柔性生态技术在矿山修复中的应用

许思益

（中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054）

随着国民经济持续增长，对于煤矿资源需求体系增大，陕西省为中国重要的产煤大省，煤矿开采对其生态环境破坏十分严重，常规矿山恢复手段主要针对于地质灾害进行治理，但对于矿山开采过程中所破坏的自然环境恢复考虑较少。本文研究的矿山位于铜川市北部，在采矿过程中针对矿山安全性进行了治理。但未对毁坏的生态环境进行修复，大量边坡与地面裸露，且渣堆破坏占用大量农田，导致当地自然环境满目疮痍。由于此矿山位于城市饮用水源地保护区内，故在治理中提出以生态修复为目标，恢复自然环境为首要任务。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

项目区为黄土高原丘陵沟壑区，地势北高南低，呈北西—南东向倾斜，平均高度1 132 m，地形复杂，地貌多样。

1.2 地层岩性及分布特征

根据现场勘察和收集已有资料，将整个场地划分为二叠系砂岩（T2）、白垩系砾岩（K2）、第四系全新统的坡积卵石（Q4dl+pl）、冲洪积黄土状土、卵石（Q4al+pl）及人工填（Qml）土等，现自上而下、自新至老分述如下。

①-1层填土（Qml）：主要由卵石组成，充填少量黏性土及砂砾，局部含少量生活垃圾，结构松散不均。该层遍布场地表层，厚度0.5～3.2 m。

①-2层填土（Qml）：主要由碎石（煤矸石）组成，充填少量黏性土，局部含少量生活垃圾，结构松散不均。该层主要分布在该区北部沟道内，厚度为3.2～11.5 m。

③层卵石（Q4dl+pl）：主要由变质岩碎块组成，磨圆较好，一般粒径2～8 cm，最大20 cm，充填黏性土及砂约20%，中密—密实状态。该层分布于大部分勘察场地内，层厚2.8～15.0 m。

③-1层粉质粘土（Q4dl+pl）：黄褐色，土质较均匀，含少量圆砾及卵石，表层含大量植物根系，硬塑。该层仅在13#勘探点表层被揭露，层厚2 m。

④-1层砾岩（K2）：紫红色，一般粒径2～5 cm，最大15 cm，磨圆好，泥质胶结，中风化。

④-2层砂岩（T2）：浅红色，细粒结构，表层强风化，风化厚度一般小于50 cm。

1.3 水文地质条件

勘察期间，治理区内各钻孔和探井均未见地下水，该区属于黄土残原沟壑区，地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水，以潜水的形式存在，水位埋深较深，水的分布局限大、水量小，可不考虑其对边坡的影响。

2 治理区存在的问题

矿山经过多年开采，为国家和地方经济社会建设作出了巨大贡献。但过去为了争抢矿业资源，使得矿区矿业开采秩序十分混乱，忽视了地质环境治理工作[1]。目前该矿区存在的主要地质环境问题是矿山采矿煤矸石堆、矿区边坡滑塌、废弃工业场地等造成的生态环境破坏，主要地质灾害问题包括矿山建设开挖形成的不稳定边坡等。另外，还有矿山工业场地及建构筑物占用土地，矿山生产排放的废渣堆占用土地及堵塞河道等造成的地形地貌景观破坏及土地资源破坏问题。地质灾害、地形地貌景观及土地资源破坏最终导致水土流失生态环境破坏。并且由于堆积面裸露，加之表面风化物、颗粒物松散，在干燥起风的条件下，易产生大量风蚀扬尘，对周边的空气造成污染。裸露的废渣堆和周围环境形成鲜明对比，渣体表面产生反射，易造成视觉污染。

3 设计治理目标

第一，恢复植被、减轻水土流失、生态环境修复。通过治理工程的实施，平整采矿区废石堆，并进行土壤改良、恢复绿植，完善相应的排水设施，减轻水土流失，缓解因水土流失造成对山地、农田的污染，改善生态环境。

第二，提高土地资源率。将治理区内的坡地整治，通过复垦恢复为林地或耕地，交由当地政府统一分配，可以提高农民收入。

第三，地质灾害隐患消除。主要手段包括；对矿区废渣堆边坡进行平整，修建排水渠减少山洪或坡面汇水对渣堆的冲击作用；对矿区边坡滑塌灾害采取防护治理，保证当地群众的生命财产安全，为矿区转型后可持续发展提供保障。

4 治理方案对比

对于矿山边坡处理的常规方式包括土钉墙、锚喷支护、挡土墙、铁丝石笼、抗滑桩等[2]。常规手段主要针对边坡，进行支护围挡，短期效益较好，长远来看不能恢复当地生态环境，矿山采矿过程中原有植被破坏较为严重，常规方式不能恢复当地生态，反而由于多以混凝土砌石为主要用料，加剧生态环境退化。且本项目位于水源地保护区，应以生态恢复为目标。

边坡的生态治理主要优点包括固定坡面土层，防止雨水冲刷，抗雨水侵蚀，降低地表径流速度。植物叶茎形成保护层，该层有抗侵蚀作用，阻止坡面水向内渗透，坡面常绿。喷播客土增加土体本身粘聚力与内摩擦角。植物长成后根系发达，可产生类似加筋土的效果，提高土体抗滑能力，解决矿山边坡问题。

在同等状态下，生态手段性价比较高，前期投入少，长远效果好，植物成长过程中，边坡愈加稳固，解决当地水土流失，成长后可保护当地生态环境，提升社会效益，故本项目以生态防护为主要设计思路。

5 治理工程总体部署

遵循系统观、整体观和以生态保护修复为主的原则，结合当地后期持续发展的需要，对治理区采取分级刷坡整平，边坡采用加筋生态挡墙进行加固，坡边恢复生态林带，平台复垦为耕地，沿治理区修坡平台设置截水沟，沿治理区周边设置排水沟综合治理措施。

6 治理工程分项

6.1 植物生态袋护坡与边坡整治

植被护坡的功能主要有2 个方面：力学方面，浅根与表层土地形成加筋土体提高土的内聚力，深根进入稳定土层对土体可以起锚固效果；环境方面，吸收水分降低坡体孔隙水压力、植物的茎叶减少降雨直接冲刷，削弱水的溅蚀、减少地面径流，保水保墒[3]。故修复中采用生物技术保护边坡并同时布置生态袋进行综合考虑。在保持矿区现在有地形地貌的基础上，对治理区依据地形开挖回填整平，分为四级平台。填筑施工时应按水平分层向上铺土填筑，不得顺斜坡填筑，每层厚度不得大于50 cm。每层各工作面之间碾压搭接宽度不小于1.0 m。填筑压实设备应采用平碾或振动碾碾压，压实系数大于0.9。

沿治理区修坡平台设置截水沟。排水方法明沟排水，设置矩形截水沟。根据当地经验设计断面尺寸为底部宽度0.4 m，深度0.4 m，壁厚30 cm。沿治理区周边设置排水沟。

边坡采用加筋生态挡墙进行加固，坡比1∶1。平台边8.0 m 宽植树造林，形成生态带。绿化采用乔灌结合，本着“因地制宜，适地适树，以乡土树种为主”的原则，选取树种为辽东栎、油松、白杨，树苗规格0.8～1.0 m，树径3 cm；灌木选取胡枝子、迎春花，规格高度50 cm，地径0.3 cm。采用挖穴种树，树穴规格为0.5 m×0.5 m×0.5 m，间距2.0 m，混交比1∶1，隔行混交。

6.2 生态喷播

针对于土质较差且较陡不易开挖的边坡可以采用客土生态喷播技术，生态喷播在修复类项目中大量应用，特点包括实施快捷、材料易得、成本较低、适应性好。其原理是利用混合机械设备将催芽处理的种子、水、种植土、营养肥料、纤维覆盖物、土壤改良剂等制成混合浆液，等浆液有一定黏稠度后，通过特制喷播系统喷播到生态环境遭破坏的边坡表面，进而形成喷播的基础覆盖层。喷播可以改良土壤，同时依靠喷播的纤维与胶体形成半渗透的保湿表层依附在地表，为植物生长创造良好条件，既可以防止水土流失，也可固定种子不被冲走，同时够起到涵养当地水分和养分的作用，是植物种子良好生长的培养基，通过此项措施可促进植被恢复、改善视觉景观、保护生态环境。

6.3 加筋生态挡墙

对于加筋生态挡墙采用分级设置加紧材质为HDPE 的单向土工格栅，根据挡墙的高度和受力特点，单向土工格栅长度为8.0～17.0 m，分层铺设分层碾压回填，每层厚度不超过50 cm，根据坡高不同，每个边坡设置2～3 级边坡，坡比1∶1，平台宽度3.0 m。面层采用反包生态袋护面，反包格栅与上层格栅之间通过坦萨连接棒足强度连接。生态袋是用聚丙烯及其他高分子材料复合制成，布料拉伸强度大于等于4.5 kN/m，布料断裂伸长率大于等于40%。生态袋内植物种子按照黑麦草5 g、高羊茅8 g、紫穗槐5 g、沙棘3 g、小叶女贞2 g 进行配置。填挖交界面和边坡内部设置碎石渗水盲沟。

对设计加筋土边坡稳定性进行设计验算，稳定性计算应采用规范要求的圆弧法，利用软件模拟边坡稳定分析模块进行计算。项目区抗震烈度为Ⅵ度，故不考虑地震工况。根据GB 50330—2013 规范3.2 及本工程特点，边坡安全等级综合按一级考虑，故结构重要性系数按1.1 考虑。使用期限：本工程为永久性支护，结构设计使用期限为50 年，设计边坡稳定安全系数一般工况1.35，饱和工况1.15。计算参数按照勘察报告结论选取。饱水工况按照表层饱和厚度3.0 m 考虑，参数按饱和重度与饱和状态时的抗剪强度参数选取。土工格栅UXC 型格栅抗拉强度取44.2 kN/m，UXB 型格栅抗拉强度取27.1 kN/m。

6.4 土地复垦

对整平后的平台覆土复垦为耕地。

对于田埂田坎采用人工种植连翘和紫花苜蓿的方式，保护田坎稳固性，防止和降低水土流失对新增耕地造成的危害。连翘栽植间距为3 m×3 m，紫花苜蓿为撒播草籽播种。

根据《高标准基本农田建设规范》项目耕作层厚度应达到30 cm 以上，有效土层厚度应达到60 cm 以上，故覆土厚度应大于60 cm，对项目区回填土利用自然降水、机械压实等方法让土壤沉降，使土壤密实度达到80%左右，由于项目回填土均为生土，应进行土壤培肥后移交至。土壤培肥可采用种草肥田的方法，种植绿肥、豆科、牧草来培肥地力，提高经济产量。

7 施工技术

7.1 生态袋护坡与生态喷播技术

生态袋一般应当于施工现场制作，一可节约运费，二可消耗边坡清理过程中产生的弃土。做好施工准备后，将生态袋按顺序码放，安装好生态袋之间的接扣，保证结构扣能够对生态袋之间做好稳定的连接。每层生态袋铺设完毕，进行夯实或人力压实，进一步提升生态护坡中接扣与生态袋之间的稳定性。三层之间增加一层加筋格栅，提高生态护坡整体性。重复上述步骤，直至封顶。封顶后采用液压喷播系统对构筑好的生态袋墙面进行喷播绿化施工，完毕后做好养护工作，提高项目的施工质量。

7.2 自嵌式生态挡墙

首先进行场地清理，测量放线，对进场土工布、自嵌式植生块按照相关规定复检，保证植生块表面平整，防止由于材料质量问题引起的连锁反应。施工重点做好第一层的安装，首先在平整的场地上安装土工格栅布，且对第一层植生块严格做好复核工作，保证第一层与土工布层的完整接触，墙后排水填料的厚度不小于30 cm，做好回填加筋土的分层压实，在压实过程中避免破坏土工布。第一层安装好之后，应严格按照图纸进行后续施工，在安装上层一定要清理好杂土，保证两层的嵌块咬合，将强度的方向垂直墙面铺设，不得反铺，对于拐角外弧等位置做好切割处理，提高挡墙的整体性。大型机械在施工过程中做好管理，不得直接在土工格栅布上操作，填土过程采用倒退法。

8 结束语

现阶段过程中，环境保护是国家的基本国策，政策上加大对矿山生态环境治理投入，并且制定相关的法律制度，对矿山生态环境治理的重点和目标作出了明确的规定。对于矿山关停后的后续治理问题已成为重中之重，特别是对于生态保护区的恢复已经成为了一个新的课题[4]。

柔性治理生态防护作为一种环境恢复与保护的方式，在多种地质灾害治理中已经推广开来。它在多种治理方案中体现出了很大的优越性，特别是针对山区、水源地保护区，提高了当地植被覆盖率，有利于防止水土流失，这是常规治理手段所不能达到的效果。本次通过柔性治理，绿色治理，既可保证治理效果，又可提高当地绿化水平，恢复耕地面积，有着良好的社会经济效益[5]。