复绿生态加筋土稳固石灰岩矿山渣堆技术方法研究

赵瑞东，赵文廷，周亚鹏

（河北农业大学，河北 保定 071000）

复绿生态加筋土稳固石灰岩矿山渣堆技术方法研究

赵瑞东，赵文廷，周亚鹏

（河北农业大学，河北 保定 071000）

依据生态袋和加筋土护坡技术基本原理，提出生态加筋土护坡技术，以发挥生态袋和加筋土技术各自优势，同时克服加筋土护坡生态效果差及生态袋护坡稳定性差之不足。该项技术更适于石灰岩矿山渣堆稳固和生态修复，具有美化矿山环境、防治地质灾害等功用。

石灰岩矿山渣堆；加筋土技术；生态袋护坡技术；生态加筋土护坡

石灰岩作为重要的建筑材料有着悠久的开采历史，在现代工业中，石灰岩是制造水泥、石灰、电石的主要原料，是冶金工业中不可缺少的熔剂灰岩，优质石灰岩超细粉磨后，被广泛应用于造纸、橡胶、油漆、涂料、医药、化妆品、饲料、密封、粘结、抛光等产品制造中。我国石灰岩矿产十分丰富，分布面积43.8×104km2，约占国土面积的1/20，分布范围极其广泛。改革开放以来，随着国民经济的空前发展，城乡住房、铁路、公路等土木工程建设强度和数量日益增加，石灰岩采石业随之发展，石灰岩开采加工到处可见，他们为国民经济发展作出贡献的同时，也造成了一系列难以修复的生态环境后遗症，如植被破坏、水土流失、粉尘与噪声污染、景观破坏等。为了方便运输，降低生产成本，人们常就近选择石灰岩采场场址，多选择在道路沿线和城乡结合部等可视范围内，它们严重破坏和影响城乡或道路的形象[1-2]。石灰岩开采与环境保护之间的矛盾日益突出，为解决矛盾，需要及时对石灰岩采石场进行生态修复。但由于石灰岩采石场立地条件差，土壤贫瘠，其生态修复成为难题。针对石灰岩矿山渣堆的特点，本文在前人研究的基础上，提出生态加筋土稳固石灰岩矿山渣堆技术[2-12]，以实现石灰岩矿山渣堆的复垦复绿，美化环境；稳固渣堆，防止发生地质灾害。

2 生态加筋土护坡技术

生态加筋土护坡技术（Ecological slope protection technology of reinforced earth）是采用生态袋改进的加筋土护坡技术，也称生态加筋土斜坡技术。其核心内容包括生态袋技术或植生带技术、加筋土技术及生态加筋土坡设计理论。

2.1 加筋土技术及其应用状况

加筋土（reinforced earth）是在土中加入拉筋（或称筋带）的一种复合土[3-6]。在土体中加入拉筋，可以提高土体的强度，增加土体的稳定性。在我国，加筋土应用有悠久的历史，如在水工建筑中用树木枝条加固地基，在道路工程中用加入枝条的黄土建造“土桥”，在房屋建筑中用掺入草筋、发丝或竹片的土夯筑土墙等。在国外，也有类似的记载。但是，将加筋土作为建筑技术来研究和推广，则是近几十年的事。20世纪60年代初，法国工程师亨利·维达尔（Henry Vidal）在模型试验中发现，当土中掺入有机纤维材料后，其强度可明显提高，可达原有强度的好几倍，继而提出加筋土设计理论。1965年法国普拉聂尔斯（Prageres）首次用他的设计理论成功地修建了世界上第一座加筋土挡土墙。于是，这种具有许多独特优势的加筋土结构（图1），立即引起法、英、美、前苏联和日本等世界各国的重视，纷纷进行试验研究与应用。加筋土技术的应用也从最初的仅用作挡墙而扩展用于桥台、护岸、堤坝、沉淀池、半地下仓斜墙、建筑物地基、核电站反应堆等复杂条件下的土工结构中。

图1 加筋土挡墙结构示意

我国于1979年首次在云南建成加筋土挡墙试验[7-8]工程起，加筋土技术的研究和应用在我国得到迅速发展，到目前为止，已经修建加筋土工程达10万hm2，其中加筋土挡墙近4万座，最长的加筋土挡墙是重庆市区长江滨江公路驳岸墙（长度5.5km），最高加筋土挡墙是重庆巫山县集仙路挡墙（高度60m）。

当前，国内加土挡墙理论研究已接近国际先进水平，加筋土技术广泛应用于土木工程，其优势愈来愈明显。但由于该项技术的生态恢复效果较差，因此用得最多的仍是道路工程，其他领域用得较少，矿山生态环境保护与恢复治理中很少采用。

2.2 生态袋技术及其应用状况

生态袋护坡技术[9]（Ecological bag slope protection technology）是通过将装满植物生长基质的生态袋沿坡面连接和堆叠而成一层（厚30～40cm）适宜植物生长的环境来达到边坡植被恢复和防护目的的岩土边坡植被防护技术（图2）。其中，生态袋是以聚丙烯（PP）为原材料制成的双面熨烫针刺无纺布加工而成的袋子，其由聚丙烯及一系列辅料复合加工而成，具有抗紫外线，耐腐蚀性强，耐微生物分解，抵抗老鼠、白蚁、蛀虫、甲壳虫等动物破坏等优点；对植物友善，植物能通过袋体自由生长；使用寿命长，可达50a以上。这种技术适合各种整体稳定的贫瘠岩土边坡防护和生态恢复，近几年从国外引进，目前是国内最新的一种岩土边坡植物防护技术。由于利用这项技术所建造的植物生境，非常适合草本植物、灌木，甚至适合一些小乔木生长，能够较快速地形成茂盛植被效果，因此，被广泛应用于城市园林绿化；公路、铁路、水库、江河堤防等边坡复绿；足球场、高尔夫球场等运动场绿化，以及大面积水土流失区域的生态恢复等。

图2 生态袋护坡结构及其施工效果[9]

由于生态袋较昂贵，因此有些情况也可采用植生带代替。植生带是指利用特制的无纺布或木浆纸等作为载体，置优质植物（乔木、灌木、草类）种子于其上，并施入一定量的肥料等基质，经过专门的植生机械复合而成的绿化产品。植生袋则是在植生带的基础上发展而来的一种绿化产品，它是由植生带与聚乙烯网或麻网复合，再将其按一定规格缝纫而成的袋状绿化产品。与生态袋相比，植生袋价格更便宜，施工更简单，应用范围更广泛。但使用寿命短，一般只有 3～5a。

2.3 生态加筋土护坡结构

生态加筋土护坡结构如图3所示。这种护坡结构充分发挥加筋土技术和生态袋护坡技术的优势，克服了加筋土技术生态效果差和生态袋护坡稳定性差的缺陷，更适合矿山渣堆稳固与生态修复。

图3 生态加筋土坡结构示意

2.4 生态加筋土护坡设计理论

2.4.1 设计理论

由于生态加筋土护坡结构没有面板，筋材通常是在土坡内水平铺设，认为生态加筋土坡的失稳形式与传统土坡相似，或是沿某个圆弧产生转动式滑坡，或是以楔体形式沿折面滑动。因此其设计方法是与传统的土坡稳定分析方法相同，只是需要考虑土坡中的筋材作用。对于加筋土坡，各层筋材的拉力对滑动圆心产生的力矩起抗滑作用，它们的总和就是抗滑力矩的增量 ΔMR，只要以（MR+ΔMR）代替MR，按传统土坡稳定安全系数计算公式即可求得加筋土坡的安全系数FS。

土坡内铺设的筋材应有一定的长度，使其超出滑动圆弧外的被动段与土体之间的握裹力不小于接拔力，且有一定安全系数。为此，要对每层筋材作内部稳定性校核，保证其不会被拔出。此外，修建生态加筋土坡要求具有良好的地基，即地基承载力应满足要求。否则，生态加筋土坡产生的应力集中将使地基因承载力不足而破坏，进一步影响稳定[10-32]。

2.4.2 生态加筋土护坡的稳定性分析

在生态加筋土护坡内水平铺设n层筋材，其垂直间距一般为1～2m。按瑞典条分法核算安全系数FS的公式为（图 4）：

图4 生态加筋土护坡稳定性核算模式

式中：Wi、θi、Δli分别为第 i土条重力、底弧仰角和长度；R为滑动圆弧的半径；Tai为第i层筋材的抗拉强度。

如果填土为细粒土，当其含水量接近饱和时，常采用不排水抗剪强度Cu，它不随作用于剪切面上的法向应力而变化，那么就不需要分条，可直接采用总强度指标，安全系数的表达式为（图5）：

图5 生态加筋土护坡按不排水剪强度的稳定性核算模式

式中：L为滑动圆弧全长；W为土坡滑动部分的总重力；x为滑动圆心至土坡滑动部分总重力作用线的距离。

2.4.3 确定筋材长度

确定筋材长度的依据是保证每层筋材延伸滑动弧以外的被动长度可提供充分的握裹力，防止筋材被拔出：

式中：Ta为筋材的容许抗拉强度；σv为作用于某层筋材上覆土的盖压力；φag为土与筋材间的摩擦角，由拉拔试验测得。

对于接近饱和的软粘土，筋材与土之间的摩阻力不随界面处的法向应力而变化，而是靠两者间的粘着力cu提供握裹力，则筋材的被动长度为：

筋材的总长度L为：

式中：La、Lp、Lb分别为筋材主动段长度和反包长度。

图6 某石灰岩矿山渣堆治理前的状况

3 生态加筋土护坡在石灰岩矿山渣堆治理中的应用

3.1 项目概况及设计参数

某高速公路沿线某段某石渣厂石灰岩矿渣堆如图6所示。渣堆整体稳定，主要地质灾害类是水土流失。渣坡高度 19.8m，坡度为 51°，长度约121m。矿渣的主要化学、物理和力学性质指标如表1。

表1 石灰岩矿山渣堆主要化学、物理、力学性质指标

3.2 渣坡生态护坡设计

依据加筋土护坡设计计算原理，该石灰岩矿山渣堆的生态加筋土护坡防护结构设计如图7所示，经整理的渣坡坡度为1∶1.2，生态袋规格为50cm×50cm×25cm，筋带的总长度为3m，垂直间距为1.5m。

图7 某石灰岩矿山渣堆生态加筋土结构设计

4 结语

本文提出的以生态袋加筋土边坡防护技术，对矿山渣堆稳固、复垦覆绿和地质灾害防治来说，是一项很有应用和推广价值的岩土工程技术方法。通过分析总结，可以得出以下结论：

（1）生态加筋矿山渣坡稳定性好，抗降雨侵蚀能力强。加筋土的加筋作用可数倍提高矿渣的抗剪强度和抗降雨侵蚀能力，对高陡的矿山渣堆起良好的稳固作用。同时，能建造较陡的加筋矿山渣坡，减少占地面积。

（2）生态加筋矿山渣坡适应性强。一是生态加筋土结构属于柔性结构，对地基不均匀变形的适应能力强。二是发挥生态袋优势，生态加筋土结构适用各种气候条件。

（3）抗震效果好。生态加筋土结构能消减地震作用能量，抗震性能好，适合强震区矿山渣堆的稳固与地质灾害防治。

（4）生态效果明显。生态加筋土的生态袋为植物生长提供了优质的生境条件，有利于实现矿山渣坡的快速绿化。

（5）设计更灵活。可以根据需要设计成各种各样的景观造型，以美化环境。

（6）施工简单，工程造价低。与砌石重力式挡墙、钢筋混土挡墙等相比，可节省投资20%~60%，而且渣坡高度越高，资金节省越显著。如果能够提前设计生态加筋矿山渣坡，并能与矿渣排放同步进行施工，效果会更好，优势更明显。参考文献

［1］杨涛，彭立君，武富强，等.石灰岩矿山生态恢复方法和实践［J］.矿产保护与利用，2009（2）：37-42.

［2］陈奇.矿山环境治理技术与治理模式研究［D］.北京：中国矿业大学，2009.

［3］杨舒.纤维土工程特性试验研究［D］.海口：海南大学，2011.

［4］王树.加筋土坝在孟家冲尾矿库加高工程中的应用［J］.冶金矿山设计与建设，2001，33（4）：24-31.

［5］贺健.30m超高加筋土挡墙在宁化行洛坑钨矿的应用［J］.金属矿山，2012，428（2）：144-147.

［6］尹光志，魏作安，万玲，等.细粒尾矿堆坝加筋加固模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（6）：1030-1034.

［7］梁波，孙遇祺.加筋土模型试验中的拉力破坏研究［J］.岩土工程学报，1995，17（2）：83-87.

［8］谢文东.加筋土挡墙的改革设想［J］.有色矿山，2003，32（3）：46-48.

［9］彭超，刘颖卓.论生态袋理化性能与生态工程护坡质量的内在关系［J］.分析测试技术与仪器，2010，37（8）：237-241.

［10］中交第二公路勘察设计研究院.JTG D30-2004.公路路基设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［11］中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路挡墙设计与施工技术细则［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［12］中交集团第一公路工程局有限公司.JTG/T F10—2006.公路路基施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［13］王祺，等.土工格栅加筋挡墙的设计方法及应用［J］.重庆交通学院学报，2006（3）：65-68.

［14］Liu H，Ling HI.A sand model based on generalized plasticity［A］//Constitutive modeling of geomaterials：selected contributions from the Frank L.DiMaggio symposium［C］.USA：CRCPress，2003：40-46.

［15］Ling HI，Cardany C P，Sun L X，Hashimoto H.Finite element study of a geosynthetic-reinforced soil retaining wall with concrete-block facing［J］.Geosynthetics International，2000，7（3）：163-188.

［16］王伟，王中华，曾媛，等.聚丙烯纤维复合土抗裂补强特性试验研究［J］.岩土力学，2011，32（3）：703-708.

［17］HINCHBERGER S D，ROWE R K.Geosynthetic reinforced embankments on soft clay foundations：predicting reinforcement strains at failure［J］.Geotextiles and Geomembranes，2003，21：151－175.

［18］廖振宇.大冶灵乡铁矿溶剂项目场区边坡加筋土挡墙稳定性分析及施工控制研究［D］.成都：成都理工大学，2009.

［19］李献民.高速铁路加筋过渡段静动力特性数值分析及试验研究［D］.长沙：中南大学，2004.

［20］李昀.格宾加筋挡墙动力特性试验研究及数值分析［D］.长沙：中南大学，2010.

［21］谢婉丽.黄土地区高填方加筋土路堤变形与稳定性研究—以祁（县）-临（汾）高速公路北张沟高填方加筋土路堤为例［D］.西安：西北大学，2004.

［22］何岩.聚丙烯纤维改良粉煤灰土动、静力学参数特征收研究［D］.长春：吉林大学，2010.

［23］吴景海.土工合成材料加筋的试验研究和有限元分析［D］.天津：天津大学，2002.

［24］王协群.土工合成材料加筋地基的极限平衡设计与加筋材料的研究［D］.武汉：武汉理工大学，2003.

［25］张宇.伊敏露天煤矿排土场聚乳酸纤维护坡技术研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2011.

［26］黄向京，许桂林，陈润夏.有限元强度折减法在加筋格宾陡坡支挡结构中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（增 2）：3916-3922.

［27］杨继位，柴寿喜，王晓燕，等.以抗压强度确定麦秸秆加筋盐渍土的加筋条件［J］.岩石力学与工程学报，2010，31（10）：3260-3264.

［28］MANBEI AN T.The influence of soil moisture suction，cyclic wetting and drying，and pla ntrootson shear strength of cohesive soil［R］.Berkeley：University of California，1973.

［29］周亦唐，马存明．塑料土工格栅加筋土在工程中的应用［J］.工程力学，2000，3（Ao3）：524-528．

［30］周宏元，丁光文.土工格栅加筋土高挡墙的应用与试验分析［J］.路基工程，2003（4）：8-13.

［31］刘华北.土工格栅加筋土挡土墙设计参数的弹塑性有限元研究［J］.岩土工程学报，2004，26（5）：668-673.

［32］王孔正.柔性生态加筋土挡墙的设计与计算［J］.中国水运，2011，11（2）：248-250.

Technological Method Research of Ecological Reinforced Cement Limestone Mining on the Slag Heap

ZHAO Rui-dong，ZHAO Wen-ting，ZHOU Ya-peng
（Agricultural University of Hebei，Baoding，Hebei 071000，China）

On the basis of ecological bag and reinforced earth slope protection technology of basic principle，put forward zoology reinforced slope technology，in order to develop zoology bag and reinforced earth technology in their respective advantages，and overcome the reinforced earth slope protection ecological effects and ecological bag bad stability is insufficient.This technique is more suitable for limestone mine slag heap solid and ecological restoration，beautifying the environment of mine，the geological disaster prevention function.

Limestone mine slag heap；The reinforced earth technology；Ecological bag slope protection technology；Ecological reinforced slopes

X171.4

A

1002-3356（2017）04-0048-05

2017-10-22

河北省高等学校科学技术研究项目（QN2015168）

赵瑞东（1993-），男，在读硕士，主要研究方向：农村区域发展。

赵文廷（1964-），男，学士，教授，研究方向：矿山生态修复。