采空区和地震断裂带区域生态就地修复与环境治理技术研究.pdf

建筑施工第45卷第9期1883采空区和地震断裂带区域生态就地修复与环境治理技术研究魏 来 焦本君 贾德路中建八局第二建设有限公司 山东 济南 250014摘要：为了解决煤矿、矾土矿采空区和活动地震断裂带区域生态修复和园区建设难题，通过地质勘查、采空区勘查、地震安全性评价等措施保障设计和施工安全性，创新“垃圾就地堆山消纳土方平衡”“沉降坑塘整合疏浚引水成湖”“营造微地形生态修复技术”等举措，进行生态修复和建造，实现废弃地的复合再生和永续利用。关键词：采空区；地震断裂带；就地修复；坑塘整合；微地形修复中图分类号：TD88 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)09-1883-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.09.042Study on In-situ Ecological Restoration and Environmental Control Technology in Goaf and Seismic Fault ZonesWEI Lai JIAO Benjun JIA Delu The Second Construction Limited Company of China Construction Eighth Engineering Division,Jinan 250014,Shandong,ChinaAbstract:In order to solve the problems of ecological restoration and park construction in coal mines,bauxite goafs and active seismic fault zones,measures such as geological exploration,goafs exploration and seismic safety evaluation are taken to ensure the safety of design and construction,and innovative measures such as balance of earthwork absorption by piling garbage on the spot,integrated dredging of subsidence pits and ponds to divert water into lakes and ecological restoration technology for building micro-topography are taken.Ecological restoration and construction are carried out to realize the compound regeneration and sustainable utilization of abandoned land.Keywords:goaf zone;seismic fault zone;in-situ rehabilitation;pit-pond integration;micro-topography restoration和活动地震断裂带，场区原为建筑垃圾堆放区、污水坑塘、破旧工业厂房等，项目范围内存在大量采空区、未探明的作业竖井、塌陷区、大量污水坑塘和生活垃圾等，生态修复和园区建设难度较大。场地原貌详见图1，园区建设效果详见图2。图1 场地原貌图2 园区建设效果图1 研究背景近年来各地以创建园林城市为抓手，加大城市园林绿化建设力度，有力促进了城市建设。河北省作为老工业城市，环境问题和城市转型升级一直是困扰发展的难题，河北省的生态环境长期处于边恢复、边保护、边破坏的状况，环境、生态平衡等问题日益突出。从国际、国内实践来看，世界园艺博览会、园林博览会等行业博览会，可全面提升城市建设管理水平，有力刺激城市商贸、旅游服务和环境景观的发展，为城市带来显著的经济效益和深远的社会影响。2017年开始河北省决定以举办园林博览会为抓手，为每个市新建一个大型精品公园，以此带动园林绿化总体水平提高。园博会多选址于废弃工业区和生态环境复杂区域，以河北省第五届（唐山）园林博览会建设项目为例，项目位于煤矿、矾土矿采空区作者简介：魏 来（1996），男，本科，工程师。通信地址：北京市海淀区昆明湖南路51号中建八局8楼（100089）。电子邮箱：收稿日期：2023-06-21市政工程MUNICIPAL ENGINEERING20239Building Construction18842 研究方案项目区位于原唐山马家沟井田范围内，并且该区域分布有多个地方小煤矿和矾土矿。大地构造主要位于燕山台褶带南缘的马兰峪复式背斜，该区主要由中元古界至上古生界组成，晚古生界石炭、二叠纪沉积环境稳定，发育齐全，沉积厚1 200 m的煤系地层。中生代燕山运动强烈，形成一系列褶皱和断裂，并缺失中生界，无岩浆运动。唐山断裂带，是区内一条重要断裂带，斜贯全区，展布与碑子院背斜和开平向斜间的陡倾，以至倒转的翼部，是一系列大致平行的断裂与褶皱相伴生的复杂断裂带。主要思路是首先消除威胁以保证生态安全，再修复生态系统组成、结构以提升生态系统功能，兼顾人类福祉和生物多样性，依据生态系统恢复力大小，选择自然恢复、人工辅助、人工重建等基于自然的解决途径运用于生态系统恢复。生态修复工作分为4个阶段，首先通过科学严谨的现场踏勘和地质勘探，保障生态修复开展的安全基础，再利用生态技术构建山水地形，在此基础上建立相互关联的生态循环体系，最终通过植被群落恢复，实现生物生境的重塑和生态环境的改善。结合本次采空区特征和项目区地形地貌条件，采用高密度地震映像法、浅层地震法、高密度电阻率法和面波综合物探手段对浅部采空区和地裂缝进行探测。采空区探测最大深度为100 m，采动地裂缝区域探测深度为50 m，布置2条高密度地震映像测线，测线总长度842 m，浅震纵波反射测线7条，总长度4 295 m，高密度电法勘探测线7条，测线总长度4 260 m，共发现采空区1处异常和1条地裂缝带。3 垃圾就地堆山消纳土方平衡3.1 基于BIM的倾斜摄影和土方平衡技术场地占地面积大，包括建筑垃圾堆放区、污水坑塘、破旧工业厂房等，地势变化较大，通过卫星模型，建立整个场区模型和标高情况，大大节约地形绘制时间，保障设计和施工安全性。高差、坡度、坡向分析模型详见图3。图3 高差、坡度、坡向分析模型场区土方测绘创新“多精度分析无人机倾斜摄影”方法，对同一区域无人机不同高度、不同重叠率等进行设置，分别提取高程进行土方计算，并与实测实量进行对比，分析最佳参数设置1。采集完成后将数据、模型交付设计部门，根据工程的初步勘察及标高数据收集情况，确定工程土方开挖及覆土情况。土方开挖及覆土分布区域详见图4，红色区域为覆土区，蓝色区域为挖土区。总挖方：243 991 m3总填方：295 179 m3图4 土方开挖及覆土分布区域现场原为建筑和生活垃圾堆放区，且大量拆除垃圾，清运成本较高，结合园区整体设计要求，通过专家论证，将不同类别垃圾进行筛分。利用垃圾分拣破碎设备和再利用处理设备，用于土方平衡山体堆砌，碎石类渣土经处理后用于基坑和现场道路路基回填。针对将长期产出的落叶、树枝等园林有机废弃物，设置了一体化回收处理站，对园林有机废弃物进行分类筛选，将其加工成为有机肥和有机覆盖物，再利用于园内绿化养护，构建内部废弃物循环体系。3.2 山体分层堆筑技术山体场地整理完成后，进行山体地基强夯加固，主峰加固范围是山体37.5等高线以外区域。山体堆筑施工详见图5。原始地面堆土后施工台阶施工测量点冲击碾压地基处理筛分垃圾填埋分层铺设碾压土工格栅图5 山体堆筑施工示意主峰堆下37 m以后，对主峰37.5范围国线以内区域进行山体强夯，然后对强夯面进行平整、压实。在主峰37 m平台，从38 m等高线向内铺设土工格栅，铺设分层厚度为500 mm，从37 m至40 m共堆筑加筋上层7层，塔基位置分层压实厚度按300 mm控制，填料选择粉质黏土、粉上等细粒土，且有机质含量大于5%的土料，不可使用粗粒填料。主峰的塔基区域山体不铺设加筋上层，从主峰45 m开始，每4 m进行一次山体强夯，山体强夯作业面高程分别为45、49、53、57 m。堆山修坡详见图6。山体堆筑分层厚度为500550 mm，根据山体分层堆筑放线图取点，图中放线等高线为堆筑台阶的坡底线，间魏来、焦本君、贾德路:采空区和地震断裂带区域生态就地修复与环境治理技术研究建筑施工第45卷第9期1885表层种植土填土区d dh已削坡区设计山形线未削坡区临时边坡线内部填土区削坡方向图6 堆山修坡距不大于20 m。加筋材料选择双向土工格栅，山形修整削坡线位置为各施工台阶边坡中点和平台中点的连线，山形修整宜从下向上进行削坡2。竖向排水措施，在堆载区域场地内布设塑料排水板或袋装砂井。水平排水措施，在堆载范围地面铺设3050 cm砂垫层作为水平排水体，并在堆载区域周边开挖排水沟。加筋格栅铺设详见图7。山体堆筑施工等高线土工格栅铺设起始位置是铺设高程1的施工测量点位置1 m0.5 m0.5 m0.5 m0.5 m0.5 m图7 加筋格栅铺设利用230万 m3现状建筑垃圾和无害堆料就地消纳，作为堆山的土坯，节约了建筑垃圾外运和建设材料成本。将就地修复技术和传统掇山造园技艺相结合，堆筑模拟自然的山体脉络，与园外现状山体衔接，完善城市生态廊道，实现安全性与景观性的融合。4 沉降坑塘整合疏浚引水成湖4.1 沉降坑塘整合疏浚园区存在大量污水坑塘，坑塘分布较散，形状大小差别大，形成时间长，坑塘内部不仅存在极为严重的淤积现象，还存在着大量的生活垃圾等，给生态环境带来较大的影响。项目团队创新将沉降坑塘整合疏浚，引水形成湖泊和河流，增加园区水系功能，提升园区整体生态水平。根据地勘探测报告，确定坑塘疏浚河流线路和湖泊范围，主要施工内容为河道开挖疏拓、新建驳岸、绿化带等建设，主要的功能内容有防汛排涝、改善环境等。根据初步设计深度图纸，确定河道改线路径，待驳岸及栈道施工完成后，拆除围堰。河道围堰施工区域详见图8。河道疏浚整合土方开挖深度较大，现场情况较为复杂，对于开挖深度大于3 m基槽采取双机配合开挖，即一部挖掘机甩土一部挖掘机装车，机械开挖预留300 mm的土方采用人工开挖平整。坑塘疏浚详见图9。在河道土方开挖前测量好河道的断面，做好控制桩，按设计要求的河道宽度、高程及堤防坡度和高程开挖河道1#大门2#大门B区A区C区D区围堰区域3#大门图8 河道围堰施工区域图9 坑塘疏浚土方，并集中归堆，采用挖掘机配合自卸汽车运至需要加高的区段回填。河道土方开挖采用挖掘机按顺序分段，自上而下分层开挖，在施工中按设计的坡比留出坡度，并留一定的保护层，使用推土机和人工整理坡面成形。在开挖过程中严禁超挖之后回填，开挖之后的坡面应及时整压。在施工便道两侧根据实际需要设置辅助便道，连通挖土点和施工便道，随挖随运，避免重复挖运。辅助便道先用压路机进行碾压，然后铺设钢板，随挖土推进速度移动。河道土方开挖按照设计边线、高程及规范要求，一次性开挖成形。边坡开挖在开挖过程中留1020 cm保护层人工修整，保证堤坡开挖的精度，边坡开挖先机械开挖，再人工按设计尺寸和坡度进行精整。4.2 生态驳岸修复技术根据地勘探测报告，在保证渠道排水能力的前提下，采用生态措施将硬化渠道改造成阶梯式干、湿环境的自然驳岸，实现了水系与驳岸土体的有效衔接，恢复破坏区域的生态功能。生态驳岸搭配多种植物，改善了渠道内部微生物群落结构和生态多样性3。1）生态景石驳岸改造。渠道内部在原浆砌挡墙内部空间新增景石驳岸，由于行洪断面的缩小，校核后的渠道驳岸顶部标高分别满足3年、10年一遇的行洪要求。同时，景石驳岸增加后，其后侧可增加绿化栽植区，形成绿化景观过渡带，为不同习性的生物提供寄宿环境。2）生态仿木桩驳岸改造。景观仿木桩采用钢筋混凝土结构，木饰面处理后达到防腐和景观效果，桩间宽度为魏来、焦本君、贾德路:采空区和地震断裂带区域生态就地修复与环境治理技术研究20239Building Construction188650100 mm孔隙，满足水土交换空间通道。仿木桩背水面采用“生态袋透水无纺布”进行种植土防护，其中生态袋内填装沙壤土，加强新建驳岸与渠道内部水体及客水的交换，实现水体的净化。3）生态混凝土驳岸改造。大孔生态混凝土（骨料粒径3040 mm）厚120 mm，上覆厚300 mm种植土并喷播草籽。播种植物根系固定种植土并伸入混凝土骨架内，地上与地下水通过混凝土骨架及基础换填开山混合料的孔隙进行传输，实现水体的净化和物质传输。4）生态袋驳岸改造。生态袋驳岸基础采用透水石笼基础，增强坝基稳定性，并作为驳岸的有效水体和物质传输通道。生态袋内装有种植土及草籽，可实现植物根系固定土壤的作用。生态袋驳岸每垒砌4 m2生态袋墙体中有一个生态袋装有粗砂利于排水，减少驳岸背侧水头压力。4.3 疏浚河道、湖泊生态水处理技术为改善疏浚形成的河道后续污染，治理项目应用人工表流湿地原位技术，采用松木桩结构，具有高强度且密度小、弹性韧性好、抗冲击和振动能力好、耐久性佳等特点。利用滤料反粒径填充，提高了滤料层的纳污能力，减缓了滤层水头损失的增长速度，延长了滤池的工作周期，并种植多种水生植物，改善生态环境。形成了以水生植物生态处理、滤料体接触氧化、微环境接触氧化、物理吸附等的处理技术，解决了难降解有机物的去除。人工表流湿地详见图10。图10 人工表流湿地疏浚形成的封闭湖泊存在水动力低、水质差等问题，项目创新应用了人工潜流湿地治理技术。利用土地空间异位并联设置人工潜流湿地，采用混凝土现浇结构配合多粒径自然填料正粒径填充，种植多种耐盐碱水生植物，种植土及填料的反粒径填充，湿地表层形成保温层，降低北方低温对湿地内微生物的影响，增加了湿地的运行时间4。5 营造微地形生态修复5.1 破旧基础营造微地形技术现场存在大量破旧厂房、原有破旧道路、房屋等基础，上部结构拆除后进行筛分处理，可用于填山和再利用，剩余基础拆除及清运工程量较大，项目结合现有破旧基础营造微地形，形成艺术地形和景观。微地形的上部土方主要来自疏浚坑塘开挖的土方，在微地形进行施工时，避免露出人工制造的痕迹，使整个微地形有所起伏，避免增加违和感。建造微地形时充分考虑植物的生长环境，尽量使地形更加起伏，制造出不同的环境，为植物的生长提供一个较宽的生长范围。5.2 3D蜂巢式网格生态绿化微地形覆土厚度较薄，绿化存活难度大，团队创新“3D蜂巢式网格生态绿化技术”，3D蜂巢式网格是采用新型高分子合成材料，由聚合物宽带经超声波焊接而成的蜂巢式三维网状物，锚杆采用热轧带肋钢筋锚杆与限位帽组合成专用锚杆，网格连接采用钢材U形连接件，尺寸及规格与蜂巢网格配套。蜂巢格室设计模型详见图11。图11 蜂巢格室设计平整边坡，铺设土工织物卷，格室安装完成后，开始放置每个格室中部的填料，填料从坡顶至坡地，选用挖掘机轻度压实平整，选多种植被互补搭配，形成高低覆盖互补，深根与浅表根系互补，防虫与防病互补。喷播后的712 d为发芽、生根成长期，应有保护措施，避免雨水或径流直接冲刷，并做好适当养护。6 结语通过特殊地质条件下生态就地修复与环境治理施工技术，将废弃矿坑变为园林美景，抚平生态“伤疤”，响应国家“双碳”目标，推动城市新旧动能转换、绿色高质量发展。提高在城市空间拓展、生态修复、人居环境营造、海绵城市建设等方面的技术水平，落实新发展理念和城市更新发展目标。1 李博,徐敬海.无人机倾斜摄影测量土方计算及精度评定J.测绘通 报,2020(2):102-106,112.2 张少华.人工堆筑山体稳定性监测与分析D.镇江:江苏大学,2019.3 马军.城市河道生态修复及景观设计研究D.西安:西安理工大学,2020.4 田旭,何贵堂,王铁,等.利用疏浚底泥制备生态护岸材料在河道原位 生态治理中的应用J.净水技术,2020,39(7):176-181.魏来、焦本君、贾德路:采空区和地震断裂带区域生态就地修复与环境治理技术研究