植生袋复垦边坡在降雨入渗条件下的稳定性*

鲁明星 谷 岩

(1.北京科技大学土木与环境工程学院;2.唐山学院土木工程系;3.河北联合大学矿业工程学院)

矿山废石、尾砂是矿石开采、选别过程中排弃的主要固体废料，排弃总量往往占到采出矿石总量的40% ～99%［1-3］。废石、尾砂的排放采用修建排土场的方式，根据岩石性质不同，排土场的排土方式分3种:前推式、压坡角式和覆盖式。无论哪种形式，最终都将形成平台和边坡两部分［4-5］，随之产生边坡稳定性问题。影响边坡稳定性的因素有很多，诸如地质结构、人类活动、地震、水文环境以及降雨等都可能对边坡稳定性造成影响。由于降雨入渗诱发的滑坡发生频率最高，危害极大，引起社会高度重视［6］。

随着国家对环境保护越来越重视，矿山土地复垦已经被列入矿山企业必须完成的生产任务之一。土地复垦是指对生产建设过程中因挖损、塌陷、压占等原因造成的土地破坏采取整治措施，使其恢复到可供利用状态的活动。边坡作为复垦责任范围，通常采用直接种植方法或对边坡不稳定区域采用土工网垫预先对边坡进行加固处理后再种植的方法。上述2种方法，前者最为简单、经济，但在雨季，表土流失严重，对于稳定性差的边坡，易于发生滑坡等危险，后者虽然能够显著提升边坡稳定性，但施工进度慢。

本文对植生袋结构及性能做了简单介绍，这种方法不但能够使植物更好地生长，而且能够有效的防止水土流失。边坡稳定性分析表明，植生袋对提升边坡稳定性作用显著。

1 植生袋介绍及施工介绍

1.1 植生袋

植生袋是护堤、护坡堆垒型草坪建植材料，主要适用于护堤、护坡陡壁、防水土流失绿化坡段、边坡生态治理、高速公路两侧45°以上坡段国土绿化等建植场地。植生袋是采用自动化的机械设备事先将护坡草种准确均匀地分布并定植在营养带基上，再用编织好的护网一体加工而成的60 cm×40 cm的袋子。往植生袋里加上土壤封口后堆积，然后浇透水，按照正常护坡草坪养护管理方式进行管理即可实现复垦。该法绿化成坪速度快，同时具有避免灌溉或大雨冲刷种子。草坪生长一定时间后，发达的根系能够有效防止水土流失、绿色期长。

1.2 施工过程

以冀东地区某铁矿尾矿库边坡复垦施工为例进行施工过程的简单介绍。

(1)参数选取。安全等级:边坡安全等级为一级。设计参数:抗滑系数Ks=1.35。计算方法:平面滑动法。计算公式采用《GB 50330－2002 建筑边坡工程技术规范》中规定的相关公式

式中，Ks为植生袋稳定系数;γ为土体重度，饱和情况下取18.5 kN/m3;A为结构面的面积，m2;V为土体体积，取0.25 Am3;c为结构面的黏聚力，取1.2 kPa;φ为结构面的内摩擦角，取25°;θ为结构面倾角，取30°。

经计算，稳定性系数为Ks=1.31，需植钢筋罩铁丝网增加抗滑力。

植筋后植生袋稳定性验算:

式中，Ka为植筋后植生袋稳定系数;σ为植筋密度，设计密度0.25根 /m2;N为每根钢筋的抗滑力，取0.9 kN/m3。

经计算，植筋后稳定性系数为Ka=1.41。因此，设计植筋满足要求。

(2)铺垫碎石。用碎石顺山体找平，平均厚度为15 cm，便于坡面排水及码放植生袋，碎石铺垫后坡面废石间空隙不得超过10 cm，凹凸高度不得大于5 cm，夯实坡面密实度达到90%。碎石选用矿山选厂筛选出的粒径小于5 cm的废石，运距3～5 km。

(3)植生袋绿化。将装有山皮土、耕植土肥料的植生袋横向平铺于坡面上，由坡脚挡土墙处开始向上交错排列，坡顶棱角处纵向叠压两层，保证植生袋稳定，草袋与草袋间要完全接触不得留有空隙，与坡面要完全接触不允许搭接在其他草袋上，坡底每隔5 m放置1排水槽。植生袋采用规格为60 cm×40 cm自带草籽的园林绿化专用袋，选用与植生袋工艺配套的排水槽。植生袋装土后厚度为20～25 cm，绿化土配比为5份种植土、2份河沙、3份泥炭土及少量复合肥、保水剂。种植土源选在尾矿库干滩面四周(未来排放尾矿淹没区域)，运距约5 km。

(4)罩网。在植生袋表面铺1层铁丝网，铁丝网用直径2 mm镀锌钢筋绑扎成间距500 mm的方格网，紧贴植生袋并与植入的钢筋焊接。铁丝网搭接处重合叠压宽度不得小于30 cm。

(5)点播萱草。植生袋码放好，铁丝网罩好后在坡面点播萱草种子，选用红色和黄色的萱草种子，使景观颜色不再单一，提高美化质量。在可视的坡面水平方向点播，每隔4 m宽点播1 m宽的萱草种子，红黄颜色互相交替点播。点播萱草面积占坡面面积的20%。

2 边坡稳定性分析

2.1 项目区现状

项目区地处中国陆台北部的内蒙古背斜及燕山沉陷带中部的东部，无断裂构造和断层通过，无崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象。勘探结果表明:项目区场地第四系厚度在0～5 m不等，主要为碎石，局部分布杂填土，基岩为混合花岗岩。排土体的重型动力触探统计结果见表1，原位测试的结果见表2、表3。

表1 重型动力触探统计结果

表2 排土场第四系岩土层物理力学参数

表3 边坡植筋物理力学参数

通过钻探、野外调查和室内土工试验资料综合分析，结果表明:

(1)碎石。主要为碎石，其中含有少量砂性土和黏性土，其可见粒径在10～40 cm，最大可见粒径在1.5 m，状态中密—密实。

(2)杂填土。黄褐色－灰白色，次棱角状－棱角状，主要由砂性土和少量黏性土组成，其中含有少量碎石和建筑碎块。主要分布于公路附近。

(3)强风化混合花岗岩。原岩结构基本破坏，裂隙极发育，岩芯手捏成块状，透水性强，属极软岩，岩体基本质量等级为V级，岩石结构面的饱和单轴抗压强度为2.32 MPa左右，岩石的饱和单轴抗压强度为5.62 MPa左右，属软化岩石。

(4)中风化混合花岗岩。岩芯成短柱状，裂隙较发育，局部破碎较严重，透水性强。属软岩，岩体基本质量等级为V级，其结构面饱和单轴抗压强度介于4.44～21.20 MPa之间，平均值11.95 MPa，标准值9.28 MPa，干燥状态黏聚力为118.50 kPa，内摩擦角为19.51°，饱和状态黏聚力为105.00 kPa，内摩擦角为19.04°。岩石的饱和单轴抗压强度介于12.54～42.40 MPa之间，平均值25.05 MPa，标准值20.45 MPa，干燥状态黏聚力为322.00 kPa，内摩擦角为77.98°，饱和状态黏聚力为250.00 kPa，内摩擦角为37.77°，属软化岩石。

2.2 排土场边坡稳定性分析

根据现场调查、收集资料，经综合分析最终确定选取2个剖面进行稳定性分析。在排土场北侧边坡确定1－1'剖面作为计算剖面，计算其在暴雨工况条件下的抗滑稳定性;在排土场东南侧确定2－2'剖面为计算剖面，计算其在暴雨工况条件下的抗滑稳定性。计算采用由北京理正软件设计研究院开发的理正边坡稳定分析软件，该软件中具有通用标准，并提供瑞典条分法、简化Bishop法，符合现行规范要求。具体参数选取见表4，计算坡面如图1、图2。

表4 排土场岩土物理力学参数

图1 排土场北侧边坡计算剖面(1－1')

图2 排土场东南侧边坡计算剖面(2－2')

本次模拟状态为排土场在本地区百年一遇的洪水工况下的运行情况，根据本场地的汇水面积和暴雨历时模拟其浸润线高度，采用理正边坡稳定分析软件，对1－1'、2－2'两个剖面在暴雨工况条件下的抗滑稳定性进行计算。计算结果表明(见表5、图3、图4)，采用植生袋复垦后，稳定性系数明显高于规范指标，稳定性强。

表5 坝体圆弧形潜在滑裂面暴雨工况抗滑稳定性系数计算综合成果

3 结论

(1)植生袋复垦边坡作为一种新式复垦方式，不但施工速度快，复垦效果好，而且能够有效减少水土流失、提高边坡的稳定性，值得进行推广使用。

(2)植生袋复垦边坡稳定性分析表明，其潜在滑动面为圆弧形滑动面，破坏从顶部开始，为了进一步增强边坡的抗滑性能，可以在边坡中下部设抗滑桩加固。

(3)植生袋虽然施工速度快，但成本较高。为降低成本，在稳定区可采用传统的直接种植复垦，在容易发生滑坡的部分采用植生袋复垦，2种方式配合使用，效果最佳。

图3 剖面1－1'滑裂面位置

图4 剖面2－2'滑裂面位置

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