露天矿岩质边坡生态重建技术研究现状及发展趋势

夏 冬 李富平 袁雪涛 郗红超(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

采矿业是国家经济和社会发展的基础产业之一，而采矿业给国家经济和社会发展做出贡献的同时,也影响了矿区及其周边环境，造成了一系列的生态环境问题[1]。纵观国内外矿山开采的历史可以发现，超过90%的铁矿资源和大部分煤炭资源均采用露天开采的方式进行开采，即便很多矿山面临露天转地下开采，但今后较长一段时间内，露天开采矿山的数量仍不会明显减少，尤其是石灰石等建材矿山，即使转入地下开采或闭坑，其造成的生态环境问题，特别是露天开采形成的岩质边坡生态恢复与重建问题并没有得到有效的解决[2]。由于露天开采形成的边坡高度高、坡度陡，植物很难适应其极端恶劣的立地条件，因此生态恢复与重建的重点与难点均是裸露的岩质边坡[3]。就全国范围而言，无论是铁矿开采、煤矿开采还是石灰石矿开采所形成的岩质边坡，到目前为止，绝大部分都没有得到生态恢复与重建[4]。

露天矿岩质边坡生态恢复与重建是矿区生态环境保护与植被恢复面临的重大技术难题之一。当前，露天矿裸露岩质边坡植被恢复大多借鉴较为成熟的公路边坡植被恢复技术，如客土喷播技术[5]、植被混凝土防护技术[6-8]、三维植被网喷播技术[9-12]、飘台法、植生袋法[13-16]、厚层基材喷播技术[17-20]、爆破燕窝生态重建技术、藤本护坡技术[21-26]等。上述各技术在高速公路岩质边坡生态恢复与重建中得到了广泛的应用，对指导岩质边坡生态恢复与重建具有重要的指导意义。对于露天矿，岩质边坡生态恢复与重建技术的选取应在矿区地质、气候、土壤、生物、开采现状调查的基础上，充分考虑边坡高度、坡面角、岩性、岩体结构空间几何信息、岩体风化程度及岩体质量等级等因素对生态重建技术选取的影响，而在实际应用过程中，并未充分考虑边坡岩体结构空间几何信息及岩体质量等级对生态重建技术选取的制约作用。基于此，本研究将对国内外常用的生态重建技术进行综述，并对基于岩体结构数字识别的露天矿岩质边坡生态重建技术研究应用前景进行了展望。

1 岩体结构数字识别研究现状

露天矿边坡岩体的空间结构及边坡的高度、坡面角的角度、岩性、边坡岩体的风化程度等因素不仅影响边坡的整体稳定性，而且对生态重建方案的选取同样产生重要影响。在岩体结构空间几何信息获取方面，众多学者根据其实践经验提出多种方法，传统的方法主要有测线法[27-28]、精测线法[29]、钻孔定向取芯法[30]、孔内照相法[31]、孔内电视法[32]和取样窗法[33-34]等。上述获取岩体结构信息的方法各有其优缺点，测线法和精测线法获取的岩体结构信息较为准确，但其共同缺点是受地形因素影响大，且效率不高；孔内照相法、孔内电视法和钻孔定向取芯法是通过数量较少的孔内信息获取岩体结构信息，这几种方法的缺点是不能全面反映大范围岩体结构的空间几何信息且成本高、效率低；取样窗法主要用于统计单位面积内的节理信息[33]。随着科技的进步，数字摄影测量技术和三维激光扫描技术以其自身的优点而被广泛应用于实际的岩体工程中，但三维激光扫描技术的扫描精度受激光测距和点云密度的制约[35-36]，使其应用范围受到一定程度的限制，而数字摄影测量技术作为一种全新、快速、高效、准确、全面地获取随机岩体结构信息的方法，在求解结构面方位和规模信息方面显得尤为先进[37-38]。该方法的优点是依据非接触测量手段，提供基于三维空间坐标数据和实体模型的数字产品[39-40]，通过一系列的数据处理和分析，可直观地反映所测范围内岩体结构空间几何信息，并根据所获取的岩体结构空间几何信息建立岩体结构的实体模型[41]，该模型可再现所测区域岩体结构面的产状及线密度等信息[42]。通过对比分析上述各岩体结构信息获取方法的优缺点及适用范围，将传统的方法与非接触测量技术相结合(如将孔内电视法和数字摄影测量技术相结合)，不仅可以快速获取岩体表面结构面产状、迹长、线密度等空间几何信息，而且可以获取岩体不同深度范围结构面空间几何信息，这些信息的精确获取，不仅为边坡稳定性分析提供基础数据，更为岩质边坡生态重建技术的选取及植物选型提供参考。

2 岩质边坡生态重建技术研究现状

日本、英国、澳大利亚、美国等国家在岩质边坡植被恢复与景观再造方面开展的研究工作较早，这些国家依据自身的实际条件，通过半个多世纪的理论及工程实践研究，形成了适宜于本国环境条件的生态修复的理论与技术方法。上述国家中，日本在公路沿线岩质边坡植被护坡研究方面处于国际领先地位且具有很强的代表性[43]。在欧美等发达国家，喷混植生技术是近年来应用最为广泛的边坡生态重建技术[44]。随着技术的进步和人民环保意识的加强，高分子稳定剂在美、日等国家的边坡生态防护中得到了广泛的应用[45-46]。Alday等[47]对矿山废弃地植被恢复后的生态演替规律进行了实地调查与分析。

我国在岩质边坡生态重建方面的理论与实践研究较欧美等发达国家开展得相对较晚，随着国家对边坡生态防护技术尤其是矿山岩质边坡生态防护技术重视程度的提高，我国在这方面的研究得到了快速发展[48]。目前，众多学者及工程技术人员对岩质边坡生态重建技术主要集中于植被混凝土防护技术、客土喷播技术、三维植被网喷播技术、厚层基材喷播技术、植生袋生态重建技术等方面的研究。

2.1 植被混凝土防护技术

植被混凝土防护技术是在液压喷播技术的基础上发展起来的，该技术主要针对高速公路与铁路沿线高陡岩质边坡生态修复技术难度大而开发的。该技术是将土壤(主要是工程区附近的沙壤土)、胶凝材料(主要是低碱度水泥)、保水剂、草本及灌木种子、水等按适宜的比例混合后配制混凝土拌合物。其主要优点是材料来源广、具有与土壤相似的多孔结构、具有一定的强度和抗侵蚀能力，且施工机械化程度高[6]。

目前，该技术主要集中于植被混凝土成分及其比例以及其基本力学参数的研究，而关于植被混凝土—根系—岩质边坡的整体稳定性、植被混凝土中营养成分的变化规律、植被恢复后的生态演替规律、生态系统的稳定性及混凝土中水分的储存及运移规律等方面的研究基础相对较为薄弱，研究成果相对较少。

在植被混凝土成分及其比例以及其基本力学参数研究方面，许文年等[49-50]对植被混凝土有机质成分及含量对其强度的影响规律开展了一系列的试验研究，结果表明有机质含量与其强度呈负相关；李富平等[51-52]为降低矿区边坡生态重建成本，开发出以铁尾矿为基础材料，低碱度硫铝酸盐水泥、糠醛渣、蘑菇渣、秸秆纤维、保水剂、黏合剂、有机肥等为基质配比的植被混凝土，并对该植被混凝土的生物适宜性和基本力学参数开展了试验研究；夏振尧等[6]研究了水灰比、有机质掺量和水泥含量对植被混凝土护坡基材初期强度的影响程度，结果表明上述3因素对植被混凝土初期强度的影响依次增大；梁永哲等[19]开展了植物纤维对植被混凝土抗冻耐久性影响的试验研究，结果表明当棕纤维与黄麻纤维的含量分别为0.6%和0.9%时，植物纤维对植被混凝土的耐久性具有显著的提高作用；Harianto等[54]的研究成果表明，植物纤维可明显改善植被混凝土的持水性、保水性、干缩性、抗拉和抗剪等物理力学特性；张振东等[8]将断级配植被混凝土应用于岩质边坡生态护坡中，并在此领域开展了相关的研究工作，结果表明断级配全填式植被混凝土具有生态重建效果好和抗冲刷性强的优点。

在植被混凝土—根系—岩质边坡的整体稳定性方面，李绍才等[55]为探究根系与岩土体相互作用的力学机理，开展了原位抗拉拔试验，结果表明根系直径和类型是控制其抗拉强度的关键因素，研究成果为岩质边坡生态重建植物选型和工程设计提供了参考；张翔宇等[56]采用单因素试验方案，就根丝植入与土体强度之间的关系开展了试验研究，结果表明根丝竖向放置对土体强度增强作用最为明显；Katuwal等[57]以含黑麦草根系的根—土复合体为研究对象，对不同含根量的土体开展了抗剪强度试验研究，结果表明含根量是控制根—土复合体抗剪强度的关键因素，且其强度与根系密度呈正相关；Ghestem等[58]为研究根系数量与根—土复合体强度之间的关系，以含盐肤木、麻风树和蓖麻3种植物根系的根—土复合体为研究对象，对其开展了抗剪强度试验研究，结果表明细根数量是影响对根—土复合体抗剪强度的关键因素；黄晓乐等[59]分别对含紫花苜蓿、狗牙根根系的根—土复合体进行抗剪强度与分形特征开展了系统的试验研究，结果表明，根—土复合体的抗剪强度随根系分形维数的增加呈先增后减的趋势；丁瑜等[60]对4种不同粗糙度的护坡基材土—岩接触面开展了原位剪切试验，研究成果为解决基材土—岩接触区域的整体稳定性提供了必要的依据和指导。Tardio等[61]的研究表明，剪切位移对根—土复合体抗剪强度的贡献率呈负相关；Rahardjo等[62]对灌木和深根系草本植物根系对边坡加固作用开展了研究，提出了一种综合分析应力—应变计算连续土质边坡稳定性的方法。

在植被混凝土营养成分变化规律、植被恢复后生态演替规律、生态系统稳定性及混凝土植生基质中水分储存及运移规律等方面，杜祥运等[63]以双汉口水电站贫瘠土壤配制的植被混凝土为研究对象，开展了活化菌剂施用量对基材肥料及狗牙根生长状况的影响规律的研究，结果表明活化菌剂的添加量为基础质量的6%～9%时，可显著改善植被混凝土的理化性质；陈璋等[64]对岩质边坡生态防护系统中微量元素径流损失模型开展了试验研究，研究成果为植被混凝土养分设计提供理论依据；宋媛媛等[65]为研究人工土壤养分随降雨径流损失规律，对人工土壤中氮、磷、氯元素受降雨侵蚀流失规律开展了试验研究，研究结果为人工土壤设计提供指导；李林霞等[66]的研究表明，合理的植物配置模式是促进群落向正演替方向发展的关键因素；张俊云等[67]采用人工降雨的方式研究了岩质边坡植被护坡系统的水分平衡和运移规律，研究成果为岩质边坡植被防护系统的水分平衡控制提供依据。

上述众多学者的研究成果有力地推动了植被混凝土防护技术在岩质边坡生态重建中的应用，但在应用该技术的过程中，并未充分考虑岩体裂隙的发育程度、边坡高度、坡面角及岩性对植被混凝土基材配比、植物选型的影响，而对于岩质边坡植被混凝土生态重建工程而言，植物的地境条件由岩体裂隙的发育程度、优势结构面的方向、结构面的连通性、岩性和温度等条件构成[68]。因此，在应用植被混凝土生态防护技术时，充分考虑植物的地境条件，不仅可优化植被混凝土的配比，降低生态重建成本，而且可优选适生植物，增强植被混凝土基质—根系—岩质边坡坡面的整体稳定性。

2.2 客土喷播技术

客土喷播技术是将土壤、有机肥料、保水剂、酸碱调节剂、适宜的植物种子等混合均匀后，借助柱塞泵和空气压缩机提供的动力将上述混合物喷射到岩体或土体坡面上形成植物生长的土壤层[69]。该技术具有成本低、工艺简单和施工速度快等优点，主要适用于硬土质边坡、风化的岩质边坡、软岩边坡等，对裂隙发育的岩质边坡生态防护效果尤为明显。李映等[70]对木质素含量与客土喷播材料抗剪强度参数之间的内在关系开展了研究工作，结果表明木质素可显著增强基质的抗剪强度，研究成果为客土喷播基材的合理配比提供了借鉴和参考；杨奇等[71]开展了岩体表面粗糙度对客土喷播基材整体稳定性影响的研究工作，结果表明岩体表面粗糙度对喷播基材的整体稳定性起控制作用；田开洋[72]对客土喷播等生态重建技术的作用原理及其优缺点进行了详细的论述与分析；孙汝斌等[73]对宜兴废弃矿山挂网客土喷播区植被前、后期的养护与管理进行了系统的研究，研究成果为客土喷播区植被养护与管理方案的制定提供参考；翟文光等[74]对客土喷播、混喷植生、生态植被毯等19种生态防护技术的优缺点、适用范围及施工工艺原理进行了详细的分析，分析结果为高速公路沿线岩质边坡景观提升及生态防护提供指导；黄燕[75]将客土喷播技术应用于黄南线二期改造工程，取得了良好生态防护效果；郭东升等[76]对客土喷播技术的经济可行性及其效益进行了分析，并将客土喷播技术应用于矿山地质环境的治理；王来永等[77]综述了客土喷播技术的发展概况、施工要点、在道路护坡、矿山及水利工程中的应用，并对其发展趋势进行了展望；田继龙等[78]通过对各边坡生态防护技术对比分析后认为该技术可用于公路等边坡的生态防护。

上述学者和工程技术人员的研究和工程实践表明，客土喷播技术有其自身的优点和适用性，可作为边坡生态恢复与重建的备选方案之一，但在实际的工程应用过程中，众多学者和工程技术人员并未充分考虑边坡角度、坡面特征对客土喷播根—土复合体与边坡的整体稳定性的影响，而研究表明，边坡角度和边坡表面岩体节理裂隙的发育程度及优势结构面的产状是影响根—土复合体与边坡的整体稳定性的关键因素。

2.3 三维植被网喷播技术

三维网喷播技术是利用活性植物并结合土工合成材料，在坡面构建具有自身生长能力的生态防护系统，通过植物生长对边坡进行加固的一门技术[10]。该技术具有施工简便、效率高、成本低及生态防护效果好等优点[11]，其施工过程主要包括坡面整理、挂网锚固、种子的选择与处理、种植基材混合配制、种植基材喷固、覆盖无纺布、后期的养护与管理。

众多学者和工程技术人员对三维网喷播技术在岩质边坡生态重建中的应用开展了大量的理论与实践研究。陈浩明等[79]采用三维植被网护坡技术对台山核电厂淡水水源地左右坝肩进行了生态防护，取得了良好的防护效果；钟春欣等[12]对三维网加筋草皮坡面土壤抗侵蚀机理进行了试验研究，结果表明加筋草皮可显著减少坡面径流的侵蚀模数；肖衡林等[80]对三维网指标合理选择问题进行了理论推导和试验研究；顾晶[81]将三维网喷播植草技术应用于广州—惠州萝岗段高速公路岩质边坡生态恢复与重建，取得了良好的治理效果；蹇华雄等[82]对三维植被网喷播技术的材料要求及施工质量控制检验指标进行了说明，指出在应用该技术时，材料的物理力学性能及基材的配比要求必须符合一定的条件；肖成志等[83]对三维土工网垫植草护坡性能和坡面径流冲刷机制开展了系统的试验研究；罗艺伟等[84]采用三维植被网植被护坡技术对强、全风化花岗岩的岩质边坡进行生态恢复与重建，结果表明该技术对上述所述岩质边坡具有良好的生态防护作用。

上述研究成果表明，三维网喷播技术的应用进一步推动了边坡生态恢复与重建技术的发展。但对于实际的岩质边坡工程，在应用该技术的过程中并未充分考虑边坡坡面特征、边坡岩体结构的空间几何信息、边坡高度及坡面角等因素对该技术适用性的制约，而这些因素对植被网材料选取、喷播材料配比及植物选型均具有重要影响。因此，在应用该技术之前，需对影响该技术的边坡坡面特征、边坡岩体结构的空间几何信息、边坡高度及坡面角等进行详细的调查，为植被网材料合理选用、喷播基材配比及植物选型提供依据。

2.4 厚层基材喷播技术

厚层基材喷播技术是随公路及矿山岩质边坡生态修复难度大而发展起来的一种新型生态防护技术。该技术是利用空气压缩机和混喷机械组成的喷播系统，将混有适宜植物种子的种植基质喷射到需进行生态修复的边坡坡面上。种植基质中含有黏结剂，由于黏结剂的黏结作用和铁丝网及部分植物根系的加筋作用，进而可以在坡面上形成一个既稳定又适宜植物生长的植生层。该技术对于施工和管理难度大的裸露岩质边坡生态恢复具有明显优势[18]。

在厚层基材喷播技术的研究与应用方面，众多学者与工程技术人员进行了大量的理论与实践研究工作。张俊云等[17]研发出厚层基材喷射植被护坡技术，简称TBS技术(Thick-layer Base Material Spraying)，TBS技术解决了岩石边坡无法生长植物的难题；张季如等[85]研制的适宜灌、草生长的ZZLS生态护坡材料具有较强的抗侵蚀能力；李义强等[86]以处于半干旱区域的京承高速三期沿线岩质边坡为研究对象，从适生植物筛选、技术适宜性评价等方面开展厚层基材喷播技术的研究工作，研究成果对指导该区域公路沿线岩质边坡植被恢复与重建具有一定的指导意义；张俊云等[17]对喷播基材的收缩恢复性开展了试验研究，研究成果为喷播材料选取及配比提供了理论依据；黄滔等[87]详细介绍了厚层基材喷播技术的施工过程并将该技术应用于邵怀高速公路沿线岩质边坡的生态防护，取得了良好的防护效果；杨悦舒等[88]以恢复生态学为理论依据，在综合分析水对水电工程区域气候、地质、水体、水文、土壤和生物影响的基础上，采用厚层喷播和植被混凝土技术对向家坝水电工程扰动边坡进行生态防护，结果表明上述2种生态防护技术均取得了良好的生态景观效应。

上述学者从厚层基材喷播技术的适用条件、基材配比、基材的力学性质、植物选型、施工工艺与技术、生态防护效果等方面开展了系统的研究工作，这些研究工作所取得的成果促进了厚层基材喷播技术在高速公路沿线、水电工程等边坡生态重建中的应用，但在应用该技术时，同样没有充分考虑边坡岩体的岩性、坡面岩体的风化程度、岩体节理裂隙的发育程度及岩体结构面的产状对基材配比、铁丝网网格大小、网格铁丝直径、植物选型等的影响。

2.5 植生袋生态重建技术

植生袋是目前高速公路、露天矿岩质边坡及矸石山生态恢复与重建的重要材料之一，主要由培养土、植物种子和可降解的包装袋组成[13]。该技术的施工工艺主要包括植生袋的制备、基质备料、装袋、运送至工作面、植生袋码放与固定和养护等工艺过程[16]。由于植生袋生态防护技术具有施工工艺简单、复垦效果好、运输方便、成本低等优点，因而可将其作为岩质边坡生态防护的备选方案之一。鲁明星等[14]将植生袋技术应用于铁矿岩质边坡生态防护工程并对边坡的稳定性进行分析，结果显示植生袋生态防护技术可显著增强边坡的安全系数；罗敏敏等[89]提出生态袋+SNS柔性生态防护技术并将该技术应用于岩质边坡生态恢复与重建工程中，该方法的成功应用为解决岩质陡坡的生态防护提供了新的方法和思路；陈冀川等[15]探讨了植生袋技术在岩质边坡生态景观设计中的作用，为岩质边坡生态恢复与重建拓宽了思路。

综上所述，众多学者与工程技术人员的理论与实践研究成果推动了岩质边坡生态重建技术的快速发展，但其工作重点大多集中于护坡技术、植物选型、植生基质配比、植生基质物理力学参数、植生基质中养分和水分的变化规律以及施工后的养护等方面。事实上，岩质边坡坡度、边坡高度、坡面岩性及其风化程度、坡面节理裂隙的发育情况及优势结构面的方位均对植物选型、植生基质配比、护坡技术选择具有不同程度的制约作用。而在实际应用过程中大多数学者和工程技术人员并未充分考虑上述各因素对生态重建技术、植生基质配比及植物选型的影响。

3 岩质边坡生态重建技术发展趋势与展望

(1)岩质边坡生态恢复与重建适生植物筛选与生态系统长期稳定性是岩质边坡植被恢复成效的关键性因素之一，生物多样性是保证生态系统稳定的基础，如何根据边坡所处区域气候、水文、土壤等自然条件以及边坡岩体结构面调查结果，采用乔、灌、草、藤本植物构建稳定的生态系统是岩质边坡生态恢复与重建是否能够实现的基础前提，这方面的研究工作尚需完善与发展。

(2)低成本岩质边坡植生基材还有待于进一步研制与开发。植生基材作为植物生长的基础，其力学稳定性和营养的持久性是植被恢复与重建能否成功的关键，植生基材的研制力求以“利废恢复”为原则，尽量利用矿山废弃物如尾矿等为基本原料，辅以缓释肥料、黏结材料、有机肥料、工业废料等，研制出适宜于植物生长、与坡面黏结力强、成本低廉的植生基质。

(3)边坡坡面—植生基质—根系统一体(三位一体)的相互作用机理及其整体力学稳定性仍然需要深入的研究。随着试验监测手段和数值模拟技术的进一步完善，在获取边坡坡面角、坡面岩体力学性质、坡面节理裂隙发育及分布情况以及坡面平整程度等方面信息的基础上，结合不同植物品种、不同苗期以及不同配比情况下基材的物理力学性质，用三维数值模拟软件开展数值模拟研究，将数值模拟结果与试验结果进行对比分析，探索其整体稳定性变化规律，揭示边坡坡面—植生基质—植物根系相互作用机理。

(4)露天矿岩质边坡生态重建过程中，在矿区地质概况、气候、土壤、生物、开采现状调查的基础上，充分考虑边坡高度、坡面角、岩性及其风化程度、坡面节理裂隙发育情况及优势结构面的方位、坡面粗糙度、坡面岩体质量等级，提出基于岩体结构数字识别的露天矿岩质边坡生态重建技术。

(5)露天矿岩质边坡生态重建技术研究的最终目的是为工程服务，为岩质边坡生态重建提供理论依据和技术支持，如何将筛选的适生植物、低成本的植生基材、边坡坡面—植生基质—根系统一体相互作用机理及基于岩体结构数字识别的露天矿岩质边坡生态重建技术等研究成果应用于实际工程，有待生态重建专家与工程技术人员的共同努力。

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