采用生態(tài)護(hù)岸技術(shù)進(jìn)行礦山邊坡土體治理試驗(yàn)研究

摘要：以五華縣琴江河流域歷史遺留廢棄稀土礦山治理工程為例，從試驗(yàn)材料、試驗(yàn)方法等方面制定了邊坡土體的治理試驗(yàn)方案，從根系特征、單一種植植物根土復(fù)合體強(qiáng)度、混合種植植物根土復(fù)合體強(qiáng)度等方面對(duì)邊坡土體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了深入分析。分析結(jié)果表明，通過(guò)混合種植方式進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸，豐富了邊坡植被的多樣性，顯著提升了邊坡土體的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度，減少了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：礦山邊坡治理；生態(tài)護(hù)岸；直接剪切試驗(yàn)；黏聚力

0" "引言

近年來(lái)，伴隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，生態(tài)環(huán)境的破壞問(wèn)題日益凸顯，引發(fā)了社會(huì)廣泛關(guān)注[1]。礦山開(kāi)采活動(dòng)往往伴隨著大規(guī)模的地形改造，包括剝離地表植被、挖掘礦石、堆砌廢石和尾礦，對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)造成了重大干擾[2]。土壤結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致水土流失加劇，河流和湖泊受到污染，地質(zhì)災(zāi)害如滑坡和泥石流的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加[3]。此外，廢棄礦山的遺留問(wèn)題，如重金屬污染和酸性礦水排放，對(duì)周邊環(huán)境造成長(zhǎng)期危害，影響人類健康和生態(tài)安全[4]。

在此背景下，生態(tài)護(hù)岸作為一種生態(tài)工程措施，逐漸應(yīng)用在礦山治理工程中。采用生態(tài)護(hù)岸技術(shù)種植適應(yīng)性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)的植物，構(gòu)建穩(wěn)固的邊坡和河岸，能夠有效控制水土流失，減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，同時(shí)能凈化水質(zhì)，恢復(fù)受損的生態(tài)環(huán)境[5-6]。更重要的是，生態(tài)護(hù)岸在恢復(fù)生態(tài)平衡的同時(shí)，還能促進(jìn)生物多樣性的增加，為野生動(dòng)物提供棲息地，提升景觀美學(xué)價(jià)值，進(jìn)而促進(jìn)礦區(qū)的生態(tài)旅游和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[7]。

基于此，本文以五華河流域廢棄礦山治理工程為例，通過(guò)種植不同類型植被，對(duì)其根土復(fù)合體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，以統(tǒng)計(jì)根系各項(xiàng)特征，分析植物對(duì)稀土邊坡土體強(qiáng)度的影響程度，為類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1" "工程概況

五華縣琴江河流域歷史遺留廢棄稀土礦山開(kāi)采時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，經(jīng)查閱資料和走訪調(diào)查，大多開(kāi)采于2007—2009年間，幾乎都采用了當(dāng)時(shí)粗放的“搬山運(yùn)動(dòng)”堆浸法工藝進(jìn)行開(kāi)采。該工藝對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境造成較大破壞，主要表現(xiàn)在地形地貌景觀破壞與植被裸露、土地資源占?jí)浩茐摹⑺亮魇?、含水層破壞、礦山地質(zhì)災(zāi)害，土壤與地下水污染等方面。

基于此，當(dāng)?shù)夭捎蒙鷳B(tài)護(hù)岸技術(shù)治理位于五華縣安流鎮(zhèn)的廢棄礦山，工程總修復(fù)稀土礦礦區(qū)10個(gè)，修復(fù)礦山面積約1591畝，有效減少了礦山邊坡存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患，使礦山邊坡達(dá)到了安全穩(wěn)定，并有效防止了水土流失。在此基礎(chǔ)上逐步恢復(fù)和重建礦山生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，美化自然景觀，達(dá)到了與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了廢棄礦地的永續(xù)利用。

2" "邊坡土體的治理試驗(yàn)方案

2.1" "試驗(yàn)材料

取稀土礦山邊坡淺層土體用于試驗(yàn)，取土范圍為地表下0.2～0.4m。取回邊坡原狀土后，即刻根據(jù)土工規(guī)范測(cè)試其物理性能指標(biāo)。測(cè)試出的邊坡土體物理性能指標(biāo)如表1所示。

護(hù)坡植物選擇常用于稀土礦山邊坡的狗牙根和胡枝子。其中狗牙根是一種低矮草本植物，其稈細(xì)而堅(jiān)韌，根莖蔓延力很強(qiáng)，下部匍匐地面生長(zhǎng)，可迅速形成密集的草坪，能夠在多種土壤和氣候條件下生長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力極強(qiáng)，具有良好的固土保水功能。胡枝子屬于一種多年生灌木植物，廣泛分布在中國(guó)的東北、華北、華中、華南等地，尤其常見(jiàn)于山坡、林緣、草地、灌叢或疏林中，其根系發(fā)達(dá)，能有效固定土壤，可防止水土流失，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和耐逆境能力。

2.2" "試驗(yàn)方法

2.2.1" "選擇試驗(yàn)區(qū)域及播種方式

在稀土邊坡選擇4塊區(qū)域，分別單獨(dú)種植狗牙根、單獨(dú)種植胡枝子、混種狗牙根和胡枝子以及無(wú)植物種植，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)和寬均為2m。采用撒播種子的方式種植狗牙根，其種植密度為6g/m2；采用穴播的方式種植胡枝子，每穴3～5粒，株距為5cm。

2.2.2" "進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)

在研究區(qū)域植物生長(zhǎng)150d后，在每個(gè)區(qū)域淺層（坡面向下0～20cm）以及深層（坡面向下20～40cm），分別選取根土復(fù)合體環(huán)刀樣和素土環(huán)刀樣用作后續(xù)直接剪切試驗(yàn)，并測(cè)量環(huán)刀樣周圍土體的含水率和密度。通過(guò)ZJ型應(yīng)變控制直剪儀進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)的剪切速度設(shè)置為0.8mm/min，試驗(yàn)開(kāi)始3～5min后，試樣被剪破并停止試驗(yàn)。

2.2.3" "根系數(shù)量統(tǒng)計(jì)方法

結(jié)束直接剪切試驗(yàn)后，對(duì)試樣的根系數(shù)量、直徑等生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。胡枝子的根系數(shù)量較少，直徑相對(duì)較大，根系特征明顯，可采取數(shù)根法統(tǒng)計(jì)單位體積內(nèi)胡枝子的根系數(shù)量。

狗牙根的根系直徑較細(xì)，且數(shù)量較多，因此采取估算法統(tǒng)計(jì)單位體積內(nèi)的狗牙根根系數(shù)量，其主要步驟如下：一是將狗牙根的根系從采集的根-土復(fù)合體試樣中小心地清洗分離出來(lái)，確保根系表面的土壤被徹底清除；二是使用濾紙輕輕吸干根系表面水分，并稱量清洗干凈后全部狗牙根的根系質(zhì)量；三是通過(guò)隨機(jī)抽樣的方式從稱重后的根系中抽出10根進(jìn)行單獨(dú)稱重，同時(shí)對(duì)根系質(zhì)量的平均值進(jìn)行計(jì)算，再用根系總質(zhì)量與根系平均質(zhì)量的比值來(lái)計(jì)算根系數(shù)量。

3" "邊坡土體的治理試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1" "根系特征分析

邊坡不同位置狗牙根和胡枝子根系特征如表2所示。由表2可知：隨著種植深度的增加，這兩種植物根系面積比均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為邊坡淺層部位狗牙根和胡枝子的根系數(shù)量、根系平均直徑以及根系面積比均較大；而邊坡深層部位狗牙根和胡枝子的根系數(shù)量、根系平均直徑以及根系面積比均較小。根據(jù)這兩種植物根系特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析認(rèn)為，在150d時(shí)，狗牙根的根系直徑平均值為0.18～0.22mm，根系主要分布在0～20cm淺層內(nèi)；胡枝子的根系直徑平均值為1.08～2.21mm。

3.2" "單一種植植物根土復(fù)合體強(qiáng)度分析

3.2.1" "不同類型土體黏聚力

通過(guò)直接剪切試驗(yàn)得出，淺層和深層素土、狗牙根的根土復(fù)合體以及胡枝子的根土復(fù)合體內(nèi)摩擦角和黏聚力值。邊坡不同類型土體黏聚力值如圖1所示。由圖1可知，對(duì)于淺層土體試樣，素土、狗牙根的根土復(fù)合體以及胡枝子的根土復(fù)合體，其黏聚力分別為12.25kPa、24.12kPa和19.03kPa。與素土相比，狗牙根的根土復(fù)合體黏聚力提高了96.90%，胡枝子的根土復(fù)合體黏聚力提高了55.35%。

對(duì)于深層土體試樣，素土、狗牙根的根土復(fù)合體以及胡枝子的根土復(fù)合體黏聚力分別為14.36kPa、19.05kPa以及21.26kPa。與素土相比，狗牙根的根土復(fù)合體黏聚力提高了32.67%，胡枝子的根土復(fù)合體黏聚力提高了48.05%。

在邊坡淺層和深層土體中，素土試樣黏聚力明顯小于狗牙根、胡枝子的根土復(fù)合體黏聚力，這表明狗牙根和胡枝子能夠有效提高邊坡淺層土體的強(qiáng)度。對(duì)于素土，這兩種植物淺層根系黏聚力的提高幅度大于深層根系。分析認(rèn)為，淺層和深層土體中狗牙根根系面積比分別為0.275%和0.022%，胡枝子根系面積比分別為0.467%和0.181%，這兩種植物的根系面積比，均隨著土體深度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，使得根系對(duì)土體加筋作用不斷減弱，根土復(fù)合體的黏聚力值和提高幅度也隨之減小。

進(jìn)一步分析認(rèn)為，狗牙根屬于草本植物，其對(duì)于淺層土體的直接加固作用更為顯著。且隨著深度的增加，狗牙根對(duì)土體強(qiáng)度的增強(qiáng)作用下降速度的較快，這是由于草本植物的根系通常較為密集，分布較淺，根系網(wǎng)絡(luò)如同一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了土體的黏聚力，從而提高了土體的抗剪強(qiáng)度。胡枝子屬于灌木，與狗牙根相比其根系更深，雖然也能夠提供一定的錨固作用，但對(duì)淺層土體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小。

3.2.2" "不同類型土體的內(nèi)摩擦角

邊坡不同類型土體內(nèi)摩擦角值如圖2所示。由圖2可知，這兩種植物淺層和深層根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角與素土相差較小，表明植物對(duì)土體內(nèi)摩擦角影響較小，主要是通過(guò)提高土體黏聚力來(lái)增強(qiáng)土體強(qiáng)度。

3.3" "混合種植植物根土復(fù)合體強(qiáng)度分析

3.3.1" "淺層根土復(fù)合體黏聚力對(duì)比

邊坡淺層混合種植根土復(fù)合體與單一種植根土復(fù)合體的黏聚力對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，淺層混合種植的根土復(fù)合體的黏聚力為25.83kPa，淺層單一種植狗牙根的根土復(fù)合體的黏聚力為24.09kPa，淺層單一種植胡枝子的根土復(fù)合體土體的黏聚力為19.03kPa。淺層混合種植的根土復(fù)合體的黏聚力，比淺層單一種植狗牙根的根土復(fù)合體的黏聚力增加了1.74kPa，提高幅度為7.22%；比淺層單一種植胡枝子的根土復(fù)合體的黏聚力增加了6.80kPa，提高幅度為35.73%。

3.3.2" "深層根土復(fù)合體黏聚力對(duì)比

邊坡深層混合種植根土復(fù)合體與單一種植根土復(fù)合體的黏聚力對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，深層混合種植的根土復(fù)合體的黏聚力為23.81kPa，深層單一種植狗牙根的根土復(fù)合體的黏聚力為19.07kPa，深層單一種植胡枝子的根土復(fù)合體的黏聚力為21.27kPa。深層混合種植的根土復(fù)合體的黏聚力，比深層單一種植狗牙根的根土復(fù)合體的黏聚力增加了4.74kPa，提高幅度為24.86%；比深層單一種植胡枝子的根土復(fù)合體的黏聚力增加了2.54kPa，提高幅度為11.94%。由此能夠得出結(jié)論：邊坡土體在混合種植時(shí)的抗剪強(qiáng)度提高幅度高于單一種植。

3.3.3" "混合種植的優(yōu)勢(shì)

在混合種植條件下灌木和草本植物根系交錯(cuò)分布的協(xié)同作用下，深層與淺層根系在土體空間分布上形成了互補(bǔ)，灌木的深根錨固作用與草本的淺根加筋作用相結(jié)合，形成穩(wěn)固的網(wǎng)狀根系結(jié)構(gòu)，提高了土體的抗剪強(qiáng)度。

綜上所述，混合種植方式不僅豐富了邊坡植被的多樣性，且通過(guò)植物根系的立體分布，實(shí)現(xiàn)了根系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合，顯著提升了邊坡土體的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度，由此減少了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了重要作用。

4" "結(jié)束語(yǔ)

本文以五華河流域廢棄礦山治理工程為例，通過(guò)種植不同類型植被，對(duì)其根土復(fù)合體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了根系各項(xiàng)特征，分析了植物對(duì)邊坡土體強(qiáng)度的影響程度，通過(guò)試驗(yàn)得出了混合種植根土復(fù)合體的黏聚力高于單一種植根土復(fù)合體的黏聚力，為了增加邊坡土體的抗剪強(qiáng)度、完成好廢棄礦山邊坡治理、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，邊坡植被應(yīng)采取混合種植方法。

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