矿山边坡水土流失机理与修复技术研究

李雄峰, 余宏明

(中国地质大学 工程学院, 湖北 武汉 430074)

矿山边坡水土流失机理与修复技术研究

李雄峰, 余宏明

(中国地质大学 工程学院, 湖北 武汉 430074)

以焦作市北部采石场地质环境治理工程为例,依据实验研究及专家咨询的结果,分析了在某岩质边坡上的水土流失机理.利用层次分析法和德菲尔法,分析法确定了边坡形态、降雨、土壤性质、良好的排水通道、边坡岩性和植被6个导致边坡水土流失的因子,建立了水土流失评价指标体系和评价模型,并据此对水土流失危害进行评价,提出了边坡治理与修复技术．为该地区的岩质边坡的水土流失分析,边坡治理与修复技术提供了有益的参考．

水土流失; 边坡修复; 矿山边坡; 层次分析法; 焦作市

0 引言

水土流失是自然界物质、能量迁移的一种过程,是指地表土层受流水作用造成水和土的流失[1]．矿山边坡的水土流失是水土流失过程中非常重要且常被忽视的部分,矿山边坡水土流失机理涉及的领域很广,与岩—土—水—植被作用机理有着内在的关联性．本文以焦作北部采石场某岩质边坡为研究对象,搜集分析了研究区岩、土、水、植被信息,为课题的开展奠定了基础．焦作市是一个典型的资源枯竭型城市,也是中原经济区经济转型示范市．2008年焦作市被国务院批准为首批资源枯竭型城市,焦作市矿产资源丰富,开发利用程度较高,经过几十年的强力开发,焦作矿区地质环境日益恶化,加上特定的自然地质环境和不合理的人类经济活动,在矿区周边引起了许多环境地质问题,矿山边坡水土流失灾害日益突出,逐渐成为制约该市社会经济持续发展的重要因素之一,亟待研究其形成机理与边坡的修复整治方法．从边坡修复整治的过程而言一方面涉及到生态恢复治理工程,另一方面涉及到边坡优化问题．

1 研究区水土流失研究概况

1.1 研究区地质环境条件

焦作市位于河南省西北部,北依太行山,南临黄河水,是一座在矿产资源开发基础上发展起来的新兴工业城市及旅游城市．焦作市属暖温带半大陆性半干旱季风型气候,年平均14.4℃,平均年降水量584 mm．研究区内降水量受到地形和区域性气候因素的影响,降水分配不均匀,北部山地降雨量偏多,多年平均降水量为696 mm,年最小降水量421 mm．研究区内分布有松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙、岩溶水几种类型．出露地层从老到新出露地层主要为奥陶系中统上马家沟组(O2s)、峰峰组(O2f)和第四系(Q)地层,主要地层为奥陶系中统上马家沟组(O2s)灰岩,夹杂部分石炭系本溪组硬质粘土矿,上覆少量粘土．

1.2 坡面水土流失机理与修复技术研究现状

关于坡面水土流失的研究,一般认为影响水土流失的因素包括降雨、坡度、土壤性质、植被种类等[2]．目前对水土流失的研究主要是集中在其机理研究和模型研究等方面,并且采取了不同的先进研究方法和手段[3]．综合前人研究成果,关于坡面径流及降雨入渗的影响因素集中认为主要表现在降雨、土壤性质、地表结皮、初始含水率以及下垫面因素．本文采用边坡坡面形态、排水通道、边坡岩性、降雨强度和土壤性质和植被覆盖率6个主要影响因素对研究区岩质边坡水土流失特性进行分析．对于边坡坡面修复整治的目的是使边坡达到一定强度和稳定性,抗雨水冲刷,达到相应防护作用,又可以适应坡面植物的生长,并且与自然景观相协调．

在了解水土流失机理的基础上,采取行之有效的方法进行水土保持,使土壤侵蚀以及水土流失达到最少是我们进行边坡修复、边坡治理的目的[4]．目前植被措施是水土保持最有效的方法之一,不仅在土壤保持方面具有较好的作用,并且在绿化、环境保护、植物根系固土等方面均有较好的应用．国内对边坡修复技术的研究较少,目前多限于模仿和引进国外方法．如国内常用的客土植生带法、生态多孔混凝土绿化法、纤维绿化法等技术[5]．开发一种适合我国国情,对岩石边坡地既有一定强度和抗雨水冲刷能力达到防护作用又长期适应植物生长达到修复目的的环保新技术是工程技术人员当前的紧要任务．

2 矿山边坡水土流失机理分析

当外营力大于土体的抵抗侵蚀能力就必然引起水土流失,而外营力的破坏力和土体的抗蚀力和如下几个因素有关．

2.1 矿山边坡形态是影响水土流失的主导因素

矿山边坡形态包括坡面平整程度,坡脚,坡面地质特征、边坡表面形态、坡度、坡长等．坡角是植物的适宜性及产生的水土流失决定性因素．研究区内可见各类边坡,基于当地地质条件,岩质边坡较多,对于不同坡度的边坡而言,坡度越缓,边坡的稳定系数越大．在忽略其他因素只考虑边坡坡度变化的情况下,边坡坡面覆土的土壤侵蚀量随边坡模型坡度变大而变大,水土流失量越大．坡度对坡面水土流失的影响一方面是由于坡度的增大,土壤颗粒固有重力将更有利于溅散土粒向下坡运动,同时坡度的增大降低了土壤的稳定性,土壤抗蚀能力减弱;另一方面还表现在因入渗量与坡度成反比关系,坡度大时容易产生径流,增加了溅蚀与坡面径流联合侵蚀的作用,加剧了坡面水土流失．

2.2 降雨是主要的诱发因素

降雨量是影响水土流失的主导诱发因素,尤其是在坡面土体少,边坡坡度大,土壤粘粒含量高的边坡,水土流失量最大．水土流失量的大小体现则在降水时坡面径流对坡面的侵蚀量上．降雨量越大,产生的坡面径流越大．研究区内降雨量随季节变化很大,主要集中在7、8月,其次是6、9月,降雨总量达全年的70%,蒸发量是降水量3倍(图1)．降雨量在一定范围内时,降雨量越大、降雨历时越短,则雨强越大,产生的坡面径流量和径流深度越大,水土流失越严重．降雨在坡面产生径流,径流是是泥沙流失的主要载体．降雨产流后,径流顺坡向下运动,分别形成坡面流、细沟、浅沟流及沟道流等多种水流类型,在其作用下相应形成了片蚀、坡面细沟侵蚀等土壤侵蚀方式和类型[6]．不同侵蚀类型,均将土壤以径流方式运移,降雨量越大,在坡面形成的产流过程越快、流量越大、产沙量越大,土壤侵蚀量越多．

图1 焦作市年平均降雨与蒸发量分布

2.3 边坡岩性是重要的成土机制

研究区多为矿山边坡,主要岩性为石炭系本溪组硬质粘土矿．土壤是土壤侵蚀的主要对象, 而岩石是形成土壤和构成地壳的物质基础．岩质边坡在坡面形态上的破坏主要与水土流失量与边坡形态、应力特征的变化有关．人类工程活动改变了坡面应力特征与坡面形态,土壤易于流失,留下裸露的坡面,在外部风化作用与自身结构面的影响下易流失破坏．坡面的覆土对边坡起到一种保护和稳定作用．边坡岩性对上覆土壤的性质有较大影响,对边坡坡面岩层的保护就是对覆土的保护．在研究区内还残存有一部分粘土矿,因此常有当地居民在工作区露天乱采乱挖,故对岩层造成较严重的破坏,人类活动迫使水土流失的严重性加大．

2.4 土壤性质是影响矿山边坡水土流失的主要因素

土壤性质的影响则表现在土的颗粒级配上,当细颗粒含量较高时,坡面径流越容易带走土颗粒,水土流失就更严重．边坡覆土厚度的大小直接影响坡面径流的流速和径流深度．边坡土壤的各种物理化学性质影响着土壤的易蚀程度,其抗蚀强度通常采用可蚀性因子表示．对典型边坡覆土进行颗分实验,所得结果如图2所示．

图2 坡面土体颗粒级配曲线

从曲线中可以看出,粒径大于2 mm的土样质量占总质量的25.7%,故其中细颗粒含量较高,这与研究区上覆粘土岩有关,风化后所得粘粒较多,发生水土流失的风险较高．试验测得土样的液限wL=37.5%,塑限wP=23.5%,塑性指数为IP=14．粘土岩中的主要矿物成份以粘土矿物为主,含有一些陆源碎屑物质,化学沉淀的非粘土矿物及少量有机质．粘土矿物具有亲水性,膨胀性,分散和凝聚性等特征．在与水作用时产生不同的水理作用,如软化、泥化、破坏整体性等,从而影响边坡水土流失的土壤含量．

2.5 良好的排水通道是水土流失重要的指示因子

坡面土壤空隙即降排水通道,较好的排水通道是水土流失的重要指示因子．结构疏松的土壤要比密实的土壤渗透能力大得多．Helalia(1992)对3种不同质地的土壤进行了50个田间双环入渗试验,分析了土壤质地与稳渗率的关系弱于结构因子与稳渗率的关系,特别是有效孔隙率与稳渗率的相关性非常明显,达极显著水平[7]．在有效孔隙率条件下,土壤中的水分通过排水通道的速率达到较优值．而土壤的渗透性能可以很好的反映排水通道的大小,渗透率越高则表明通道的畅通与存在较大的孔隙率．

2.6 植被是防止水土流失的关键因素

植物防护就是现今所推广的坡面生态防护方式,利用植物的茎叶阻挡抑制雨水对坡面的冲刷,利用根系与岩土体的耦合作用来减轻坡面的不稳定性和土壤侵蚀．植被具有截流降水、涵养水源、固持土体等作用．土体和植物根系可以视为一个复合体,植物根系相当于土体中的加筋,提高土体的强度,增大了土壤中的附加粘聚力,增强土体的稳定性与抗剪强度．良好的植被覆盖是防止水土流失的关键性因素,适宜的植物对边坡的稳定性及水土的保持上有重要的作用．

3 水土流失评价模型

采用层次分析法与德菲尔法建立边坡水土流失评价模型，研究并建立了基于地质背景条件与降雨因素相耦合的水土流失模型．该模型采用德菲尔法和1～9标度AHP法对影响因子进行赋权,并得出水土流失模拟方程．20世纪60年代美国水土保持学家Wischmeier等提出了通用土壤流失方程式(USLE),得到了定量研究土壤侵蚀问题提供了有效的方法[8]．根据该方程所涉及的影响因子,再结合上述水土流失机理,利用层次分析法得到边坡坡度、植被覆盖率、降雨强度、土壤性质、工程措施、覆土厚度和排水通道7个水土流失评价因子(表1)．

表1 德菲尔法水土流失评价因子影响度(0～1)

研究各评价因子的水土流失影响度,采用德菲尔法确定单因子的影响程度．该值可用(0,1)区间的数值来表示影响度为水土流失影响因子对水土流失危害程度的贡献率,某一因子对水土流失的影响度接近0,表示其对水土流失的影响很小;而当某一因子对水土流失的影响度接近1,表示其对水土流失的影响较大．

层次分析法是一种定性与定量相结合的决策分析方法,是一种决策分析者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程．决策者可通过将复杂的问题分解为若干层次和若干因素,在因素之间进行简单的比较和计算,从而得出不同方案的权重,为最佳方案的选择提供依据[9]．用Delphi法两两对比打分,计算层次排序结果．通过对水土流失评价因子分析,采用1～9标度法得到各影响因素重要性等级判断矩阵(表2)及计算权重(表3)．

表2 AHP法水土流失评价因子比较判矩阵

AHP法对上述7个影响因子反复比较并根据权重和法确定水土流失评价因子比较矩阵和计算结果如下:

1) 一致性指标:

CI=(λmax-N)/(N-1)=0.1298

2) 最大特征值:

λmax=7.7789

3) 随机一致性比例:

CR=CI/RI=0.0983<0.1

故该判断矩阵具有较好的一致性．

根据上述权重计算结果,并考虑边坡影响因子,得出该地区边坡水土流失模型的定量表示方程:

其中S表示总水土流失评价指标;w表示权重;A～G值为影响因子的影响度．相应边坡水土流失危险程度可依据该方程定量得出,将该地水土流失评价指数等级定为I～V度(表4)．

表4 总水土流失评价指数评级标准

4 边坡修复整治技术分析

基于上述边坡水土流失影响因子,对研究区内的缓坡进行分析．在对边坡进行稳定性分析的基础上,根据边坡的形态及植被约束条件提出边坡的修复治理方案．

1) 对于坡面土壤基质持水性而言,适宜的含水率利于植被的生长与植被与土壤的附着,植被对减少地表径流和土壤侵蚀具有显著的作用．坡面植草能减少降雨对土壤的击溅,增加植草的密度能很好地减缓坡面径流流速,加大表层根系土体的团聚力,减少坡面侵蚀,但植草也会增加坡体降雨渗透深度,使坡面潜在的剥蚀作用因饱和水层的重力滑移作用而增大[10]．植被措施是最有效且最常用的方法,并且植被护坡可以增强边坡的美感和协调性．但是植物生长周期长,在岩质边坡上对覆土较薄的地区适宜性不好．根据当地工程地质情况,建议采取一种在覆土的岩质边坡上先挂网,并且用锚杆或锚钉固定,喷射含有一定配比的植物种子的混凝土后铺设一层铺盖,养护一定时间后即可．在雨季时应当采取排水、挂网等措施来增大植被与土壤的适宜性与稳定性．对于研究区内的岩质边坡而言,适宜生长的植物较少,边坡富含养分的能力较差,建议采用保水性强且边坡坡面条件影响不大的植被．如选用爬山虎、侧柏、五角枫与黄栌等．

2) 研究区边坡的坡度为20～40度,坡度越陡则土壤侵蚀量越大,降雨时形成大小的冲沟,直接加大的水土流失的程度．为加强边坡稳定性与水土流失中土壤的强度,可采用直接培土法、液压喷播植草护坡技术、生态植被毯护坡技术、植生袋护坡、格构培土植物护坡等方式减小边坡在降雨时产生的土壤侵蚀量．对比几种使用较多的岩质边坡修复方法,客土植生带法、纤维绿化法与厚层基材喷射绿化法主要是对边坡视觉上的处理,在技术上和强度上的指标通常不能很好的满足边坡防护的任务．并且,纤维绿化法和厚层基材喷射绿化法存在保水性能差、不耐旱等缺点,故较少使用[11]．生态多孔混凝土绿化法强度高防护作用好,但也存在着为植物提供养分能力差且成本过高等问题．从工程施工方法的角度看,矿山边坡修复常用的方法有钢筋水泥框格法、植生卷铺盖法、高次团粒喷播绿化法等．研究区采用直接培土法配合本文提出的修复方法得到了较好的效果．地形地貌景观的修复与土地资源的有效保护将促进和保持当地生态系统的良性循环,为当地居民生产生活提供良好的空间．

5 结论

从上述分析来看,边坡表层土体较为疏松、强度低,含水率变化较大,易受外界降雨、蒸腾作用的影响等是导致出现水土流失的主要诱因,边坡坡脚是植物的适宜性及产生水土流失的决定性因素．根据河南省焦作市的地质环境特征,分析研究了该地区矿山边坡水土流失机理,提出了矿山边坡形态、土壤性质、降雨、边坡岩性、排水通道、植被6个导致了边坡水土流失的因素．通过德菲尔法确定各因子影响度和建立AHP层次分析判断矩阵得出边坡水土流失评价模型和评价方程,得到该地区边坡水土流失评价指标,根据目前边坡修复整治技术的研究,提出几点对该地区边坡修复的建议．为该地区矿山边坡水土流失的评价做出一些参考．

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[责任编辑：蒋海龙]

Research on the Evaluation and Repair Technology ofSoil and Water Loss in Mine Slope

LI Xiong-feng, YU Hong-min

(College of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China)

This paper taking Take Jiaozuo City North quarry geological environment treatment project as an example, on the basis of the experimental research and the results of expert advice, analyses the mechanism of soil erosion in the slope of the analysis on soil slope on the erosion mechanism of the rock, the use of AHP and expert analysis method, analysis method was used to determine the shape of the slope, rainfall, soil properties, good drainage channel, Bian Poyan and the vegetation six lead to slope soil erosion the factor of soil and water loss, established the evaluation index system and evaluation model, and then on the soil erosion hazard evaluation, puts forward slope treatment and remediation technology. For the area of the rock slope analysis of soil erosion,slope treatment and remediation technology provides a useful reference.

soil erosion; evaluation; slope repair; mine slope; analytic hierarchy process; jiaozuo city

2015-05-09

河南省科技厅科技攻关计划项目(122102310477)

余宏明(1952-),男,湖北随州人,教授,博士生导师,主要从事地质灾害分析与防治及岩土工程研究． E-mail: yuhongming@sohu.com

S157.1

A

1671-6876(2015)04-0331-06