植生袋復(fù)墾邊坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性*

魯明星 谷 巖

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.唐山學(xué)院土木工程系;3.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

礦山廢石、尾砂是礦石開采、選別過程中排棄的主要固體廢料，排棄總量往往占到采出礦石總量的40% ～99%［1-3］。廢石、尾砂的排放采用修建排土場(chǎng)的方式，根據(jù)巖石性質(zhì)不同，排土場(chǎng)的排土方式分3種:前推式、壓坡角式和覆蓋式。無論哪種形式，最終都將形成平臺(tái)和邊坡兩部分［4-5］，隨之產(chǎn)生邊坡穩(wěn)定性問題。影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，諸如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、人類活動(dòng)、地震、水文環(huán)境以及降雨等都可能對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響。由于降雨入滲誘發(fā)的滑坡發(fā)生頻率最高，危害極大，引起社會(huì)高度重視［6］。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視，礦山土地復(fù)墾已經(jīng)被列入礦山企業(yè)必須完成的生產(chǎn)任務(wù)之一。土地復(fù)墾是指對(duì)生產(chǎn)建設(shè)過程中因挖損、塌陷、壓占等原因造成的土地破壞采取整治措施，使其恢復(fù)到可供利用狀態(tài)的活動(dòng)。邊坡作為復(fù)墾責(zé)任范圍，通常采用直接種植方法或?qū)吰虏环€(wěn)定區(qū)域采用土工網(wǎng)墊預(yù)先對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理后再種植的方法。上述2種方法，前者最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但在雨季，表土流失嚴(yán)重，對(duì)于穩(wěn)定性差的邊坡，易于發(fā)生滑坡等危險(xiǎn)，后者雖然能夠顯著提升邊坡穩(wěn)定性，但施工進(jìn)度慢。

本文對(duì)植生袋結(jié)構(gòu)及性能做了簡(jiǎn)單介紹，這種方法不但能夠使植物更好地生長(zhǎng)，而且能夠有效的防止水土流失。邊坡穩(wěn)定性分析表明，植生袋對(duì)提升邊坡穩(wěn)定性作用顯著。

1 植生袋介紹及施工介紹

1.1 植生袋

植生袋是護(hù)堤、護(hù)坡堆壘型草坪建植材料，主要適用于護(hù)堤、護(hù)坡陡壁、防水土流失綠化坡段、邊坡生態(tài)治理、高速公路兩側(cè)45°以上坡段國(guó)土綠化等建植場(chǎng)地。植生袋是采用自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備事先將護(hù)坡草種準(zhǔn)確均勻地分布并定植在營(yíng)養(yǎng)帶基上，再用編織好的護(hù)網(wǎng)一體加工而成的60 cm×40 cm的袋子。往植生袋里加上土壤封口后堆積，然后澆透水，按照正常護(hù)坡草坪養(yǎng)護(hù)管理方式進(jìn)行管理即可實(shí)現(xiàn)復(fù)墾。該法綠化成坪速度快，同時(shí)具有避免灌溉或大雨沖刷種子。草坪生長(zhǎng)一定時(shí)間后，發(fā)達(dá)的根系能夠有效防止水土流失、綠色期長(zhǎng)。

1.2 施工過程

以冀東地區(qū)某鐵礦尾礦庫(kù)邊坡復(fù)墾施工為例進(jìn)行施工過程的簡(jiǎn)單介紹。

(1)參數(shù)選取。安全等級(jí):邊坡安全等級(jí)為一級(jí)。設(shè)計(jì)參數(shù):抗滑系數(shù)Ks=1.35。計(jì)算方法:平面滑動(dòng)法。計(jì)算公式采用《GB 50330－2002 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的相關(guān)公式

式中，Ks為植生袋穩(wěn)定系數(shù);γ為土體重度，飽和情況下取18.5 kN/m3;A為結(jié)構(gòu)面的面積，m2;V為土體體積，取0.25 Am3;c為結(jié)構(gòu)面的黏聚力，取1.2 kPa;φ為結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角，取25°;θ為結(jié)構(gòu)面傾角，取30°。

經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)為Ks=1.31，需植鋼筋罩鐵絲網(wǎng)增加抗滑力。

植筋后植生袋穩(wěn)定性驗(yàn)算:

式中，Ka為植筋后植生袋穩(wěn)定系數(shù);σ為植筋密度，設(shè)計(jì)密度0.25根 /m2;N為每根鋼筋的抗滑力，取0.9 kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，植筋后穩(wěn)定性系數(shù)為Ka=1.41。因此，設(shè)計(jì)植筋滿足要求。

(2)鋪墊碎石。用碎石順山體找平，平均厚度為15 cm，便于坡面排水及碼放植生袋，碎石鋪墊后坡面廢石間空隙不得超過10 cm，凹凸高度不得大于5 cm，夯實(shí)坡面密實(shí)度達(dá)到90%。碎石選用礦山選廠篩選出的粒徑小于5 cm的廢石，運(yùn)距3～5 km。

(3)植生袋綠化。將裝有山皮土、耕植土肥料的植生袋橫向平鋪于坡面上，由坡腳擋土墻處開始向上交錯(cuò)排列，坡頂棱角處縱向疊壓兩層，保證植生袋穩(wěn)定，草袋與草袋間要完全接觸不得留有空隙，與坡面要完全接觸不允許搭接在其他草袋上，坡底每隔5 m放置1排水槽。植生袋采用規(guī)格為60 cm×40 cm自帶草籽的園林綠化專用袋，選用與植生袋工藝配套的排水槽。植生袋裝土后厚度為20～25 cm，綠化土配比為5份種植土、2份河沙、3份泥炭土及少量復(fù)合肥、保水劑。種植土源選在尾礦庫(kù)干灘面四周(未來排放尾礦淹沒區(qū)域)，運(yùn)距約5 km。

(4)罩網(wǎng)。在植生袋表面鋪1層鐵絲網(wǎng)，鐵絲網(wǎng)用直徑2 mm鍍鋅鋼筋綁扎成間距500 mm的方格網(wǎng)，緊貼植生袋并與植入的鋼筋焊接。鐵絲網(wǎng)搭接處重合疊壓寬度不得小于30 cm。

(5)點(diǎn)播萱草。植生袋碼放好，鐵絲網(wǎng)罩好后在坡面點(diǎn)播萱草種子，選用紅色和黃色的萱草種子，使景觀顏色不再單一，提高美化質(zhì)量。在可視的坡面水平方向點(diǎn)播，每隔4 m寬點(diǎn)播1 m寬的萱草種子，紅黃顏色互相交替點(diǎn)播。點(diǎn)播萱草面積占坡面面積的20%。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)地處中國(guó)陸臺(tái)北部的內(nèi)蒙古背斜及燕山沉陷帶中部的東部，無斷裂構(gòu)造和斷層通過，無崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象?？碧浇Y(jié)果表明:項(xiàng)目區(qū)場(chǎng)地第四系厚度在0～5 m不等，主要為碎石，局部分布雜填土，基巖為混合花崗巖。排土體的重型動(dòng)力觸探統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，原位測(cè)試的結(jié)果見表2、表3。

表1 重型動(dòng)力觸探統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 排土場(chǎng)第四系巖土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 邊坡植筋物理力學(xué)參數(shù)

通過鉆探、野外調(diào)查和室內(nèi)土工試驗(yàn)資料綜合分析，結(jié)果表明:

(1)碎石。主要為碎石，其中含有少量砂性土和黏性土，其可見粒徑在10～40 cm，最大可見粒徑在1.5 m，狀態(tài)中密—密實(shí)。

(2)雜填土。黃褐色－灰白色，次棱角狀－棱角狀，主要由砂性土和少量黏性土組成，其中含有少量碎石和建筑碎塊。主要分布于公路附近。

(3)強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖。原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，裂隙極發(fā)育，巖芯手捏成塊狀，透水性強(qiáng)，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)，巖石結(jié)構(gòu)面的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為2.32 MPa左右，巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為5.62 MPa左右，屬軟化巖石。

(4)中風(fēng)化混合花崗巖。巖芯成短柱狀，裂隙較發(fā)育，局部破碎較嚴(yán)重，透水性強(qiáng)。屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)，其結(jié)構(gòu)面飽和單軸抗壓強(qiáng)度介于4.44～21.20 MPa之間，平均值11.95 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值9.28 MPa，干燥狀態(tài)黏聚力為118.50 kPa，內(nèi)摩擦角為19.51°，飽和狀態(tài)黏聚力為105.00 kPa，內(nèi)摩擦角為19.04°。巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度介于12.54～42.40 MPa之間，平均值25.05 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值20.45 MPa，干燥狀態(tài)黏聚力為322.00 kPa，內(nèi)摩擦角為77.98°，飽和狀態(tài)黏聚力為250.00 kPa，內(nèi)摩擦角為37.77°，屬軟化巖石。

2.2 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、收集資料，經(jīng)綜合分析最終確定選取2個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在排土場(chǎng)北側(cè)邊坡確定1－1'剖面作為計(jì)算剖面，計(jì)算其在暴雨工況條件下的抗滑穩(wěn)定性;在排土場(chǎng)東南側(cè)確定2－2'剖面為計(jì)算剖面，計(jì)算其在暴雨工況條件下的抗滑穩(wěn)定性。計(jì)算采用由北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的理正邊坡穩(wěn)定分析軟件，該軟件中具有通用標(biāo)準(zhǔn)，并提供瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop法，符合現(xiàn)行規(guī)范要求。具體參數(shù)選取見表4，計(jì)算坡面如圖1、圖2。

表4 排土場(chǎng)巖土物理力學(xué)參數(shù)

圖1 排土場(chǎng)北側(cè)邊坡計(jì)算剖面(1－1')

圖2 排土場(chǎng)東南側(cè)邊坡計(jì)算剖面(2－2')

本次模擬狀態(tài)為排土場(chǎng)在本地區(qū)百年一遇的洪水工況下的運(yùn)行情況，根據(jù)本場(chǎng)地的匯水面積和暴雨歷時(shí)模擬其浸潤(rùn)線高度，采用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件，對(duì)1－1'、2－2'兩個(gè)剖面在暴雨工況條件下的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明(見表5、圖3、圖4)，采用植生袋復(fù)墾后，穩(wěn)定性系數(shù)明顯高于規(guī)范指標(biāo)，穩(wěn)定性強(qiáng)。

表5 壩體圓弧形潛在滑裂面暴雨工況抗滑穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算綜合成果

3 結(jié)論

(1)植生袋復(fù)墾邊坡作為一種新式復(fù)墾方式，不但施工速度快，復(fù)墾效果好，而且能夠有效減少水土流失、提高邊坡的穩(wěn)定性，值得進(jìn)行推廣使用。

(2)植生袋復(fù)墾邊坡穩(wěn)定性分析表明，其潛在滑動(dòng)面為圓弧形滑動(dòng)面，破壞從頂部開始，為了進(jìn)一步增強(qiáng)邊坡的抗滑性能，可以在邊坡中下部設(shè)抗滑樁加固。

(3)植生袋雖然施工速度快，但成本較高。為降低成本，在穩(wěn)定區(qū)可采用傳統(tǒng)的直接種植復(fù)墾，在容易發(fā)生滑坡的部分采用植生袋復(fù)墾，2種方式配合使用，效果最佳。

圖3 剖面1－1'滑裂面位置

圖4 剖面2－2'滑裂面位置

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