武漢花山礦區地質環境治理方案設計研究

陳剛 劉鋼一

摘 要：礦產資源的大量開采，極大地推動著我國經濟的發展，但是開采過程往往呈現粗暴式發展，導致礦區生態環境和地質環境不斷惡化。如何協調發展與保護，尋求礦山地質環境治理針對性解決措施是許多礦區所面臨的重點問題。以武漢花山礦區地質環境治理工程為研究對象，針對礦區地質環境問題以及邊坡結構特點，對花山礦區①段治理區地質環境治理方案設計進行深入研究，采用了削方減載、回填壓腳、扶壁式擋土墻、截排水溝以及植生袋腳墻等治理工程措施消除地質災害隱患，為同類工程提供一定的參考價值。

關鍵詞：礦山地質環境；治理工程；方案設計；應用研究

Research on design of geological environment management plan for Huashan Mining Area in Wuhan

CHEN Gang， LIU Gangyi

（Hubei Provincial Geological Environment General Station， Wuhan 430030， Hubei， China）

Abstract： Large-scale mining of mineral resources has greatly promoted the development of China's economy， but the mining process often presents a rough development pattern， leading to continuous deterioration of the ecological and geological environment of the mining areas. How to coordinate development and protection， and seek targeted solutions for mining geological environment governance are key issues faced by many mining areas. Taking the geological environment governance project of Wuhan Huashan Mining Area as the research object， a brief introduction is given to the basic situation of the mining area. Based on the geological environment problems and slope structural characteristics of the mining area， a deep study is conducted on the design of the geological environment governance plan for Section ① of the Huashan Mining Area. Combined with local planning， measures are adopted such as cutting and reducing loads， backfilling and pressing feet， and counterfort retaining walls. These engineering control measures eliminate geological hazards and provide reference value for similar projects.

Keywords： geological environment of the mine; governance works; scheme design; application research

隨著社會經濟的快速發展，礦產資源的開采量和開采效率不斷提高。由于環保意識的缺乏，導致我國許多礦區隨著資源的開采出現了大量的地質環境問題。我國眾多學者對地質環境的治理問題展開了大量研究（龐喆，2021；吳向平，2022；郭玉娟等，2022；侯朋，2023；任磊，2020），如：陳納川（2022）對我國礦山存在的土地資源破壞、水資源污染等主要地質環境問題的治理措施進行了較為深入的研究，為同類工程提供一定的參考價值；孫繼野（2022）以白山市某礦山地災治理工程為背景，基于礦區地質環境特點，對地質環境問題治理措施和綠化方案進行了深入研究；劉忠元等（2022）基于邊坡特點和邊坡穩定性計算結果對永興石英礦的地質環境治理原則和方案進行了較為深入的探討；韓坤帥（2022）對宿州市的礦山資源現狀以及存在的主要地質環境問題進行簡要介紹，并基于宿州礦山特點提出了露天采場積水塘和高陡邊坡這2種治理模式，具有一定的工程應用價值。上述研究成果表明，基于礦山地質環境特點，采取針對性的治理措施能夠有效地解決地質環境問題。武漢花山礦區由于礦產資源的開采，導致自然地貌景觀的破壞、水土流失嚴重以及山體地形出現較大破壞，從而形成了許多高陡邊坡。本文針對礦區地質環境問題，結合邊坡結構特點，設計治理方案并實施，提出的治理措施不僅能夠極大地改善礦區的生態環境，還能夠促進礦區的可持續發展，具有較高的經濟效益。

1 ?礦區概況

1.1 ?地理位置

花山礦區位于武漢市江夏城區東南部2 km處，武紙公路平行于治理區，地理坐標：東經114°21′0.1″～114°21′05″、北緯30°21′0.6″～30°21′04.5″，交通便利，治理區呈東西向展布，長約2 100 m，東西寬約540 m，研究區面積1.14 km2，花山礦區地理位置如圖1所示。

1.2 ?氣象水文

江夏區屬亞熱帶大陸季風氣候區，雨量充沛，冬夏季風交替明顯，光照充足，四季交替明顯，無霜期長。年平均氣溫16.7℃，最高氣溫40℃，最低氣溫-9℃；年均降水量1 200～1 400 mm，降水量多集中在4—7月，研究區未見地表水系。

1.3 ?地質環境

1）地形地貌

花山礦區位于武漢市江夏區廟山開發區內，總體地勢北高南低，山脈走向大體南西－北東向，與巖層走向展布方向基本一致，坡角一般為25～35°。局部由于采石形成高陡裸露巖質邊坡，坡度48～68°。具丘陵地形地貌特征，區內最高點高程約190 m，低點高程大約36 m。

2）地層巖性

花山礦區地層較單一，出露有志留系、泥盆系及第四系的層，由老至新分述如下：

①志留系（S）

地層呈近東西向展布，區內僅可見志留系中統墳頭組（S2 f ），分布于礦區南側。巖性為薄—中厚層狀灰黃—黃綠色粉砂巖、泥質粉砂巖及頁巖，地層厚度大于150 m。呈粉砂質、泥質結構或顯微鱗片結構，為塊狀構造。

②泥盆系（D）

區內出露泥盆系中上統云臺觀組（D2-3 y），分布廣泛，為主要的開采層位。呈近東西向展布，覆于墳頭組地層之上。底部為厚層石英質礫巖或含礫石英砂巖，下部為厚層石英砂巖，上部為薄—中厚層狀石英砂巖夾雜色黏土巖，地層厚度大于90 m，巖石為砂狀結構、泥質、塊狀構造。巖層產狀為154°∠48°。

③第四系（Q）

本區第四系為殘坡積（Qel-dl）黏土、粉質黏土、碎石等，主要分布在礦區周圍緩坡地帶，其他地段呈零星分布，一般厚度0.2～1 m，局部地段厚度最大可達3 m。

3）地質構造

花山礦區斷裂較發育，屬構造復雜類型。分屬淮陽山字型、新華夏、北西向和東西向4個構造體系，不同體系、期次的斷裂構造復合、改造、交切，其中以新華夏系和東西向構造體系為主導，北東向和北西向階梯狀正斷層系統組成的塹壘式構造相互嵌套組合，連同大致等距的南北向張性斷裂密集帶構成了礦區的構造格架。

4）水文地質條件

花山礦區主要地下水類型有松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水。松散巖類孔隙水：分布于礦區周邊溝谷緩坡地帶，含水介質由殘坡積堆積的粉質黏土夾碎石組成，主要補給來源為大氣降雨入滲補給，水量貧乏。碎屑巖類裂隙水：分布于泥盆系上統石英砂巖中，巖體中構造裂隙較為發育，裂隙率為0.6％～0.8％，且多張開，成為地下水良好的活動場所，其下伏的志留系砂頁巖與泥巖構成相對隔水巖組。

2 ?礦區地質環境現狀

2.1 ?地形地貌景觀破壞

由于剝離表土、采礦剝巖、挖損土地，造成礦區植被破壞、山體破損、基巖裸露，形成大小不等的高陡邊坡、采坑及廢棄地，礦區原有的優美的自然景觀已不復存在。采礦活動改變了原始地形，破壞了自然的地貌景觀，水土流失嚴重。礦區采石場形成12處高陡邊坡，邊坡編號為HSBP01-HSBP012，6處廢棄地，基巖裸露總面積達30 hm2，植被破壞面積約38.47 hm2，形成巨大的顏色反差，花山礦區衛片如圖1所示。結合花山礦區現狀，將花山礦區治理工程近東西向從西至東按6段進行劃分：①段，HSBP01-HSBP03號邊坡范圍；②段，HSBP04-HSBP05號邊坡范圍；③段，HSBP06-HSBP08號邊坡范圍；④段，HSBP09-HSBP10邊坡A-B段范圍；⑤段，HSBP10邊坡B-D段范圍；⑥段，HSBP10邊坡D-F段-HSBP12邊坡范圍。

2.2 ?土地資源破壞與占用

花山礦區主要的開采方式為人工爆破露天開采，由于礦產資源的開采導致山體地形出現較大破壞，從而形成了許多高陡邊坡。在礦產過程中，由于環保措施不足，導致棄渣、廠礦生活和建筑垃圾大量堆積，占用大量土地。采礦導致當地林地的減少，大量土地荒蕪，土地資源閑置浪費，礦區土壤質量下降，生態環境惡化，影響當地的發展，進而對社會經濟的可持續發展造成嚴重影響?；ㄉ讲傻V形成了6處廢棄地，面積為64.49 hm2。

2.3 ?邊坡結構

本文僅對本礦區①段治理區地質環境治理方案設計進行重點研究，故對HSBP01-HSBP03號邊坡的邊坡結構及穩定性進行簡要介紹，礦區HSBP01-HSBP03號邊坡的邊坡特征如表1所示。

花山礦區HSBP01號邊坡：該段邊坡由2部分組成，分別為A-B、B-C段，現場照片分別如圖2所示。采石場邊坡總體平面形態呈“U”形，剖面形態呈折線形，其地勢呈中部較平緩、兩側陡，邊坡總長220 m；邊坡北西側為主采面，坡向134°，頂部高程為85.39～107.24 m，底部高程為82.10～83.94 m，相對高差為3～24 m，坡度40～50°；主采面下方地勢較平緩，分布高程為82.12～83.94 m，其總體相對高差為0.3～0.5 m，局部地段相對高差為1～2 m；采場南東側其邊坡南東約60 m處可見一開挖形成的陡坎，坎高約8 m，坡度近似直立，該陡坎呈“U”形展布，長度為53 m。

花山礦區HSBP02號邊坡：該采石場邊坡總體平面形態呈“勺子”形，剖面形態總體呈階梯形，局部呈折線形，其地勢呈南東低、北西高，地形上呈下部較平緩（5～15°）、中上部較陡（40～55°），局部地段已臨空；較平緩地帶位于主采面下方，分布高程為75.10～76.12 m，總體相對高差為0.3～1.0 m；主采面南西臨近坡腳處可見一平面形態呈橢圓形的低洼地帶，長軸為10 m，短軸為6 m，深度為0.5～1.5 m，平均深度為1 m，與該低洼地帶相距15 m左右可見一個平面形態呈近似圓形的坑，該坑直徑約12 m，深度為0.3～0.6 m；該采場邊坡長140 m，坡向154°，頂部高程為77.34～95.55 m，底部高程為75.28～76.12 m，相對高差為2～15 m，且近中部可見約1～2 m寬的平臺。HSBP02號現場照片如圖3所示。

花山礦區HSBP03號邊坡：該采石場邊坡總體平面形態呈不規則“V”形，剖面形態總體呈階梯形，局部呈折線形，長300 m，其地勢呈南東低、北西高。該邊坡地形可分為5級，從北西至南東分別為：①緩坡地帶：該地帶位于主采面的北西，坡度為15～20°；②陡坡地帶：該地段主要為主采面，該段總體呈陡坡狀，坡度為35～60°，但在近坡腳及中部可見寬度約1～3 m的緩坡平臺，主采面坡向141°，頂部高程為94.34～153.31 m，底部高程為92.23～97.23 m，相對高差為2～61.86 m；③緩坡地帶：位于主采面下方，地形總體起伏較小，坡度為5～10°，相對高差為0.3～0.7 m，分布高程為90.03～93.10 m；④陡坡地帶：位于緩坡地帶的南東，坡度50～65°，局部地段坡度近直立，高度為1～8 m，且高度由南西逐漸向北東增大，頂部高程為90.03～94.22 m，底部高程為86.42～88.11 m；⑤緩坡地帶：位于陡坡南東，坡度5～15°。HSBP03號邊坡現場照片如圖4所示。

2.4 ?邊坡穩定性

采用赤平極射投影圖對邊坡穩定性進行分析，這里僅對HSBP01A-B和HSBP01B-C分析結果進行介紹。如圖5和圖6所示，邊坡HSBP01A-B，裂隙面J1（17°∠55°）、J2（114°∠63°）組合交棱線傾向與坡面斜交，與坡面傾向基本垂直，且傾角小于坡角，為基本穩定結構，巖層產狀和J1裂隙組合交棱線傾向與坡面傾向一致，其傾角小于坡角，為不穩定結構，對巖體穩定性有較大的影響，可能造成被切割的巖體由于受自重的影響順巖層面滑移及局部少量掉塊現象；巖層產狀（154°∠48°）和J2裂隙組合交棱線傾向與坡面斜交，為基本穩定結構，局部地段易產生塊石墜落現象，處于整體基本穩定狀態。邊坡HSBP01B-C，裂隙面J1（355°∠54°）、J2（270°∠85°）、J3（125°∠50°）相互之間的組合交棱線傾向均與坡面傾向一致，且傾角小于坡角，為不穩定結構，易造成局部地段巖體墜落的現象；巖層產狀（154°∠48°）和J1裂隙組合交棱線傾向與坡面傾向一致，其傾角小于坡角，為不穩定結構；巖層產狀和J2裂隙、J3裂隙組合交棱線傾向均與坡面傾向相反。

3 ?治理工程設計

3.1 ?治理工程設計原則與總體思路

花山礦區礦山地質環境治理工程設計的治理原則：①堅持以環境效益優先，建設生態的綠色礦山；②堅持以預防為主，全面規劃、綜合治理、因地制宜、分工合作、加強管理、注重效益的工作方針；③治理措施應當是成熟的、先進的，是切實可行的，具有可操作性，施工質量易于掌握，施工條件上簡單易行；④治理方案不僅選用切實可行的工程措施，而且盡可能選用對目前已有原生態植被破壞小，對環境影響程度低的工程措施；⑤礦山地質環境治理與工礦廢棄地綜合整治相結合，提高地方土地綜合利用，推動地方經濟發展；⑥設計方案在技術上可行的前提下，盡量采用造價經濟、節約資金的工程措施。

對礦區采場高陡邊坡進行綜合治理，消除地質災害，確保周邊居民出行安全和生命財產安全。對坡面進行綠化，增加林地，恢復生態功能，美化環境；對廢棄礦坑進行回填，恢復土地資源；對工礦廢棄地進行整形，有效增加建設用地，提高土地利用價值，達到新增建設用地和林地面積之和不小于1.03 km2，且新增建設用地不小于0.64 km2的要求。

3.2 ?礦區①段治理區地質環境治理方案設計

1）削方減載、坡面整形

對HSBP01、HSBP02、HSBP03號邊坡進行削方減載、坡面整形，除HSBP02號邊坡分馬道開挖外，其他均不設馬道，控制高程為85 m，馬道寬3 m。3個邊坡削方總量35 151.6 m3，其中挖土方1 757.6 m3，開挖石方33 394 m3。削方之后的土石方用于回填壓腳。

2）回填壓腳

采用碎石土（黏性土夾碎石）等材料堆填滑坡體抗滑段，增加其有效的抗滑力，提高邊坡穩定系數，是一種施工成本低、見效快的邊坡工程措施（王孝亮等，2017；黃立明等，2016）。該工程布設于HSBP03邊坡。該邊坡前緣較平緩，有堆填加載的空間，且邊坡削方減載之后存在大量土石棄渣，填方物質充足，為了減少土石方外運，選用該工程措施。土方回填方量為33 272.60 m3。

3）扶壁式擋墻

為了防止回填坡腳形成的邊坡局部地段垮塌及坍滑，提高邊坡的穩定性，減少回填壓腳的碎石土回填量，擬在HSBPS03回填壓腳前布設1條扶壁式擋土墻，墻長度為177 m，為鋼筋混凝土結構。扶壁式擋墻由墻面板、墻趾板、墻踵板及扶肋組成，扶肋把墻面板同墻踵板連接起來，起加筋作用，以改善墻面板和墻踵板的受力條件，提高結構的剛度和整體性，減小墻面板的變形（鄭向前等，2018；涂木蘭，2018）。墻高6 m，墻體寬為0.5 m，基礎埋深1.5 m，墻趾端部高度為0.5 m，墻趾懸挑長為1.5 m，墻底傾斜坡率為0.05∶1。

4）截排水溝

因花山礦區邊坡坡度較陡，為了配合綠化工程，且減少大氣降雨對坡體植被的沖刷，擬在HSBP03邊坡沿邊坡周界及坡腳，隨坡就勢修筑1條截排水溝，邊坡局部較陡地段需設置跌水坎，截排水溝總長1 156.3 m，溝截面尺寸為0.8 m × 0.6 m，扶壁式擋墻前排水溝內側溝壁厚度為0.4 m，外側溝壁及溝底均為0.3 m；在回填壓腳形成的平臺內側，布設3條簡易截水溝，截面尺寸為0.3 m × 0.3 m，溝壁及溝底均為0.2 m。

5）植生袋腳墻

在削方整形后HSBP01、HSBP02采場邊坡坡腳3～5 m處分別布置1條植生袋腳墻，共2條，主要起到護腳作用。腳墻總長259.7 m，植生袋腳墻由格賓網及生態袋組成。網高1.50 m，墻頂寬0.6 m，底寬0.6 m，網底1∶1，基礎埋深0.5 m；格賓網內底部0.5 m裝填塊石，上部1 m裝填2層鑫三角GTX生態袋。

6）梯步

梯步位于HSBP02、HSBP03的北東側，長度為93 m，梯步踏面寬度為0.4 m，踢面高度為0.21 m，梯步寬度為2 m，梯步用MU40塊石和M10砂漿砌筑。梯步表面用M10砂漿抹面。

7）綠化

①覆土綠化、植穴法

覆土綠化、植穴法是礦山治理的高效措施（張志強等，2021；趙星平等，2022；黃聰等，2021）。本礦區，覆土綠化、植穴法工程布置于HSBP01、HSBP02、HSBP03采場邊坡在削方分級削方后的斜坡地帶，HSBP01、HSBP02邊坡下方植生袋腳墻與坡腳之間的槽內以及HSBP03回填壓腳地帶。其中：在3個邊坡削方減載工程達到設計要求后，斜坡地帶按照1.5 m × 1.5 m間距交錯開挖穴坑，直徑不小于1 m，深度不小于0.6 m；然后進行客土，填土時，先用表土埋苗根，當填土到2/3左右時，把苗木向上略提，再踩實，再填涂到穴滿，再踩；最后在植穴表面覆蓋1層厚約5 cm的松土，以防止土表開裂和水分散失。HSBP01、HSBP02、HSBP03削方之后斜坡地帶種植灌木，灌木樹種以紫穗槐為主，小葉女貞、多花木蘭、二色胡枝子為輔。在HSBP01、HSBP02邊坡下方植生袋腳墻與邊坡坡腳之間預留3～5 m寬的槽，槽內回填80 cm厚種植土。覆土后按間距1.5 m × 1.5 m交錯種植喬木（馬尾松、刺槐），樹苗應采用二年生苗，要求樹徑4 cm，且頂芽飽滿。HSBP03回填壓腳形成的坡面及馬道覆土后按間距1.5 m × 1.5 m開挖穴坑交錯種植馬尾松、刺槐，樹苗應采用二年生苗，要求樹徑4 cm，且頂芽飽滿。

②上垂下爬法

上垂下爬法布置于花山礦區HSBP01-HSBP03采場邊坡削方整形后的坡頂、坡腳、HSBP03回填壓腳平臺內、外側、扶壁式擋墻頂，種植葛藤、常春藤或爬山虎之類的藤類植物，間距0.5 m。

③綠化養護（噴灌）設計

為保障綠化植物的種植效果，須對綠植進行灌溉養護。主要的灌溉措施如下：養護用水源通過管道引至坡腳（坡面平臺）蓄水池，采取高壓水泵（揚程160 m，功率18.5 kW）輸送到坡頂，供水主管采用?63 mm鍍鋅管，分管采用φ50 mmPVC管，支管采用?32 mm PVC管，噴灌噴頭采用旋轉式搖臂噴頭；設計噴頭與噴頭之間的縱橫間距均為20 m，噴射半徑為15 m，流量2.62 m3·h-1。

4 ?礦區治理預期效益分析

1）社會效益

通過相關調查和分析，礦山地質環境治理的預期社會效益主要體現在3個方面：①有效解決礦區存在的5處高陡邊坡地質環境問題，消除地質災害隱患，恢復和改善礦區生態地質環境；②有利于城市規劃，使城區的土地能最大限度得到開發利用；③可增加建設用地64.49 hm2，可引進近10家中型企業進駐，解決近5 000人就業問題，有利于江夏區的招商引資工作的開展，促進經濟的發展。

2）環境效益

通過相關調查和分析，礦山地質環境治理的預期環境效益主要體現在5個方面：①可減少地質環境問題帶來的二次破壞和二次污染；②可減少干旱天氣的揚沙、揚塵，以及減少大氣水沖刷表土產生的水土流失，保護生態環境，減少二次污染；③通過治理和生態恢復，使原先裸露的山體視覺效果得到很好的改善，有益于市容市貌的建設；④通過治理和生態恢復，有利于青龍山風景區的建設，使礦山環境建設與旅游風景區環境建設同步進行，與旅游風景區可視范圍的環境相協調；⑤通過治理可恢復林地38.47 hm2，植被具有滯塵、吸污、凈化空氣等生態功能，同時能起到較好的護坡固土作用、涵養水分和調節氣候的作用，因而大大提高治理區生態環境的整體質量，與武漢市園林城市建設相適宜。

3）經濟效益

通過相關調查和分析，礦山地質環境治理的預期經濟效益主要體現在3個方面：①可以消除礦山地質環境問題對礦區職工和周圍居民正常生活的影響，可消除對礦區周圍居民和企事業單位職工的生命財產威脅；②可以消除礦山環境地質問題對紙坊大道及繞城高速的危害，確保廟山開發區工業園的安全運營，促進地方經濟的快速發展；③可以使礦區部分土地轉變城市建設用地，或通過治理使之前由于礦山地質環境問題影響而廢棄的土地恢復其建設用地的功能，以及使之前利用率低的土地提高土地利用面積及價值。礦山地質環境問題治理后的土地規劃增加建設用地64.49 hm2，按照當地工業用地、商業用地均價450萬元·hm-2計算，其將直接產生經濟效益約2.9020億元人民幣。

5 ?結論

本文對花山礦區的地質環境現狀進行簡要介紹，并基于花山礦區①段治理區的邊坡結構特點，提出了針對性的地質環境治理方案設計，得出以下結論。

1）通過邊坡結構和赤平極射投影圖分析，可以對邊坡穩定性進行有效分析。

2）基于礦區地質環境特點、治理工程設計原則和總體思路，針對性提出削方減載、坡面整形、回填壓腳、扶壁式擋墻以及截排水溝等一系列治理措施，能夠極大地改善花山礦區①段治理區的邊坡結構穩定性，對生態環境的改善具有重要的工程應用價值。

3）武漢花山礦區地質環境治理方案的實施，具有十分顯著的社會效益、環境效益和經濟效益。

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收稿日期：2023-07-24；修回日期：2023-10-11

第一作者簡介：陳剛（1982- ），男，本科，高級工程師，主要從事礦山生態修復、地質災害風險評價研究。E-mail：

引用格式：陳剛，劉鋼一，2024.武漢花山礦區地質環境治理方案設計研究［J］.城市地質，19（1）：63-69