毛细水在矿山高陡岩质边坡生态修复绿化养护中的应用研究

赵金召，李予红，孙闪闪，刘 玉，康小迪

（河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄050081）

0 引 言

目前，矿山高陡岩质边坡复绿技术主要借鉴较为成熟的公路、铁路边坡复绿技术，如客土喷播技术、植生袋技术、三维植被网喷播技术、飘台法、植被混凝土生态防护技术、爆破燕窝生态重建技术、藤本垂直绿化技术等。但是以上各复绿技术在实际应用中大多存在成本高、施工难度大、后期管护困难等短板，致使矿山复绿效果在工程施工完成后初期特别显著，植被郁闭度高，但随着时间的推移，由于矿山的生境条件恶劣，管护工作困难，最终导致植被死亡，复绿失败。针对以上存在的问题，近年来地质行业开展了许多科研试验，涌现出许多新思路与新技术，其中利用毛细水作为岩质边坡绿化后期的节水灌溉是一项新思路[1]，本研究将此技术应用于矿山高陡岩质边坡生态修复的种植槽。

由于植物根系对水的吸力大于土颗粒间毛细水所受的吸力，所以土颗粒孔隙间的毛细水能够被矿山复绿植被的根系吸收利用[2-3]。充分利用储水层的水进行毛细灌溉，不仅可以有效避免地表灌溉存在的地表水蒸发问题，同时由于毛细水是持续不断的缓慢非饱和供水，其供水时间较长，从而使复绿植被的灌溉周期变长。所以利用毛细水进行灌溉是不同于漫灌、滴灌等传统灌溉的新思路。

国内外众多学者在毛细水上升机理和测试方面已经做了大量的研究工作，如肖俊夫等[4]针对间歇灌溉时土壤湿度忽高忽低提出连续适度给水理念；朱登元等[5]、朱志铎等[6]、Karen S Henry等[7]通过室内试验，研究了毛细水上升对公路路基稳定性的影响；王聪等[8]对盐渍土进行了试验，研究了不同盐浓度对毛细作用的影响；李先瑞等[9]、汪顺生等[10]研究了毛细水上升的运动特性；童玲等[11]、魏样等[12]采用室内土柱模拟试验，研究了石油污染对不同土质毛细水上升高度、上升速度及毛细含水率的影响；Wettlaufer 等[13]、贾海梁等[14]、程桦等[15]研究了毛细水在冻土中的迁移机制；董斌等[16]、肖红宇等[17]对毛细水的上升高度进行了研究。上述工作主要是针对路基病害、盐分运移等问题开展，其研究重点是如何减缓毛细水对工程的负面影响。而本试验通过研究矿山绿化中不同储水介质类（下部）对土层（上部）毛细水的上升高度和上升速度的迁移变化规律的影响，以期为矿山绿化后期的节水灌溉提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验用土

试验所用的上部土壤来自鹿泉矿山治理施工现场，主要为粉砂、粉土、粉质黏土和渣土4种类型。下部储水层介质均为机制砂，分别为细、中、粗砂和混合砂。

1.2 试验设备与仪器

1.2.1 试验设备

试验模型主要由模拟柱、导水管、供水系统、监测系统组成。模拟柱每段柱高度为600 mm，柱内径250 mm，柱壁厚10 mm，法兰厚10 mm，法兰底座中心开1 孔，开孔内径20 mm，插管壁厚5 mm，插管与法兰底座焊接；导水管采用直径25 mm软管；供水系统由供水桶、导水桶组成，导水桶上部留有溢流孔，导水桶出水口直径为15 mm；监测系统由土壤传感器、气象监控主机、摄像头组成。如图1所示。

图1 模拟柱试验示意图Fig.1 Schematic diagram of simulated column experiment

高陡岩质边坡种植槽中土层的厚度一般为1.0 m 左右，故本次试验模拟柱中砂土层的总厚度设置为100 cm，其中底部砂层厚度20 cm，上部土层厚度80 cm。在实际的矿山绿化中综合考虑施工成本和施工难易程度并结合绿化植被（主要以乡土乔木为主，如:油松、侧柏、臭椿、紫穗槐、榆树、柳树、爬山虎等）根系特征，确定储水层的厚度为20 cm。由于高陡岩质边坡绿化植被多以2年生乔木为主，乔木根系垂直分布土层深度均大于70 cm[18]，所以本次试验结束的标准为毛细水上升到70 cm左右或是上升速度趋于稳定。

1.2.2 试验仪器

试验主要仪器设备有烘箱、电子秤、土样盒、颗分实验筛、手动击实仪、标尺贴、量筒、土壤传感器、气象监控主机、灌砂筒等。

1.3 试验方案

1.3.1 下部储水层试验

针对储水层介质的影响因素共进行了4组试验。在模拟柱下部分别装填厚度为20 cm 的粗砂、中砂、细砂和混合砂4 种类型的砂作为储水介质，试验编号分别为SL1、SL2、SL3 和SL4。储水介质上部装填80 cm 厚度的粉土，为避免由于毛细水上升对下部储水层导水效果产生不良影响，故使导水桶水面高度始终与下部砂层顶面高度保持一致，并持续供水至试验结束。为了验证试验数据的准确性，每组试验重复3 次（下同）。

1.3.2 上部土层试验

土层的影响因素主要包括土层类型（6 组）、土层压实度(3组)和土层初始含水率（2组）。

（1）土层类型影响因素。在模拟柱下部装填厚度为20 cm的混合砂，砂层上部分别装填厚度为80 cm 的粉砂、粉质黏土和粉土，试验编号分别为TL1、TL2 和TL3，导水桶水面高度始终与下部砂层顶面高度保持一致，并持续供水至试验结束。

在模拟柱下部装填厚度为20 cm 的混合砂，砂层上部分别装填厚度为80 cm的渣土，渣土体积比分别为1:1、1:2和1:4，试验编号分别为TL4、TL5和TL6，导水桶水面高度始终高于下部砂层顶面10 cm，并持续供水至试验结束。

（2）土层压实度影响因素。在模拟柱下部装填厚度为20 cm 的混合砂，上部分别装填压实度为67%、70%和74%的粉土，粉土厚度80 cm，试验编号分别为TM1、TM2 和TM3。导水桶水面高度始终高于下部砂层顶面10 cm，持续供水到试验结束。

（3）土层初始含水率影响因素。在模拟柱下部装填厚度为20 cm 的混合砂，上部分别装填初始含水率为4.5%～5.5%和9%～10%的粉土，粉土厚度80 cm，试验编号分别为TS1 和TS2。导水桶水面高度始终高于下部砂层顶面10 cm，持续供水到试验结束。

1.3.3 土工布影响因素

在模拟柱下部装填厚度为20 cm 的混合砂，上部装填80 cm 厚度的粉土，并设置混合砂-土工布-粉土和混合砂-粉土2组试验，试验编号分别为TB1和TB2。导水桶水面高度始终高于下部砂层顶面10 cm，持续供水到试验结束。

2 试验结果与分析

2.1 储水层试验结果与分析

试验数据结果显示，毛细水上升到68 cm 时，各试验用水量依次为:SL3（细砂）所用水量为12.2 L，SL4（混合砂）所用水量为13.1 L，SL2（中砂）所用水量为15.2 L，SL1（粗砂）所用水量为15.8 L；毛细水上升到68 cm 时，各试验中毛细水上升所用时长依次为:SL2（中砂）所用时长为36.9 h，SL1（粗砂）所用时长为39.7 h，SL4（混合砂）所用时长为65 h，SL3（细砂）所用时长为142.1 h。试验结果见图2。

图2 SL1、SL2、SL3和SL4中毛细水上升高度与时间关系Fig.2 Relationship Between capillary height and time in SL1、SL2、SL3 and SL4

在足量供水条件下，各试验用水量的关系依次为SL1（粗砂）＞SL2（中砂）＞SL4（混合砂）＞SL3（细砂），这是由于颗粒越粗，越均匀，土壤的孔隙比越大，所能提供的储水空间越大。当下部储水介质为不同的砂类型时，上部粉土中毛细水的上升速度依次为SL2（中砂）＞SL1（粗砂）＞SL4(混合砂)＞SL3（细砂），这是因为在下部砂层和上部粉土之间的接触面存在“空隙差异界面”[19]，当毛细水湿润峰抵达“砂层（下部）-粉土（上部）”界面时，会产生“反毛细屏障作用”[20]，由于不同砂类型和粉土之间存在基质吸力不同，二者之间空隙差异越大，基质吸力差距就越大，这就造成了粉土（上部）对储存介质为中粗砂（下部）中水的基质吸力大于储存介质为细砂（下部）中水的基质吸力，基质吸力越大，上部粉土中毛细水上升速度越快。

2.2 土层试验结果与分析

2.2.1 土层类型试验结果与分析

试验数据显示，TL3(粉土)中毛细水上升到68 cm所用时长为51.45 h，TL2(粉质黏土)中毛细水上升到相对稳定高度（54 cm）所用时长为142.7 h，TL1(粉砂)中毛细水上升到相对稳定高度（60 cm）所用时长为143.7 h。试验结果见图3。

图3 TL1、TL2和TL3中毛细水上升高度与时间关系Fig.3 Relationship Between capillary height and time in TL1、TL2 and TL3

试验数据显示，TL4（渣土体积比1:1）中毛细水上升到65 cm 所用时长为137.5 h，TL5（渣土体积比1:2）中毛细水上升到65 cm 所用时长为91.28 h，TL6（渣土体积比1:4）中毛细水上升到65 cm所用时长为93.26 h。试验结果见图4。

图4 TL4、TL5和TL6中毛细水上升高度与时间关系Fig.4 Relationship Between capillary height and time in TL4、TL5 and TL6

上部不同土层类型中毛细水的上升高度为TL3(粉土)＞TL1(粉砂)＞TL2(粉质黏土)，这是由于细粒土中土颗粒越细，孔隙越小且连通性越好，毛细水上升高度越大，但粉质黏土中随着细粒含量的增多，土粒表面会形成具有较厚水膜的结合水，较厚的结合水膜会阻断部分较小的孔隙，影响孔隙的连通性，从而阻断毛细水向上运移的部分通道，所以毛细水上升高度变小[16]。毛细水前期的上升速度为TL1(粉砂)＞TL3(粉土)＞TL2(粉质黏土)，这是由于毛细水首先充满小孔隙，在最小的空隙中弯月面变平前最大的孔隙不会充满的规律[21,22]。只有当小孔隙充满水后大孔隙才能充满水，砂土颗粒粒径大、小孔隙数少、充水时间短、毛细水上升速度快。而黏土颗粒粒径小、小孔隙数多，土样接触水后响应时间长，毛细水上升速度慢。

上部不同体积比的渣土，随着废渣与土的比例增大，毛细水初始的上升速度开始逐渐下降，最终的上升高度基本与粉土中毛细水的上升高度一致。这是由于废渣改变了土壤的颗粒组成及其孔隙结构，从而影响土壤中毛细水的运动，密实的废渣对毛细水的运动有一定的阻碍作用，故毛细水的上升速度有一定的下降，但决定毛细水最终上升高度的是粉土的连续性，粉土并没有被完全阻断，所以上升速度有一定的下降，但最终上升高度基本不变。

2.2.2 土层压实度试验结果与分析

根据试验数据，土层中毛细水上升到80 cm 时，TM2（压实度70%）用时39.4 h，TM1（压实度67%）用时49.2 h；TM3（压实度74%）用时59.4 h。试验结果见图5。

图5 TM1、TM2和TM3中毛细水上升高度和时间关系Fig.5 Relationship Between capillary height and time in TM1，TM2 and TM3

由图5可以看出毛细水的上升速度并不是随着压实度的增大而一直增大的，而是符合一个区间范围，只有处于最优压实度时，毛细水的上升速度才最快。这是由于当压实度较小时，土粒间空隙较大，毛细水上升通道畅通无阻，毛细水上升速度随着压实度的增大而增大，但是当压实度大于一定值时，随着压实度的增大，土粒中有些颗粒紧密接触，虽然空隙直径有所减小，毛细力变大，但是部分毛细水的通道被阻断，致使毛细水上升速度有所下降。

2.2.3 土层初始含水率试验结果与分析

根据试验数据，毛细水上升到68 cm，TS1 所用时间为32.0 h，所用水量为25 L；TS2所用时间为59.8 h，所用水量为11 L。随着含水率的提高，水分堵塞了毛细水上升的部分途径，初始含水率越高，毛细水上升速度越慢。试验结果见图6。

图6 TS1、TS2中毛细水上升高度和时间关系Fig.6 Relationship Between capillary rise height and time in TS1 and TS2

2.3 土工布试验结果与分析

根据试验数据，毛细水上升到35 cm 时，TB1 所用时长为107.2 h，TB2所用时长为178.2 h。试验结果见图7。

图7 TB1、TB2中毛细水上升高度和时间关系Fig.7 Relationship Between capillary height and time in TB1 and TB2

砂土界面设置土工布可以阻碍毛细水的上升速度，这是因为土工布的介入虽然阻碍了部分毛细水运移的通道，降低了毛细水上升速度。但是并不影响植被根部对水分的吸收。

3 结 论

（1）底部储水层中的储水能力依次为粗砂＞中砂＞混合砂＞细砂，毛细水的上升速度为中砂＞粗砂＞混合砂＞细砂。由于粗、中、细和混合砂作为储水层均能满足毛细水的上升高度和上升速度，同时20 cm 厚度的粗、中、细和混合砂其储水能力相差不大，所以矿山绿化时可以仅从成本的角度考虑储水层介质的选择。粗、中、细砂都需要进行专门筛选，费时费力，所以建议采用混合砂作为储水层。大多数矿山上都存在矿渣，可以将矿渣和混合砂进行一定的配比作为储水层，这样即可变废为宝。

（2）不同土类中毛细水的上升速度依次为粉砂＞粉土＞粉质黏土，不同类型的土层中毛细水上升到70 cm 左右或是趋于稳定高度时的时长最大相差3 d 左右，这个时间差并不影响植被的正常生长，所以毛细水的上升速度对复绿植被的正常生长影响很小。毛细水的上升高度均能满足绿化植被的需求，所以建议根据矿山的实际情况就近取材，选择价格低廉的土作为种植土。

而不同体积的渣土配比，其上升速度和上升高度均能满足上部植被的需求，而矿渣本身携带本土的微生物，将购买土与矿渣进行配比不仅可以很大程度地降低成本，还可以有效的改良土壤的理化特性。

上部土层的压实度和初始含水率对毛细水最终的上升高度影响不大，其最终均能满足绿化植被根部的需求，故矿山绿化时可不考虑土层压实度和初始含水率对毛细水的影响。

（3）虽然土工布对毛细水的上升速度有一定的阻碍作用，但其阻碍作用并不影响植被的正常生长。为保证上部土层的土颗粒渗入底部的储水层，延长储水层的使用寿命，同时由于土工布具有一定程度的抵御根部穿刺的能力，所以建议矿山绿化中在上下两层的接触界面铺设土工布。土工布应优选耐久性强、透水性好、防根穿刺能力强的材料。