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孟 武，白文涛
摘要：宾格石笼拦挡坝作为一种新型的拦挡结构，以其生态性好、施工简便、结构整体性好、抗冲刷及排水性好、造价低等特点得到了越来越多工程的应用。结合应用实例，将其与浆砌石及其他形式的拦挡坝相对比，分析了宾格石笼拦挡坝的优点及应用范围，同时对宾格石笼生物措施土石坝的固土复绿植物选择进行了调查、分析。通过宾格石笼生物措施土石坝在二北沟矿山地质环境恢复治理中弃渣场防护工程中的应用实例，对宾格石笼生物措施土石坝在矿山沟道弃渣场防护中具有借鉴和推广价值。
关键词：宾格石笼；矿山地质环境恢复治理；生物措施土石坝；深根性植物
石笼护坡
格宾石笼是一种新型土石坝防护手段，格宾石笼主要由格宾网和卵石或块石组成，其在边坡、提防等防护工程中有着极为广泛的应用，尤其是在沿河路基抢险工程中最为常见，其凭借生态性好、施工简便、结构整体性好、施工成本低、给排水和抗冲刷能力强等特点得到了广泛的应用。本文对宾格石笼生物措施土石坝在二北沟矿山地质环境恢复治理中的应用实例进行介绍。
1 二北沟矿山地质环境概况
位于兰州市永登县西南部，地处黄河一级支流大通河右岸中山区，区内地貌类型属构造侵蚀中山区，生态环境脆弱。长期开采在区内形成大规模露天采场、渣堆、工业场地及矿山道路，引发区内不稳定斜坡、泥石流地质灾害，破坏区内地形地貌景观及土地资源，对矿山地质环境影响程度严重。
1.1 矿区自然概况
1.1.1 地理位置
矿区位于大通河右岸，青海省民和县与甘肃省兰州市毗邻处。地理坐标：东径102°50′10″，北纬36°24′02″。行政上属兰州市永登县管辖。矿区至兰青铁路海石湾火车站约10km，有专用铁路、公路相连，往北有公路至永登县并与陇海铁路相通，交通方便。
1.1.2 自然地理条件
（1）气象。项目区属陇中北部冷温带半干旱气候区，日照充足，气候干燥，昼夜温差大。项目区多年平均气温7.8°。据气象资料统计，全年降水量在为349.6mm。降水量年际变化较大，平均降水量为349.2mm，年最大降水量573.2mm（1967年），年最小降水量198.6mm（1965年）。降水量分布不均，一般集中在每年的7月份～9月份，占全年的64%（见表1）。降水的主要特点是降水持续时间长，
降水强度大，最大日降水量为96.8mm，小时最大降水量为39.0mm（1976年7月27日），10分钟最大降水量为18.6mm。最大一次连续降雨日数长达12天（1977年9月8日～19日，降水36.7mm）。年平均蒸发量为1507.8mm，是降水量的4.5倍。相对无霜期146天～173天，最大冻土深度可达80cm。
（2）水文。大通河位于项目区南部2km处，是湟水河的最大支流，至海石湾注入湟水河，在甘肃省境内长104km，红古区境内长16km。据享堂峡水文资料统计，大通河多年平均流量为90.5m3/s，多年平均径流量为28.54×108m3。大通河径流的年内分配，据享堂站1971年～1980年统计，每年7月～9月由于祁连山区降水增加，高山积雪大量融化，流量大增，径流量占全年径流量的54.3%，其中8月份的平均流量为188m3/s，是2月份平均流量17.1m3/s的近11倍。多年平均输沙量为359.5×104t。洪水期出现在7月份～9月份，枯水期出现在1月份～2月份。
（3）土壤。项目区基岩大多裸露，山顶主要土壤类型为风积黄土、坡积碎石土及栗钙土。黄土主要分布于项目区较高的山顶、山脊部位，尤其在项目区西北部有广泛分布，呈浅黄褐，粉粒结构，层理不清，见柱状节理，颗粒成分主要为石英、长石及粘土矿物。厚度5m～20m，局部达30m以上。碎石土、栗钙土主要分布于山脚及缓坡地带，以坡积物、残积物的形式存在。栗钙土成土母质以残坡积物为主，土壤腐殖质层积累速率弱。质地为沙壤土，土块结构为小块状，土壤保肥、保水性能差。土壤养分含量较低，有机质含量较低，速效磷极缺，生态环境条件较差。
（4）植被。由于受气候、地形条件的差异等影响，项目区第四系覆盖区植被相对发育，主要为草本植物，夹少量灌木；陡峻山坡基岩裸露，植被覆盖率为较低，生态环境较为脆弱。
1.2 矿山地质环境问题
二北沟矿山地质环境问题主要包括含水层、土地植被资源、地形地面景观被严重破坏以及存在大量的地质灾害。经过实地调查后发现，该矿山区域斜坡不稳定灾害位置共2处，其对于矿山地质环境景观影响较小；矿石开采活动对矿山含水层的破坏程度较小，但是会对地面景观造成严重的破坏；矿石开发活动对矿山土地植被资源会造成严重的破坏。
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2 矿山渣堆和弃渣场恢复治理方案
民和祁连山水泥有限公司二北沟石灰石矿矿山地质环境问题突出，任何单一的措施都很难达到长期有效的恢复治理效果，加之矿区开挖范围大，堆渣面广。因此，本次恢复治理充分考虑矿区气候的自然
地理条件，对矿区已经自然恢复生长植被的弃渣堆区域不再进行恢复工程，避免对已经存活繁衍生根的自然生长植被造成二次破坏；在避免对矿区地质环境再次造成破坏的前提下对矿区弃渣堆进行放坡整平，对采坑进行弃渣回填；采取综合治理措施对矿山地貌形态进行改善，同时消除已有地质灾害隐患，并通过绿化工程达到地质环境恢复治理的目的。
根据现场调查结果，最终确定治理措施为：危岩清理+采坑回填工程+既有建筑物拆除+宾格石笼拦渣墙工程+宾格石笼生物措施土石坝+绿化工程等工程。在改善矿山地貌形态及地质环境问题的同时消除地质灾害隐患，恢复矿区生态环境。
本文对宾格石笼生物措施土石坝在二北沟石灰石矿矿山地质环境恢复治理中的应用做重点论述。
3 宾格石笼生物措施土石坝设计
3.1 宾格石笼技术参数与要求
在土石坝设计过程中选取尺寸为80mm×100mm，内径为3.0mm和外径为4.0mm的宾格石笼网，并按照要求将石笼尺寸设计为1m×1m×1m、1.5m×1m×1m或2m×1m×1m，然后将宾格石笼网垂直摆放。
宾格石笼网钢丝材料尺寸设计标准和技术参数如下：①钢丝抗拉强度需要满足350N/mm2～550N/mm2，并且钢丝在未拉伸前，其延伸率必须大于9%；经过拉伸后的钢丝，其延伸率必须超过7 %。②宾格石笼网面钢丝最小直径为ø2.7，最大直径为ø3.7mm。③宾格石笼镀层钢丝允许变动量为±0.08mm，镀层量不得低于245g/m2。④为保证宾格石笼构件刚度，钢丝面板边端钢丝直径为ø3.4/ø4.4mm，镀层钢丝允许变动量为±0.09mm，镀层量不得低于265g/m2。⑤帮扎钢丝直径为ø2.0/ø3.0mm，镀层钢丝允许变动量为±0.07mm，镀层量不得低于215g/m2。
宾格石笼网网面经过裁剪后，边端和末端钢丝连接位置是整个宾格石笼结构最为薄弱的位置，为进一步加强网面与钢丝连接强度，需要利用翻边机在边端钢丝上缠绕网面钢丝，需要注意的是绞边钢丝和网面钢丝材质应当保持一致，为保证钢丝连接强度，需要按照间隔10cm～15cm的距离，采用单圈-双圈交替绞合方法缠绕钢丝。
宾格石笼网填充材料为块石、卵石或片石，石料直径为100mm～300mm，填充料中也可以采用小于100mm直径的石料，但是总量不得超过15%，并且不能用于宾格网格外露面，总体空隙率不得高于30%，石料强度等为MU30、质地坚硬，遇水不崩解、抗风能力和水解能力强，块料密度不得低于2.5t/m3。3.2 结构设计
参考以往拦挡坝结构断面及稳定性验算，确定宾格石笼拦挡坝的截面尺寸为：坝高3.0m，基础埋深1.0m，坝顶宽1.0m，基础宽度4.0m，顶层迎水面台阶宽0.25m，背水面台阶宽0.75m，其余各层迎水面和背水面台阶宽均为0.5m，各台阶高度1.0m。在坝肩两侧的岸坡上需修建一定范围的浆砌块石翼墙，
以防止冲蚀坝肩，且宾格石笼拦挡坝头应深入坝肩岩土体不小于1.0m。宾格石笼拦挡坝截面尺寸结构类型如下：
宾格石笼坝由Ⅰ型石笼和Ⅱ型石笼组成。其中Ⅰ型石笼高1.0m，宽1.0m，长1.0m，Ⅱ型石笼高1.0m，宽1.0m，长2.0m。
宾格石笼坝分为三级，其中基础为2个Ⅱ型石笼：第三级为1个Ⅰ型石笼；第二级为1个Ⅱ型石笼组成；第一级为1个Ⅰ型石笼和1个Ⅱ型石笼组成。
石笼骨架采用φ18钢筋制作，钢丝网采用8＃/镀锌钢丝编制，相邻石笼以8＃/钢丝绑扎连接。在石笼骨架和铁丝网编制过程中，钢丝绑扎需要牢靠、稳固，并且绑扎位置不得少于3处。此外，还需要在上下、基础石笼之间绑扎长度为2m，直径为φ22的竖向筋，竖向钢筋沿石笼长度方向每隔1m一根，竖向插筋与铁丝网之间进行绑扎连接，并利用铁丝固定相邻的石笼骨架，固定绑扎位置不得少于3处。石笼填充材料需要具备质地坚硬、容重大、不易风化等特点，并且石料最小直径不得小于石笼网网眼直径。
宾格石笼具有良好的透水性，不需要在坝体上额外设置排水孔，只在坝体顶部位置设置溢流口即可；另外，在坝下游侧用土按照1：1.25的坡率回填2.60m高斜坡面，一方面防止水流直接冲蚀坝基，另一方面回填土斜坡可以为复绿植物和深根性植物提供土壤保障。在土质斜坡面自上而下栽植灌木4排，沿
坡面方向行距1.0m，每行株距0.5m。
从宾格石笼坝体受力情况来看，坝体主要受到自身重量、堆积物压力、静水压力、泥石流压力、扬压力、泥石流动水压力和冲击力等影响，而坝下游侧的回填土坡则提供了一定的被动土压力，植物根系的固土作用作为安全储备，不予单独考虑。按相关规范并采用理正软件进行抗滑移稳定、抗倾覆稳定性、地基承载力验算，结果表明：抗滑移安全系数Kc=1.45﹥1.2，抗倾覆安全系数Ko=2.65﹥1.5，均满足承载力和强度要求，表明宾格石笼拦挡坝的结构设计是安全可靠的。
3.3 深根性植物选择
根据项目区具体自然地理环境和立地条件，如海拔高度、地形地貌、地层岩性、气候条件及土壤性状等，最终选定用深根性植物红柳作为固土复绿植物。红柳具有耐热和耐焊的特性，在沙漠等高温和干旱地区具有极强的适应力；红柳属于喜光灌木，其在低湿的盐碱突然中即可生存，并且当土壤中的含盐量在0.5%～0.7%范围内时，其能够得到良好的生长；红柳具有较强的耐风蚀特性，其暴露于地表的根系会自动生出新的枝条；其生长速度较快，并且寿命相对较长，在适宜的环境下，红柳幼龄期年平均生长高度为50cm～80cm，其生长至4年～5年后高度
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可达2.5m～3m，生长至10后高度可达4m～5m；红柳地径平均为7cm～8cm，生长寿命最高可达百年以上。
红柳根系十分发达，其根系最长可达10m，可以深入地下水层，并且其侧根较多，能够从土壤中吸收大量的营养成分。其根系萌发力较强，被埋入沙土后，根系会萌发出大量的不定根，同时枝条会迅速生长。由于这种特性，可以达到很好的植物根系固土护坡效果，提高宾格石笼土石坝的整体性和稳定性。
植物根系固土护坡的原理是植物根系在土壤中会形成根土复合体，进一步增加土体迁移阻力、土层移滑抵抗力和土层抗剪强度，进而达到加固岩土土体的作用。此外，植物深粗根具有良好的刚度和强度，当植物根系穿过浅层土层并生长至深层土层后，其会起到锚固作用，尤其豆科植物、禾本科和小灌木植物，其根系生长较快，能够深入0.75m～1.5m的深层土壤中，对于土壤的加固效果较好。浅细根系的纤维加筋作用，植草的浅细根系在坡体浅层错综盘结，草根可视为带预应力的三维加筋材料。草根的张拉将限制土体的变形，由此产生的加固效应与草根密度、强度及土体性质有关。
4 宾格石笼生物措施土石坝优点
（1）具有良好的生态可恢复性。宾格石笼坝存在的空隙有利于植物的生长，将扬弃场泥土填入坝体空隙中，有利于自然植被的恢复，同时也能够使扬弃场拦挡与景观和植被融为一体。
（2）施工便利，施工周期短。宾格石笼对于石料质量并无严格的要求，并且其拦挡坝采用层层堆砌施工，施工效率较快，在施工过程中不需要使用大型机械设备。此外，在施工过程中可以将折叠的笼体充分展开，将其绑扎固定完成后再将其组装为长方体，然后将石料放入宾格石笼中；在填充工作结束后，施工人员需要在宾格石笼上覆盖笼盏，并利用铁丝进行绑扎哥固定，然后对石笼进行填装。通常情况下，矿山弃渣符合宾格石笼的填充要求，因此可以将其作为施工填料。
（3）施工成本低。通常情况下，宾格石笼施工成本是混凝土坝施工成本的50%。
（4）抗冲性较强。宾格石笼临近沟道和河道工程，能够降低水流对坝体冲刷产生的影响。尤其是矿山弃渣场周边河道和沟道较多，弃渣场坡脚需要具备较强的水流冲刷能力，而宾格石笼能够减少和消除水流对弃渣场拦挡坝的冲刷压力，有利于保障弃渣场的安全性和稳定性。
（5）结构整体性好，在轻微变形情况下不会被破坏。宾格石笼坝在弯曲变形方面具有良好的适应性。其作为一种柔性结构，在整体性方面较好，并且不需要设置沉降缝，即使坝体出现不均匀沉降或者发生地震导致坝体变形，宾格石笼也能够快速适应变形，不会出现开裂破坏等情况。当坝体发生偶然沉降或地面变形时，坝体地基也会出现沉降，并且会在石笼内部出现挤压和拉紧状态，而宾格石笼则能
够使用外部变形，不会出现倒塌或断裂的情况。
（6）排水功能良好。宾格石笼坝透水性能良好，其不仅能够有效排除坝体中的水，而且也能够拦挡泥石流等固体物质。弃渣场周边存在大量的沟道，因此其积水面积较大，在暴雨天气弃渣场会形成大量的积水，如果无法排除弃渣场的积水，会导致弃砸场拦挡坝被破坏。而宾格石笼拦挡坝孔隙率为20%～30%，能够使雨水自由渗出，避免了拦挡坝排水孔被堵塞的情况，同时在不设置排水孔的情况下，宾格石笼坝也不会出现被雨水冲刷破坏的问题。
5 工程实效
经过一个汛期考验，尽管受到泥石流的冲击，但宾格石笼拦挡坝仍然安然无恙，较好地起到了拦阻固体物质的作用，且宾格石笼拦挡坝透水性良好。经此考验，足以证明宾格石笼拦挡坝应用于矿山地质环境恢复治理中弃渣场治理工程的可靠性。
6 结语
（1）宾格石笼拦挡坝施工快捷，工程造价约为混凝土坝的一半，经济效益较高。矿山弃渣中具有符合石笼坝施工、且有弃石，可优先选择宾格石笼坝施工。
（2）宾格石笼拦挡为柔性结构，不需设置伸缩缝，对变形有自适应性，可承受较大变形而不会发生破
坏，因此较适合在地震地区使用。
（3）宾格石笼透水性能良好，既能有效排水，又能有效拦挡泥石流固体物质，在坝体中下部不需设置排水孔，只需在坝顶布置一定尺寸溢流口即可满足要求。
（4）生态可恢复性效果较好。宾格石笼拦挡坝的空隙可进行人为的植生绿化、美化，在自然条件下弃渣场泥土部分进入石笼填石空隙也可自然恢复植被。选择适合的深根性植物，可以达到很好的植物根系固土护坡效果，提高宾格石笼土石坝的整体性和稳定性。
（5）宾格石笼生物措施土石坝应用于矿山地质环境恢复治理中弃渣场治理工程是一个新的尝试。宾格石笼生物措施土石坝在二北沟矿山地质环境恢复治理工程竣工至今，已经历一个汛期的考验，且防护效果良好，尤其是选择红柳作为固土复绿植物，可在今后的兰州以西地区矿山地质环境恢复治理工程中加以推广使用。
（作者单位：中国建筑材料工业地质勘查中心甘肃总队）
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