某废弃露天采石场生态修复方案研究

张 朝，杨 涛*，沈 铭，李 喜

(1.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

矿山地质环境生态修复是中国生态文明建设的重要领域。废弃露天采石场往往存在易产生崩滑地质灾害的高陡岩质边坡，且植生立地条件差，已成为当前矿山地质环境生态修复研究领域的热点问题之一[1-4]。针对废弃露天采石场生态修复工作，有大量学者展开了研究，宋卫[5]提出坡面整形+回填+覆种植土+栽植植物的废弃矿山生态修复方案；林国评[6]提出针对高陡岩质边坡，首先进行坡面危石清除，再在马道平台上布设排水沟，然后对坡面采用飘板植生槽法或液压喷播的方式进行生态修复；甘柯等[7]针对矿山高陡岩质边坡提出坡面清理+挂网喷播绿化+坡面种植槽绿化工程等综合治理措施。综合国内外研究成果认为，目前对废弃露天采石场生态修复领域主要存在矿山地质灾害治理与生态修复有机结合不够、高陡硬质岩坡长期生态绿化效果不佳等问题[8-9]。

本文针对某废弃露天采石场，分析其存在的矿山地质环境问题及采坑边坡稳定性，并以消除矿山地质灾害安全隐患、修复已损毁的地表生态植被和美化视觉环境为总目标，提出合理的生态修复方案。通过工程实施，取得了良好的生态修复效果，其集地质灾害治理与生态植被恢复为一体的生态修复模式对其他同类矿山具有可借鉴意义。

1 废弃矿山概况

该废弃露天采石场位于某城市主干道南侧山体处，其南、北两侧分别紧邻某公墓园区和城市主干道，坡底为公墓园区加工车间和公厕等公共设施(照片1)。该废弃采石场始采于20世纪80年代初，至2009年底关停，开采矿种为石英砂岩，为责任主体灭失矿山。

照片1 露天采坑全貌

根据现场调查，受卸荷、风化、降雨等不良外部环境因素影响，该采石场边坡曾多次发生规模不等的崩滑与落石等地质灾害，并造成坡底建筑物和西侧大门、围墙受损，所幸无人员伤亡。坡顶六角亭位置因前期多次崩滑导致边坡后缘整体向后推移约2～3 m，使边坡后缘距六角亭围墙最近距离不足1 m，坡顶无放坡空间，危险性增大。另外，该采石场裸露的岩坡面严重影响了城市整体形象和视觉环境，因此对其开展生态修复是十分必要的。

2 地质条件

2.1 地形地貌

区内属剥蚀堆积岗地地貌，山脉总体走向为NWW向，自然山体坡度一般为18°～30°，局部较陡，地面标高一般为30.0～58.6 m，地表自然植被茂密。

2.2 地层岩性

该采石场主要出露志留系、泥盆系及第四系地层，由老至新依次为：志留系中统坟头组(S2f)灰黄—黄绿色薄—中层状粉砂岩、泥质粉砂岩及页岩，厚度>150 m；泥盆系中—上统云台观组(D2-3y)灰白微带肉红色中—厚层状石英质砾岩夹杂色黏土岩、薄—中厚层状石英砂岩夹杂色黏土岩，厚度>90 m；第四系残坡积(Qel+dl)粉质黏土、碎石土等，厚度0～2.8 m。

2.3 地质构造

该采石场位于官家畈向斜翼部，该向斜轴向NWW，西段在马龙山扬起，东段被第四系覆盖；核部由三叠系下统大冶组(T1d)构成，两翼由泥盆系—二叠系地层构成，北翼倾向SW，倾角40°～80°；南翼倾向NNE，局部NNW向，倾角27°～34°。区内未见有规模的断裂构造。

2.4 水文地质特征

区内地下水类型为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水两类。松散岩类孔隙水主要分布于周边沟谷缓坡地带，含水介质由第四系残坡积粉质黏土和碎石土组成，主要来源为大气降雨入渗补给，富水性弱。碎屑岩类裂隙水主要分布于泥盆系中—上统石英砂岩裂隙中，岩体构造裂隙较发育，裂隙率一般为0.6%～0.8%，为地下水迁移的良好通道，富水性较强，其下伏的志留系中统粉砂岩、泥质粉砂岩及页岩构成相对隔水岩组。

3 主要矿山地质环境问题

3.1 矿山地质灾害

由于早期公墓园区建设已对该采石场露天采坑进行了回填处理，目前回填区地面现状稳定，未见不良地面变形迹象。该废弃矿山在治理前主要存在不稳定露天采坑边坡问题。采坑边坡平面上呈EW向弧形，剖面上总体呈直线形，走向长131 m，相对高差5～29 m，平均坡角50°(坡顶局部达85°)，坡向15°～22°，斜坡面积3 840 m2，潜在崩滑方量3 204 m3。边坡类型为岩质边坡，结构类型为斜向坡，地层岩性为泥盆系中—上统云台观组中—厚层状石英砂岩、石英质砾岩，局部夹黏土岩，产状82°∠46°，坡顶原始地面残坡积层碎石土不足0.5 m。该边坡坡体曾多次发生规模不等的崩滑与落石地质灾害，已造成较严重的经济损失，主要危害对象为坡顶公墓、坡下公厕以及道路。

3.2 地形地貌景观破坏

该采石场经历二十余年的露天开采和关停后采坑边坡发生的多次崩滑，造成了严重的自然山体植被破坏和水土流失(照片2)，与周边原有的自然环境形成巨大的视觉反差[10-12],影响了城市整体形象和视觉环境。

照片2 地形地貌景观破坏现场

3.3 土地资源破坏

区内采矿活动对土地资源的破坏主要表现为露天开采挖损土地，破坏土地类型主要为灌木林地，破坏方式为挖损，破坏面积约6 486.7 m2，破坏程度总体较严重。

3.4 含水层破坏

该采石场矿石和废石不含可溶性有毒有害物质，采矿活动对矿区及周围水环境影响程度总体较轻。

4 稳定性评价

对矿山进行生态修复前，必须查明采坑边坡在治理前的稳定性状况，从而为治理工程方案的选型、工程布置、加固强度与加固参数的确定提供依据[13-14]。

4.1 岩土体物理力学参数及计算标准

根据现场勘测、反演分析与工程类比，综合确定采坑边坡岩体及结构面的物理力学参数，如表1所示。

表1 岩体及结构面物理力学参数

计算时选用两种工况，即工况1：自重；工况2：自重+饱水(20年一遇暴雨)。计算时不考虑地震荷载作用，安全系数取1.30(平面或折线滑动法)。

4.2 破坏模式分析

根据边坡地形地貌、地层结构与岩性、节理裂隙发育情况以及岩体风化程度等现场地质调查结果来看，各坡段除沿坡体发生局部岩滑、危岩体崩塌与落石地质灾害外，还可能沿强风化与中风化岩体接触面发生滑动破坏。取2—2′、3—3′和4—4′三个典型工程地质剖面(图1、图2)进行边坡稳定性计算，其中2—2′、4—4′剖面可能发生平面滑动破坏模式，3—3′剖面可能发生折线滑动破坏模式。

图1 2—2′工程地质剖面简图

图2 3—3′工程地质剖面简图

4.3 稳定性计算

根据上述破坏模式，2—2′、4—4′剖面采用平面滑动破坏模式计算，其安全系数K的计算公式为：

(1)

式中：H为边坡高度，m；α为边坡坡角，(°)；β为结构面倾角，(°)；γ为岩体天然重度，kN/m3；c为结构面黏聚力，kN/m2；φ为结构面内摩擦角，(°)。

3—3′剖面采用传递系数法进行稳定性计算，其安全系数K的计算公式为：

(2)

其中:Ri=Wicosθitgφi+CiLi;

Ti=Wisinθi;

Ψj=cos(θi-θi-1)-sin(θi-θi-1)tanφi+1。

式中：Wi为第i条块重力，kN/m3；Ci为第i条块滑面黏聚力，kPa；φi为第i条块滑面内摩擦角，(°)；θi为第i条块底面倾角，(°)，反倾取负值；Ψj为传递系数；Ri为第i条块抗滑力，kN/m；Ti为第i条块下滑力，kN/m；Rn为第n计算条块滑体抗滑力，kN/m;Tn为第n计算条块滑体下滑力，kN/m;Li为第i条块滑面长度,m。

根据平面与折线滑动破坏模式计算原理，分别按天然和饱和两种工况计算各典型剖面的稳定性系数，计算结果见表2。根据稳定性计算结果与现场宏观地质调查综合分析，采坑边坡在天然状态下总体处于稳定状态，在饱和状态下处于欠稳定—不稳定状态，特别是当坡体后期进一步遭受降雨、风化、卸荷等不良外部环境因素影响时，坡体仍会持续发生局部崩滑与落石等地质灾害，同时还可能沿强风化与中风化岩体接触面发生更大规模的崩滑破坏，其发展趋势为不稳定，必须进行工程治理。

表2 边坡稳定性计算结果

5 生态修复方案

5.1 目标、原则与要求

首先消除矿山地质灾害安全隐患，同时考虑治理区生态环境的绿化与美化，最终实现保障当地人民生命财产安全、修复采石场生态环境的目的。

本次矿山地质环境生态修复总体遵循因地制宜、标本兼治、环境美观、经济合理的原则，将矿山地质灾害治理与生态恢复、景观美化进行有机融合[15-17]。

根据采石场生态修复的总体目标和原则，充分考虑采石场矿山地质环境现状等，确定如下生态修复方案：削(清)方与筑台反压、锚杆植生墙、挡土墙、截(排)水沟、生态绿化与监测(图3、图4)等,即①为减小边坡坡体下滑荷重及修整坡面，按一定坡率对坡体进行削方与坡面整形，并在坡体中部布设一道马道平台，再利用削(清)方废渣对坡脚进行反压；②沿边坡坡脚和马道平台内侧分别布设一道重力式混凝土结构和格宾结构挡土墙，对反压坡体进行支挡；③为保证坡顶六角亭和围墙的安全以及降低边坡绿化的难度，沿边坡中上部布设两道锚杆挡土植生墙；④为减轻地表雨水对坡体造成直接冲刷，并引排地面雨水，在坡脚和马道平台挡土墙外侧分别布设一道混凝土结构和预制U型截(排)水沟，截(排)水沟水流通过坡面跌水、坡脚消力池后引排至市政管网；⑤对削坡整形后边坡面进行生态绿化，以美化周边视觉环境；⑥为随时掌控治理后边坡体变形发展趋势与治理效果，预防突发性地质灾害发生，采用专业监测与宏观巡查相结合的监测方案对治理工程进行效果监测。

图3 生态修复方案平面布置图

图4 生态修复方案剖面布置图

5.2 生态修复方案具体内容

5.2.1削(清)方与筑台反压

为尽可能保持矿区“清、削、挖、填”相平衡，对采坑边坡采用削(清)方与筑台反压方案进行工程整治[18]。首先对可能影响施工安全的坡面浮石、松石以及崩滑体等进行清理，然后按1∶1.43的坡率对坡体进行削方与坡面整形，再利用削(清)方废渣对坡脚进行反压，反压坡率为1∶1.73～1∶2.75，同时在反压体中部高程为45.0～46.1 m位置布设一道马道平台，平台宽度为1.5～2 m。反压回填土体必须分层铺设分层碾压，分层虚铺厚度≤30 cm，压实系数≥0.92，反压回填前必须对坡(地)面浮渣、松土、杂物、植被等全部进行清除，且不得有积水[19-20]。

通过筑台反压，有效增强了边坡的稳定性，降低了边坡坡度和裸露岩坡高度，不仅较好地解决了削(清)方等废渣的归置问题，还降低了工程成本，便于边坡生态绿化与环境美化。

5.2.2挡土墙工程

为了对反压坡体进行支挡，沿边坡坡脚和马道平台内侧分别布设一道重力式混凝土结构和格宾结构挡土墙。坡脚挡土墙DT1选用重力现浇混凝土结构型式，墙高2.8 m，墙顶宽1.0 m，墙胸坡比1∶0.2，墙背坡比1∶0.1，地面以上出露1.6 m，埋深1.2 m，墙底逆坡坡比0.2∶1，墙趾高40 cm、宽30 cm。马道平台内侧挡土墙DT2选用重力式格宾挡土墙结构型式，墙高3.0 m，墙顶宽1.5 m，格宾挡墙基础网箱埋深1.4 m，单元格宾网笼长×宽×高为1.5 m×1.0 m×1.0 m。

根据稳定性验算结果，各挡土墙抗滑移安全系数>1.3，抗倾覆安全系数>1.5，符合规范[21]要求。

5.2.3锚杆植生墙工程

为保证坡顶公墓园区安全并解决高陡岩坡面生态绿化难题，沿采坑边坡中上部布设两道锚杆植生墙，即利用锚杆对中上部不稳定采坑边坡进行加固，同时利用边坡锚拉墙和坡面微地形构造有利于生态绿化的“大燕槽”，进而将边坡加固和生态绿化有机地融合起来。锚杆植生墙(图5)采用锚拉式现浇钢筋混凝土墙结构型式，其中锚杆采用全长黏结水泥砂浆锚杆，植生墙由钢筋混凝土基础梁和悬臂挡土面板组成，基础梁和悬臂挡土面板采用C25混凝土分段现浇整体连接，中对中布置。墙体总高度2.5 m，出露墙高1.2 m，埋深1.3 m。基础梁和悬臂挡土面板均采用矩形断面，其中基础梁高×宽为1.3 m×0.8 m，悬臂挡土面板高×宽为1.2 m×0.4 m。锚杆与基础梁纵筋采用点焊连接，锚杆水平间距2 m，垂直间距1 m，上下排锚杆交错布置。锚杆采用1根Φ32HRB400钢筋，布设角15°。

图5 锚杆植生墙剖面布置图

根据稳定性验算结果，加固后的边坡体在天然和饱和状态下的稳定系数分别为2.367和1.603，符合规范[21]要求。

5.2.4截(排)水沟工程

为减轻雨水对坡体的直接冲刷并引排地面雨水，在坡脚和马道平台挡土墙外侧分别布设一道混凝土结构和预制U型截(排)水沟，截(排)水沟水流通过坡面跌水、坡脚消力池后引排至市政管网。根据治理区降雨强度和汇水面积经水力计算，在坡脚挡土墙外侧设置一道现浇混凝土结构排水沟PS1，过水净断面宽×高为0.3 m×0.4 m，壁厚0.25 m,底厚0.3 m；在马道平台挡土墙外侧设置一道预制U型排水沟PS2，槽体净断面宽0.54 m，沟深0.45 m，沟壁厚5 cm，单块长度0.5 m。排水沟PS2拦截地表水后通过跌水沟引至坡脚消力池，再通过排水沟PS3引至市政管网。排水沟PS3采用带盖板现浇混凝土结构排水沟，过水净断面宽×高为0.4 m×0.5 m，壁厚0.25 m,底厚0.3 m。各截(排)水沟沟底坡度≥0.5%。

5.2.5生态绿化工程

生态绿化工程采用以垂直绿化为主的生态修复技术，选择以低矮灌木、地被植物和攀缘植物为主的植物，实施“土工格室客土铺草皮+孤植景观树+攀缘植物上爬下垂+条植绿化带”绿化方案。

(1)植草。由于采坑边坡东西段削方区为岩质坡面，不仅土壤贫瘠、保水性差，而且边坡坡度较大，若直接覆耕植土易遭受雨水冲刷，且对边坡长期稳定性不利，难以达到理想的固坡和绿化效果。因此，为保证植物成活率并达到长期绿化效果，在铺设草皮前首先铺设土工格室并客填耕植土，耕植土填实度以浇水后不沉陷为宜。土工格室类型为压花、打孔型，格室高8 cm，焊接间距40 cm，展开尺寸4.5 m×5.0 m。土工格室采用长度≥30 cm U型钉固定，U型钉平均每2.0 m2坡面至少布设1根。土工格室铺设后，采用人工客填由黏性土、泥炭土及复合肥混合拌制而成的耕植土，然后人工铺设草皮。对边坡中段填方反压坡面整形后，直接覆30 cm耕植土铺设草皮。

(2)植树。对马道平台穴植两排乔木，根据治理区气候与土壤条件等，乔木树种选用红叶石楠、香樟树或生命力旺盛的乡土乔木树种，株距2 m，排距1.6 m，交错栽植，胸径6 cm。对铺草皮区域孤植景观树，树种选用桂花、女贞或生命力旺盛的乡土灌木树种，株距4 m，排距4 m，交错栽植，冠径1 m。乔、灌木采用坑穴法栽植方式，坑穴直径60 cm，深度60 cm。

(3)攀缘性植物。在各挡土墙顶部条植两排藤本下垂植物，根据治理区气候与土壤条件等，攀缘性植物选用野迎春、常春藤、凌霄或生命力旺盛的乡土藤本植物。采用条行穴法，株距0.3 m，排距0.2 m，严禁扦插种植。

(4)绿篱带。为美化治理区环境，在坡脚挡土墙植生槽内布设一条绿化景观带。苗木选用法国冬青、红叶石楠、女贞等灌木景观树种。绿化带采用条行穴法，株高1 m，株距0.3 m，排距0.2 m，交错栽植。

(5)绿化养护。根据场区地形地貌与养护水源条件等，采用喷灌养护方案，该养护方案具有节水、保土和高效等优点。养护水源使用园区内生活用水，利用供水管直接从园区内公厕引水至消力池，消力池兼蓄水池，然后利用潜水泵连接养护系统，对植物进行喷灌养护。

5.2.6监测工程

为随时掌控治理后边坡体变形发展趋势与治理效果，预防突发性地质灾害发生，采用专业监测与宏观巡查相结合的监测方案对露天采坑岩质高边坡、坡(地)面开裂、各类支挡结构、地面生态植被成活情况进行监测。根据治理区监测对象分布以及地形地貌与周边环境通视条件等，共布设监测墩7个，其中基准墩2个、变形监测网点5个。

5.3 生态修复效果

该废弃采石场按照生态修复方案顺利实施后，经近一个水文年的效果监测与检验，发现生态修复效果良好(照片3)。此次矿山生态修复不仅有效地消除了矿山地质灾害安全隐患，而且有效地恢复了矿区生态植被，特别是高陡岩坡立面绿化效果良好，植物存活率高，极大地改善了矿区环境视觉效果。

照片3 矿山生态修复效果

6 结论

(1)通过现场调查与勘测，查明该废弃露天采石场主要存在矿山地质灾害、地形地貌景观破坏、土地资源破坏等矿山地质环境问题。

(2)针对矿山地质环境问题现状与周边环境状态，深入研究并确定了“削(清)方与筑台反压+锚杆植生墙+挡土墙+截(排)水沟+生态绿化+监测”的生态修复方案。

(3)通过生态修复方案的具体实施，不仅有效地消除了矿山地质灾害安全隐患，而且取得了良好的生态修复效果，特别是筑台反压、锚杆植生墙相结合的地质灾害治理与生态绿化模式，可为同类矿山生态修复所借鉴。