采用生態護岸技術進行礦山邊坡土體治理試驗研究

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，從試驗材料、試驗方法等方面制定了邊坡土體的治理試驗方案，從根系特征、單一種植植物根土復合體強度、混合種植植物根土復合體強度等方面對邊坡土體進行直接剪切試驗，并對試驗結果進行了深入分析。分析結果表明，通過混合種植方式進行生態護岸，豐富了邊坡植被的多樣性，顯著提升了邊坡土體的穩定性和抗剪強度，減少了滑坡等地質災害的發生。

關鍵詞：礦山邊坡治理；生態護岸；直接剪切試驗；黏聚力

0" "引言

近年來，伴隨著礦產資源的開采，生態環境的破壞問題日益凸顯，引發了社會廣泛關注[1]。礦山開采活動往往伴隨著大規模的地形改造，包括剝離地表植被、挖掘礦石、堆砌廢石和尾礦，對地表生態系統造成了重大干擾[2]。土壤結構的破壞導致水土流失加劇，河流和湖泊受到污染，地質災害如滑坡和泥石流的風險也隨之增加[3]。此外，廢棄礦山的遺留問題，如重金屬污染和酸性礦水排放，對周邊環境造成長期危害，影響人類健康和生態安全[4]。

在此背景下，生態護岸作為一種生態工程措施，逐漸應用在礦山治理工程中。采用生態護岸技術種植適應性強、根系發達的植物，構建穩固的邊坡和河岸，能夠有效控制水土流失，減少地質災害的發生，同時能凈化水質，恢復受損的生態環境[5-6]。更重要的是，生態護岸在恢復生態平衡的同時，還能促進生物多樣性的增加，為野生動物提供棲息地，提升景觀美學價值，進而促進礦區的生態旅游和經濟發展[7]。

基于此，本文以五華河流域廢棄礦山治理工程為例，通過種植不同類型植被，對其根土復合體進行直接剪切試驗，以統計根系各項特征，分析植物對稀土邊坡土體強度的影響程度，為類似工程提供指導和借鑒。

1" "工程概況

五華縣琴江河流域歷史遺留廢棄稀土礦山開采時間相對較長，經查閱資料和走訪調查，大多開采于2007—2009年間，幾乎都采用了當時粗放的“搬山運動”堆浸法工藝進行開采。該工藝對礦區的地質環境造成較大破壞，主要表現在地形地貌景觀破壞與植被裸露、土地資源占壓破壞、水土流失、含水層破壞、礦山地質災害，土壤與地下水污染等方面。

基于此，當地采用生態護岸技術治理位于五華縣安流鎮的廢棄礦山，工程總修復稀土礦礦區10個，修復礦山面積約1591畝，有效減少了礦山邊坡存在的地質災害隱患，使礦山邊坡達到了安全穩定，并有效防止了水土流失。在此基礎上逐步恢復和重建礦山生態環境系統，美化自然景觀，達到了與周邊環境相協調，實現了廢棄礦地的永續利用。

2" "邊坡土體的治理試驗方案

2.1" "試驗材料

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

護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，其稈細而堅韌，根莖蔓延力很強，下部匍匐地面生長，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，對環境的適應能力極強，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，廣泛分布在中國的東北、華北、華中、華南等地，尤其常見于山坡、林緣、草地、灌叢或疏林中，其根系發達，能有效固定土壤，可防止水土流失，具有較強的適應性和耐逆境能力。

2.2" "試驗方法

2.2.1" "選擇試驗區域及播種方式

在稀土邊坡選擇4塊區域，分別單獨種植狗牙根、單獨種植胡枝子、混種狗牙根和胡枝子以及無植物種植，每個區域長和寬均為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" "進行直接剪切試驗

在研究區域植物生長150d后，在每個區域淺層（坡面向下0～20cm）以及深層（坡面向下20～40cm），分別選取根土復合體環刀樣和素土環刀樣用作后續直接剪切試驗，并測量環刀樣周圍土體的含水率和密度。通過ZJ型應變控制直剪儀進行直接剪切試驗，試驗時的剪切速度設置為0.8mm/min，試驗開始3～5min后，試樣被剪破并停止試驗。

2.2.3" "根系數量統計方法

結束直接剪切試驗后，對試樣的根系數量、直徑等生長指標進行統計。胡枝子的根系數量較少，直徑相對較大，根系特征明顯，可采取數根法統計單位體積內胡枝子的根系數量。

狗牙根的根系直徑較細，且數量較多，因此采取估算法統計單位體積內的狗牙根根系數量，其主要步驟如下：一是將狗牙根的根系從采集的根-土復合體試樣中小心地清洗分離出來，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量；三是通過隨機抽樣的方式從稱重后的根系中抽出10根進行單獨稱重，同時對根系質量的平均值進行計算，再用根系總質量與根系平均質量的比值來計算根系數量。

3" "邊坡土體的治理試驗結果分析

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逐漸減小的趨勢，具體表現為邊坡淺層部位狗牙根和胡枝子的根系數量、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量、根系平均直徑以及根系面積比均較小。根據這兩種植物根系特征統計結果，分析認為，在150d時，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；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合體強度分析

3.2.1" "不同類型土體黏聚力

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

對于深層土體試樣，素土、狗牙根的根土復合體以及胡枝子的根土復合體黏聚力分別為14.36kPa、19.05kPa以及21.26kPa。與素土相比，狗牙根的根土復合體黏聚力提高了32.67%，胡枝子的根土復合體黏聚力提高了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度。對于素土，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逐漸減小的趨勢，使得根系對土體加筋作用不斷減弱，根土復合體的黏聚力值和提高幅度也隨之減小。

進一步分析認為，狗牙根屬于草本植物，其對于淺層土體的直接加固作用更為顯著。且隨著深度的增加，狗牙根對土體強度的增強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，根系網絡如同一個網狀結構，增加了土體的黏聚力，從而提高了土體的抗剪強度。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，但對淺層土體的強度貢獻較小。

3.2.2" "不同類型土體的內摩擦角

邊坡不同類型土體內摩擦角值如圖2所示。由圖2可知，這兩種植物淺層和深層根土復合體的內摩擦角與素土相差較小，表明植物對土體內摩擦角影響較小，主要是通過提高土體黏聚力來增強土體強度。

3.3" "混合種植植物根土復合體強度分析

3.3.1" "淺層根土復合體黏聚力對比

邊坡淺層混合種植根土復合體與單一種植根土復合體的黏聚力對比如圖3所示。由圖3可知，淺層混合種植的根土復合體的黏聚力為25.83kPa，淺層單一種植狗牙根的根土復合體的黏聚力為24.09kPa，淺層單一種植胡枝子的根土復合體土體的黏聚力為19.03kPa。淺層混合種植的根土復合體的黏聚力，比淺層單一種植狗牙根的根土復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" "深層根土復合體黏聚力對比

邊坡深層混合種植根土復合體與單一種植根土復合體的黏聚力對比如圖4所示。由圖4可知，深層混合種植的根土復合體的黏聚力為23.81kPa，深層單一種植狗牙根的根土復合體的黏聚力為19.07kPa，深層單一種植胡枝子的根土復合體的黏聚力為21.27kPa。深層混合種植的根土復合體的黏聚力，比深層單一種植狗牙根的根土復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%。由此能夠得出結論：邊坡土體在混合種植時的抗剪強度提高幅度高于單一種植。

3.3.3" "混合種植的優勢

在混合種植條件下灌木和草本植物根系交錯分布的協同作用下，深層與淺層根系在土體空間分布上形成了互補，灌木的深根錨固作用與草本的淺根加筋作用相結合，形成穩固的網狀根系結構，提高了土體的抗剪強度。

綜上所述，混合種植方式不僅豐富了邊坡植被的多樣性，且通過植物根系的立體分布，實現了根系結構的優化組合，顯著提升了邊坡土體的穩定性和抗剪強度，由此減少了滑坡等地質災害的發生，為保護生態環境發揮了重要作用。

4" "結束語

本文以五華河流域廢棄礦山治理工程為例，通過種植不同類型植被，對其根土復合體進行直接剪切試驗，統計了根系各項特征，分析了植物對邊坡土體強度的影響程度，通過試驗得出了混合種植根土復合體的黏聚力高于單一種植根土復合體的黏聚力，為了增加邊坡土體的抗剪強度、完成好廢棄礦山邊坡治理、保護生態環境，邊坡植被應采取混合種植方法。

參考文獻

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