生態防護技術對稀土礦山邊坡的固坡效果

陳 飛， 鐘連祥， 郭 順， 李小雙

(1.江西理工大學 資源與環境工程學院， 江西 贛州 341000； 2.江西省礦業工程重點實驗室， 江西 贛州 341000)

生態護坡是通過在坡面種植植物或配合工程措施，利用植物根系的加筋、錨固等作用對邊坡淺層進行防護加固，使之既能滿足對邊坡淺層穩定的要求，又能恢復被破壞的自然生態環境的護坡方式[1]。近幾十年來，國內外學者通過不同的試驗方法及數值模擬等手段對植物固土護坡的力學效應進行了大量的研究，研究結果表明：植物根系的加筋、錨固作用能夠有效提高邊坡的整體穩定性，其根—土復合體的抗剪強度在一定程度上與根系特征、根系含量和土體性質等因素有關[2-9]。

原地浸礦法是通過浸礦劑(硫酸銨溶液)將吸附在天然埋藏條件下的風化礦體的稀土離子置換出來并回收稀土元素的新型采礦方法，是目前被人們普遍認可的開采技術[10]。針對離子型稀土礦原地浸礦后邊坡的破壞特征及邊坡的穩定性分析已有較為廣泛的研究，而植物對稀土礦山邊坡的加固效應研究還較少。另外，離子型稀土礦山邊坡經原地浸礦開采后，其土壤具有表層疏松、土層淺薄、土壤涵蓄水能力低和植被難以生長等特點[11]，在實際工程應用中，若單純依靠植物護坡，由于植物生長初期根系尚未成型，邊坡在經歷一次又一次的雨水侵蝕后，不僅草籽容易被沖刷掉且邊坡也易發生滑坡、水土流失及垮塌等地質災害。因此，本文開展狗牙根根系與稀土礦山邊坡砂質黏土的復合體抗剪強度試驗研究，并探討土壤含水率和含根量對抗剪強度的影響，在此基礎上，構建一種以竹格為工程措施材料，狗牙根為生態護坡手段的“竹格+狗牙根”的生態護坡模式，分析原地浸礦采場邊坡在該生態護坡模式防護下的穩定性狀況，深入研究竹格中的竹樁長度、間距及直徑對邊坡整體穩定性的具體影響。本研究將生態環境和邊坡防護能力有效結合起來，形成一個既能提高邊坡整體穩定性，防治水土流失，又能維持生態平衡的生態護坡模式，以期為離子型稀土礦山的生態防護提供理論依據和新方法。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣取自江西省龍南縣足洞河流域某廢棄稀土礦山邊坡表層的砂質黏土，取樣深度為0.2～0.4 m，土樣取回后，立即按照《公路土工試驗方法標準》對原狀土進行物理性質指標的測定。經土工試驗分析得出其天然含水率ω為25.39%(重量百分數)，天然密度ρ為1.73 g/cm3，土粒比重Gs為2.69，液限ωl為45.1%，塑限ωp為28.6%，塑性指數為16.5。

試驗選用的植物為離子型稀土礦山邊坡常用的護坡植物狗牙根(Cynodondactylon)。狗牙根為禾本科多年生地被植物，極耐熱和抗旱，能夠適應具有一定酸性的土壤，目前常被作為離子型稀土礦山邊坡的防護植物。在研究區選取一塊場地進行狗牙根的種植，待狗牙根生長5個月后采用整株挖掘法對狗牙根根系進行采集，將采集回來的根—土復合體中的根系取出，洗凈根系表面其它雜質后，稱其質量并用游標卡尺測其直徑。本文定義整株挖掘法采集回來的狗牙根根系質量與土的質量的比值為根系質量分數，通過統計得出狗牙根根系質量分數為0.1%～1.5%，根系直徑主要分布在0.5～1 mm。

1.2 試驗方法

為探究在不同含根量和含水率條件下狗牙根根系對土體抗剪強度的影響，本次試驗使用重塑土摻根制樣進行直剪試驗。試驗處理因素有土壤含水率和摻根量，其中土壤含水率設3個水平：25%，28%，31%；摻根量設5個水平：0.0%,0.2%,0.5%,0.8%,1.1%。分15組(其中3組為不參入根系的素土組)，每組4個試樣。這15組試樣分別為在上述含水率梯度下分別摻入上述質量分數狗牙根根系的試樣。采用南京寧曦土壤儀器有限公司生產的ZJ型應變控制式直剪儀對這15組試樣分別在100,200,300,400 kPa的垂直壓力下進行室內直剪試驗，求得破壞時的剪應力，繪制剪應力和垂直壓力的關系曲線，利用庫侖定律τ=c+tanφ求得試樣的抗剪強度指標(黏聚力和內摩擦角)。

通過前期大量的試算，發現竹格中的竹樁長度、間距和直徑這3個因素的變化對“竹格+狗牙根”生態護坡模式的固坡效果影響較為顯著，因此通過在有限元邊坡模型中改變竹樁長度、間距和直徑這3個參數來探討它們對支護效果的影響，并利用正交試驗設計方法來尋找各個因素間的內在變化規律，因素水平的取值范圍應能夠反映實際的工程情況，這樣正交試驗出來的結果才具有實際意義，根據毛竹圓竹實際生長過程中所能達到的最大直徑和毛竹圓竹在竹齡、竹稈部位的力學性能變異規律并結合錨桿在邊坡中的實際工程應用，綜合確定竹樁長度的取值為1，2，3 m，竹樁水平間距的取值為2，2.5，3 m，豎直間距均為2 m，最下一排竹樁距離坡底均為1 m，竹樁直徑的取值為8，12，16 cm。本文正交試驗根據影響因素及其水平個數采用4因素3水平正交試驗表 ，多出的1個因素輪空不計。因素、因子取值及水平次序見表1。

表1 正交試驗分析因素水平表

1.3 試樣制備

由于試驗所用土樣較松散，采集根—土復合體原狀土相對困難，本次試驗采用重塑土來制備試驗所需的根—土復合體試樣，為保證試驗數據的可靠性，重塑土樣的基本物理性質指標與原狀土一致。

將風干后的狗牙根根系統一剪成2 cm的小段，然后按照原狀土的天然密度、天然含水率和各試驗組不同含根量要求稱量土樣與根系，試驗所用的環刀尺寸高度2 cm，直徑6.1 cm。為相對準確的模擬狗牙根根系在土體中的隨機生長狀態，本試驗采用一次性成樣的方法制備根—土復合體試樣，即將狗牙根根系均勻的拌入土中，然后用環刀制樣，放入壓樣器中壓實。

2 結果與分析

2.1 黏聚力、內摩擦角與含根量關系分析

圖1為不同含水率條件下試樣的黏聚力和內摩擦角隨含根量不同的變化特征。由圖1可知，同一含水率條件下，狗牙根根系加筋土的黏聚力c和內摩擦角φ隨根系含量的增加而呈增大的趨勢，當含根量從0增加到1.1%時，25%含水率條件下，根系土的黏聚力從11.52 kPa增加到25.37 kPa，黏聚力增量(用Δc表示)為13.85 kPa，而內摩擦角的增量(用Δφ表示)僅為2.7°；28%含水率條件下，根系土的黏聚力從8.27 kPa增加到20.1 kPa，增量Δc為11.83 kPa，增量Δφ為2.2°；31%含水率條件下，根系土的黏聚力從6.2 kPa增加到12.7 kPa，增量Δc為6.5 kPa，增量Δφ為1.9°。由上述分析可知，不論是根系土的黏聚力增量還是內摩擦角增量均隨根系土含水率的增大而減小，在本試驗設定的含水率梯度下，狗牙根根系對含水率為25%的土體加筋效果最顯著。

圖1 黏聚力、內摩擦角與含根量關系

另外從以上數據可以看出，在不同含水率條件下，隨著根系含量的提高，土體黏聚力的提升作用均要顯著強于內摩擦角，因此，根系對土體抗剪強度的提升主要是黏聚力增加的結果，這和張興玲等[12]、鄭啟萍等[13]的研究結果是相一致的。分析其原因是因為試樣中存在垂直根系，在剪切過程中剪切面必須通過根系，故根系對試樣具有一定的約束作用，此外，根系的彈性模量和抗拉強度都要遠遠高于素土，當試樣發生剪切破壞時，根系可以增加土體抵抗變形的能力，而對于內摩擦角φ來說，根系與土粒之間的接觸面積并不會因為根系含量的增加而顯著增大，所以φ值受根系含量變化的影響較小。由圖1還可以看出，在不同含水率條件下，根系土黏聚力在含根量達到0.5%時其增加幅度呈下降趨勢，此時再增加根系含量并不能顯著增強根系土的黏聚力，即存在一最優含根量。

由圖1可知，試樣的黏聚力和含水率呈負相關關系，即黏聚力隨含水率的增大而降低，這是因為土粒與根系、土粒與土粒之間的膠結物質會隨含水率的增大而被溶解，進而導致黏結力降低[7]。當含水率由25%增加到28%時，素土組的黏聚力從11.52 kPa下降到8.27 kPa，下降率為28%，當含水率由28%增加到31%時，試樣黏聚力的下降率由素土組的25.03%增加到0.2%含根量的40.22%，表明當含水率增加到一定程度時，根系對土體的加筋效果顯著減小。在有摻根時，如1.1%含根量的根系土黏聚力從25.37 kPa下降到20.10 kPa，下降率為20.7%，表明根系不僅具有顯著的加筋作用而且可以減緩試驗土體的水敏性。

2.2 “竹格+狗牙根”的生態護坡模式數值模擬分析

2.2.1 “竹格”式生態防護結構簡介 本文在考慮原地浸礦采場邊坡立地條件的基礎上，構建一種適合植物生長和能夠增強邊坡穩定性的“竹格”式生態防護結構，提出了“狗牙根+竹格”的生態護坡模式，在發揮狗牙根的加筋作用及生態環境效應的同時，“竹格”既能夠保證狗牙根的正常生長，又可以增強邊坡的整體穩定性。

“竹格”式生態防護結構由竹子格構框架、竹樁和竹子排水管3部分組成。其具有以下特點：

(1) 竹子格構框架和竹樁、竹子排水管連接后可在邊坡表層形成一柔性支護結構，不僅能夠有效防止邊坡表層土的滑移，在一定程度還可以降低雨水對坡面的沖刷作用。

(2) 竹樁和竹子排水管打入土層后，起到一定的擠土效應，對于表層土壤松散的稀土礦邊坡具有積極的作用，能夠提高其土體的抗剪強度，進而提高邊坡的整體穩定性，另外，草籽基材置于竹樁內能夠避免雨水對草籽的直接沖刷，竹樁內的基材滿足植物生長所需的養分，克服了稀土礦邊坡土壤呈酸性，土層淺薄，保水能力差，植物難以生長的特點，同時待植物成功長成后，根系可以通過竹樁開的孔洞深入土層內，進而與護坡結構及土層形成一牢固的柔性保護層，具有較強的抗拉和抗剪能力，起到顯著的加筋作用，并能夠抑制地表徑流及減緩雨水對坡面的沖刷，進而防止水土流失和提高邊坡的整體穩定性。

2.2.2 計算模型 以江西省龍南縣足洞河流域某廢棄稀土礦山邊坡為研究對象，采用二維平面應變模型分析“竹格+狗牙根”的生態護坡模式對邊坡穩定性的影響。

土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型和Mohr-Coulomb破壞準則，將狗牙根根土復合體視為均質材料進行模擬分析[14]，厚度為30 cm。已有研究表明不論是竹片還是圓竹均有較強的抗壓、抗剪和抗彎能力[15]，因此采用梁單元模擬竹樁。

擬研究邊坡坡高8 m，坡比1∶1.5，通過對該區域地勘資料的分析，該邊坡巖土層自上而下依次可分為砂質黏土、全風化花崗巖、強風化花崗巖和基巖，其中砂質黏土厚約0.5～2.6 m，全風化層厚約5～11 m，強風化層厚約1.8～3.2 m。根據鄭穎人等[16]對有限元法中邊坡計算范圍的建議，本文邊坡有限元模型坡腳距離右端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂距離左端邊界的距離為坡高的2.5倍，上下邊界總高為2倍坡高。

2.2.3 計算參數 根據前期素土和狗牙根根土復合體室內直剪試驗結果，本文選取25%含水率和1.1%含根量情況下的抗剪強度力學指標，竹樁力學參數的選取采用張丹等[15]的研究成果。具體物理力學參數見表2。

表2 物理力學計算參數

2.2.4 模擬結果分析 在進行正交試驗之前，本文依托理正巖土6.5和Midas軟件分別采用極限平衡法和強度折減法對上述計算模型在無支護情況下的安全系數進行了計算，極限平衡法計算出的安全系數Fs為1.461，采用強度折減法計算出的安全系數Fs為1.525，兩者安全系數的差值僅為0.064，說明采用強度折減法對本計算模型進行分析其結果是可靠的，當僅采用狗牙根根系護坡時，利用強度折減法計算出的安全系數Fs為1.532，表明狗牙根根系對邊坡雖能起到一定的加固作用，但效果不是很明顯，這是因為其根系主要分布在邊坡淺層，所能影響的區域主要為坡面以下30 cm范圍內。

本文依據上述計算模型和L9(34)正交試驗方案，采用Midas GTS NX軟件中的強度折減法對該邊坡進行數值模擬分析，選取穩定性安全系數Fs作為本次正交試驗的評價指標，并利用正交試驗方法的直觀分析法對數值模擬結果進行分析，直觀分析結果見表3。

表3 正交試驗與極差分析結果

由表3可知，竹樁長度、竹樁直徑和竹樁間距對邊坡穩定的敏感性依次減小，當竹樁長度取值3.0 m，竹樁間距取值2.5 m，竹樁直徑取值8 cm時，安全系數為較優取值水平，由此可以得出，竹樁間距并不是越小越好，當間距取得過密時可能引起群樁效應，反而不利于邊坡的穩定，其可能存在一最優間距，本文經直觀分析得出竹樁間距最優值在2.5 m附近。由于竹樁取材于圓竹，當直徑越大時，空心直徑越大，反而影響其力學性質，因此竹樁直徑不宜取得過大，當然也不是越小越好。

有限元分析結果表明，素土邊坡的塑性滑移主要出現在砂質黏土和全風化花崗巖的交界處，而對于“竹格+狗牙根”(竹樁長3 m，間距2.5 m，直徑8 cm)防護下的邊坡，其塑性滑移帶則出現在更深的土層中，表明“竹格+狗牙根”的生態護坡模式能夠限制邊坡坡面的剪切變形及有效防止邊坡表層土的滑移。

3 結 論

(1) 狗牙根根系在一定程度上能夠顯著提高離子型稀土礦邊坡表層砂質黏土的黏聚力c值，而對內摩擦角φ值影響較小，且黏聚力c值隨著含根量的增加而增大，但其增加幅度在含根量達到0.5%時呈下降趨勢，此時再增加根系含量并不能顯著增強根系土的黏聚力，即存在一最優含根量。

(2) 根系土的黏聚力隨含水率的增加而降低，即黏聚力c與含水率呈負相關關系，本文通過對不同含水率條件下根系土直剪試驗分析，得出狗牙根根系對含水率為25%的土體加筋效果最好，在實際工程應用中，應建立有效的排水系統，避免邊坡在降雨條件下受到雨水長時間的浸泡。

(3) 由于狗牙根根系主要分布在邊坡淺層，所能影響的區域主要為坡面以下30 cm范圍內，其對邊坡整體穩定性的影響較小，當僅采用狗牙根根系防護邊坡時，其安全系數相對于素土邊坡僅提高了2.6%，因此，對于自穩能力不好的邊坡不能僅依靠草本植物來提高邊坡的穩定性。

(4) 數值模擬和正交實驗分析結果表明“竹格+狗牙根”的生態護坡模式能夠顯著提高邊坡的穩定性安全系數，從而有效防止邊坡表層土的滑移。針對本文選取的典型邊坡，“竹格”式生態護坡結構中竹樁的合理參數為：竹樁長度3.0 m，竹樁間距2.5 m，竹樁直徑8 cm。

(5) 本文提出的“竹格”式生態護坡結構具有提高邊坡整體穩定性，減緩坡面沖刷，利于植物生長，施工簡單及造價低廉的特點，擁有一定的推廣應用價值。

直剪試驗研究表明，在不同含根量和含水率條件下，植物根系的存在均能夠顯著提高土體的黏聚力，初步總結出了不同含水率、不同含根量對土體黏聚力和內摩擦角的影響規律，針對離子型稀土礦邊坡土壤具有表層疏松、土層淺薄、土壤涵蓄水能力低和植被難以生長等特點，構建了一種新型的“竹格”式生態防護結構，提出了“竹格+狗牙根”的生態護坡模式，利用數值模擬分析法對該生態護坡模式的防護效果進行了評價并通過正交試驗對“竹格”式生態護坡結構中的竹樁參數進行了優化，能夠為試驗區及相似地區淺層邊坡的生態防護提供理論依據和技術方法。本文沒有對不同含水率條件下的邊坡進行穩定性分析，今后應對該方面進行深入的研究，為邊坡的生態防護提供更加科學的理論依據。