使其更好地附着于岩石坡面上，防止岩石坡面的风化剥落，作为植物的后期生长环境，达到护坡绿化植被的效果。

为增强喷播的轻型基材混合物在石灰岩高陡岩质边坡上的附着性和稳定性，喷播材料的选择及配比用量充分考虑工程边坡所处的自然地理位置、边坡角度、岩石质地及喷播施工质量控制要求等，根据喷播材料的特性、喷播厚度、喷播机的容量，对土壤、泥炭土、有机肥、草纤维、保水剂、粘合剂等材料进行合理的配比(表2)。经过工程试验验证，对植壤土∶泥炭土∶纤维配合比例以6∶3∶1进行配置为最佳。(3)植生稻草把+镀锌铁丝网(勾花网)。

表2 单位面积喷播基材配比用量(按喷播机容量8m3，喷播厚度10cm配置)

选用镀锌防腐钢丝网，规格为14#；网孔4cm×4cm；网宽2m，长20m；长度可根据坡面实际需要进行裁剪。铺网时将网片向坡顶延伸不少于1m，开沟并用长大于50cm的桩钉固定后回填并覆土夯实。坡顶固定后自上而下铺设，顺层且光滑的坡面，可外加植生把将其加固于两层勾花网之间，以增加喷播基材的附着性和保湿性。

两片网之间搭接宽度不小于10cm。上下二张网搭接时搭接处所有接头采用拧结，以连成整体网片结构。铺网前可用厚度3～5cm的木条间隔一定距离固定在坡面上，以防网片紧贴坡面，铺网完成后，在坡角大于65°的坡面上应再加一层4cm×4cm的镀锌铁丝网，上下网片之间采用铁丝捆扎连接。

针对顺层面或者裂隙面留下光滑陡壁，为提高喷播基质附着性和保湿性，以往采用开挖鱼鳞坑及传统植生袋虽能较好的修复但造价高昂，施工成本较大。经过多次试验改良后，本工程设计一种植生稻草把结合镀锌铁丝网挂于顺层光滑岩质坡面能够很好提升喷播基材附着性和保湿性，坡面修复效果良好且性价比较高。

(4)锚固件。

锚固件分为主锚固和次锚固：主锚固件采用直径Φ16mm，长度为450mm的螺纹钢，次锚固件采用直径Φ6mm，长度为150mm的L型锚钉。沿坡顶线以每米设置一枚主锚钉；L型锚钉按间距50×50cm设置，在坡面镀锌铁丝网搭接处布置一行，间距1m，在坡面其余位置，每平方米不少于5个L型锚钉，且梅花形布置。

钉网时尽量使镀锌铁丝网随坡面变化而变化，确保空隙不能过大，特殊部位根据坡面实际情况加以调整，需确保钉网到位，不形成活动空心网。锚钉需经过涂层防腐处理方可使用。坡面角大于60°的坡面应加密锚钉。

4.3 施工工艺

厚层基材喷播技术主要分为施工准备阶段、施工阶段、养护阶段(图1)。本工程施工准备阶段主要配备的机械设备有液力喷播机(含搅拌机一体)、空压机、发电机、高压输送泵、水泵、运料车、冲击钻及电缆线等，结合现场地形条件，喷播设备安装设置以方便上料、喷播方便且安全为原则。喷播材料的配备主要有镀锌铁丝网、锚钉、土壤、泥炭土、有机肥、草纤维、保水剂、粘合剂、植物种子等，相关材料均有出厂质量合格证及检验检测报告等。

图1 施工工艺流程图

厚层基材喷播技术施工阶段主要过程及工艺有以下几个方面。

(1)削坡降坡处理，使其符合设计要求。对坡面的碎石、浮石进行清理，以人工采用撬棍进行清除，使其坡面尽可能平整，对于光滑岩质坡面采用植生稻草把的措施使其固定于光滑坡面，以确保喷播基质的附着性和保湿性。

(2)铺设镀锌铁丝网采用自上而下的方式，使其网面拉开自然平铺于岩质坡面，确保贴近坡面，两网之间重叠搭接，采用冲击钻垂直于坡面打孔，将锚固件钉入坡面固定。

(3)现场配置喷播基材铲入喷播机内搅拌，以确保物料混合的均匀性，厚层基材分两层喷射，第一层基质层不含种子，喷射厚度以10～12cm为宜，第二层种子层，喷射厚度以2～3cm为宜。通过空压机利用高压输送泵使其拌和均匀物料喷射于坡面，使其进入镀锌铁丝网下部，确保镀锌铁丝网处于喷播基材的中上部为宜。

(4)养护阶段主要对种子层喷播后进行覆盖遮阳网，以确保夏季太阳光直晒，冬季保温的作用，促进植被的萌芽生长，同时保护出牙前坡面喷播基质雨水冲刷。在坡面上布设自动喷淋养护系统，合理布置自动喷淋系统管网，确保控制整个岩质坡面，选择旋转喷头可形成细小的雾状水滴，确保了喷洒水滴不破坏土壤培养基结构，不损害植物。浇水养护应避开高温天气，早晚各一次，反复喷洒，浇透为止。

4.4 生态修复效果

治理区边坡生态修复工程于2020年10月竣工，竣工后半年内进行了坡面植被恢复效果跟踪调查，记录其出芽、成坪、完工半年后等阶段的植被生长影像，通过现场查验，岩质边坡上植被生长状况良好，草本植物覆盖率可达90%以上，小灌木也已成活，具备了乔、灌、草搭配的多层次结构。原本因矿山开采形成的高陡岩质边坡已完全被植物覆盖，改善了因矿山开采造成的环境破坏，提高了岩质边坡植被覆盖率，有效地减轻了水土流失，消除了可视范围内的视觉污染，取得了良好的社会和生态效益(图2)。

图2 岩质边坡生态修复效果

5 结论

(1)根据边坡坡度及岩性等特征，确保治理效果的同时选用施工成本相对较低的厚层基材喷播技术，针对顺层光面岩质边坡，设计一种植生稻草把技术以确保喷播基材能够保持良好的附着性和保湿性。

(2)喷播基材配置合理，根据喷播材料的特性、喷播厚度及喷播机的容量，经过试验验证选择植壤土∶泥炭土∶纤维以6∶3∶1的比例进行配置为最佳，保证了喷播复绿效果，确保了植被生长的良好性与持续性。

(3)根据区内气候、土壤、原始植被群落等条件，对植物种子选择合理，配置用量适当，选择高羊茅、黑麦草、白三叶、紫穗槐、马棘、刺槐、波斯菊等符合当地的乡土植被组合配置，做到了乔灌草的有机结合，丰富了植被的多样性。

(4)岩质坡面建立了自动喷淋养护系统，加强了喷播后植被养护工作，确保了岩质边坡生态修复效果。