高寒矿区排土场边坡土体抗剪强度特征_周林虎.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Key Laboratory of Compre- hensive and Highly Efficient Utilization of Salt Lake Resources, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China; 3. Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai University, Xining 810016, China Abstract The paper aims to study the shear strength characteristics and the influencing factors of the root-soil com- posite systems of herbs in the dump slope of the high-cold mining area. The dumping site of Jiangcang mining area of Muli Coalfield, located in the northeastern Qinghai-Tibet Plateau, was selected as the study area. For the dump slope which was planted with Elymusnutans Griseb., combined with Poacrymophilakeng, density, moisture content and root content of different depths of root-soil composite systems below the surface of slope were tested; the cohesion and the internal friction angle of soil without roots and root-soil composite systems were obtained by indoor direct shear test. The correlation among density, moisture content and root content and the shear strength indscohesion and internal friction angle were obtained by the grey correlation . The test results show that the density and moisture con- tent of root-soil composite systems are smaller than those of soil without roots at the same sampling position and ho- rizon of dump slope, the root content of the second layer10–20 cm below the surface of root-soil composite systems ChaoXing 第 6 期 周林虎等 高寒矿区排土场边坡土体抗剪强度特征 145 is smaller than that of the first layer 010 cm below the surface significantly, and the average reduction amplitude of root content in the second layer is 31.66 compared with the first layer; moreover, the cohesion of root-soil composite systems is larger than that of the soil without roots, the average increment amplitude of cohesion of root-soil compos- ite systems in the first layer and the second layer are 32.69 and 13.42 respectively compared with soil without roots, while the internal friction angle does not show obvious change law; the correlation between strength in- dscohesion and internal friction angle of root-soil composite systems and density is higher, the next is moisture content, the last is the root content. The results of this study have certain theoretical research value and practical guiding significance for ecological restoration of the dump slopes in the alpine mining area, which can scientifically and effectively prevent geological disasters such as soil erosion on slope and shallow landslides. Keywords alpine mining area; dump slope; herbs; shear strength index; grey correlation ; Jiangcang mining area of Qinghai-Tibet Plateau 我国作为露天矿固体废弃物排放的主要国家之 一，排土场占地面积约为全矿用地面积的 40 60，且以每年约 340 km 2 速度增长[1-2]。排土场因 其重构土壤养分贫瘠、结构性差、植被覆盖度低， 成为露天矿山生产过程中一个灾害频发点和安全生 产的危险源，极易引发垮塌、滑坡、泥石流和边坡 变形等地质灾害，造成重大的经济损失和严重的社 会影响[3-5]。因此，开展排土场边坡治理对确保煤矿 企业安全生产和周边居民生命财产安全具有重大现 实意义。 在矿山废弃排土场治理中， 生态修复方法被认为 是增加排土场土壤养分含量、 改善土壤质量和防治水 土流失等地质灾害的有效措施[6-11]。吕春娟等[12]对山 西平朔安太堡露天煤矿南排土场边坡的油松根–土复 合体的三轴剪切试验结果表明，根–土复合体黏聚力 均高于素土，其内摩擦角与素土差异性相对不显著， 认为植物根系能起到提高土体抗剪强度的作用； R. Rai 等[13]对印度北方煤田排土场黄檀根–土复合体 原位剪切试验结果表明， 复合体抗剪强度表现出随取 样深度增大而减小的变化趋势；V. Ranjan 等[14]对印 度塔克拉里铁矿排土场的乔木根–土复合体原位剪切 试验结果表明，根–土复合体黏聚力和内摩擦角相对 于素土分别提高 30 kPa 和 2；牛力强[15]对山西晋中 地区地表以下 6 m 黄土试样的三轴剪切试验结果表 明，黏聚力表现出随着干密度增加而增大的变化规 律；陈高峰等[16]指出随着土体含水率增大，其黏聚 力呈先增大后减小的变化规律， 而内摩擦角则呈减小 的变化规律；胡其志等[17]针对草本狗牙草根–土复合 体的室内直剪试验结果表明，根–土复合体最大剪应 力表现出随含根量增加而增大的变化规律。 由以上研究成果可知，国内外学者对排土场植物 根–土复合体抗剪强度特征， 以及土体抗剪强度影响因 素等方面的研究，主要针对气候温和、降雨量相对较 充足、海拔相对较低的地区；相比较而言，地处高海 拔高寒矿区排土场，因发育有多年冻土层，且受到高 原气候、高海拔等因素的综合影响，其边坡生态修复 以及土体强度试验等方面的研究成果相对较少。与此 同时，有关土体抗剪强度影响因素方面的研究，以单 一因素分析为主，多因素综合分析的研究相对较少。 因此，笔者对位于青藏高原东北部江仓矿区排 土场边坡，通过种植草本植物的方法，对根系增强 边坡浅层土体抗剪强度进行试验研究，分析高寒矿 区排土场草本根系增强边坡土体抗剪强度的贡献； 在此基础上，采用灰色关联法较为系统地分析了边 坡土体密度、含水率和含根量等指标，与抗剪强度 指标黏聚力 c 和内摩擦角ϕ之间的关联度及其相互 关系，以期为研究区以及其它高寒矿区排土场边坡 生态修复和边坡稳定性研究方面提供参考。 1 研究区自然概况 研究区为青藏高原东北部大通河上游南岸木里 煤田江仓矿区排土场，地处海西州天骏县和海北州 刚察县交界部位。海拔为3 7403 850 m，属高海 拔地区[18]，区内气候寒冷，80地区发育具隔水作 用的多年冻土层[19]。因受多年冻土层对雨水入渗的 拦截作用，地表产流率相对较高，受暴雨、井田外 围高山冰雪融化与大气降水叠加作用影响，地表可 形成较大规模洪水，易引发崩塌、滑坡和泥石流等 地质灾害[20]。矿区植被为高寒草原类型，植物群落 为由耐寒旱的多年生丛生禾草和根茎苔草为优势种 所形成的青藏高原典型群落，具有很强的耐寒、耐 旱特性，但对人类活动的抗干扰能力较弱[21]。该地 区分布的主要植物种类为紫羊茅Festuca rubra L.、 垂穂披碱草Elymus nutans Griseb.、冷地早熟禾 Poa crymophila keng、沙生蒿Artemisia arenaria DC.、 异叶青兰Dracocephalum heterophyllum Benth 和异针茅Stipa aliena Keng等，伴生有二裂萎陵 菜 Potentilla bifurca Linn.、 马 先 蒿 Pedicularis resupinata L.、狼毒Stellera chamaejasme L.、披针 叶黄华Thermopsis lanceolata R. Br.和镰形棘 ChaoXing 146 煤田地质与勘探 第 47 卷 豆Oxytropis falcata Bunge等植物[21-23]。 木里煤田所 处地区植被类型决定了该地区植被恢复的复杂性和 特殊性，植被恢复须根据当地植物类型，采取相应 的技术措施和手段。 2 试验材料与方法 2.1 试验材料 科学选择能适宜于高寒极端气候和贫瘠土壤条 件的植物种是高寒矿区生态恢复的重要内容之一[24]。 为此，依据研究区气候特点和排土场土体类型，主 要遵循以下 6 条原则进行供试种植物筛选 a. 抗逆性强，能适应寒冷、干旱的气候条件； b. 适应矿区排土场贫瘠的土体条件； c. 生育期短且能在短期内迅速生长覆盖坡面； d. 根系相对发达且具有较强抗拉和抗剪特性； e. 适应粗放管理且种植成本较低； f. 具越年生或多年生特征且能产生适量种子。 穂据此筛选出垂披碱草Elymus nutans Griseb. 和冷地早熟禾Poa crymophila keng2 种草本植物作 为试验供试种。其主要生长特征和水保特性如下 ① 垂穗披碱草，禾本科多年生草本植物，具有 较强的再生和分蘖能力。 在海拔为 2 4004 700 m 的 高寒草甸牧区均能正常生长，为寒旱区较为理想的 水土保持优势草本[25]。 ② 冷地早熟禾，分蘖能力强、再生性好、生长期 长，为适宜于青藏高原种植的多年生禾本科牧草[26]。该 种草本具有抗旱、耐寒、抗风沙、耐盐碱等特性， 且对土壤环境具有较好的适应性[27]。排土场边坡 2 种草本植物生长情况如图 1 所示。 图 2 为排土场边坡取样点位置示意图。本次在 排土场边坡坡面共选取 10 个取样点， 由坡底至坡顶 位置处取样点编号依次为①、②、、⑩号，且每 个取样点之间水平距离均为 15 m，其中①号和⑩号 取样点与边坡底部、顶部水平距离均为 4.5 m。在取 样点和距离取样点左右各 5 m 位置处，采用环刀内 径为 61.8 mm，高为 20 mm制取不含根系素土和含 根系根–土复合体试样， 将其平均黏聚力、 内摩擦角、 密度、含水率和含根量值作为该取样点的实际值。 为有效减小素土和根–土复合体密度、 含水率等指标 的差异性，在相同取样点制取试样时，确保素土和 根–土复合体取样位置相差不超过 5 m。2 种草本植 物其根系均以须根型为主，且主要分布在边坡地表 以下 020 cm 深度，在距离边坡地表 20 cm 深度以 下的复合体试样中含根量相对较少， 基于以上情况， 本次主要分析了边坡地表以下 020 cm 深度内草本 根系对边坡浅层土体抗剪强度的增强作用。 图 1 排土场边坡草本植物生长情况 Fig.1 The growing situation of herbs of the dump slope 图 2 排土场边坡取样点位置示意图单位m Fig.2 Schematic diagram of the sampling points of dump slope 2.2 试验方法 a. 素土和根–土复合体直剪试验 采用 ZJ 型应变控制式直剪仪进行直剪试验， 每 组取 4 个试样，分别在 50、100、200、300 kPa 垂 直压力p作用下， 以 2.4 mm/min 的速度对下剪切盒 施加水平剪应力，取剪切位移为 4 mm 时的剪应力 为抗剪强度。计算公式[28]为 f tanτcσ  1 式中 τf为抗剪强度，kPa；c 为黏聚力，kPa；σ 为 法向应力，kPa；ϕ为内摩擦角，。 b. 素土和根–土复合体密度试验 密度采用环刀法测定。计算公式[29]为 m ρ V  2 ChaoXing 第 6 期 周林虎等 高寒矿区排土场边坡土体抗剪强度特征 147 式中 ρ 为土体密度，g/cm3；m 为土体质量，g；V 为环刀体积，cm3。 c. 素土和根–土复合体含水率试验 含水率采用烘干法测定，计算公式如下[29] s 1100 m ω m          3 式中 ω 为含水率，；m 为湿土质量，g；ms为干 土质量，g。 d. 根–土复合体含根量试验 待复合体剪切试验结束后，从剪切盒中取出试 样，将复合体试样放置于孔径为 0.05 mm 筛网中清 洗出全部根系， 然后将根系放入铝盒并放在烘箱内， 在 85℃温度下烘干至恒重，称取干根质量。计算公 式[30]为 s r m m V  4 式中 mr为复合体含根量，mg/cm3；ms为复合体所 含干根质量，mg；V 为复合体体积，即环刀体积， 60 cm3。 3 试验结果分析 3.1 素土和根–土复合体抗剪强度及其特征 a. 黏聚力 c 由图 3 可知，随取样点海拔高度增加，素土和 根–土复合体黏聚力 c 均表现出不断增大的变化规 律， 且根–土复合体 c 值显著大于素土。 具体表现在 第一层地表以下 010 cm根–土复合体 c 值较素土 其增加幅度为 19.2150.43，平均增加幅度为 32.69；第二层地表以下 1020 cm根–土复合体 c 值较素土其增加幅度为 5.0522.57， 平均增加幅 度为 13.42。由此可知，2 种草本根系对排土场边 坡浅层土体起到显著加筋作用，且取样深度愈小， 其加筋作用愈显著。 此外，第一层根–土复合体 c 值大于第二层， 而第一层素土 c 值则小于第二层。该结果主要归 因于土体密度、含水率和含根量等因素的综合影 响作用，表现为第一层素土和根–土复合体密度和 含水率均小于第二层，但第一层根–土复合体含根 量11.3 mg/cm3显著大于第二层7.9 mg/cm3。该结 果进一步反映出 2 种草本根系能起到显著增强边坡 浅层土体稳定性的作用。 b. 内摩擦角ϕ 由图 4 可知，由取样点①号至⑩号，素土和根– 土复合体内摩擦角ϕ均呈增大的变化规律。通过对 相同取样点处不同取样层位试样ϕ值对比分析得 出， 素土和根–土复合体ϕ值均未表现出显著性变化 规律。由相同取样点和层位的素土和根–土复合体ϕ 值对比分析可知，根–土复合体平均ϕ值大于素土， 且第一层和第二层根–土复合体ϕ值较相同层位素 土的增加幅度分别为 3.99和 2.04。此外，素土 和根–土复合体ϕ值均表现出随取样点海拔升高而 增大的变化规律， 主要是由于素土和根–土复合体密 度随海拔升高逐渐增大，而含水率则逐渐减小，从 而导致较高海拔取样点处土体相对较为密实。 图 3 素土和根–土复合体黏聚力与取样点位置关系 Fig.3 Relationship between cohesion and sampling position of soil without roots and root-soil composite systems 图 4 素土和根–土复合体内摩擦角与取样点位置关系 Fig.4 Relationship between internal friction angle and sampling position of soil without roots and root-soil composite systems 3.2 素土和根–土复合体抗剪强度影响因素及其 特征 a. 密 度 第一层素土密度为 1.732.01 g/cm3，第二层为 1.782.07 g/cm3；相应地，第一层根–土复合体密度 为 1.591.92 g/cm3，第二层为 1.641.98 g/cm3。通 过对素土和根–土复合体密度值对比分析得出， 在相 同取样点位置和层位， 根–土复合体密度均显著低于 素土，其第一层和第二层密度值降低幅度分别为 4.699.47和 4.359.84。分析可知，2 种草本 ChaoXing 148 煤田地质与勘探 第 47 卷 根系的存在使土体密度呈显著性降低的变化规律。 由图 5 可知， 在相同取样点位置处， 密度值由大 至小依次为素土地表以下 1020 cm、素土地表 以下 010 cm、 复合体地表以下 1020 cm、 复合体 地表以下 010 cm。因此，在相同取样点和层位， 表现出素土密度值均大于根–土复合体的变化规律； 在相同取样点处，地表以下素土和根–土复合体第一 层密度均小于第二层。 此外， 随着取样点海拔高度增 加，素土和根–土复合体密度均表现出增大的规律。 图 5 素土和根–土复合体密度与取样点位置关系 Fig.5 Relationship between density and sampling position of soil without roots and root-soil composite systems b. 含水率 第一层素土含水率为 11.5814.22，平均为 13.37， 第二层为 12.8214.37， 平均为 13.75； 相应地，第一层根–土复合体含水率为 11.04 13.59， 平均为 12.49， 第二层为 11.5714.22， 平均为 13.06。通过对比素土和根–土复合体含水 率得出，在相同取样点和层位，根–土复合体含水率 均显著低于素土，且第一层含水率降低幅度为 0.9313.27，第二层为 1.049.75。主要是由 于 2 种草本根系作为植物吸收水分和养分的重要器 官，对土壤中水分的动态变化影响较大[31]。 由图 6 可知，在相同取样点处，含水率由大至 小依次为素土地表以下 1020 cm、素土地表以 下010 cm、 复合体地表以下1020 cm、 复合体地 表以下 010 cm。在相同取样点和层位，素土含水 率均大于根–土复合体；第一层素土和根–土复合体 含水率均小于第二层。此外，随着取样点海拔升高， 素土和根–土复合体含水率均逐渐减小。 该结果在一 定程度反映出水体在边坡低处形成汇聚的特征。 c. 含根量 第一层根–土复合体含根量为 9.113.1 mg/cm3， 第二层为 6.511.7 mg/cm3。在相同取样点处，第二 层根–土复合体含根量显著小于第一层， 且第二层含 根量较第一层降低幅度为 10.6946.55，说明 2 种草本根系主要分布在浅层土体内，且表现出随着 深度增大而减小的变化趋势。 由图 7 可知，随取样点位置海拔高度增加，根– 土复合体含根量呈减小趋势，且①号取样点处根– 土复合体含根量相对于⑩号，其第一层和第二层复 合体含根量降低幅度分别为 30.53和 55.56，因 为随着取样点海拔高度增加，素土试样密度增大， 含水率不断减小，使得边坡高海拔处 2 种草本根系 吸收水分相对较少，根系地下分布相对较稀疏。 图 6 素土和根–土复合体试样含水率与取样点位置关系 Fig.6 Relationship between moisture content and sampling position of soil without roots and root-soil composite systems 图 7 根–土复合体含根量与取样点位置关系 Fig.7 Relationship between root content and sampling posi- tion of root-soil composite systems 3.3 根–土复合体抗剪强度指标与影响因素之间 关联度分析 为进一步分析 10 个不同取样点其根–土复合体 密度、含水率和含根量对 c 和ϕ的影响程度，采用 灰色关联分析法，以密度、含水率和含根量作为影 响因子，分别计算 c 和ϕ与 3 个影响因子之间的关 联度，从而确定其与各影响因子之间的关系。灰色 关联法计算方法如下[32-36] a. 设参考序列和比较序列 参考序列 1111 { 1,2,,10}Xxxx 5 2222 {1,2,,10}Xxxx 6 ChaoXing 第 6 期 周林虎等 高寒矿区排土场边坡土体抗剪强度特征 149 比较序列 3333 {1,2,,10}Xxxx 7 4444 {1,2,,10}Xxxx 8 5555 {1,2,,10}Xxxx 9 式中 参考序列 X1和 X2分别表示复合体 c 和ϕ数据 列；比较序列 X 3、X 4、X5分别表示复合体密度、含 水率、含根量数据列；1,2,,10 iii xxx分别表示 Xi中包含的原始数据，即 Xi数据列所对应的 c 和ϕ 值，以及各影响因子由取样点①至⑩的值。 b. 数据无量纲化处理 参考序列和比较序列的量纲数量级均不相同， 为 保证数据分析结果可靠性， 分析中采用极大值标准化 处理方法，对数据进行无量纲化处理，计算公式为 max 1,2,,10;1,2,,5 i i x k x kk i x  10 式中 i x k为无量纲化后的第i个数据列中第k个数 据值； i x k 为第 i 个原始数据列中第 k 个数据值； max x为第 i 个数据列中 k 个数据的最大值。 c. 关联系数计算 关联系数反映参考序列与比较序列间每个值的 关联程度，计算公式为 o o ΔminΔmax 1 , 2 ,,10;3, 4, 5 Δmax i i n ξkki Δkn    11 式中 o i ξk 为参考数据列与比较数据列对应数值 的关联系数； o Δ i k 为参考数据列与比较数据列对 应数值的绝对差值；Δmax 为绝对差值中的最大值； Δmin 为绝对差值中的最小值；n 为分辨系数，通常 取值为 0.5。 d. 关联度计算 关联度为参考序列与比较序列之间所有对应数 据关联系数的平均值，计算公式为 10 oo 1 1 1 ,2,10;3 ,4,5 10 ii γξkki  ，12 式中 oi γ 为比较序列Xi与参考序列X1和X2的关联度。 表 1、表 2 为按以上方法计算得到的 10 个取样 点处根–土复合体密度、 含水率和含根量与 c 和ϕ值 之间的灰色关联度结果。第一层根–土复合体密度、 含水率、含根量与黏聚力的灰色关联度依次为 0.654、0.531、0.528，与内摩擦角的灰色关联度依次 为 0.732、0.527、0.514；第二层根–土复合体密度、 含水率、含根量与黏聚力的灰色关联度依次为 0.764、0.581、0.532，与内摩擦角的灰色关联度依 次为 0.828、0.587、0.539。由此可知，2 个取样层 内根–土复合体 c 和ϕ值与密度相关程度相对较高， 与含水率相关程度次之，与含根量相关程度相对较 小。因此，密度对根–土复合体抗剪强度影响程度相 对最为显著，可作为评价排土场边坡土体抗剪强度 主要影响因素。另外，李想等[37]采用灰色关联法分 析了沈阳天柱山针阔混交林、灌木林、园地、坡耕 地、荒地 5 种样地在坡低、坡中和坡顶 3 个位置处 土体抗剪强度的影响因素，结果表明黏聚力 c 与密 度和含水率的灰色关联度分别为 0.754 和 0.656，内 摩擦角ϕ与密度和含水率的灰色关联度分别为 0.835 和 0.760，与本文结果类似。 表 1 第一层根–土复合体抗剪强度指标与 3 个影响因素间灰色关联度计算结果 Table 1 Calculation results of grey correlation between shear strength index of root-soil composite systems of the first-layer and the three affecting factors 黏聚力 c 灰色关联度值 内摩擦角ϕ灰色关联度值 取样点位置编号 密度 含水率 含根量 密度 含水率 含根量 ① 0.490 0.353 0.333 0.583 0.374 0.374 ② 0.556 0.374 0.463 0.656 0.460 0.530 ③ 0.549 0.398 0.394 0.584 0.502 0.412 ④ 0.519 0.414 0.425 0.608 0.520 0.482 ⑤ 0.601 0.509 0.606 0.610 0.576 0.615 ⑥ 0.610 0.706 0.755 0.662 0.914 0.867 ⑦ 0.697 0.850 0.852 0.975 0.566 0.587 ⑧ 0.743 0.668 0.588 0.811 0.443 0.439 ⑨ 0.774 0.579 0.497 0.912 0.477 0.453 ⑩ 1.000 0.458 0.370 0.920 0.440 0.382 平均值 0.654 0.531 0.528 0.732 0.527 0.514 ChaoXing 150 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 2 第二层根–土复合体抗剪强度指标与 3 个影响因素间灰色关联度计算结果 Table 2 Calculation results of grey correlation between shear strength index of root-soil composite systems of the second-layer and the three affecting factors 黏聚力 c 灰色关联度值 内摩擦角ϕ灰色关联度值 取样点位置编号 密度 含水率 含根量 密度 含水率 含根量 ① 0.513 0.344 0.344 0.617 0.388 0.388 ② 0.550 0.377 0.503 0.563 0.382 0.513 ③ 0.675 0.471 0.514 0.600 0.433 0.469 ④ 0.621 0.472 0.594 0.813 0.575 0.767 ⑤ 0.687 0.573 0.699 0.842 0.677 0.861 ⑥ 0.848 0.796 0.700 0.970 0.903 0.634 ⑦ 0.822 0.980 0.868 0.883 0.730 0.666 ⑧ 0.951 0.700 0.431 1.000 0.675 0.421 ⑨ 0.971 0.603 0.340 0.994 0.617 0.344 ⑩ 1.000 0.490 0.331 1.000 0.490 0.331 平均值 0.764 0.581 0.532 0.828 0.587 0.539 4 结 论 a. 排土场边坡地表以下相同取样点和层位，2 种草本根–土复合体密度和含水率均小于素土。 第一 层和第二层根–土复合体密度较素土平均降低幅度 为 7.24和 7.23，含水率较素土平均降低幅度为 7.32和 5.05。随着取样点海拔升高，素土和根– 土复合体密度逐渐增大，而含水率则逐渐减小。 b. 排土场边坡相同取样点处第二层根–土复合 体含根量显著小于第一层，第二层含根量较第一层 降低幅度为 10.6946.55； 随着取样点海拔升高， 根–土复合体含根量呈显著降低的变化规律。 c. 排土场边坡相同取样点和层位，根–土复合 体黏聚力均大于素土，两者内摩擦角未表现出显著 变化规律， 第一层和第二层根–土复合体黏聚力较素 土平均增加幅度为 32.69、13.42；随着取样点海 拔升高，素土和根–土复合体黏聚力 c 和内摩擦角ϕ 均表现出增大的变化规律。 d. 通过灰色关联法分析得出，根–土复合体抗 剪强度指标黏聚力 c 和内摩擦角ϕ的变化与土体密 度的相关程度相对较高， 与含水率的相关程度次之， 与含根量的相关程度相对较低。 参考文献 [1] 曹阳，黎剑华，颜荣贵，等. 超高台阶排土场建设决策研究与 实践[J]. 岩石力学与工程学报，2002，21121858–1862. 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