生态防护技术对稀土矿山边坡的固坡效果

陈 飞， 钟连祥， 郭 顺， 李小双

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院， 江西 赣州 341000； 2.江西省矿业工程重点实验室， 江西 赣州 341000)

生态护坡是通过在坡面种植植物或配合工程措施，利用植物根系的加筋、锚固等作用对边坡浅层进行防护加固，使之既能满足对边坡浅层稳定的要求，又能恢复被破坏的自然生态环境的护坡方式[1]。近几十年来，国内外学者通过不同的试验方法及数值模拟等手段对植物固土护坡的力学效应进行了大量的研究，研究结果表明：植物根系的加筋、锚固作用能够有效提高边坡的整体稳定性，其根—土复合体的抗剪强度在一定程度上与根系特征、根系含量和土体性质等因素有关[2-9]。

原地浸矿法是通过浸矿剂(硫酸铵溶液)将吸附在天然埋藏条件下的风化矿体的稀土离子置换出来并回收稀土元素的新型采矿方法，是目前被人们普遍认可的开采技术[10]。针对离子型稀土矿原地浸矿后边坡的破坏特征及边坡的稳定性分析已有较为广泛的研究，而植物对稀土矿山边坡的加固效应研究还较少。另外，离子型稀土矿山边坡经原地浸矿开采后，其土壤具有表层疏松、土层浅薄、土壤涵蓄水能力低和植被难以生长等特点[11]，在实际工程应用中，若单纯依靠植物护坡，由于植物生长初期根系尚未成型，边坡在经历一次又一次的雨水侵蚀后，不仅草籽容易被冲刷掉且边坡也易发生滑坡、水土流失及垮塌等地质灾害。因此，本文开展狗牙根根系与稀土矿山边坡砂质黏土的复合体抗剪强度试验研究，并探讨土壤含水率和含根量对抗剪强度的影响，在此基础上，构建一种以竹格为工程措施材料，狗牙根为生态护坡手段的“竹格+狗牙根”的生态护坡模式，分析原地浸矿采场边坡在该生态护坡模式防护下的稳定性状况，深入研究竹格中的竹桩长度、间距及直径对边坡整体稳定性的具体影响。本研究将生态环境和边坡防护能力有效结合起来，形成一个既能提高边坡整体稳定性，防治水土流失，又能维持生态平衡的生态护坡模式，以期为离子型稀土矿山的生态防护提供理论依据和新方法。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土样取自江西省龙南县足洞河流域某废弃稀土矿山边坡表层的砂质黏土，取样深度为0.2～0.4 m，土样取回后，立即按照《公路土工试验方法标准》对原状土进行物理性质指标的测定。经土工试验分析得出其天然含水率ω为25.39%(重量百分数)，天然密度ρ为1.73 g/cm3，土粒比重Gs为2.69，液限ωl为45.1%，塑限ωp为28.6%，塑性指数为16.5。

试验选用的植物为离子型稀土矿山边坡常用的护坡植物狗牙根(Cynodondactylon)。狗牙根为禾本科多年生地被植物，极耐热和抗旱，能够适应具有一定酸性的土壤，目前常被作为离子型稀土矿山边坡的防护植物。在研究区选取一块场地进行狗牙根的种植，待狗牙根生长5个月后采用整株挖掘法对狗牙根根系进行采集，将采集回来的根—土复合体中的根系取出，洗净根系表面其它杂质后，称其质量并用游标卡尺测其直径。本文定义整株挖掘法采集回来的狗牙根根系质量与土的质量的比值为根系质量分数，通过统计得出狗牙根根系质量分数为0.1%～1.5%，根系直径主要分布在0.5～1 mm。

1.2 试验方法

为探究在不同含根量和含水率条件下狗牙根根系对土体抗剪强度的影响，本次试验使用重塑土掺根制样进行直剪试验。试验处理因素有土壤含水率和掺根量，其中土壤含水率设3个水平：25%，28%，31%；掺根量设5个水平：0.0%,0.2%,0.5%,0.8%,1.1%。分15组(其中3组为不参入根系的素土组)，每组4个试样。这15组试样分别为在上述含水率梯度下分别掺入上述质量分数狗牙根根系的试样。采用南京宁曦土壤仪器有限公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪对这15组试样分别在100,200,300,400 kPa的垂直压力下进行室内直剪试验，求得破坏时的剪应力，绘制剪应力和垂直压力的关系曲线，利用库仑定律τ=c+tanφ求得试样的抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)。

通过前期大量的试算，发现竹格中的竹桩长度、间距和直径这3个因素的变化对“竹格+狗牙根”生态护坡模式的固坡效果影响较为显著，因此通过在有限元边坡模型中改变竹桩长度、间距和直径这3个参数来探讨它们对支护效果的影响，并利用正交试验设计方法来寻找各个因素间的内在变化规律，因素水平的取值范围应能够反映实际的工程情况，这样正交试验出来的结果才具有实际意义，根据毛竹圆竹实际生长过程中所能达到的最大直径和毛竹圆竹在竹龄、竹秆部位的力学性能变异规律并结合锚杆在边坡中的实际工程应用，综合确定竹桩长度的取值为1，2，3 m，竹桩水平间距的取值为2，2.5，3 m，竖直间距均为2 m，最下一排竹桩距离坡底均为1 m，竹桩直径的取值为8，12，16 cm。本文正交试验根据影响因素及其水平个数采用4因素3水平正交试验表 ，多出的1个因素轮空不计。因素、因子取值及水平次序见表1。

表1 正交试验分析因素水平表

1.3 试样制备

由于试验所用土样较松散，采集根—土复合体原状土相对困难，本次试验采用重塑土来制备试验所需的根—土复合体试样，为保证试验数据的可靠性，重塑土样的基本物理性质指标与原状土一致。

将风干后的狗牙根根系统一剪成2 cm的小段，然后按照原状土的天然密度、天然含水率和各试验组不同含根量要求称量土样与根系，试验所用的环刀尺寸高度2 cm，直径6.1 cm。为相对准确的模拟狗牙根根系在土体中的随机生长状态，本试验采用一次性成样的方法制备根—土复合体试样，即将狗牙根根系均匀的拌入土中，然后用环刀制样，放入压样器中压实。

2 结果与分析

2.1 黏聚力、内摩擦角与含根量关系分析

图1为不同含水率条件下试样的黏聚力和内摩擦角随含根量不同的变化特征。由图1可知，同一含水率条件下，狗牙根根系加筋土的黏聚力c和内摩擦角φ随根系含量的增加而呈增大的趋势，当含根量从0增加到1.1%时，25%含水率条件下，根系土的黏聚力从11.52 kPa增加到25.37 kPa，黏聚力增量(用Δc表示)为13.85 kPa，而内摩擦角的增量(用Δφ表示)仅为2.7°；28%含水率条件下，根系土的黏聚力从8.27 kPa增加到20.1 kPa，增量Δc为11.83 kPa，增量Δφ为2.2°；31%含水率条件下，根系土的黏聚力从6.2 kPa增加到12.7 kPa，增量Δc为6.5 kPa，增量Δφ为1.9°。由上述分析可知，不论是根系土的黏聚力增量还是内摩擦角增量均随根系土含水率的增大而减小，在本试验设定的含水率梯度下，狗牙根根系对含水率为25%的土体加筋效果最显著。

图1 黏聚力、内摩擦角与含根量关系

另外从以上数据可以看出，在不同含水率条件下，随着根系含量的提高，土体黏聚力的提升作用均要显著强于内摩擦角，因此，根系对土体抗剪强度的提升主要是黏聚力增加的结果，这和张兴玲等[12]、郑启萍等[13]的研究结果是相一致的。分析其原因是因为试样中存在垂直根系，在剪切过程中剪切面必须通过根系，故根系对试样具有一定的约束作用，此外，根系的弹性模量和抗拉强度都要远远高于素土，当试样发生剪切破坏时，根系可以增加土体抵抗变形的能力，而对于内摩擦角φ来说，根系与土粒之间的接触面积并不会因为根系含量的增加而显著增大，所以φ值受根系含量变化的影响较小。由图1还可以看出，在不同含水率条件下，根系土黏聚力在含根量达到0.5%时其增加幅度呈下降趋势，此时再增加根系含量并不能显著增强根系土的黏聚力，即存在一最优含根量。

由图1可知，试样的黏聚力和含水率呈负相关关系，即黏聚力随含水率的增大而降低，这是因为土粒与根系、土粒与土粒之间的胶结物质会随含水率的增大而被溶解，进而导致黏结力降低[7]。当含水率由25%增加到28%时，素土组的黏聚力从11.52 kPa下降到8.27 kPa，下降率为28%，当含水率由28%增加到31%时，试样黏聚力的下降率由素土组的25.03%增加到0.2%含根量的40.22%，表明当含水率增加到一定程度时，根系对土体的加筋效果显著减小。在有掺根时，如1.1%含根量的根系土黏聚力从25.37 kPa下降到20.10 kPa，下降率为20.7%，表明根系不仅具有显著的加筋作用而且可以减缓试验土体的水敏性。

2.2 “竹格+狗牙根”的生态护坡模式数值模拟分析

2.2.1 “竹格”式生态防护结构简介 本文在考虑原地浸矿采场边坡立地条件的基础上，构建一种适合植物生长和能够增强边坡稳定性的“竹格”式生态防护结构，提出了“狗牙根+竹格”的生态护坡模式，在发挥狗牙根的加筋作用及生态环境效应的同时，“竹格”既能够保证狗牙根的正常生长，又可以增强边坡的整体稳定性。

“竹格”式生态防护结构由竹子格构框架、竹桩和竹子排水管3部分组成。其具有以下特点：

(1) 竹子格构框架和竹桩、竹子排水管连接后可在边坡表层形成一柔性支护结构，不仅能够有效防止边坡表层土的滑移，在一定程度还可以降低雨水对坡面的冲刷作用。

(2) 竹桩和竹子排水管打入土层后，起到一定的挤土效应，对于表层土壤松散的稀土矿边坡具有积极的作用，能够提高其土体的抗剪强度，进而提高边坡的整体稳定性，另外，草籽基材置于竹桩内能够避免雨水对草籽的直接冲刷，竹桩内的基材满足植物生长所需的养分，克服了稀土矿边坡土壤呈酸性，土层浅薄，保水能力差，植物难以生长的特点，同时待植物成功长成后，根系可以通过竹桩开的孔洞深入土层内，进而与护坡结构及土层形成一牢固的柔性保护层，具有较强的抗拉和抗剪能力，起到显著的加筋作用，并能够抑制地表径流及减缓雨水对坡面的冲刷，进而防止水土流失和提高边坡的整体稳定性。

2.2.2 计算模型 以江西省龙南县足洞河流域某废弃稀土矿山边坡为研究对象，采用二维平面应变模型分析“竹格+狗牙根”的生态护坡模式对边坡稳定性的影响。

土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb破坏准则，将狗牙根根土复合体视为均质材料进行模拟分析[14]，厚度为30 cm。已有研究表明不论是竹片还是圆竹均有较强的抗压、抗剪和抗弯能力[15]，因此采用梁单元模拟竹桩。

拟研究边坡坡高8 m，坡比1∶1.5，通过对该区域地勘资料的分析，该边坡岩土层自上而下依次可分为砂质黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和基岩，其中砂质黏土厚约0.5～2.6 m，全风化层厚约5～11 m，强风化层厚约1.8～3.2 m。根据郑颖人等[16]对有限元法中边坡计算范围的建议，本文边坡有限元模型坡脚距离右端边界的距离为坡高的1.5倍，坡顶距离左端边界的距离为坡高的2.5倍，上下边界总高为2倍坡高。

2.2.3 计算参数 根据前期素土和狗牙根根土复合体室内直剪试验结果，本文选取25%含水率和1.1%含根量情况下的抗剪强度力学指标，竹桩力学参数的选取采用张丹等[15]的研究成果。具体物理力学参数见表2。

表2 物理力学计算参数

2.2.4 模拟结果分析 在进行正交试验之前，本文依托理正岩土6.5和Midas软件分别采用极限平衡法和强度折减法对上述计算模型在无支护情况下的安全系数进行了计算，极限平衡法计算出的安全系数Fs为1.461，采用强度折减法计算出的安全系数Fs为1.525，两者安全系数的差值仅为0.064，说明采用强度折减法对本计算模型进行分析其结果是可靠的，当仅采用狗牙根根系护坡时，利用强度折减法计算出的安全系数Fs为1.532，表明狗牙根根系对边坡虽能起到一定的加固作用，但效果不是很明显，这是因为其根系主要分布在边坡浅层，所能影响的区域主要为坡面以下30 cm范围内。

本文依据上述计算模型和L9(34)正交试验方案，采用Midas GTS NX软件中的强度折减法对该边坡进行数值模拟分析，选取稳定性安全系数Fs作为本次正交试验的评价指标，并利用正交试验方法的直观分析法对数值模拟结果进行分析，直观分析结果见表3。

表3 正交试验与极差分析结果

由表3可知，竹桩长度、竹桩直径和竹桩间距对边坡稳定的敏感性依次减小，当竹桩长度取值3.0 m，竹桩间距取值2.5 m，竹桩直径取值8 cm时，安全系数为较优取值水平，由此可以得出，竹桩间距并不是越小越好，当间距取得过密时可能引起群桩效应，反而不利于边坡的稳定，其可能存在一最优间距，本文经直观分析得出竹桩间距最优值在2.5 m附近。由于竹桩取材于圆竹，当直径越大时，空心直径越大，反而影响其力学性质，因此竹桩直径不宜取得过大，当然也不是越小越好。

有限元分析结果表明，素土边坡的塑性滑移主要出现在砂质黏土和全风化花岗岩的交界处，而对于“竹格+狗牙根”(竹桩长3 m，间距2.5 m，直径8 cm)防护下的边坡，其塑性滑移带则出现在更深的土层中，表明“竹格+狗牙根”的生态护坡模式能够限制边坡坡面的剪切变形及有效防止边坡表层土的滑移。

3 结 论

(1) 狗牙根根系在一定程度上能够显著提高离子型稀土矿边坡表层砂质黏土的黏聚力c值，而对内摩擦角φ值影响较小，且黏聚力c值随着含根量的增加而增大，但其增加幅度在含根量达到0.5%时呈下降趋势，此时再增加根系含量并不能显著增强根系土的黏聚力，即存在一最优含根量。

(2) 根系土的黏聚力随含水率的增加而降低，即黏聚力c与含水率呈负相关关系，本文通过对不同含水率条件下根系土直剪试验分析，得出狗牙根根系对含水率为25%的土体加筋效果最好，在实际工程应用中，应建立有效的排水系统，避免边坡在降雨条件下受到雨水长时间的浸泡。

(3) 由于狗牙根根系主要分布在边坡浅层，所能影响的区域主要为坡面以下30 cm范围内，其对边坡整体稳定性的影响较小，当仅采用狗牙根根系防护边坡时，其安全系数相对于素土边坡仅提高了2.6%，因此，对于自稳能力不好的边坡不能仅依靠草本植物来提高边坡的稳定性。

(4) 数值模拟和正交实验分析结果表明“竹格+狗牙根”的生态护坡模式能够显著提高边坡的稳定性安全系数，从而有效防止边坡表层土的滑移。针对本文选取的典型边坡，“竹格”式生态护坡结构中竹桩的合理参数为：竹桩长度3.0 m，竹桩间距2.5 m，竹桩直径8 cm。

(5) 本文提出的“竹格”式生态护坡结构具有提高边坡整体稳定性，减缓坡面冲刷，利于植物生长，施工简单及造价低廉的特点，拥有一定的推广应用价值。

直剪试验研究表明，在不同含根量和含水率条件下，植物根系的存在均能够显著提高土体的黏聚力，初步总结出了不同含水率、不同含根量对土体黏聚力和内摩擦角的影响规律，针对离子型稀土矿边坡土壤具有表层疏松、土层浅薄、土壤涵蓄水能力低和植被难以生长等特点，构建了一种新型的“竹格”式生态防护结构，提出了“竹格+狗牙根”的生态护坡模式，利用数值模拟分析法对该生态护坡模式的防护效果进行了评价并通过正交试验对“竹格”式生态护坡结构中的竹桩参数进行了优化，能够为试验区及相似地区浅层边坡的生态防护提供理论依据和技术方法。本文没有对不同含水率条件下的边坡进行稳定性分析，今后应对该方面进行深入的研究，为边坡的生态防护提供更加科学的理论依据。