矿山生态护坡机理及其方法研究.pdf

世界有色金属2023年6月上226矿山生态护坡机理及其方法研究李康康（中化地质矿山总局，北京 1 0 0 0 1 3）摘 要：矿山生态护坡是一项利用植物根进行加固和锚固，以发挥涵养水源作用的实践工作。它不仅具备生态效益，还能美化景观。生态护坡方法通过植物根系的加固作用，明显改善边坡浅层土体的承载力。同时，深根锚固和侧根拉拔可以增强斜坡的整体稳定性。此外，植被还可以减缓坡面的径流速度，有效减少降雨对坡面的侵蚀，从而实现水源涵养和土壤保护的目标。关键词：矿山；生态护坡；坡面中图分类号：T D 8 0 4 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 1-0 2 2 6-3Research on the Mechanism and Methods of Ecological Slope Protection in MinesLIKang-kang(C h i n a C h e mi c a l G e o l o g y A n d Mi n e B u r e a u,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a)Abstract:Mi n e e c o l o g i c a l s l o p e p r o t e c t i o n i s a p r a c t i c a l o p e r a t i o n t h a t u t i l i z e s p l a n t r o o t s f o r r e i n f o r c e me n t a n d a n c h o r i n g,a n d p l a y s a r o l e i n w a t e r c o n s e r v a t i o n.I t h a s c e r t a i n e c o l o g i c a l a n d l a n d s c a p e b e n e f i t s.T h e e c o l o g i c a l s l o p e p r o t e c t i o n me t h o d u t i l i z e s t h e r e i n f o r c e me n t e f f e c t o f p l a n t r o o t s t o s i g n i f i c a n t l y i mp r o v e t h e s h e a r b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e s h a l l o w s o i l o n t h e s l o p e.A t t h e s a me t i me,d e e p r o o t a n c h o r i n g a n d l a t e r a l r o o t p u l l i n g c a n i mp r o v e t h e o v e r a l l s t a b i l i t y o f t h e s l o p e.I n a d d i t i o n,v e g e t a t i o n c a n a l s o s l o w d o w n t h e r u n o f f o n t h e s l o p e,r e d u c e t h e e r o s i o n o f r a i n f a l l o n t h e s l o p e,a n d a c h i e v e t h e g o a l o f w a t e r c o n s e r v a t i o n a n d s o i l r e i n f o r c e me n t f o r s l o p e p r o t e c t i o n.Keywords:mi n i n g;E c o l o g i c a l s l o p e p r o t e c t i o n;S l o p e s u r f a c e收稿日期：2 0 2 3-0 3作者简介：李康康，女，生于1 9 8 9 年，回族，河北人，本科，工程师，研究方向：矿山生态环境修复及综合治理。目前，矿业生产和矿山废料的排放导致了一系列环境问题，对人民的生命、健康和财产安全造成威胁。大规模的裸露岩质边坡在强降雨、强风天气或地震的影响下可能发生滑坡，严重危及人们的生命、健康和财产安全。另外，未经清理的采矿堆积物在极端恶劣的气候条件下，也会对人们的生命和财产造成不必要的损失。露天石材矿遗留了大量采矿过程中暴露的表面，靠自然生态环境难以在短时间内进行恢复。因此，研究矿山生态护坡的机理和方法十分必要。生态护坡不仅能促进露天矿的恢复，切实预防露天煤矿崩塌、滑坡等地质灾害，还能有效实施相关治理措施，及时对露天矿进行生态保护。1 生态护坡对边坡稳定性的影响机理植被对坡面的作用主要包括力学效应和水文效应两个方面。力学效应体现在利用浅层植物根系加固地面；而水文效应则表现为植物能够截留雨水，吸收土壤中的水分，从而直接或间接增加土壤的抗剪能力。然而，由于植物根系在土壤中形成较大的孔隙，降雨渗入速度加快，导致土壤的抗剪能力下降1。1.1 生态护坡的力学效应1.1.1 植被浅根加筋作用通过适当添加抗拉性增强剂，可以增强植被在坡面上的抗剪承载力和抗弯性，因此被称为“植被浅根加筋”。分析发现，植物根部能够将根部与土壤之间的摩擦力传递给植物本身及其内部，确保在一定程度上避免了非必要的横向位移。假设根状土壤的扩张能力充分，充分的摩擦力会使坡面保持稳定。基于内聚力的观点，土壤根部的弹性模量比土壤弹性模量大得多，也就是说，在不稳定状态下，根缠绕的土壤粒子的轴向应力更大。因此，在根系复合体的影响下，土壤的剪切能力比不带根系的土壤剪切能力强。这种方法可以将根系在土壤中的生长形式视为加筋条的空间结构，并在三个方向上进行加固。1.1.2 植被深根锚固作用植物根系对土壤的影响最为显著。按照锚定原理，木质根系（主要根系）的锚定效果如下：（1）当坡顶超过极限高度，或由于超限或其他地下水位上升或下降而导致素土边坡失稳时，由于忽略了素土抗拉强度，其抗剪力也相对较弱。然而，当土壤天然边坡的抗拉和抗剪承载力较高时，土壤和植被之间的相互作用使得土壤-土壤复合结构（即生态边坡）的抗滑移性能明显改善。（2）根茎具有较好的抗拉和剪切强度，覆盖在土壤中，能够抑制土壤的变形，提高土壤的整体性和稳定性。因此，在复杂的结构中，深根（或主要根）充当约束形变的角色。（3）由于含根边坡的抗拉和抗剪强度较普通土边坡要大，因此在塑性失稳阶段，边坡的受力主要集中在土体和根部之间。因此，边坡的塑性损伤程度较大。这样，深层根（即主要根）可以承担负荷。（4）植物的根将土体固定在界面上，使其与生物的生长扩张相结合，从而增加了土体之间的摩擦力。此外，根系互2023年6月上 世界有色金属 227相缠绕，并与周围的土壤融为一体。在不稳定段与具有高承载能力的基础上，形成一个完整的整体，然后将推动力向斜坡内推，从而实现斜坡的稳定。通过这种方法，可以将土层中的承载力和剪切力分散到土层中，减小表层复合结构受力，增强斜坡的抗压强度，进一步降低滑坡的危险性2。因此，深层根（或主要根）能够转移和分散压力。1.2 生态护坡的水文效应1.2.1 植被增加土壤的抗冲蚀能力雨淋是一种主要的水蚀作用，主要是由于从高处的降落引起的。当雨水从高空降落时，这些水滴会带着一种惯性，在着地过程中会产生一些冲击波。在这种撞击下，暴露的土地将受到破坏，产生分离、断裂和飞散。一次暴雨中，卷起的泥土可达到2400kg/km2，泥土飞散的高度可以达到60cm，最远处可达160cm。植物的叶片可以很好地阻止雨水从高空撞击。1.2.2 雨水对植物的拦截效应当植物密度较高、降雨较小时，其截留率较高，可达到10%以上。由于土壤的阻滞作用，植物减少了降水的强度。气候环境、人为干预、植被类型和植被的分布都会影响植被对降雨的吸收。在实施“生态修复”时，应考虑到不同植物类型和植物的空间布局，并予以控制。在降雨条件下，植被覆盖率越高，其截留效果越好。因此，必须严格管理植物种子的选择、用量和分布，以确保植物的生长和分布，在不消耗资源和保护环境的前提下，实现更好的保护3。1.2.3 植被的蒸腾作用植物的蒸腾作用可以有效吸收土壤中的水分，减小土壤孔隙水压力，从而提高土壤的稳定性。此外，植物的根系还具有一定的生物固土作用，在生长过程中，通过根系排出土壤中的水分，增强整个边坡的稳定性。相比传统的排水系统，这种排水系统更加方便。所谓的“蒸发”是指植物的根将土壤中的水分输送到叶片上，再以水蒸气的形式散发出去。当地表被植被完全遮盖后，大量水分将通过蒸腾进入空气中。在坡面种植植物不仅可以实现植物的蒸腾效应，而且可以通过降低土壤含水率来增强坡体的抗剪承载能力。同时，增加坡面的植被覆盖面积还可有效阻挡日照，减少地表水分的流失，从而加固浅层边坡。1.2.4 植被增加降雨渗入的影响雨水渗入时边坡的稳定问题是一个具有工程意义的复杂问题，与土壤孔隙水压力、容重等因素存在关联。当降雨进入斜坡时，会使斜坡内的孔隙水压力上升，导致其抗剪承载力下降，进而使滑坡的稳定性受到影响。相同的降雨渗入也会导致土壤容重增加，在非饱和带深层或以浅层崩塌为主要特征的斜坡上，这主要表现为土壤容重的增大以及剪切力的降低。2 生态护坡设计方法2.1 设计原则首先，我们必须坚持基本的稳定原则，即生态护坡设计首要目标是确保斜坡的稳定性；其次，需要对工程造价进行优化，科学管理项目的成本；在实现管理目标的前提下，优化管理方式；最后，在总体规划中，强调生态恢复，并注意地质灾害的预防；对治理区域进行科学的综合规划和土地整理。2.2 生态护坡设计植被的选择。在植被的选择上，应遵循以下几个原则：（1）生态适应性原则：生态适应性就是在具体的项目中，必须选择适应当地环境的植物，根据具体情况选择相应的植物类型。（2）生态功能优先原则：生态功能优先的主要作用是：植物通常可以起到固土护坡、保持水土、改善环境等作用，因此，在选择植物时，应以其生态功能为首要考虑。（3）乡土植被为主原则：选择乡土植被作为主要选择是因为本地植物与本地大气条件相符，可以增加植物的生存率。（4）物种多样性原则：物种多样性可以增强植物群落的生存力，提高整个群体的稳定性，并形成多种不同的食物结构，使得整个群体能够长期存在。（5）经济适用性原则：在实际项目中，可选择价格低廉、苗木来源充足、发芽能力强、当地常见且可大规模繁育的品种，从而可以有效地降低项目建设和经营成本，提高项目的效益和收益。2.3 矿山边坡生态护坡设计2.3.1 矿山边坡现状特征及施工条件本研究选取某矿山工程为案例，根据工程地质、地形地貌等条件，将治理区边坡分为东、西、南三个段、中段和北段三个区段。矿区整体现状如下：经过多年开采，矿山已形成高陡岩质边坡，岩体风化程度较高，节理裂隙发育，岩体破碎，局部出现危岩体，坡顶偶尔有小的块石或风化层崩塌。目前，宕底场地面积约为22400m2，开采边坡平面投影面积约为18445m2（含上部开采平台）。在边坡上部形成了一个贯通整个边坡的平台，平台宽度约为5m9m，高程约为+20m+78m，平台南北两侧直接连通宕底。开采宕面最大标高约为+92.65m，宕底标高范围为+19.0m+23.0m之间。与原设计相比，在前期宕底整理的基础上，现状宕底已经形成了一种近似三角形的堆土体。通过现场调查全景照片和测绘矿区平面地形图可得知，现有矿区开采主宕面走向为北东南西，两侧宕面受实际山体地形影响和开采向山体内掘进的影响，走向逐渐转向北西南东。根据测量，现有宕面坡脚线全长约为359m。根据矿区内的地形地貌、边坡地质揭露情况、构造节理、坡顶覆盖层厚度及边坡形态特征，我们将矿山边坡划分为南段、中段、北段和宕底四个区域，以调查剖面1-1和调查剖面3-3为界线。2.3.2 矿山周边环境及施工条件在矿山周边的自然环境中，植物生长密集，主要是由针叶和阔叶混合的林带组成。治理区域内的天然乔木主要包括樟树、马尾松、木荷、青冈栎、泡桐和乌桕等树种；灌木主要有乔木、茶、石楠和枸骨等；藤本植物主要有金樱子、五世界有色金属2023年6月上228叶地锦、葛藤和葎草等；禾草主要是丛生竹和毛竹。矿山整治工程必须满足外部环境以及交通、电力和水源等外部条件的需求。外部条件：矿区北部有两个墓穴，南部有几个居民点，以及南部的四明别墅，在未来的治理过程中可能会面临一些污染和噪音等问题。交通、电力和水源：经过整治后，以前的矿区都已经具备了交通、电力和水源的基础设施。组织、管理和资金落实：当地政府已将该煤矿纳入管理计划，并对其进行了组织和管理，资金也得到了充分的落实。2.4 生态护坡设计方案斜坡设计：根据 建筑边坡工程技术规范 和具体斜坡条件，考虑现有平台的基础上，为减少地质风险和便于绿化喷播，斜坡的设计采用1 0.75（53度）的高度比例。根据现场情况，顶部边坡的最大高差控制在25m以内，同时还兼顾了平台的标高和宽度，以方便后续施工。设计的平台高度范围为+40m+48m、+48m+55m、+55m+55m、+55m+67m、+67m+70m、+70m+70m 和+65m+48m+44m，站台宽度为4.0m10.5m。每个断面均按照以上规定进行斜面切割，切面均采用机械削平，禁止使用炸药。排水：由于斜坡顶部基本处于山脊线的最高点，并且在边坡的滞水区域很少，因此在排水工程中，只使用了一条排水渠，将其与现有的矿山排水系统连接起来，并对坡面和后侧土堆进行排水。坡面美化：在斜坡和平台上，采用厚实的基层进行喷洒，覆盖范围达到10550m2（包括中部斜坡局部陡立和反倾岩面）。在人工清理边坡后，采用包塑钢丝网，并喷洒带有草木基料的混合物，改造了原有的岩石边坡，为植被的生长和群落演变提供了良好的条件5。宕底绿化工程以移植树木为主，布置在护墙和护坡红线之间的土层上，总面积10480m2（包括南侧的土层面积3900m2）。主要选择了香樟、珊瑚树和黄馨进行栽植。黄馨栽植一列，距离护坡0.5m，栽植间距为0.5m；珊瑚树内部设置两行栽植，每行间距1m，横向间距为0.5m；至距离珊瑚林1m到坡脚线的位置，适宜栽植5m范围内。该绿化工程既可以美化周围的场地景观，又能有效防止斜坡上的突然滑落事件。绿化维护方面：在完成维护工程后，需要进行浇水和养护。本项目采用了一套全自动喷灌设备用于斜坡喷洒区和山下植物的维护。水源通过水泵和输水管道从取水点引入斜坡供水系统，进行喷灌维护。位于矿区西部靠近四明湖水库的排水渠道可以用作矿山的维修用水。养护水槽：使用3个3m3的塑胶贮水槽，放置在斜坡顶部外缘，起到保水的作用；周围坡顶还应设置2个养护水槽。供水：四明山水库治理区域西面的排水沟内设有排水孔。自 动 喷 灌 系 统：主 要 包 括 DN63PP-R 管 道、DN50PP-R 管 道、DN32PVC 管 道、DN15 型 喷 嘴、DN15管道、DN15PVC管道等。一级管道：沿着斜坡纵向布置，是主输水管道，连接抽水站和坡顶储水槽，全长950m。二级排水管：布置在坡顶、梯形和坡脚的喷洒区域；在种植槽中植入沟渠的位置布置一条沟渠，沟渠间距为1.0m，以便循环水能够自行排出。工程全长估计为3565m。三级输水：沿着坡顶和台阶布置的二级输水管道，每10m布置一条（坡面朝下），总长1300m。摆臂型喷嘴：布置在坡底的二级输水管道和坡中的三级排水管道上，每排布置10m，总计275根。管道：将喷嘴和管道连接起来，总长275m。断流阀门：用于一级输水管道和二级输水管道之间、二级管道和三级管道之间的交汇处，以及二级管道之间的距离为50m的位置。3 矿山边坡生态护坡效果评价通过现场勘查，可以观察到该项目黄土覆盖的厚度在1.1m至2.3m之间，而强风化区的厚度则在3m至7.6m之间，最底部的地带则是一个20m至50m的中风化地带。使用MidasGTSNX数值仿真方法，建立了一个较大的模型网格。然而，由于网格的密度不够准确，模型数值存在一定偏差；同时，过于密集的网格需要大量计算，并且从某种程度上来说，网格的大小会对计算结果产生显著影响。因此，在考虑到上述因素的情况下，我们将表层土壤的分布设置得比较密集，而下部土壤的分布则相对松散。这样既可以获得较为准确的计算结果，又能提高求解速度。本研究采用了六边形复合网格生成器进行分割，确保各土层网格之间不存在错位。最终，模型被分为31806个节点和27180个单元。4 结论综上所述，随着我国基础设施建设的迅速发展，裸露的岩石边坡成为不可避免的问题。在某些情况下，这些裸露斜坡不仅影响美观，还可能危及人们的人身安全和财产健康。本研究提出了一种以植物作为材料的刚性极限均衡生态护坡方法。通过对护坡机理的分析，改进护坡方法，使矿山的生态修复更具可操作性，并能实现管理目标。1樊子玉,杨永军,王永强,汪谋,魏磊.我国北方岩质矿山边坡生态修复技术方法研究J.矿产勘查,2020,11(08):1775-1779.2陈飞,郭顺,邵海,钟连祥.生态护坡结构在稀土矿山滑坡防治中的应用研究J.矿业研究与开发,2019,39(05):44-48.3钟连祥.离子型稀土矿山生态护坡机理研究D.江西理工大学,2019.4吴亮亮.矿山露采场边坡生态防护客土有机质和碱解氮变化过程研究J.世界有色金属,2017(15):239-241.5陈飞,离子型稀土矿山开采新工艺及边坡防护关键技术与应用.江西省,江西理工大学,2016-09-22.