硫磺冶炼废渣临河堆积边坡生态修复技术应用

2022-02-04施灿海尚大奎孙高月

有色金属设计 2022年4期

施灿海，常普，尚大奎，李旅，孙高月

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051； 2.昭通市生态环境局镇雄分局，云南镇雄 657200)

0 引言

境内硫磺冶炼始于20世纪50年代，由于当时炼硫工艺落后，硫磺的回收率约30 %，产生大量含硫及含重金属废渣，加之环境意识淡薄、环境监管不到位等原因，导致硫磺冶炼废渣大面积、分散、露天堆放。当地政府虽强行取缔了土法炼硫，上千座“石灰窑”式土法炼硫炉窑全面关闭，结束了长达40多年的土法炼硫历史，但项目区大小山头，却留下密密麻麻的敞口式炼硫炉残体、炼硫废渣筑起的一座座“沙漠”式山岭。从2012年起着手磺区生态环境治理至今，各级政府正在有序实施区域内历史遗留废渣点位的风险管控和生态修复。在项目实施过程中，人工堆积废渣陡坡生态路径的选择成为了难点。

客土喷播技术常应用于公路、水利、矿山治理等工程边坡治理和生态复绿，主要应用范围为岩质或土质边坡，尤其是岩质高陡边坡的技术研究受到了诸多学者的关注，并取得了显著的工程治理效果和生态修复效益。高次团粒喷播材料、不同基质层的稳定性等问题等近年来成为研究热点，但对于工业固废人工堆积陡坡的研究鲜有文献。该文基于查明历史遗留硫磺冶炼废渣人工堆积体物理力学性质的基础上，尝试对废渣陡坡生态修复路径进行选择和工程实践。项目实施过程中，采用了适用于历史遗留硫磺冶炼废渣陡坡生态修复的挂网喷播方式，实现风险管控的同时，获得了显著的生态修复效果，区域内属首次应用。

根据项目前期开展的废渣固废类别、土壤、地表水等环境调查资料，历史遗留硫磺冶炼废渣堆存年限超过40年，采用原位风险管控，工程周期短、对周边环境扰动小、费用低、能实现环境风险可控、有效控制污染物迁移和对周边环境潜在的污染，且改善景观。

1 废渣物理力学指标

该项目实施前，开展了有针对性的岩土工程详细勘察，查明历史遗留废渣物理力学性质指标。具体试验结果和指标见表1、表2。

表1 废渣重型击实试验成果表Tab.1 Results of heavy compaction test of the waste

表2 废渣颗粒分析试验成果表Tab.2 Results of the waste particles analysis

根据岩土工程实验结果，将废渣含水量、密度与抗剪强度参数绘制三维关系，见图1。

图1 废渣含水量、密度与抗剪强度参数的关系Fig.1 Relationship of water content，density and shear strength parameters of the waste

据图1显示，废渣在密度接近最大干密度，含水量接近最优含水量的时候，其抗剪强度参数能取大值，反之，应取小值。鉴于项目地处于半湿润区，降水充沛，废渣不可能长期处于最优含水量状态。因此，结合试验结果，废渣的黏聚力取40 kPa，内摩擦角取24.0°，密度取1.95 g/cm3。

2 边坡稳定

2.1 计算方法

充分考虑生态修复工程特点，应用数值模拟软件结合项目岩土工程勘察报告中提供水位资料和各岩土层物理力学指标，并根据场地所处场地地震设防烈度等级，采用简化毕肖普法进行了现状废渣堆积边坡抗滑稳定验算分析。

2.2 堆积边坡等级

参照《冶金矿山排土场设计规范》(GB51119—2015)要求，并结合生态修复工程周边环境条件，按二级排土场要求进行边坡稳定计算。

2.3 计算断面选择

根据场地地形条件及工勘资料地层情况，该次计算选取顺沟谷地形最大断面(1剖面和2剖面)为边坡稳定分析的最不利断面。

2.4 计算工况和安全系数

边坡抗滑稳定的计算工况和各工况边坡安全系数应按表3确定。

表3 边坡抗滑稳定计算工况及安全系数表Tab.3 Conditions and safety factors for the slope’s anti-sliding stability calculation

2.5 稳定计算结果

场地类别属Ⅱ类建筑场地，其场地地震动峰值加速度为0.05 g，反应谱特征周期为0.40 s，对应设防烈度为6度，设计地震分组为第二组。废渣堆积边坡抗滑稳定计算结果见表4，计算成果见图2。

表4 现状废渣堆积不同工况下稳定性计算结果表Tab.4 Stability calculations of current waste accumulation in different working conditions

图2 废渣堆积边坡计算图Fig.2 Calculation diagram of waste accumulation slope

经计算，生态修复工程选择计算剖面计算安全系数均满足规范要求最小值，废渣堆积边坡总体上是稳定和安全的。对该点位处置点进行风险管控以后，经过周边截洪排水、场地整平、地表阻隔、生态恢复等工程，在实现处置点风险管控的同时，满足边坡安全的要求。

3 陡坡生态修复路径

根据查明的河道历史最高洪水位，设置临河挡墙，顶标高安全超高1.5 m。废渣临河一侧采取“截洪+挂网+喷播植草”的处置方式，防止雨水及河水对废渣的冲刷，降低废渣流失的环境风险。在施工完成挡墙的基础上，对临河一侧历史遗留硫磺冶炼废渣堆积边坡进行生态修复。施工技术路线详见图3。

图3 施工技术路线图Fig.3 Construction technology roadmap

3.1 施工准备

施工前需在施工现场设置安全防护区及施工标志，施工现场附近禁止行人通过，同时严格按照安全操作规范要求，选择安全防护措施，从边坡顶部设置下悬绳索系安全带施工。现场施工人员佩戴安全帽及必要劳保用具。

3.2 边坡处理

(1)清坡。人工对边坡进行清理，主要包括坡面的松散石块及杂物，使需进行生态修复的陡坡坡面平整，清除松散体。一方面确保施工过中设备及人员安全，另一方面为混合土的喷射提供一个稳定的基质层。若发现坡面有渗水，可设置嵌入坡体的d=5 cm PVC、孔深100 cm的排水管。

(2)坡顶截水沟设置，根据项目汇水面积内的水文计算结果及水力验算，截水沟采用C25毛石砼结构，矩形，过水断面b×h=0.6 m×0.8 m。

3.3 镀锌网铺设及固定

(1)铺网。按照孔为6 cm×6 cm的14#镀锌菱形铁丝网对坡面进行铺设，再根据现场实际铺设范围对长度裁剪，坡顶需延伸1 m以上，开沟并锚钉固定之后回填。先将坡顶固定好，后自上而下对坡面铺设，镀锌铁丝网拼接宽度不低于10 cm，铺设的网面需要离坡面有一定的距离，留4～6 cm的间隙。镀锌铁网编织结构及连接见图4。

图4 镀锌铁网编织结构及连接图Fig.4 Weaving structure and connection of the galvanized iron mesh

(2)订网。使用大小锚钉对废渣堆积边坡进行支护，兼做钉网使用。锚杆平均长度L=4.5 m，普通式自进式锚杆LHZ25，以间排距3.0 m按梅花形进行布置，钻孔按垂直岩面或上倾角10°～15°钻入，孔内注入1：1水泥浆。锚钉采用直径6.5HRB400螺纹钢筋，平均长度L=0.45 m，以间排距0.5 m按梅花形进行布置。铺网、钉网平面见图5。

图5 铺网、钉网平面示意图Fig.5 Diagram of net laying and nailing

(3)覆土。在铺设网与废渣堆积面的空隙之间填入合适植物生长的种植土，但覆土不可超过网面。

3.4 喷射混合土

完成施工准备、边坡处理和镀锌网铺设后，方可进行喷射混合土作业：①植物纤维、微生物菌肥、保水剂、泥炭土、缓释复合肥、固结剂等混合材料按比例搅拌均匀；②干料通过喷射泵和空压机送至坡面，混合土与适量的水混合后通过喷射管喷射在坡面的铁网上。喷射分2次进行，第一次喷射不含种子的混合料，厚度4～5 cm；待第一次喷射的混合土达到一定强度后，紧接着第二次喷射含有种子的混合材料，厚度不低于1～2 cm，实际喷射混合材料平均厚度不低于6～7 cm。