类壤土基质喷播技术在矿山生态修复中的应用分析——以个旧市大屯黑马山矿山为例.pdf

第3 5卷第3 期2023年9月亚热带水土保持Subtropical Soil and Water ConservationVol.35No3Sep.2023类壤土基质喷播技术在矿山生态修复中的应用分析以个旧市大屯黑马山矿山为例蒋学广吴吴柳宗宗陈允建（云南地质工程第二勘察院有限公司云南昆明6 50 2 18）摘要喷播绿化是进行矿山边坡植被恢复常用的技术之一，本文结合个旧市大屯黑马山工程实例，介绍了该技术的工艺流程与坡面整治要求，发现了在施工过程中存在的问题，分析了实际效果与预期效果相差较大的原因，提出了类壤土基质喷播技术在高陡边坡治理工程设计与施工中的注意事项，以便为类壤土基质喷播技术的推广应用与问题解决提供技术与案例支撑。关键词类壤土基质喷播；高陡边坡；底基层；表层；种子；养护中图分类号S157.1前言2016年9 月2 5日，为全面贯彻落实党中央、国务院关于生态文明建设总体部署和要求，深入贯彻落实习近平总书记系列讲话重要精神，财政部、原国土资源部、原环境保护部联合印发关于推进山水林田湖生态保护修复的通知（财建2 0 16 7 2 5号）。2 0 19年11月，自然资源部印发了关于探索利用市场化方式推进矿山生态修复的意见（自然资规2 0 19 6 号），个旧市积极响应国家政策要求，加快推进历史遗留矿山生态修复工作，首次引进类壤土基质喷播技术，用于个旧市城市通道面山矿山大屯黑马山灰岩矿生态修复。1类壤土基质喷播技术简介依据地质灾害生物治理工程设计规范（试行）（T/CAGHP050-2018）附录H中类壤土基质喷播法高陡边坡治理工程设计介绍，类壤土基质喷播法是一种新型的生态护坡技术，通过仿生技术快速模拟出原坡面中适合植物生长的高性能类壤土基质结构，在短期内形成具有生物多样化和可持续演替功能的植物群落，恢复自然生态系统，具有重收稿日期：2 0 2 2-11-14修回日期：2 0 2 3-0 2-15作者简介：蒋学广（197 4-），男，云南省宣威市人，高级工程师，从事地质工程、地质环境与生态修复研究工作。45文献标识码B文章编号10 0 2-2 6 51（2 0 2 3）0 3-0 0 45-0 5塑岩面立地条件，恢复后与原坡面植被相似度达95%以上，兼具生物防护作用。工艺流程包括坡面整理、挂网、喷射底基层、喷射表层、养护等。施工要求坡面凹凸最大不超过3 0 cm，整体坡面最大坡度小于等于8 0，分两层喷播，底基层厚度57cm，表层厚度7 8 cm，合计厚度12 15cm，所有种子在使用前进行发芽试验，底基层由当地肥沃的植壤土加入草纤维、黏胶、保水剂、复合肥、类壤土基质剂等拌合而成，并规定了每平方米中添加物的用量。2个旧市大屯黑马山概况项目区位于南亚热带：主要分布在海拔110 0 1400m的北部坝子和海拔10 10 110 0 m的南部红河谷地区，拟修复的三个矿区位于海拔13 0 0 1600m之间。年平均气温18 2 1，只有春、夏、秋三季，基本无冬季。大部地区雨量充沛，但分布不匀。510 月为雨季，降水量8 7 9.9mm;11月至次年4月为干季，降水量2 16.2 mm，年均降水量12 9 2.8 mm，年降水日数约158 日，日最大降水量108.9mm。亚热带水土保持第3 5卷依据大屯黑马山矿山生态修复治理方案，大屯黑马山矿区包含黑马山、正波、张乔顺三个灰岩矿区（见图1）。其中黑马山矿区面积最大，正波居中，张乔顺最小。98.5m，往北东逐渐降低，矿区损毁面积约2 5457.3 7 m（见图4）。沿边坡边缘，地表局部可见裂缝，宽约0.2 0.5m，可见深度一般在1.2 1.5m之间。图1大屯黑马山矿区（左-张乔顺，中-正波，右-黑马山）黑马山矿区由南、北两个采场相连组成，南采场形成漏斗状露天采坑，最高点高程152 5.6 m，最低点高程13 6 0.0 m，相对高差16 5.6 m。采场西南边形成近直立高边坡，主要由原生灰岩构成，垂高约160m，表面基本裸露，偶有车桑子矮小灌木及竹毛草生长；沟中凹地南北宽约2 6 7 m，东西长约350m（见图2），为废弃采矿斜坡及平台，从上往下大致分出九阶平台。北采场形成东西两侧的凹槽，最高点在与南部采场连接处的山梁，高程1446.0m，最低点在采坑底部，高程13 7 8.0 m，相对高差6 8.0 m。图2 黑马山矿区原始地貌正波矿区形成的采空区成西高东低的弧状，最高点在采场西北边缘，高程149 3.8 m，最低点在采场底部平台，高程13 8 0.0 m，相对高差113.8 m，由西往东逐渐降低，矿区损坏面积约58 7 9 4.9 9m（见图3）。沿边坡边缘，地表局部可见裂缝，宽约0.2m，可见深度小于1.2 m。图3 正波矿区原始地貌张乔顺矿区形成的采空区呈西高东低的圈椅形状，最高点在采场南西边缘，高程1455.0 m，最低点在采场底部平台，高程13 56.5m，相对高差图4张乔顺矿区原始地貌3修复方案三个矿区都设计成分台削坡+类壤土基质喷播+平台栽种的修复方案，每级边坡高10 2 0 m，坡度60，台阶宽度46 m。平台覆土厚度50 cm，其中下层为3 0 cm厚的粘土，上层为2 0 cm厚的熟土。类壤土基质喷播厚度15cm。每个矿区顶部设一个100m的蓄水池，边坡周围及平台内侧设截排水沟，坡面设喷灌养护系统。黑马山矿区前缘设一口机井，抽水至矿区上方蓄水池中作为施工及养护用水。4施工中遇到的主要问题施工内容较多，本次主要介绍削坡施工和喷播施工中遇到的主要问题。4.1削坡施工主要问题4.1.1爆破清渣后形成的平台宽度基本都小于设计平台宽度，很多地段不能满足爆破穿孔条件。由于岩石风化差异明显，挖机清渣甩下平台时，渣体与坡面摩擦带走部分风化破碎岩石造成坡面磨损、平台变窄。正波第一平台设计宽4.0 m，清渣完成后平台宽度最窄处仅有1.2 m左右，最宽处也只有3.5m左右。4.1.2岩体坚硬地段基本达不到设计要求的边坡坡度和凹凸度。岩质边坡采用爆破清渣削坡，爆破药量、爆孔密度很难控制形成光面爆破，不能像切割一样保障坡面光滑，爆破后产生大量的裂隙，加之岩体产状和节理裂隙的控制，坡度难以准确控制，坡面凸凹度基本不满足规范要求，甚至出现反倾凹腔。黑马山第一级边坡岩体完整，岩层倾向山里，倾角在7 5左右，最终边坡也基本成陡倾反坡；正波北区第一级边坡岩体也较完整，最终坡面凸凹度一般在2 0 6 0 cm，坡度一般在6 0 7 0，很难达到规范和设计要求。46第3 期蒋学广，吴柳宗，陈允建：类壤土基质喷播技术在矿山生态修复中的应用分析4.1.3岩体极破碎的坡段和土质边坡稳定性差，易垮塌、滑坡。岩体破碎的坡段受到坡面弃渣翻滚摩擦时，易发生垮塌形成坡面碎屑流，在降雨作用下易降低内摩擦力形成崩塌。以张乔顺石厂左侧边坡为例，一级边坡清渣时在二级边坡上冲出12 m深的凹槽。一级边坡喷锚完成后遭遇降雨，导致较大面积垮塌。土质边坡挂网锚杆长度仅40 50 cm，对锚固边坡稳定基本不起作用，土质边坡在降雨作用下土体抗剪强度降低，在重力作用下多数发生滑坡。4.2喷播施工主要问题4.2.1基质土粘性大，经常堵管。基质土主要来源于矿区周边工程建设开挖产生的弃土，粘粒含量高，基本为粉质粘土和粘土，内聚力和内摩擦角大，呈块状时难以粉碎，搅成泥浆时粘结力强，易吸附在管壁上造成堵管。4.2.2坡度大于50 的区域喷射土层容易塌落，露网较多，坡度大于7 0 的区域基本没有出苗。用于喷播所调配的浆土粘结力较低，地形坡度较陡时，在重力作用下易剥落，从网孔中间塌落或顺网片外侧剥落，造成铅锌网片暴露。坡度大于7 0 的区域剥落和塌落情况更严重。正波石厂北侧边坡和张乔顺石厂边坡喷后3 个月的绿化效果呈现很多斑秃现象，就是不同地形坡度喷射效果的反映。4.2.3喷射土层防冲刷能力弱，降雨时易形成冲沟或垮塌。喷射土层中的粘结剂和植物纤维搭配不合理时会造成喷射土层防冲刷能力较弱，而粘结剂含量过高就会造成土壤板结。植物纤维既可作为肥料滋养植物生长，又可作为加强筋连接土体，增强土体粘结力和防冲力，特别是表层种子层中的植物纤维还有保水、防晒、防寒、防冲刷作用，合适的配比才能起到良好效果。黑马山右侧一级边坡是在雨季进行喷播，坡面冲沟发育程度就与植物纤维含量成反比。4.2.4喷射厚度不均匀，缓处厚、陡处薄。坡面平缓处，土壤浆体易滑落堆积，土层厚度较大，种子出苗率高，绿化效果较好。反之，坡面较陡处喷射厚度较薄，绿化效果较差。黑马山一级边坡地形陡峻，绿化效果差，二级边坡地形稍缓，喷后2 个月植被覆盖率基本达到10 0%。4.2.5种子搭配不合理，不同区块之间复绿效果差异较大。种子搭配合理是修复的关键，乔灌草搭配合理，先期草本生长速度快，主要起到绿化、保水、防冲作用，等到灌木逐渐长高后，草本随之退化，2 3 年后乔木逐渐长大起到固土稳坡作用，植物群落自然演替功能逐渐形成，人工养护即可退出。正波石厂北侧边坡最先喷播，草种含量偏高，喷后3 个月基本是见草不见灌木，如果不对草进行定期修剪，就会抢走灌木的养分，遮蔽灌木的阳光，造成灌木的死亡和退化。几年后草本退化，边坡又会裸露，造成修复失败。黑马山是最后喷播，经过前期的种子配搭调整，乔灌草搭配合理，植物的自然演替能力较强，绿化效果较好。4.2.6设备不同，喷射浆液的浓度不同，达到喷射厚度的喷射次数不同，最终的复绿效果也不同。正波石厂和张乔顺石厂用的喷播设备型号是KP-25SRA型客土湿喷机，出浆管距坡面0.52.0 m，垂直坡面喷射时粘结效果做好，泥浆浓稠，单次喷射厚度可达6 10 cm，一般分两次喷射，首次喷射底基层厚度8 10 cm，第二次喷射种子层厚度57cm，局部平缓地段超过10 cm。该喷射设备喷射速度较慢，易堵管，效率偏低，但是喷射土层较厚，植物生长条件较好，后期灌木、乔木的长势也较好。黑马山石厂主要采用HKP型客土喷播机，喷射高度可到6 0 m左右，泥浆清稀，单次喷射厚度一般小于2 cm，反复喷射8 次左右才能达到设计厚度。该类设备喷射速度快，不堵管，效率高，但是泥浆会顺坡面流尚，种子随之向下部集中，地形平缓处喷射厚度就大，种子集中，绿化效果就好，地形陡峻处喷射厚度就薄，种子少，绿化效果就比较差。5修复效果最先喷播正波矿区，其次喷播张乔顺矿区，最后喷播黑马山矿区。正波矿区和张乔顺矿区喷播浆液浓，可一次达到喷播厚度，也可分两次喷。黑马山喷播浆液稀，需要8 次左右才能达到喷播厚度。一次喷够厚度的地方出苗率最差，后来补喷种子层效果才好，多次喷射才能达到厚度的地方出苗效果基本可以，但是长势不太好。最开始喷的正波矿区，3 个月后整体复绿效果很好，草比较密，灌木苗和乔木苗较少，基本是见草不见苗（图5）。中期喷的张乔顺矿区也是草多苗少，既无草也无苗的陡坡区块较多，花草长势旺盛，苗木生长较慢（图6）。最后喷的黑马山采用多次喷射技术，草少苗多，前期复绿效果最差（图7)。47亚热带水土保持第3 5卷宽度，由于矿山采空区地形复杂，大致等距设置剖面就会在地形高低、坡向变化、地形转角较大的区段造成设计失真、工程量计算误差大、施工难以达到设计要求等。黑马山石厂按设计边界线放样时就出现本应该在采坑边界外2 0 m的开挖线放到采坑内了，造成较大的变更设计。6.1.3剖面上反应的地形坡度是视倾角，按剖面施工形成的实际坡度基本大于设计坡度。设计剖面都是图切面，剖面方向与实际坡向往往不一致，同一条剖面上也会出现一段垂直等高线、一段与等高图5正波喷后3 个月图6 张乔顺喷后3 个月图7 黑马山喷后2 个月6实际效果与预期效果差异较大的原因分析6.1削坡效果与设计预期效果差异较大的原因6.1.1地形测量精度不够，地形图上反应的地形与实际地形存在差异。目前矿山生态修复设计用图基本都是无人机航测的1：2 0 0 0 地形图，实际控制密度和测量精度很多达不到要求，造成图上地形与实际地形存在差异，终了地形与设计地形存在差异。6.1.2剖面密度不够，剖面代表的宽度与实际地形不符。设计都是图切剖面，每条剖面代表不同的48线斜交的情况，图上的视倾角基本都小于实际的真倾角，所以按设计控制的坡脚边线和坡顶边线开挖的边坡坡度一般都大于设计坡度。6.1.4岩体坚硬，爆破和开挖施工基本不可能形成规则完整的坡面。岩体坚硬时抗压强度大，内聚力大，只能采取爆破削坡，不能像工厂切割一样保障岩面光滑，爆破产生的裂隙与岩体产状、节理裂隙组合形成大量楔形体，清坡时要么挖不动形成坡面凸起，要么整块剥落形成凹腔。6.1.5弃渣滚落会磨损坡面，岩体破碎区域难以保障平台宽度。岩体破碎的坡段受到坡面弃渣翻滚摩擦时易发生垮塌形成坡面碎屑流，在降雨作用下易降低内摩擦力形成崩塌，从而造成平台宽度减小，下级边坡变缓，甚至造成下级边坡形成冲沟和凹坡。6.1.6弃渣滚落后很难保障穿孔工作面，坡高较大时机械难以够到削坡范围，从而难以保证削坡达到设计要求。设计台阶宽度46 m，挖机宽度一般在3m左右，旋转操作宽度一般要求大于4m，坡沿的安全宽度一般要求0.5m。弃渣滚动会造成坡面变缓、平台变窄，实际宽度达不到挖机要求的最低操作宽度。普通挖机展臂长度3 5m，在坡顶平台时能清理边坡上部5m范围，在坡脚平台时能清理边坡中下部10 m左右范围，设计2 0 m高的边坡就会造成中上部清坡困难，安全隐患较大。6.2喷播效果与预期效果差异较大的主要原因6.2.1开工前未严格进行种子发芽试验。正波石厂最先喷植的一级边坡由于未做发芽试验，造成有的灌木未出芽，实际效果与设计配置效果差异较大。后来发现，有的种子需要加工，有的种子可能发霉、过期、变熟等。6.2.2未进行基质土分析，pH值、粘粒含量、含水量、有机质含量等关键指标不明确。前期施工阶第3 期蒋学广，吴柳宗，陈允建：类壤土基质喷播技术在矿山生态修复中的应用分析段未严格筛选基质土，含水量和粘粒含量都偏高，常出现堵管情况。有机质含量偏低的土壤肥力不足，对植物生长不利，特别是常用红土基本都是残酸盐淋漓遗物，肥力很差，需要添加肥料改良才适宜用作基质土。6.2.3未严格按类壤土基质喷播技术要求施工，未严格按两层分层施工。开始试喷阶段，在正波一级边坡选择了2 0 0 m左右，不分底基层和种子层，一次喷射达到设计厚度，发现出苗慢，出苗率明显偏低，后来又补喷了种子层才基本达到设计要求。由于工期紧任务重，后期为了赶工期，黑马山石厂部分边坡和正波石厂的第5级边坡就没有严格区分底基层和种子层，植物长势就不太理想。一次喷射就达到设计厚度时，由于部分种子埋置较深，空气交流少，覆盖压力大，造成种芽死亡或天折，出苗率低。多次喷射才达到设计厚度时，部分种子在喷射过程中坠落未到达预定坡面位置，部分种子随浆液流涧，造成不同坡度的坡面出苗率差异大，绿化效果差异大。6.2.4种子搭配不合理，搅拌不均匀，未分区块做喷播试验。由于没有时间做分区喷播试验就直接开始喷播施工，使得3 个矿区绿化效果差异明显，先喷的正波石厂不同区块之间植被覆盖率差异较大，苗木长势差异较大，有的区块以草本为主，有的区块以灌木为主，种子搭配不均匀。通过前期喷播效果调整种子配比，中期喷播的张乔顺绿化效果最好，植被覆盖率高，乔灌草基本均匀分布，混植密度均匀。后期喷播的黑马山改变了喷播设备，植被恢复效果总体上不如张乔顺。基质土含水率偏高，种子密度小，搅拌不均匀也会形成苗木分布不均。6.2.5未严格按规范 技术要求的种类和数量添加有机肥、植物纤维、复合肥、粘结剂等。添加配料时计量不严格，基本凭经验，不同的操作人员添加的配料不同，不同的基底岩土层分布区配料未相应调整，造成喷射泥浆的浓度不稳定，粘结力不一致，喷射和修复效果就产生差异。6.2.6除杂草、喷药除害、喷水养护不及时。草本生长速度快，草本含量高的区块如果不及时割草，就会造成草本抢肥能力强，遮蔽乔木苗、灌木苗的阳光，造成乔灌苗死亡，正波北侧一级坡就是多次割草才让乔灌苗长高的。植物生长期间还会产生病虫害造成枯萎，所以要适时喷药养护。陡坡区保水条件差，阳光直射蒸腾作用下，水分流失快，要适时喷水保湿才能保障种子发芽和苗木生长，如果不及时喷水就容易造成幼苗干死。7总结7.1进一步修订完善规范，增加规范的实用性和可操作行，对边坡整理和植物种子选择做出更为细致的要求，种子选择要充分考虑市场存量情况和立地条件，很多当地苗木树种可能根本买不到种子。7.2先确定最下平台的坡脚线，然后逐台往上推出最高平台的坡口线，以便确定最小的削坡范围和削坡坡度。平台上宽下窄，既要留够清渣操作宽度，还要考虑岩体破碎程度。认真计算开挖弃渣能堆积的自然高度，以便在下部缩小平台宽度时，利用弃渣堆作为操作平台。7.3有条件的话，边坡设计坡度尽量小于50，以便喷播效果更好，宜将规范 中类壤土基质喷播方法中允许的坡度8 0 适当调低。7.4土质边坡和岩质边坡不宜设计成相同的方案，土质边坡和极破碎岩质边坡设计坡度尽量小于40 7.5设计剖面线一定要顺坡向垂直等高线，否则会造成设计坡度严重失真。剖面线要密，地形有变化的地段加密，长短剖面结合，尽量做到设计与实际相符。7.6喷播前要进行种子发芽试验和分块喷播试验，检验种子配比和出苗效果、施工可行性等。同时做基质土分析，掌握pH值、粘粒含量、含水量、有机质含量等关键指标。7.7认真修坡，尽量保证边坡坡度和坡面凹凸度满足要求，必要时采取工程辅助措施造坡，保障喷播效果。7.8严格按规范中类壤土基质喷播技术要求分两次两层喷播，保证底基层和种子层的喷播厚度，覆盖全部网片。7.9严格按规范技术要求和现场试验配比添加基质土辅料，保障基质土的粘结度和疏松度，既粘牢坡面，又疏松透气透水，还防冲刷，以利于植物生长。7.10尽量选用当地植物种类种子，避免盆景式修复。7.11一定要加强后期的喷药除害、除杂草、定期喷水养护管理，局部反坡和近直立坡面地段要单独补种，保障整体修复效果。参考文献1 T/C A G H P0 50-2 0 18，地质灾害生物治理工程设计规范（试行）S中国地质大学出版社，2 0 18.49