河北省矿山边坡复绿技术及其适用性分析

张兆长， 南贵军， 郭 睿

(河北省地矿局 国土资源勘查中心,河北 石家庄 050081)

河北省是矿产资源开发大省[1],矿产资源开发为国民经济和社会发展作出了重要贡献,同时产生了严重的矿山地质环境问题。近年来,河北省政府不断加大矿山地质环境保护与治理工作力度,开展了大量的矿山地质环境治理工作,取得了显著成效[2]。在对全省已经治理矿山调研的基础上,本文对矿山边坡复绿技术及其适用条件进行了分析,以期为其它矿山边坡生态修复提供理论依据。

1 矿山边坡地质环境问题概况

全省由采矿引发的矿山地质环境问题十分严重,尤其是高陡裸露边坡(即通常所说的“掌子面”、“白茬山”)地质环境问题更加突显,严重破坏自然景观的同时产生强烈的视觉污染，特别是石灰岩矿山高陡边坡一般多在交通干线两侧可视范围内,其主要集中在昌黎—抚宁一带、廊坊三河的掘头山一带、保定的满城—顺平一线、石家庄的鹿泉—井陉307国道两侧和邯郸、邢台等地区。

边坡治理是矿山治理的重点和难点,由于矿山的开采及废渣堆存,形成不同类型的边坡。通过对已治理矿山的调查分析,矿山边坡治理效果参差不一。究其原因,一是边坡治理技术选择不合理,对边坡治理后的效果造成影响;二是河北省所处的地理位置,降雨量少、后期养护不善;三是投入资金所限,也造就了恢复治理技术适用性的局限性[3]。受到长期矿业开采影响,矿山水土资源环境遭受破坏,“缺水少土”,而土壤和水源恰恰是高陡硬岩边坡复绿的两个必不可少的条件,由此加大了治理项目实施的难度[4]。

2 矿山边坡复绿技术

露天矿山边坡治理一般遵循以下流程：整形固坡—基质改良—植被重建—景观再造[5-7]。

整形固坡：此项工程一般为矿山边坡复绿的基础,通过削坡、锚杆支护、挡土墙、抗滑桩、格构锚固、圬工防护等方法来消除地质灾害隐患,使边坡稳固并为复绿提供基础条件。

基质改良：边坡类型分为土坡和岩坡,一般达不到植被生长所需要的基质及肥力,通过覆土、施肥或提供植生材,恢复土地功能。根据相关覆土绿化技术规范要求,覆土厚度植草一般≥0.3 m,灌木一般≥0.5 m,乔木一般≥0.8 m。覆土来源主要有山皮土、地基开槽土、池塘淤泥、矿区周边农田中的熟土等。

植被重建：根据生态环境的特点、植物生长习性、植被恢复难度、立地条件、植物演替理论,选择相应的斜坡植物群落类型[8]。

景观再造：可从尊重自然、显露自然出发,随山就势,应景改造,对采矿残留的奇形怪状、形态各异的采石边坡采用“复绿留景修饰”,配合生物复绿技术,使边坡融留景、添景和造景于一体。

2.1 边坡整形复绿技术

边坡整形主要根据边坡的高度、宽度、坡度等现状条件,通过改变边坡坡率(坡度)与形状，形成缓坡或台阶,在缓坡坡面或台阶上覆土进行相应的绿化。此技术消除了地质灾害隐患,解决了坡面上的水土流失及植被复绿问题,并可根据景观要求人为地营造分台阶的视觉效果。目前此技术在河北省应用比较广泛,复绿效果明显,例如河北省三河市东部矿区矿山地质环境治理示范工程,采用边坡整形复绿技术取得良好效果(见图1)。缺点是工程治理难度大、费用高,适用于治理资金充足和对复绿效果要求较高的矿山。

图1 三河市东部矿区边坡整形复绿景观

2.2 喷播复绿技术

喷播复绿技术适用于60°以下的边坡,根据不同的坡率又可分为普通喷播、液压喷播(湿喷)、挂网客土喷播等[9]。

液压喷播：是将草、灌木种子、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂等与水的混合物通过专用喷播机喷射到整治区域建植植被的高效植被恢复技术。适用于土质边坡及废矿堆场边坡、较缓的岩质边坡。一般用于土质边坡,适宜的坡率为1∶1.50～1∶2.00,当坡率超过1∶1.25时应结合其他方法使用。每级坡高不超过10 m。由于气候因素,该工艺较适合于冀中、冀南等年平均降水量在600 mm以上的地区。

挂网客土喷播：一般用于渣土质边坡及较陡的岩质边坡。适宜的常用坡度角应≤55°。当坡度角>55°时,应结合其他方法如爆破削坡降坡施工工艺[10]。适用于花岗岩、砂页岩、片麻岩、板岩、石灰岩等母岩类型所形成的不同坡度硬质岩面,是快速绿化石质边坡的一项行之有效的高新技术。

普通喷播：同挂网客土喷播技术原理,差别是无需在坡面进行挂网。适用于≤35°的各种类型岩土质稳定边坡,河北省范围内均适用。

2.3 绿色屏障复绿技术

由于矿山边坡较陡,其它复绿技术不可行时,可采用在坡脚处堆坡或直接种植高大乔木或攀爬类植物达到遮挡绿化的效果,形成绿色屏障。该技术简单易行、经济环保,在河北省矿山治理中得到广泛应用,取得了良好的复绿效果。此方法采用的常见乔木有新疆杨、侧柏、国槐等,灌木有紫穗槐、沙棘、荆条等,攀爬类植物有爬山虎。

该技术的核心内容为植树、栽植爬山虎等攀爬植物,绿化工程无需布置于边坡之上,资金投入少,养护要求低,河北省范围内应用广泛。坡脚堆坡的复绿方法适用于废石废渣充足的采场高陡边坡,可将废弃物堆置于坡脚处,在保证坡体稳定的前提下形成一个斜坡面,再进行坡面覆土绿化。例如石家庄市鹿泉区东胡申灰岩矿,种植当地野葛和五叶地锦绿化,当年可生长17～25 m,起到良好的遮挡效果(见图2)。

图2 石家庄市鹿泉区东胡申灰岩矿绿色屏障复绿效果

2.4 骨架护坡植被恢复技术

在浆砌片石或钢筋混凝土框架护坡的区域,结合铺植草皮、三维植被网、土工格栅、喷播植草、栽植苗木等方法进行边坡植被恢复。片石骨架砌筑完成后,对骨架内部的碎石及杂物进行清理,然后在骨架内填充改良客土。

框架内填混凝土空心六角砖固土植草(灌)：在框架内满铺并浆砌预制的混凝土空心六角砖,然后在混凝土空心六角砖内填土植草(灌)。这种方法使回填土具有较强的稳定性,能够抵抗雨水的冲刷。适用于坡率为1∶0.30的岩坡[11]。

框架内设土工格室固土种植：框架内固定土工格室,并在格室内填土,挂三维植被网或铺钉铁丝网喷播,从而可在较陡的露采边坡上培土0.20～0.50 m,以利植物成活。

框架内设土工格栅加筋固土种植：这是一种先在框架内用土工格栅加筋后填土,再挂三维植被网喷播或直接喷播的绿化方法。对于坡度<1∶0.50的边坡,骨架内土工格栅加筋固土后挂三维网喷播绿化,对于边坡坡率≤1∶0.75时,骨架内土工格栅加筋固土后直接喷播绿化,可不挂三维植被网。

轮胎固土护坡与绿化：利用废旧轮胎将其固定在坡面上,覆客土,然后在其上面播种,以达到绿化坡面的目的[12]。把准备好的废旧轮胎呈品字形排列于平整后的坡面,使轮胎与坡面紧密相接。把营养丰富的客土撒在轮胎内,使轮胎的空隙全部充满土,并使客土高于轮胎 30～50 mm,然后压实。适用于坡度≤45°的各种类型稳定边坡。

2.5 坡面开挖客土栽植复绿技术

在边坡坡面爆破或开挖孔、穴、沟、槽等,增加坡面植被的根系生长空间,促进木本植物的生长及植物群落的营建;增加坡面植被的植生土壤厚度和边坡土层的稳定性,改善坡面植被生长条件;沟槽内蓄存的水分为植被正常生长提供了良好的生长条件。常见的技术有鱼鳞坑复绿、打孔植生复绿、挖沟植草(灌)、刻槽复绿等。

鱼鳞坑复绿技术：在露采边坡岩体裂隙较多、边坡坡面平整度较差、岩质疏松、沟槽面积较大或陡坡下部的平台区域以一定的密度开凿或砌筑鱼鳞坑,并于其内覆土种植[13]。绿化种植采用乔木、灌木、藤本及草本植物相结合。挖掘(凿)坑法是在岩体裂隙较多、岩质疏松的坡面上挖坑穴。围堰砌筑法是在坡面较平缓的位置采用浆砌块石围筑。

打孔植生复绿技术：为增加边坡岩面孔隙率,加强边坡表层岩土的稳定性,增强水土保持,在高陡及光滑岩面上,采用打孔植生施工工艺,以保证植被生长的长期稳定,促进植被的自我演替,使之与周边自然生态环境相协调。在每个所打的孔内填满营养土、腐殖土,在其边坡上进行挂网客土施工,并在植生孔中扦插藤本。例如石家庄市鹿泉区北山矿区边坡治理工程部位为掌子面阴坡,岩性为奥陶系灰岩,通过打孔植生复绿,取得了一定的效果(见图3)。

图3 石家庄市鹿泉区北山矿区打孔植生复绿景观

挖沟植草(灌)技术：在坡面上按一定的行距人工开挖楔形沟,在沟内回填改良客土,并铺设三维植被网,然后进行喷播绿化的一种植草(灌)护坡技术。与传统的沟播或穴播植草(灌)不同,这里所指的挖沟植草(灌)是将传统的沟播、三维植被网和液压喷播三种植草(灌)护坡方法有机结合,兼顾三者的优点,实现优势互补[14]。

刻槽复绿技术：在较陡岩质坡面上,按一定高度、宽度和深度刻槽,其内覆土及种植,以提高陡立边坡岩面绿化效果。开凿沟槽的布置应沿坡面走向水平布置,尽可能保持连续,槽体宽度一般为0.80～1.00 m,不宜太宽,以减少对槽体上部岩体的破坏程度,槽体深0.60～0.80 m,垂直高度间隔为5 m左右。

2.6 柔性生态护坡技术

柔性生态护坡技术是集土木工程和生态环保绿化为一体的系统工程,该系统由充填土的生态袋组成挡土结构,生态袋之间由抗老化连接带或连接板相互连接成整体柔性结构,在生态袋内外采用混播、喷播、压播、插播、内粘播进行绿化,形成整体的生态柔性挡土结构。该系统由抗老化的高分子化学纤维材料和自然土体组成,而不用钢筋水泥等高能耗和破坏环境的传统建筑材料。

植生袋堆叠复绿技术：此技术是把土壤、保水剂、树种等按照相应的要求装入生态袋,采用生态袋和连接板或连接绳进行堆叠,必要时加上砂浆加固,组成稳定、永久的生态边坡[15]。适用于常年不过水或短期过水,高度5 m以下的岩土质边坡。

植生带边坡植被护坡技术：将植物种子按一定比例均匀地播撒在两层布质或纸质无纺布中间,然后通过行缝、针刺及胶粘等工艺,将尼龙防护网、植物纤维、绿化物料、无纺布密植在一起而形成的一种特制产品[16]。植生带材料及品种有稻草植生带、绿生REEFING NET、绿生NET、绿生BAG、绿生FIBER等。适用于坡度≤60°土质和岩质边坡,且坡高一般不超过10 m的稳定性边坡。

植生毯复绿技术：植生毯通常分为普通植生毯、加筋植生毯及肥料胎植生毯三种形式。能有效防止水土流失,施工效率高,具有明显的生态功能,同时,又具有一定的防护功能。适用于自然土质边坡、自然土石混合边坡或回填土质边坡,通常坡率≤1∶1。

2.7 飘台复绿技术

坡度在60°以上的边坡,坡度较为陡峭,存土条件差,无法进行爆破,又急需改善视觉效果时,可采用飘台复绿技术。此技术是一种专门针对高、陡岩质边坡快速生态修复的新型绿化技术。经过实践对比,该技术是针对坡度>60°的岩质边坡快速生态修复、水土保持和美化环境的最为有效的方法之一。比较成功的案例是燕山矿山环境治理技术攻关试验项目——河北省滦县椅子山生态环境恢复治理,在掌子面上每10 m高锚固浇筑混凝土形成飘台蓄土空间,在飘台上种植侧柏及上爬下挂的攀爬类植物(见图4)。

图4 河北省滦县椅子山飘台复绿效果

3 复绿技术适用性分析

边坡复绿是采取工程和生物措施,主要针对露天开采矿山及地下开采矿山地表工程区域所形成的各类开采边坡的治理、绿化。矿山边坡复绿受到各方面因素的制约和影响,主要影响因素有边坡所处的地理位置、投入的资金、边坡类型、边坡坡度、边坡高度等。综合考虑各类矿山边坡复绿技术的资金投入以及施工工艺等,对复绿技术的适用条件进行了分析，见表1。

渣土质边坡整治工程内容主要包括：改变边坡坡率(坡度)与形状、边坡防护加固工程、边坡排水工程等。条件允许时,应优先考虑采用坡率法。如果稳定性较好,则多采用铺草皮、喷播植草、三维网植草防护、鱼鳞坑、穴播等绿化技术;如果要考虑防止冲刷或一定的造型,可采用骨架+喷播植草防护;如果稳定性较差,可以选择框架锚杆+喷播植草做坡面防护。

表1 矿山边坡复绿技术适用条件分析表

岩质边坡主要采用的复绿技术有：边坡整形复绿、三维植被网、挂网客土喷播、挖沟植草(灌)、植生袋边坡植被、刻槽复绿、打孔植生复绿、骨架护坡绿化等。由于各种矿山复绿技术均有其独特的适用条件,比如打孔植生、飘台复绿技术等施工难度大、工程造价高，对后期养护要求较高,其他边坡复绿技术施工难度较小,工程造价相对较低,养护方便,在短期内可以达到良好的复绿效果。因此在选择复绿技术时应根据所处的地理位置及气候条件灵活选择。

河北省太行山中部地区尤其是石家庄、保定地区以石灰岩开采为主,大部分为坚硬较完整的高陡边坡,因此广泛采用边坡整形复绿技术、坡面开挖客土栽植复绿技术、喷播复绿技术、绿色屏障复绿技术等,并配置相应的灌溉系统,如以抽取地下水为主要水源的节水滴灌系统或节水型自动控制滴灌系统[17]。张承地区岩质以片麻岩类边坡为主,宜采用柔性生态护坡技术、鱼鳞坑复绿技术、骨架护坡植被恢复技术等。

总之,根据不同的边坡类型特征,在保证边坡稳定性的前提下选择最优复绿技术,达到最好的生态环境复绿效果。

4 结论

本文针对河北省矿山开采边坡复绿技术进行了研究,根据不同边坡类型对其适用性进行了分析。目前常用的复绿技术有：边坡整形复绿技术、喷播复绿技术、绿色屏障复绿技术、骨架护坡植被恢复技术、坡面开挖客土栽植复绿技术、柔性生态护坡技术、飘台复绿技术等。具体选择时应考虑边坡特征、资金投入以及施工工艺等因素。通过本文分析探讨,以期为类似的矿山边坡生态复绿提供参考与借鉴。