基于非污染矿山高陡边坡微地形的多种客土喷播技术应用研究

田占良

(河北省地矿局国土资源勘查中心，河北 石家庄 050081)

20世纪90年代我国引进客土喷摇技术后，该技术迅速在公路边坡、铁路路堑的植被建植等领域推广使用。在我国北方地区，矿山开采形成的高陡边坡不仅严重破坏了优美的原生自然景观，产生了强烈的视觉污染，还容易引起滑坡、崩塌等地质灾害。由于矿山高陡边坡存在坡度陡峭、水土流失严重等恶劣地形地貌条件，导致山体表层植被难以在短期之内自然恢复并形成植物群落，采用工程手段对其进行治理，又受到气候、资金等多重因素制约，目前已成为矿山生态修复工作中的难题和焦点[1-7]。

随着我国生态文明建设的不断推进，矿山高陡边坡的治理愈发引起社会各界的重视。近年来，国内研究人员将客土喷播技术逐步拓展应用到了矿山高陡边坡生态修复领域，并对矿山高陡边坡的坡度、坡面粗糙程度等微地形特征与客土喷播实施效果的关系展开了研究。顾卫等[8]针对我国北方地区客土喷播存在的有机肥或缓释肥的使用量很少、有机纤维的用量不足、在急陡边坡和岩石边坡不适当使用、植被种类单一、对工程弃土利用不够等问题提出了对策。段伟强[9]通过统计邯郸市武安市、石家庄市鹿泉区、保定市阜平县、张家口市涿鹿县四个县(区)的典型客土喷播典型工程实例，并观察矿山恢复治理的后期效果，从自然条件和植物生长所需条件两大方面统计研究了客土喷播技术在京津冀周边地区的应用。单士锋等[10]以铜陵市劲松石料厂客土喷播工程为例，对工程坡面处理、喷播材料配置、施工工序及养护等喷播施工关键技术及治理效果进行了阐述。司志国等[11]对徐州市王山废弃矿山挂网喷播前后土壤理化性质动态变化进行分析，结果表明挂网喷播后，土壤水土流失量降低，抗蚀性明显提高，土壤总孔隙度和田间持水量增加，土壤密度和pH值降低，土壤养分含量及综合肥力指数明显提高。王伟[12]结合江苏省多年来矿山地质环境治理工程实施情况，对露采矿山边坡挂网客土喷播质量通病类型及原因进行了分析研究，并提出了相应的防治措施。孙汝斌等[13]针对江苏省宜兴市废弃矿山的实际情况，部分地段植被恢复采取挂网客土喷播的方式，探讨了确保挂网客土喷播区植物成活并适应环境采用的特殊管护，如前期持续45 d的雾喷养护和坡面覆盖植被毯等管理，后期近3 a的浇水、施肥和病虫害防治等日常管护。李欢[14]以朝阳市铁矿坑破损山体为对象，采用整体客土、穴状客土以及挂网客土喷播3种植被恢复方式对其进行治理，并对效果进行了研究。

为了进一步研究有效利用微地形特征，调整客土喷播工艺，从而提升坡面固土能力和稳定性，进而达到更好的矿山高陡边坡生态修复效果，从2016年开始，河北省地矿局国土资源勘查中心在太行山掌子面治理技术攻关试验项目实施过程中，选择典型高陡边坡进行了相关研究工作。

1 研究区概况

研究区位于石家庄市鹿泉区铜冶镇岭底村西山矿区，与当地的山前大道(石家庄市的景观公路)相邻，原是一处开采滑石矿遗留的废弃矿山迹地，本文所研究的高陡边坡暴露在山前大道西侧可视范围之内，视觉污染极其严重。

研究区属太行山东麓以变质岩为主的丘陵小区地貌，海拔高程180～340 m。周边原始山坡坡度一般在20°～40°之间，植被覆盖率较高，物种丰富。周边出露地层及岩性主要为古元古界甘陶河群南寺组白云岩、变质砂岩、蚀变闪长岩和第四系残坡积碎石土。受构造控制，闪长岩顺层侵入于白云岩，呈现条带状分布，形成数米至十多米岩脉产出，闪长岩两侧白云岩蚀变为钙质滑石岩、滑石白云岩和滑石蚀变闪长岩。

本文研究的典型高陡边坡位于山脊东侧山坡上，属半阴坡，西、南、北三面为陡坡，其中，西面最高，顶部高程为265 m，并逐渐向南、北两侧降低，东面采矿活动的出入口。边坡底部为一处地形平坦的采矿平台，高程为191 m，面积4 129 m2。边坡平面投影面积6 412 m2，坡面面积11 696 m2，最大高差为74 m，坡度在22°～81°之间，整体上呈陡下缓，中上部基岩裸露，坡度40°～81°，坡面分布有浮石，面积3 818 m2，块径一般为5～35 cm，体积约370 m3，下部为多年来坡面碎石崩落形成的渣坡，坡度22°～40°。渣坡底部与平台衔接部位已建有浆砌石挡墙，有效减弱了浮石掉落对平台采矿活动的危害。

2 边坡微地形综合分区及客土喷播设计

本文将高陡边坡主要按照坡度、坡面粗糙程度两种微地形特征分别进行了区片划分。

2.1 坡度分区

按照坡度特征分为a区(≥60°)、b区(40°～60°)、c区(<40°)三类分区，如图1所示。各分区特征见表1。

表1 高陡边坡坡度分区及基本特征Table 1 Gradient division and basic characteristics of high and steep slope

图1 高陡边坡坡度分区图Fig.1 Division of high and steep slopes grade

2.2 粗糙程度分区

坡面粗糙程度主要依据坡面凹凸度针对基岩裸露的岩质坡面进行量化区分，分为A区(≥10 cm)、B区(5～10 cm)、C区(<5 cm)三类分区，D区为坡面下部崩落堆积而形成的渣坡，如图2所示。各分区特征见表2。

表2 高陡边坡坡面粗糙程度分区及基本特征Table 2 Roughness division and basic characteristics of high and steep slopes

图2 高陡边坡坡面粗糙程度分区图Fig.2 Roughness division of high and steep slopes

2.3 综合分区及客土喷播设计

综合研究以上两种主要微地形特征，并结合坡面台阶的分布、规模特征、岩石裂隙发育特征等其他条件，将研究区划分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区四个分区。分区特征详见表3。

表3 基于微地形的高陡边坡综合分区基本特征Table 3 Basic characteristics of comprehensive zoning of high and steep slopes based on micro-topography

依据研究区微地形综合分区结果进行多种客土喷播技术设计。Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区分别选用直接客土喷播、挂网客土喷播和格室客土喷播，Ⅳ区由于存在坡度陡峭、坡面光滑、位置相对较高等不利于客土喷播的因素，因此未进行客土喷播设计，如图3所示。通过挂铁丝网和格室增加坡面粗糙程度，保障客土留存厚度和强度，提升坡面水土保持能力，加快生态修复速度。

图3 基于微地形的高陡边坡客土喷播设计分区图Fig.3 Design zones of spray seeding on high and steep slopes based on micro-topography

3 客土喷播工艺要点

3.1 施工机械及材料

主要机械：水力喷射播种机(PJ6073型)、混凝土输送泵、装载机、连续上料机、空压机、皮带机等。

主要材料：水、当地黄土、草炭土、木纤维、保水剂、黏合剂、有机肥、复合肥、种子、镀锌铁丝网、格室、钢筋锚杆、PPR管件等。

3.2 工序流程

本文研究的挂网客土喷播和格室客土喷播是在直接客土喷播的基础上增加了挂铁丝网和格室的工序，具体工序流程如图4所示。其中，直接客土喷播为工序1—4—5；挂网客土喷播为工序1—2—4—5；格室客土喷播为工序1—3—4—5。

图4 多种客土喷播工序流程图Fig.4 Flow of variety of guest soil spraying process

3.3 重要工序技术要求

3.3.1 挂铁丝网

1) 锚杆施工：沿坡面从上至下进行锚杆钻孔，孔眼要求垂直坡面，交错排列。主锚杆、次锚杆均采用Φ14 mm螺纹钢。主锚杆间距3.00 m，长度0.42 m，入岩深度不小于0.25 m，次锚杆间距1.00 m，长度0.35 m，入岩深度不小于0.20 m。在节理裂隙较发育处加密锚杆的数量。

2) 挂铁丝网：铁丝网采用正四边形、机编双扭结单层14号镀锌铁丝网，网目边长不大于5 cm。自上而下进行挂网施工，相邻两卷镀锌铁丝网分别用铁丝绑扎连接固定，两网交接处重叠宽度至少20 cm。铁丝网与坡面保持距离>4 cm。在铁丝网与坡面紧贴处，插入木条，撑起铁丝网片，以保证两者间距。

3.3.2 挂格室

1) 锚杆施工：同3.3.1部分的挂铁丝网锚杆施工。

2) 挂格室：格室为厚度10 cm、边长40 cm的强化HDPE材料制成，室间开孔。连接时，将未展开的格室组件并齐，对准相应的连接塑件，插入特制圆销，然后展开。

3.3.3 客土喷播

客土喷播按照首先营养基层，其次种子层，再次防冲刷层的顺序开展。各层材料配比见表4。

表4 客土喷播各层材料配比Table 4 Material ratio of each layer of the guest soil spraying seeding 单位：kg

1) 喷播营养基层。 将泥炭土、当地土混合，加入黏合剂、保水剂、木质纤维和水搅拌均匀，采用喷播机械将混合物喷播到坡面上，客土喷播厚度为7 cm。采取分层实施作业，第一次喷播3 cm厚，待客土稳定后(10～20 min)再喷播，在岩性破碎、硬坡段喷层厚度可适当增加。在喷播过程中不断修正喷播角度，尽可能从正面进行，喷射顺序自上而下，喷射作业分段分片依次进行。混合料应拌和均匀，随拌随用，并再次过筛，同时严防石块、杂物混入。

2) 喷播种子层。将草籽、灌木籽和保水剂、植物纤维、黏合剂加入喷播机料筒，充分混合搅拌后用喷播机管枪喷播混合物，厚度1 cm。草籽选用黑麦草、高羊茅、紫花苜蓿等，灌木树种选用胡枝子、沙打旺、紫穗槐等，乔木树种选用椿树、刺槐等。草∶灌∶乔种籽比例为3∶5∶2。种子用量约0.05 kg/m2。种子喷播前进行催芽处理。

3) 防冲刷层。为保障植物能够顺利出芽生长，喷种子覆盖防冲刷层是必不可缺的重要措施，厚度为1～2 cm，对种子层进行保护，保温保湿，促进植物的生长，有效防止成型后的作业面被雨水冲刷。

4 实施效果分析

4.1 整体效果分析

本文项目于2016年底竣工，在2017年和2018年实施人工跟踪养护，2019年停止养护。2021年5月研究区整体实地景观效果如图5所示，基于高陡边坡微地形而选用的多种客土喷播技术均已使坡面生态修复达到了预想效果，原本基岩裸露、植被稀疏的高陡边坡逐渐焕发出勃勃生机，并与周边原始山坡生态环境趋于和谐。坡面植物逐渐从竣工时的先锋植物演替成为本土植物，并形成以草、灌为主，乔木为辅的多层次本土植被群落，草类主要为狗尾草、狗牙根、结楼草、野蒿等，灌木主要为酸枣、荆条、紫穗槐等，乔木主要为臭椿、刺槐等。灌木株高0.3～0.5 m，冠幅为0.2～0.6 m2，乔木株高2.5～3.0 m，冠幅为2～3 m2。与挂网客土喷播、格室客土喷播相比，直接客土喷播具有施工简便、造价低廉的优势，因此在多种客土喷播均使用的前提下，应优先选用直接客土喷播。

图5 多种客土喷播区域2021年5月实景Fig.5 Variety of guest soil spraying areas live in May 2021

4.2 分区效果分析

4.2.1 直接客土喷播区(Ⅰ区)

该区分为两个片区，其一为坡面下部渣坡，坡度22°～40°，属坡面崩坡堆积物，整体稳定性较好，优先采用直接客土喷播技术，此外渣坡物质松散，有利于植物扎根生长，该区域植被覆盖率达到95%；其二为北面坡体东侧、南面坡体中间部分岩坡，坡度55°～65°，较为陡峭，但其粗糙的坡面和大量的水平状微小台阶为客土留存提供了稳定的空间，使坡面呈现出点状或线状生态修复效果。

4.2.2 挂网客土喷播区(Ⅱ区)

该区为南面坡体西侧岩坡，坡度40°～65°，坡面较粗糙，裂隙较发育，微小台阶数量少。采用挂铁丝网和木条支撑的措施，增加坡面粗糙程度及稳定性，使客土易于留存。根据现场观察，植物根系已穿透铁丝网并扎入岩石缝隙，使客土层具有了良好的整体性和较强的抗冲刷能力，该区域植被覆盖率为85%。

4.2.3 格室客土喷播区(Ⅲ区)

该区为西面坡体中上部岩坡，坡度40°～75°，上部坡面较粗糙，裂隙较发育，中部坡面粗糙，分布大量点状钎孔凹腔。采用挂格室的措施，增加坡面粗糙程度，使客土留存在格室单元内。据现场观察，坡面≥60°的大部分格室单元内客土流失严重，植被存活率较低，坡度<60°的格室单元存土较饱满，植被基本全部存活。植物根系侧向穿透格室隔板孔洞互相交缠，垂向则扎入岩石缝隙，增强了格室和客土层的稳定性，该区域植被覆盖率80%。

4.2.4 保留区域(Ⅳ区)

该区为西侧坡体顶部、北面坡体西侧和南面坡体东侧岩坡，坡度65°～81°，坡面较光滑，不适合客土喷播研究。 该区域仅有自然恢复的零星点状植被。

5 结 论

1) 矿山高陡坡面的坡度、坡面粗糙程度等微地形特征，是植被立地生存的基础条件，也是客土喷播技术应用的主要参考因素。

2) 从技术可行、经济合理等角度综合考量，对于坡度<40°的土坡或岩坡，可优先选用直接客土喷播；对于坡度40°～60°的岩坡，当其具备坡面粗糙(凹凸度≥10 cm)或微台阶发育两个条件之一时，也可选用直接客土喷播，当其坡面较粗糙(凹凸度5～10 cm)时，可选用挂网客土喷播或格室客土喷播；坡度≥60°且坡面粗糙程度微弱(凹凸度<5 cm)的岩坡，不宜选用客土喷播。

3) 客土喷播植物种子以本次研究高陡边坡周边原始山坡上的乡土植被物种为主，适当加入先锋物种，目的是使先锋植物群落数年后逐渐演替为本地乡土植物群落，并与周边自然生态相融合。科学配置草、灌、乔种子比例，一般比例为3∶5∶2。