废弃露天矿山地质环境特征及生态修复

姚娇娇

(河南省第三地质勘查院有限公司,河南 郑州 450000)

0 引言

以平顶山市新华区喜鹊山田园综合体项目(一期)区域为研究对象,进行矿山地质环境治理研究。研究区主要存在矿山地质环境破坏、地质灾害、水土流失及土地功能退化等生态环境问题。通过工程措施的实施,对平顶山市新华区喜鹊山田园综合体项目(一期)区域地质环境进行恢复治理,以消除地质灾害、恢复地形地貌景观、恢复生态环境为出发点,按照“地貌重塑、土壤重构、植被重建、景观再现、宜水则水、宜景则景”的原则,对区内采坑、边坡和渣堆以及存在地质灾害隐患的区域进行恢复治理,以改善矿区生态环境和消除地质灾害隐患、保护人民生命财产安全为目标,促进矿区社会经济、生态环境协调发展[1-3]。

1 主要矿山地质环境问题

治理区位于南洛高速公路北侧650～800 m,香山景区南侧1.3 km,面积22.834 7 hm2,原来是露天开采的灰岩矿,现为废弃矿区。根据现场测量调查,治理区地质灾害不发育,治理区内含水层没有受到破坏。

1.1 地形地貌景观破坏

治理区山体、地表岩石裸露,植被稀少,原生的地形地貌破坏严重。根据现场调查,造成地形地貌景观破坏的主要原因是露天开采形成的边坡、随意堆放碎石的渣堆和开采形成的平台。根据调查统计结果,治理区内由于露天开采形成有2处边坡、2处大小不等的采矿平台和6处采坑,对治理区内地质环境影响巨大。治理区采矿边坡长度为18～529 m,高度为1～41 m不等,坡度30.7°～88°。采矿边坡现状如图1所示。治理区采矿平台长度为81～310 m,宽度3～92 m不等,没有植被覆盖。采矿平台现状如图2所示。治理区采坑共计6个,CK1采坑现状如图3所示。

图1 BP1现状Fig.1 BP1 Status

图2 PT1现状Fig.2 PT1 Status

图3 CK1现状Fig.3 CK1 Status

1.2 土地资源破坏

治理区面积22.834 7 hm2,对土地损毁方式为挖损损毁。其中损毁旱地0.839 1 hm2,其他草地9.404 1 hm2,农村道路0.072 5 hm2。其中损毁其他草地占比最大。

1.3 其他矿山地质环境问题

治理区由于露天开采灰岩,使得治理区的采坑和矿渣堆成区连片,破坏了原始地形地貌景观和土地资源;露天开采剥离了治理区覆盖层,造成治理区原始植被破坏殆尽。此外,自然因素和人为因素造成治理区由于废石堆放及地表扰动,局部地表植被遭到破坏,遇到暴雨易造成水土流失。

2 治理工程总体布置

根据前述治理原则和设计标准,在当地土地利用现状的基础上,对破坏区域进行整体治理,设计治理方案包括场地整理工程、边坡修整工程、废弃建筑物拆除工程、挡土保水岸墙工程、蓄水池工程、排水渠工程、垫渣和覆土工程、植被重建工程、道路工程以及管护工程[4-6]。依据拟治理区现状地形,在整齐、美观充分考虑排水的基础上,随坡就势将其设计成若干个不同高度、坡度的面,根据设计高程进行场地整理。然后根据林地规范要求将面积较大的平台复垦为耕地以提高生产力,将面积较小的平台恢复成林地以改善生态环境。在恢复为耕地的区域垫渣和覆土后进行土地平整,并修建配套设施。在恢复为林地的区域覆土后开挖树坑,回填种植土后栽种适合当地生长的白皮松、侧柏等树种,对拟治理区的场地进行生态复绿;同时在边坡下部开挖树坑回填种植土后栽植爬山虎,对边坡进行绿化[7-10]。

3 治理工程分项设计

3.1 场地整理工程

治理区进行台阶削坡,从治理区坡顶向下依次削坡形成+110 m、+115 m、+120 m、+130 m、+140 m和+150 m共6个台阶。以10 m为界划分台阶,台阶间斜坡坡度设计小于70°;台阶宽度依照现有地形不低于4 m。整形后对平台进行覆土,辅以生物工程复绿,并完善台阶排水系统,各级边坡设置挡墙。场地整理工程包括6个平台,采用Gland软件方格网法计算场地整理工程的挖填方工程量:场地整理工程共挖方294 106.8 m3,填方30 369 m3,挖填差263 737.8 m3。该部分石方量由郏县人民政府统一处置。

3.2 边坡修整工程

本次边坡修整工程共分6个分区,采用Gland软件方格网法计算边坡整理工程的挖填方工作量[11-14]。将原有坡面进行渣石清理后,合理规划并设计坡面治理方案。采取修建台阶边缘挡墙、覆土恢复植被等进行综合治理。治理区削坡整理,进行碎石清理后以10 m为界划分台阶,台阶间斜坡坡度设计为55°,台阶宽度依照现有地形不低于4 m。治理后台阶标高分别为+110 m、+115 m、+120 m、+130 m、+140 m、+150 m,治理后边坡为BP1、BP2、BP3、BP4、BP5、和BP6。依据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)整理后边坡稳定。挡水保土岸墙设于每级台阶外缘30 cm处,设计0.5 m×1.2 m(宽×高),用来防止覆土流失,给予生物良好的生长环境。

综上,边坡修整工程共挖方21 379 m3,挖填差为21 379 m3。场地整理工程共挖方294 106.8 m3,共填方62 274 m3,挖填差为231 832.8 m3。2项工程共计挖方315 485.8 m3,填方62 274 m3,挖填差253 211.8 m3。

3.3 挡水保土岸墙工程

设计在每级台阶边坡下缘及平台外缘30 cm处设置挡水保土岸墙,耕地区平台挡土墙设计0.5 m×1.1 m(宽×高),林地区平台挡土墙设计0.5 m×0.8 m(宽×高),用来防止覆土流失,给予生物良好的生长环境。挡水保土岸墙工程共消耗石方量1 365 m3,均采用治理区开挖的石方量。

3.4 废弃建筑物拆除工程

采坑治理区有3处废弃建筑物,在场地整理前需要进行拆除。建筑物为砖混结构,拆除废弃物直接回填采坑。

3.5 蓄水池工程

采坑治理区南坡上建1处40 m3矩形蓄水池,用于浇水养护树木。蓄水池1:水池平面净尺寸5 m×4 m,深2 m,砖砌结构,C10素混凝土垫层,M10砂浆抹面,顶盖钢防护网。

3.6 排水渠工程

3.6.1 截排水渠平面布置

本区的排水系统由截水渠和排水渠2部分组成。截水渠主要是截流治理区边坡及其上游的洪流,从而减少洪流对边坡及覆土的侵蚀;排水渠主要为汇集各截水渠排出水体和截流其所经区域及上游的洪流,并将汇集后的水体引排至季节性冲沟,最终汇入湛河,从而防止洪流对边坡及覆土的侵蚀。该区截、排水渠的结构为矩形断面的浆砌石截水渠,共设计各种规格的截、排水渠共计4条,其中排水渠1条、截水渠3条,分布在治理区整形平台内侧,具体布置如下:坡面截水渠——近东东西展布,分布在治理区整形平台的内侧,截流高处台阶上部坡面上的水流;排水渠——近南北向展布,起于顶部平台截水渠,终于治理区坡脚,排导上游水流。

3.6.2 截排水渠断面设计

治理区削坡整形后治理区内最大汇水面积为中部削方平台+110 m,总汇水面积为17 569 m2,根据新华区当地的降水资料,本地日最大降水量为264.9 mm。截水渠最大截面面积为0.18 m2,排水渠最大截面面积为1.39 m2。因此,截水渠截面尺寸如图4所示。排水渠截面尺寸如图5所示。

图4 截水渠断面尺寸Fig.4 Cross section dimension of intercepting channel

图5 排水渠断面尺寸Fig.5 Cross section dimension of drainage channel

3.6.3 截排水渠结构设计

截、排水渠均为M10浆砌石结构,砌石壁厚0.3 m,底厚取0.3 m。截、排水渠每隔10 m设一条宽为2 cm的沥青木板沉伸缝。

3.7 垫渣和覆土工程

治理区内平台下部覆盖一层碎石土,厚40 cm,上部覆土40～80 cm,方能保证生物成活。其中对耕地区(+375 m平台)覆土70 cm;林地区(+150 m平台)采用覆土40 cm,再采用客土穴栽,树坑尺寸0.6 m×0.6 m×0.6 m。在平台上,按行间距为2 m,挖长、宽为0.6 m×0.6 m,深0.6 m的土坑,回填客土后用于种植。本次设计土地改造类型主要为旱地、有林地和其他林地。治理区无土源资源,设计土方采用外购。覆土工程在场地及斜坡平整的基础上进行,平台及边坡覆土厚度均为自然沉实土壤0.3 m,分层覆土,为方便土壤改良,第1层压实厚度15 cm、第2层压实厚度15 cm。为防止边坡坡脚覆土被侵蚀,在治理区各坡脚设置截排水工程及平台设计成反坡向平台。PT1(+375 m平台)复垦为旱地,覆土厚度80 cm,PT2、PT3(+385 m、+395 m平台)复垦为有林地,覆土厚度40 cm。

3.8 植被重建工程

3.8.1 植被类型

在治理区PT2、PT3(+385 m、+395 m平台)种植乔木,树种选择大叶女贞、刺柏,并撒播草籽,草种选择能够耐干旱、固土护坡的高羊矛实施立体植被复绿。边坡种植灌木,灌木选择爬山虎。

3.8.2 植被布局

采用乔、灌、草立体复绿,结合当地特点,乔木选择大叶女贞。设计大叶女贞胸径3～5 cm,高度在1.5～2.0 m。灌木选择爬山虎,一年生树苗,高羊矛一般不超过1 m,作为早期植被修复的地被植物。大叶女贞为当地自然生长的常见树种,是一种耐干旱、耐寒性强、耐贫瘠、抗污力强、耐修剪的常绿乔木,为本区的主要种植树种,拟将其布置于所有治理区平台具备种植条件的区域。灌木为爬山虎,是当地自然生长的常见灌木,其耐干旱、耐寒,拟将其布置于所有治理区平台及边坡混交种植。草本为高羊矛,其耐阴性较差,但在缺少光照条件下亦可生长,在乔木成林前可作为良好的地被植物。乔本株间距2.0 m×2.0 m,正四边形布株,灌木间距2.0 m×1.0 m,每穴种植2株;草本适当密植,混合种子30 kg/hm2。根据本区的实际情况,拟采用覆土种植和客土穴栽2种种植方式。对治理区边坡有利于覆土的区域,采用覆土,林地区覆土厚度40 cm,耕地区覆土厚度70 cm;对治理区平台采用客土穴栽,树坑尺寸0.6 m×0.6 m×0.6 m。

3.9 道路建设

通往治理区道路尽量利用原有道路,道路总长1 500 m,坡度约10°,作为生产道路服务于治理区耕地。道路设计成水泥混凝土路面,路面宽约4 m。结合当地情况,本方案设计在道路两侧栽植行道树,每侧一行,树种选择1.5～2.0 m高的大叶女贞,间距2 m,共种植1 500株,穴状整地,规格为0.6 m×0.6 m×0.6 m。道路路面结构设计如图6所示。

图6 道路路面结构设计Fig.6 Structural design of road pavements

4 社会效益

长期以来,由于矿山开采严重破坏当地的自然生态环境,对周边居民的正常生产生活造成较大影响。该治理项目的实施,可恢复和扩大矿区土地资源,有效提高土地利用价值,有利于该地区的社会稳定和工农关系的改善。改善矿区生态环境,有力支援地方经济的发展,有利于实现安定团结,安居乐业的政治局面,有利于新农村建设,有利于和谐社会发展,能充分体现党和政府“以人为本”的治国理念,对人民生命财产安全的关心。

5 结论

(1)研究区主要的矿山地质环境问题为地形地貌景观破坏、土地资源破坏、水土流失及土地功能退化等。

(2)设计治理方案包括场地整理工程、边坡修整工程、废弃建筑物拆除工程、挡土保水岸墙工程、蓄水池工程、排水渠工程、垫渣和覆土工程、植被重建工程、道路工程以及管护工程。

(3)矿山环境的治理项目的实施,增加治理区农民就业岗位,推动了地方经济的发展,也取得了显著的社会和环境效益。