柔性生态棒在高陡废弃矿山生态环境修复中的应用

2022-06-28詹慧宗

现代矿业 2022年5期

詹慧宗

（安徽省地质矿产勘查局321地质队）

铜陵市位于安徽省中南部、长江下游，北接合肥，南连池州，东邻芜湖，西临安庆，是长江经济带重要节点城市和皖中南中心城市。铜陵地处长江铜铁成矿带上，内生成矿条件有利，以有色金属铜矿著称［1］。因前期部分矿山的无序开采，形成了大量的裸露岩质高陡边坡，造成了严重的视觉污染，同时还存在滑坡等地质灾害隐患，对这部分废弃矿山进行生态环境修复迫在眉睫［2］。

近年来，为践行“绿水青山就是金山银山”的坚定理念［3］，在地方政府及相关单位的共同努力下，废弃矿山正逐步实现从一座座“废山”到“青山”的蝶变。但针对部分高陡岩质边坡的单一性与特殊性，存在边坡高陡、岩体裸露、水土缺失、基肥不足等特点，难以达到生态修复的预期效果［4］。目前，国内针对该类型岩质边坡生态复绿主要采用种植槽技术［5］、植生袋技术［6］、团粒喷播［7］等比较成熟的复绿技术，但均存在一定的使用局限，特别是针对一些临空面积较大的高陡边坡，复绿效果不甚理想。为此，以铜陵市义安区桃园硫铁矿废弃矿坑综合治理工程为例，详细介绍柔性生态棒修复的特点与应用，为类似岩质高陡边坡的生态环境修复提供实践经验与借鉴。

1 项目区概况

义安区桃园硫铁矿位于铜陵市义安区钟鸣镇牧东村，地理坐标为东经118°04′16″，北纬30°56′28″。矿区属亚热带季风性气候，温和湿润，年平均降雨量为1 388.6 mm，最高达2 173.7 mm，最低为788.5 mm，4—8 月为雨季，降雨量集中，约占全年平均降雨量的56%。矿区及周边为中等剥蚀—堆积地貌，微地貌有低丘和山间坳谷，矿区总体地势北、西、南高，北东低，周边山脊线总体呈南西—北东向展布，北部最高点海拔约250 m，西部最高点约240 m，南部最高点约210 m，北东侧净化池工业场标高115～117 m，治理前边坡原状见图1。

1.1 地层构造

1.1.1 地层岩性

义安区桃园硫铁矿大地构造单元属扬子准地台、下扬子台坳，沿江拱断褶皱带，贵池至繁昌凹断褶束中铜陵复式褶皱，铜陵复式褶皱中的舒家店背斜北东段北西翼［5］。区内出露有第四系及基岩，基岩主要为泥盆系至二叠系地层，基岩为第四系（Q）、泥盆系上统五通组（D3w）、石炭系、二叠系下统栖霞组（P1q）。其中，边坡岩性主要为三叠系下统南陵湖组为灰～灰黑色薄～中厚层灰岩、三叠系下统和龙山组灰色薄层状泥质条带灰岩，夹灰黄色、灰黄绿色钙质页岩。部分外露边坡岩性为红色、红褐色、褐色粉质黏土或黏土夹碎石，成分为砂岩，分选性差。部分外露边坡岩性为灰岩。

1.1.2 地质构造

矿区内褶皱构造为舒家店背斜。背斜长约13 km，宽约3 km，轴向60°，核部由志留系上统组成，两翼由泥盆系至三叠系地层组成。北西翼地层倾向北西，倾角30°～50°，南东翼朱山脚至陡石崖一带地层倾向南东，倾角50°～80°，陡石崖至青龙山一带地层倒转，倾向北西，倾角60°～85°，背斜轴面倾向北西，倾角55°～80°，为一直立～斜歪短轴背斜。

矿区内裂隙构造广泛发育于泥盆系五通组及石炭系高骊山组地层内，受F4 逆冲推覆构造及F1、F3正断层共同作用影响，造成区内裂隙构造十分发育。矿区内裂隙构造以一组近直立裂隙最为发育，裂隙构造一般倾向北，倾角70°～80°，切穿层理面，裂隙表现为张性，内多充填黄铁矿脉体，脉宽一般1～100 mm，局部裂隙构造彼此贯通，组成裂隙带，带宽可达30 cm。

1.2 水文地质特征

在矿山开采期间，矿坑周围大部分地下水都向矿坑迳流，以人工排水形式排泄，矿山排水是地下水的主要排泄方式。目前，矿山已停采多年，影响矿山地下水的人为因素已消失，地下水已恢复自然状态。大气降水除部分以地表径流流出矿区或被植被截留吸收外，其余均转化为地下水，北部灰岩分布区大气降水顺岩溶裂隙直接下渗进入矿山采空区，东部、南部、西部砂岩分布区大气降水则沿层间裂隙或节理裂隙缓慢下渗。

2 柔性生态棒修复法

柔性生态棒修复法是指将生态棒灌装种植土、营养剂、肥料、草种等，利用锚固件将柔性生态棒固定在高陡岩质边坡坡面上，然后在坡面上挂镀锌铁丝网进行客土喷播的一种生态修复方法。柔性生态棒修复，不仅结构简单、制作方便，而且具有一定的柔性、可塑性，可减少水土流失，生态修复效果更持久。

柔性生态棒包括网孔袋、棒体、棒芯，其中网孔袋位于最外层，网孔袋是由耐紫外线、耐腐蚀的聚丙烯人造纤维丝网编制而成。棒体位于生态棒的中间，是生态棒的主体，由植物基质混合材料构成。棒芯为包塑铁丝，位于生态棒的中心。柔性生态棒的规格有10 cm×100 cm、30 cm×90 cm、40 cm×80 cm等，具体可根据实际需要进行选择、定制。柔性生态棒基本结构见图2。

3 柔性生态棒修复工艺

因项目区边坡高陡且临空面积大，部分边坡坡度大于60°，单个坡面面积有的达1.5 万m2，采用普通的客土喷播工艺施工后容易因附着力小或雨水过度冲刷出现局部坍塌，水土流失过快必将影响修复效果。为此，采用柔性生态棒工艺对项目区进行治理，既能避免水土流失又能增加基质土地稳定，施工方便、经济高效。柔性生态棒工艺主要工艺流程为测量放线→边坡修整→打锚固件→挂钢丝网→生态棒装袋与固定→客土喷播，并配备科学合理的截排水与植物养护系统。

3.1 基质配比

生态棒和客土喷播主要以肥沃土壤和营养剂（禽粪）作为主要材料，并配备适当的复合肥和保水剂。土壤和禽粪重量百分比分别为95%和5%，土壤要求粒径小于5 mm 、有机质含量＞3.0%、pH 值5.0～7.0。保水剂（吸水倍率＞400 g 水/g）每100 kg人工土壤配制30 g，复合肥（N、P、K 比例为6∶36∶6）每100 kg 人工土壤配制0.2 kg。禽粪需进行杀菌处理，风干后采用破碎、筛分等工序进行去杂质细化处理，以确保与基质土及其他掺合料能搅拌均匀。

3.2 植被选择

考虑到边坡裸露而高陡，生态棒和客土喷播中的植被种子选择遵循“多样、科学”的原则进行配置（表1）。种子采用当年采收的抗性强，且对环境恢复能力强的木本种子。乔、灌木种子需用60 ℃热水（含浸种剂）浸种1 d，草本种子在喷播前浸种1～2 h使种子吸水湿润即可。种子经人工处理，控制种子发芽成长周期。

表1 植被种子配比g/m2

3.3 生态棒锚固、挂网、喷播

（1）锚固件施工工序为测放孔位→钻孔→锚杆安放→注水泥砂浆。主锚固件为φ18 mm 的螺纹钢，长100 cm，垂向×水平间距为2 m×1 m；次锚固件为φ10 mm 的圆钢，长50 cm，垂向×水平间距为2 m×1 m；钻孔直径28 mm。锚固孔位测放力求准确，偏差不得超过±2 cm，钻孔与水平面俯角15°，倾角允许偏差±2°，成孔后用高压空气清孔。锚固孔内注入水泥砂浆锚固剂。

（2）柔性生态棒规格。柔性生态棒装满后尺寸为50 mm×50 mm×600 mm，每袋质量5 kg，基质土配好后掺入植被种子（表1），采用人工装袋，装袋完毕后检查装袋充实度。生态棒托附在主次锚固件上面，并用铁丝绑扎加固以加大附着力，防止施工过程中或后期因雨水冲刷而脱落。

（3）挂镀锌网片。铺设φ3 mm×50 mm×50 mm的镀锌菱形铁丝网，铺网作业自上而下进行，坡顶须延伸100 cm，金属网的搭接长度应横向控制在10 cm，纵向15 cm，搭接处所有接头间隔50 cm采用火烧丝绑扎固定，以连成整体网片结构，网片须绷紧，搭接允许偏差±2 cm，绑丝间距允许偏差±5 cm。上下2 张网搭接时，下面的网要放在底层，搭接的结以梅花形排列，铁丝网与坡面保持一定间隙，不小于5 cm，并均匀一致。

（4）生态棒固定完成、网片铺设后，进行客土喷播。喷播基材土壤和禽粪质量百分比分别为95%和5%，适当配备保水剂与复合肥，最后按照种子配比表掺入植被种子进行客土喷播。根据植物生长所需土壤厚度，喷播厚度为8 cm。柔性生态棒修复断面及施工见图3、图4。

3.4 截排水

为截留降雨径流进入治理区内，减少酸性水水量，实现雨污分流。该次设置2条截水沟，1号截水沟（JSG01）在北侧山坡坡脚处修建截水沟，长280 m，2号截水沟（JSG02）沿排土场外侧修建排水沟，长710 m。

根据铜陵地区降雨数据，区内排水设计取暴雨重现期为50 a，最大暴雨强度430 mm/d 为设计暴雨强度。按照规范中推荐的中国公路科学研究所提出的经验公式计算地表排水最大洪峰流量，即当F＜3 km2时

式中，Qp为设计频率地表水汇流量；m3/s；Sp为设计降雨强度，m/s；φ为径流系数，取0.75；F为汇水面积，m2。

地表回流量计算见表2。

表2 地表回流量计算表

流量计算根据谢才明渠流公式和曼宁公式计算

式中，Q为过流量，m3/s；R为水力半径，m（过水断面面积除以断面湿周长）；i为水力坡降；W为过流断面面积，m2；C为流速系数，m/s。

其中，流速系数C采用满宁公式计算

式中，n为糙率，取0.03。

北侧边坡截水沟为矩形截水沟，内径尺寸宽0.6 m，净深0.5 m，南侧边坡截水沟为矩形排水沟，内径尺寸宽0.8 m，净深0.6 m，校核计算Q1=0.46 m3/s（北侧边坡截水沟，坡降2%），Q2=1.94 m3/s（南侧边坡截水沟，坡降10%），满足治理区内排水要求。截水沟采用钢筋混凝土结构，采用双向配筋，侧壁及底部三面配筋，壁厚20 cm。

3.5 植被养护系统

在坡顶进行土地修整，引导地表径流进入排水沟渠，避免沿坡面流下，对坡面造成冲刷；另在面层喷射层完成后，需覆盖草帘，一是防止植物种子和营养液受暴雨冲刷造成流失，二是起遮荫作用，使种子的生长环境得到良好的改善。

科学合理地进行浇水养护，使植物根系更快地生长，提高植物的抗性。浇水时应注意：①根据季节的不同，适当调整浇水时间；夏季高温，地面和植物蒸腾量较大，植被需水多，应及时浇水，夏季浇水以上午为宜。②植被幼苗期根系浅，不能缺水；当植被长至2 个月时，幼苗出齐1 个月后或三叶期后开始控水，可有计划地减少浇水量，刺激植物毛细根系发育，提高植被的抗病及抗干旱能力。