高寒矿区草本植物根系增强排土场边坡土体抗剪强度试验研究

杨幼清，胡夏嵩，李希来，王 涛，刘昌义，刘亚斌，李淑霞，余冬梅

(1.中国科学院青海盐湖研究所/盐湖资源综合高效利用重点实验室，青海 西宁 810008；2.青海省盐湖地质与环境重点实验室，青海 西宁 810008；3. 中国科学院大学，北京 100049；4.青海大学地质工程系，青海 西宁 810016；5. 青海大学农牧学院，青海 西宁 810016)

目前我国能源消费量70%以上来自于煤炭[1～3]，且大部分煤炭资源来源于露天煤矿开采，排土场作为露天煤矿采矿必不可少的产物，是由露天开采所产生的大量松散土石排弃物集中堆放所形成的一种特殊工程体[4～5]。这种由人工堆排而成的松散堆积物边坡，相对难以在较短时间内使排土场的裸露边坡恢复生态环境[4～6]。在强降雨诱发作用下易导致裸露排土场边坡发生表层水土流失、滑坡和泥石流等地质灾害现象，进一步加剧了矿区周围生态环境的退化。

近年来国内外学者研究结果表明，通过植物恢复来保护矿山环境和综合治理矿山地质灾害是一种有效的措施[7～9]。张丹丹等[10]针对排土场不同位置侵蚀特点，提出了排土场平台采用灌木与豆科牧草混播，边坡乔木、灌木和草本混播，坡脚沉积区为灌木林3种不同的植被配置类型。Vogel[11]研究结果表明，在矿区排土场种植鸭茅(Dactylisglomerata)等禾本科植物，可使土壤养分和物理性质得到显著改善，随着种植年限增加，土壤有机质、速效钾、全氮等的含量均呈递增趋势，并逐渐接近原地貌含量，土壤抗蚀性也逐渐增强，其结果降低了土壤侵蚀。台培东等[12]研究了沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等3种不同人工灌木林地在霍林河露天煤矿排土场边坡水土保持效应，结果表明沙棘具有独特的生物固氮能力和耐逆境特性，护坡固土和土壤培肥作用显著。史倩华等[13]采用野外排水冲刷试验法，研究了沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)条播等5种坡面防护措施对排土场坡面径流产沙的影响，结果表明采用植被措施使坡面径流量和产沙量较裸坡减少0.97%～93.27%，且撒播紫花苜蓿(MedicagosativaL.)减沙效果相对较为显著。Ling Zhang等[14]分析了人工种植草本、乔木、乔木+草本组合3种不同植被配置类型对安太堡露天煤矿排土场边坡径流和侵蚀的影响，研究表明生长期为5 a的乔木+草本组合，其在防治坡面径流和土壤侵蚀作用相对较为显著，坡面总径流量和土壤侵蚀量分别为17.3 mm和6.4 kg·m-2，且与排土场裸坡相比降低幅度分别为62.9%和76.9%。综上所述，目前已开展的研究主要集中在对矿山排土场生态恢复的植被配置模式、植被改良排土场土壤的质量以及矿山排土场坡面地表径流试验研究等方面，且取得了显著的研究成果。相比较而言，在对于矿山排土场生态修复方面，有关涉及植物根系对排土场边坡不同位置处土体抗剪强度的增强作用，以及边坡土体物理力学参数和植物根系数量对排土场边坡土体抗剪强度影响等方面，还尚需开展进一步深入研究。此外，已有研究成果较多集中在气候温和、土壤较肥沃、土层较厚、植被种类丰富的温带及其南方地区[15]；对于地处高海拔、气候寒冷、土层薄、生态脆弱的青藏高原东北部高寒矿区开展类似研究则甚少。

基于此，以青海境内祁连山北缘江仓露天煤矿排土场为试验区，在露天煤矿排土场边坡坡面不同位置处，通过对未种植植物裸坡素土和种植植物边坡根-土复合体试样进行直剪试验，定量评价2种草本植物根系增强排土场边坡浅层土体抗剪强度大小。同时，探讨不同位置处边坡土体物理力学指标和植物生长量的变化规律及其对抗剪强度的影响，以期为研究区及相类似的地区有效防治水土流失、浅层滑坡等地质灾害和提高矿区排土场边坡稳定性提供依据。

1 试验区基本概况

试验区地处祁连山构造断陷山间盆地中的江仓河一带，平均海拔为3 800 m，属典型高原大陆性气候，气温低，昼夜温差大，年平均气温0 ℃以下，降水稀少且较为集中，年平均降水量为314.5 mm，蒸发量为1 418.1 mm，雨季多集中在7—9月份[16～17]。区内地貌类型主要为冰水堆积的倾斜平原地貌单元，以高寒草甸、沼泽为主，属于高寒沼泽湿地，地表以下3 m左右深度为多年片状冻土层，分布面积占整个矿区面积的80%以上[17]。该区冻土层分布厚度大、地温低、受季节性热融作用影响，在边坡坡底位置处常形成融水渗出，加剧了边坡不稳定性。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

排土场边坡属于人工堆积土石边坡，其中夹杂大量黏土、粉砂质块石等采煤废弃物，试验区范围为160 m×50 m(长×宽)，坡度约20°，坡高55 m，坡向属半阴半阳，平均海拔为3 850 m。排土场边坡土体平均密度为1.86 g/cm3，平均含水率为11.70%；其中边坡坡面3个不同位置处不同粒径土体颗粒含量分别为粒径0.25～0.075 mm的砂粒为8.1%～64.1%，粒径0.075～0.005 mm的粉粒为29.3%～76.8%，粒径<0.005 mm的黏粒为6.6%～15.1%。采用混播种植法，2016年5月在排土场边坡坡面种植了生长期为1年的2种适宜于区内高海拔寒旱条件下生长的乡土草本植物，即垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)和冷地早熟禾(PoapratensisL.)。草本植物种植边坡如图1所示。

依据区内2种草本植物在边坡浅层土体中实际生长情况，由坡底至坡顶位置处依次划分为3段，采用环刀(内径61.8 mm，高20 mm)在坡底、坡中和坡顶位置处，分别制取未种植植物裸坡素土和种植植物边坡根-土复合体试样。相应地，测定、制取边坡不同位置处的含水率、密度试样，密封后及时带回实验室开展相应的试验测试。

图1 试验区排土场草本植物种植边坡剖面示意图Fig.1 Sketch map of the herbaceous slope profile in the dump of the testing area

2.2 试验方法

(1)植物地上生长量指标测定

对垂穗披碱草和冷地早熟禾地上部分株高、地茎、分蘖数等生长量指标进行测定。在试验区排土场3段不同位置处，分别随机选取其中的20株待测植物，采用刻度为0.1 cm的钢卷尺对植物株高进行测量；采用精度为0.01 mm的游标卡尺对植物地茎进行测量，草本分蘖数统计则采用人工计数方法进行。

(2)直接剪切试验

素土和根-土复合体试样直剪试验采用由南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪，对试样分级施加50，100，200，300 kPa 共4级垂直压力；剪切速率设定为2.4 mm/min，取剪切位移为4 mm时所对应的剪应力为抗剪强度，按《土工试验规范》(SL237-1999)[18]的要求进行直剪试验。

(3)试样根系数量测定

根-土复合体试样直剪试验结束后，首先将根-土复合体试样放置于孔径为0.05 mm筛网中清洗出根系，用滤纸将根系表面水分吸干称量鲜根重量并统计根系数量；再随机选取其中10～20根根系，采用精度为0.01 mm的游标卡尺分别测量每个试样中随机选取根系的上、中、下3处根径，测量差值做到小于0.5 mm，然后统计其平均根径。根-土复合体试样中含根量确定如下[19]：

(1)

式中：mr——复合体含根量/(g·cm-3)；

ms——复合体内所含干根质量/g；

V——复合体体积即环刀体积，为60 cm3。

3 结果分析

3.1 土体物理性质及植物生长指标特征

(1)土体物理力学性质

边坡不同位置处土体物理性质指标试验结果如表1所示。由表1可知，由坡顶至坡底位置处，排土场边坡土体密度呈逐渐降低变化趋势，与排土场边坡坡顶位置处相比，位于坡中、坡底位置处素土和根-土复合体试样的密度降低幅度分别为8.29%，13.66%和11.06%，18.09%，且在排土场边坡相同位置处，素土密度均显著大于根-土复合体密度；与素土密度相比，根-土复合体密度由坡底至坡顶位置处降低幅度分别为7.91%，5.85%，2.93%。

受边坡坡面径流作用的影响，区内素土和根-土复合体的含水率均随边坡海拔升高呈显著降低的变化趋势。在坡底位置处，素土和根-土复合体的含水率相对较高，分别为15.92%和15.88%；坡中和坡顶位置处素土的含水率均明显高于对应位置处的根-土复合体试样，其主要原因在于2种草本植物进行光合作用时，需从边坡表层以下土壤中吸收水分，其中绝大部分水分通过植物蒸腾作用散失[20]；与坡中和坡顶位置处的素土相比，根-土复合体的含水率降低幅度分别为23.21%和14.16%。反映了受区内边坡表层以下土壤天然含水量影响，坡中位置处草本植物的蒸腾作用程度显著高于坡顶位置处。

表1 边坡不同位置处土体基本物理性质指标

受短时间集中降水对边坡坡面的冲刷作用和常年风蚀作用，坡面海拔位置相对愈高，坡面土体遭受侵蚀程度相对愈为严重[21～22]，造成坡面水土流失量亦愈多，从而使得边坡表层土体中粒径为0.25～0.075 mm的砂粒含量显著升高，分别为8.1%，41.8%，64.1%，而粒径为0.075～0.005 mm的粉粒和粒径小于0.005 mm的黏粒含量显著降低，分别为76.8%，46.5%，29.3%和15.1%，11.7%，6.6%。

(2)2种草本植物地上生长量指标

2种草本植物的株高、地茎、分蘖数等生长量指标如表2所示。由表2可知，2种草本生长一定程度上受到排土场边坡不同位置的影响，表现在株高与地茎由边坡坡底至坡顶位置处呈显著降低趋势，与坡底位置处相比，坡中、坡顶位置处的垂穗披碱草和冷地早熟禾的株高降低幅度分别为43.10%、75.86%和33.33%、55.56%，地茎的降低幅度则分别为12.30%、22.99%和6.25%、22.50%，而其分蘖数变化相对不显著，垂穗披碱草和冷地早熟禾的平均分蘖数分别为8个和5个，区内垂穗披碱草和冷地早熟禾的平均地茎分别为1.65 mm和0.72 mm，且垂穗披碱草平均地茎均显著大于冷地早熟禾。

表2 2种草本植物的地上生长量指标统计结果

(3)根-土复合体中根系生长量指标

不同位置处根-土复合体试样中根系生长量指标如表3所示。由表3可知，由坡底至坡顶位置处，2种草本植物的根-土复合体试样中所含根系鲜重、根数、含根量等3种生长量指标，均呈显著减小的变化趋势。坡底、坡中和坡顶位置处的平均根径分别为0.17 mm，0.17 mm和0.15 mm，随海拔增加未表现出显著性变化。

通过植物根系数量能反映植物在不同条件下的生长状况[23]，由区内2种草本植物边坡坡面3个不同位置处的草本植物根系数量可反映出区内排土场边坡坡底位置处的水土条件，较坡中、坡顶位置处相对更适宜于2种草本生长。

表3 不同位置处根-土复合体中根系生长量指标

3.2 直接剪切试验结果

3个不同位置处素土和根-土复合体试样直接剪切试验结果如表4所示。

表4 素土和根-土复合体直剪试验结果

注:表中“—”表示不存在该项数据

由表4可知，由坡底至坡顶位置处，素土黏聚力呈增大的变化趋势，在边坡相同位置处，根-土复合体的黏聚力均显著高于素土。由坡底至坡顶处根-土复合体和素土试样内摩擦角相差为0.72°～3.32°，其变化幅度相对不显著。坡顶、坡底位置处复合体的内摩擦角小于素土，主要原因为：坡顶和坡底位置处，根系的存在使得根-土复合体中的土体结构相比较于素土试样相对疏松[24]，且坡顶、坡底位置处的根-土复合体密度均小于素土。由于复合体中根系存在，一定程度上降低了复合体试样中土体颗粒之间的咬合作用。此外，坡底位置处复合体试样中土体颗粒相对较细，且以粉粒、砂粒土为主，使得该位置处素土试样内摩擦角较复合体略大。相应地，在坡中位置处，复合体内摩擦角大于素土，其主要原因在于：该位置处素土试样含水率较根-土复合体高30%以上，土颗粒之间水的润滑作用一定程度使得素土试样中土体颗粒间的摩擦力降低。

剪切试验过程中，当垂直压力分别为50，100，200，300 kPa 4种压力时，抗剪强度随垂直压力呈线性增大，其相关系数r均大于0.99；与素土的抗剪强度相比，由坡底至坡顶位置处，根-土复合体抗剪强度增长幅度分别为4.09%，18.92%，0.69%。坡底、坡中、坡顶3个不同位置处素土和根-土复合体试样的剪应力与剪切位移关系如图2所示。

图2 试验区排土场边坡素土和根-土复合体试样剪应力与剪切位移关系Fig.2 Relationship between the shear stress and shear displacement of soil without roots and the root-soil composite systems of the dump slope in the testing area

由图2可知，当区内素土和根-土复合体试样受剪应力作用时，剪应力与剪切位移曲线在开始阶段近似呈线性关系，当剪切位移超过0.1 mm时，则由线性关系转化为非线性关系。同时在相同剪应力作用下，与初始阶段相比，非线性阶段形成相对显著剪切位移，直至剪切破坏后剪应力近似为水平线，且试样剪应力τ随着垂直压力P的增大呈现出显著增大的变化趋势[25]。此外，当剪应力相同时，坡面相同位置处，素土试样剪切位移量较根-土复合体试样显著，如在垂直压力P2=100 kPa作用下，当剪应力为50 kPa时，由坡底至坡顶素土试样剪切位移量分别为3.29，1.73，1.54 mm，根-土复合体试样剪切位移量分别为2.85，1.32，1.14 mm。试验结果表明区内2种草本根系能显著增强排土场边坡浅层土体抗剪强度，并使其稳定性得到显著性的提高[25～27]。

3.3 试样抗剪强度主要影响因素相关性分析

利用多因素相关分析方法，得到排土场边坡坡面不同位置处土体物理性质指标及植物根系数量与试样抗剪强度指标之间的相关性(表5)。

表5 素土、根-土复合体试样抗剪强度主要影响因素相关性分析

注:表中*和**分别代表相关系数显著性达0.05和0.01水平

由表5可知，素土和根-土复合体含水率与黏聚力之间相关系数分别为-0.943和-0.969，呈显著的负相关关系；而根-土复合体试样黏聚力与边坡土体中草本植物根数之间呈显著的正相关关系，相关系数大于0.9，与已有研究结果基本符合[19,28]。同时，素土和根-土复合体的密度与黏聚力之间呈显著的正相关，相关系数分别为0.406和0.733；而内摩擦角则主要受不同粒径土体颗粒含量影响，与不同的颗粒粒径含量呈显著的相关关系，其中与砂粒含量之间呈显著正相关，相关系数分别为0.940和0.926。

此外，素土密度与含水率和不同粒径土体颗粒含量均呈现显著相关性，其中素土密度与含水率之间呈现出显著负相关性，相关系数为-0.551；素土密度与不同粒径的土壤颗粒含量(砂粒、粉粒和黏粒)之间相关系数分别为0.849、-0.910、-0.907。根-土复合体的密度与草本植物根数之间呈显著负相关性，相关系数为-0.890，主要由于草本植物根系能够改善土体的通透性，使得边坡土体密度降低，这与邹慧[28]在研究巨菌草(Pnnisetumsp.)和宽叶雀稗(Paspalumwettsteinii)2种草本植物根系对土体密度影响的结果相似。

3.4 排土场边坡土体抗剪强度变化规律

素土和根-土复合体的抗剪强度指标随排土场边坡位置变化关系如图3所示。由排土场坡底至坡顶位置处，素土的黏聚力呈显著性增加的变化趋势，与坡底位置处相比，坡中、坡顶位置的黏聚力增长幅度为53.06%，77.98%；而根-土复合体黏聚力为：坡中>坡顶>坡底；与相同位置处素土相比，根-土复合体黏聚力增幅分别为29.23%，54.40%，26.45%，该结果表明，区内2种草本根系对增强排土场边坡浅层土体抗剪强度具有相对显著性的增强作用。同时，由植物根系数量和土体含水率与土体抗剪强度之间的关系可知，根-土复合体试样中随着根系数量增多且在未达到最优含根量条件下，使得复合体抗剪强度增大；根-土复合体中含水率增大，使得复合体抗剪强度呈显著降低趋势。例如在区内排土场边坡坡底位置处，尽管根-土复合体试样中植物根系数量为176根，显著高于坡中和坡顶位置，但因坡底位置处的根-土复合体含水率为15.88%，高于坡中和坡顶位置处的含水率9.33%和8.06%，使得区内坡底处的根-土复合体黏聚力相对低于坡中和坡顶位置处。同时，随坡面位置海拔的增加，素土和根-土复合体内摩擦角均表现出增加的趋势，与坡底相比，坡中和坡顶素土与根-土复合体的内摩擦角增长幅度分别为15.12%，50.00%和23.36%，39.93%。由表5所示，土体的内摩擦角主要是受土体中粒径为0.25～0.075 mm砂粒含量的影响，即由坡底至坡顶位置处，土体中砂粒含量相对增加，则使得土体的内摩擦角亦呈现增加趋势，内摩擦角与土体中含根量之间关系相对不显著。

图3 素土和根-土复合体抗剪强度指标变化关系Fig.3 Variation in the shear strength index of soil without roots and the root-soil composite systems

综上所述，在边坡种植草本植物方法，能显著增强边坡浅层土体抗剪强度的作用；受坡面降水入渗作用的影响，坡底处含水率相对增加，草本植物根系对边坡土体抗剪强度的增强作用相对降低，与坡中、坡顶位置处的根-土复合体相比较，其抗剪强度分别降低了16.63，14.87 kPa。鉴于此，采用种植草本植物进行生态修护时，尚需加强对坡底位置处的排水作用，降低坡底土体含水率以有效地提高边坡浅层土体抗剪强度。

4 结论

(1)随坡面位置海拔的增加，未种植边坡素土和种植边坡根-土复合体试样的物理性质变化规律相一致，即密度和砂粒含量呈增加趋势，含水率和粉粒、黏粒含量呈降低趋势，2种草本其生长量指标随坡面位置上升而呈降低的趋势。

(2)直剪试验结果表明，根-土复合体的抗剪强度显著高于素土，在相同剪应力条件下，坡面相同位置处根-土复合体所产生的剪切位移量显著低于素土边坡。

(3)边坡土体抗剪强度的变化受土体物理性质及植物根系数量等多因素之间耦合作用的影响，坡面3个不同位置处含水率对素土和根-土复合体黏聚力的影响相对较为显著，素土和根-土复合体的密度均与不同粒径土体颗粒含量呈显著相关性。

(4)随边坡海拔的增加，未种植边坡素土的黏聚力和内摩擦角以及种植边坡根-土复合体的内摩擦角均表现出增大的趋势；根-土复合体的黏聚力受含水率和根系数量的影响相对较为显著，复合体的黏聚力由大至小依次为坡中、坡顶、坡底。