我国是煤炭开采与消费大国,多年来煤炭作为国民经济发展的基础能源发挥了重要支撑作用。 煤炭资源的开采为国民经济做出贡献的同时,也对矿区生态环境造成了巨大影响[1-2]。 就国内而言,截至目前,大部分露天开采煤矿以及井工采煤塌陷区的边坡几乎没有得到有效的生态恢复与重建[3-4]。 中共十九大以来,以高质量发展为特征的现代化经济体系,推动经济发展质量变革、效率变革、动力变革,提高全要素生产效率,为煤矿发展提出了更高的要求,需要在安全、智能、绿色、高效等方面取得更大突破。 近年来学者们对基于煤炭绿色开采理念,对矿区生态恢复重建进行了大量尝试[5-7]。 目前大多数矿区边坡往往采用传统工程措施进行边坡防护,不考虑景观效果,不符合生态恢复和可持续发展的理念。
与传统工程措施相比,采用植被进行坡面保护和侵蚀控制具有明显优势,可实现长期有效的固土护坡、美化环境功能[8]。 文献[8-9]将其称为“植物固坡”、“植被护坡”或“坡面生态工程”,国外也称其为“生态护坡”,定义为“用活的植物,单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合,以减轻坡面的不稳定性和侵蚀”[10]。 总而言之,利用植被进行坡面保护和侵蚀控制,可以统一称为边坡生态恢复。 文献[11-13]研究发现植被可以成功应用于边坡土壤加固、防止浅层滑坡和土壤侵蚀。RAIJESH 等[14]通过直剪试验与数值模拟结合的方法证明坡面种植小型植物根系能够提高边坡安全系数。 YANG 等[15]用数值模拟计算了植物根系加固后边坡的安全系数,发现植物根系对深土层的加固效果要优于浅土层,在保证草本植物生长的同时要鼓励根系较深的植物生长。
黄土高原矿区边坡在降水冲刷作用下,边坡剥落病害时有发生,坡面局部往往出现草皮脱落现象,需要进行多次补种,更有甚者发育成为厚层滑塌状剥落[16]。 植被种植保障技术是边坡生态恢复的重要环节之一,其主要解决如何保证植物种植到坡面,并能长期、稳定生长的问题[17-18]。
随着格构锚杆梁复合结构在边坡生态恢复的实际应用,证明该结构具有较好的经济性和适用性[19-20],是一种有效的支挡加固结构,格构框架能够将锚头的应力传递分散至整个坡面,防止锚头处的应力集中,这样就将整个护坡与支撑结构结合在一起,并且在格构之中能够进行植被恢复[21]。 然而,常规采用钢筋混凝土制备格构框架,自重大且后期存在强度损伤的缺陷[22-23]。 此外埋置于坡体中的预应力锚杆(索)在经历长时间服役后大多会因电化学腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀等综合因素发生结构损伤或失效,进而导致坡体破坏[24-27]。
针对当前黄土高原矿区边坡生态恢复植被种植保障结构构筑物工后维护成本高、结构可靠性差的问题,笔者提出基于PVC(聚氯乙烯)板材格构锚杆梁的黄土高原矿区边坡生态恢复治理植被种植保障技术,并对黄土高原矿区边坡生态恢复植被群落设计原则、类型和植被种类选择进行了阐述,研究工作对于进一步揭示基于PVC 板材格构锚杆梁的植被护坡机理,以及黄土高原矿区边坡生态恢复治理研究,实现黄土高原矿区区域经济可持续发展具有重要意义。
基于PVC 板材格构锚杆梁的黄土高原矿区边坡生态恢复治理植被种植保障技术,其效果如图1所示,包括垂直打入黄土边坡的台阶结构面和坡面结构面内的植被种植保障PVC 板材格构1,其设计形状为边长为0.5 ~3.0 m 的正方形,以及嵌入安装在植被种植保障PVC 板材格构1 的多个固土格栅2和种植在多个固土格栅2 中的植被形成的植被群落[17-18]。 其中PVC 板材为高强度 PVC 板材,其设计厚度为10 ~50 mm,设计拉伸屈服应力为 50 ~100 MPa。
图1 PVC 板材格构锚杆梁植被种植保障技术效果示意
Fig.1 Diagram of vegetation planting support technology of PVC plates lattice anchor beam
1—排水沟;2—灌木;3—乔木;4—固土格栅;5—锚杆机构;6—PVC 板材格构
PVC 板材格构1 如图2a 所示[17],包括由 PVC板材制成的多个十字连接构件1-1 和多个中间连接构件1-2,以及用于将植被种植保障PVC 板材格构1 固定在黄土边坡的台阶结构面或坡面结构面上的多个锚杆机构3。
十字连接构件1-1 如图2b 所示,其4 个十字边的长度均相等,十字连接构件1-1 的底部设置有第一刃角1-13,十字连接构件1-1 水平方向上的两端分别设置有第一卡接口1-4 和第四卡接口1-10,十字连接构件1-1 竖直方向上的两端分别设置有第二卡接口1-5 和第三卡接口1-9[17-18]。
中间连接构件1-2 如图2c 所示,为长条状结构,中间连接构件1-2 的底部设置有第二刃角1-14,中间连接构件1-2 的一端设置有与第二卡接口1-5 和第四卡接口1-10 均配合的第五卡接口1-6,中间连接构件1-2 的另一端设置有与第一卡接口1-4和第三卡接口1-9 均配合的第六卡接口1-7,第一卡接口1-4、第三卡接口1-9 和第五卡接口1-6的结构相同且均为设置有开口向下的卡槽卡接口,第二卡接口1-5、第四卡接口1-10 和第六卡接口1-7 的结构相同,且均为设置有开口向上的卡槽卡接口[17-18]。
十字连接构件1-1 上设置有为植物根系提供生长空间的第一孔洞1-3,中间连接构件1-2 上设置有为植物根系提供生长空间的第二孔洞1-11,十字连接构件1-1 的几何中心设置有锚孔1-8,锚杆机构3 包括用于穿入锚孔1-8 中的锚杆3-2 和用于锚固锚杆3-2 的螺栓3-1,多个锚杆机构3 构成了锚杆群;相邻的2 个十字连接构件1-1 通过一个中间连接构件1-2 连接,4 个十字连接构件1-1 和用于连接4 个十字连接构件1-1 的4 个中间连接构件1-2 围成的空腔为用于嵌入安装固土格栅2 的固土格栅安装格1-12;通过在十字连接构件1-1 的底部设置第一刃角1-13,并在中间连接构件1-2 的底部设置第二刃角1-14,能够减小植被种植保障PVC 板材打入黄土边坡内部的阻力[17-18]。
图2 PVC 板材格构及各部件结构示意
Fig.2 Structural diagram of PVC plates lattice and components
1—PVC 板材格构;1-1—十字连接构件;1-2—中间连接构件;1-3—第一孔洞;1-4—第一卡接口;1-5—第二卡接口;1-6—第五卡接口;1-7—第六卡接口;1-8—锚孔;1-9—第三卡接口;1-10—第四卡接口;1-11—第二孔洞;1-12—固土格栅安装格;1-13—第一刃角;1-14—第二刃角;3—锚杆机构;3-1—螺栓;3-2—锚杆
PVC 板材格构基本单元如图2d 所示,包括4个十字连接构件1-1 和4 个中间连接构件1-2,4个十字连接构件1-1 分别布设在PVC 板材格构基本单元ABCD 的4 个顶点绕逆时针方向布设,2 个十字连接构件1-1 通过1 个中间连接构件1-2 连接;其中,每个PVC 板材格构基本单元8 中,位于PVC 板材格构基本单元ABCD 的B 顶点和D 顶点处的十字连接构件1-1 的中心分别布设在相邻2 根施工基准线7 上[17-18],位于PVC 板材格构基本单元ABCD 的A 顶点和C 顶点处的十字连接构件1-1 的中心均布设在施工辅助线9 上;相邻的2 个PVC 板材格构基本单元共用一个十字连接构件1-1,且前一个施做的PVC 板材格构基本单元的菱形C 顶点处的十字连接构件1-1 作为下一个施做的PVC 板材格构基本单元的菱形A 顶点处的十字连接构件1-1。
固土格栅2 如图3 所示,为由均一体成型的左半砌体格栅2-1 和右半砌体格栅2-5 对接组成的矩形砌体格栅,左半砌体格栅2-1 包括矩形的左半边格框2-2、设置在左半边格框2-2 内部的左半内格框2-3 和设置在左半边格框2-2 一侧边上且向内凹的左半圆形格框2-4;右半砌体格栅2-5 包括矩形的右半边格框2-6、设置在右半边格框2-6 内部的右半内格框2-7 和设置在右半边格框2-6 一侧边上且向内凹的右半圆形格框2-8;左半圆形格框2-4 和右半圆形格框2-8 对接组成了位于固土格栅2 中心位置处的植被种植孔2-9[17-18];固土格栅2 具有保水固土的作用。 固土格栅与PVC 板材格构的组合结构如图4 所示。
上述结构设计中,涉及到十字连接构件的十字交叉处的4 个面均为圆弧面,固土格栅的4 个顶点处外凸面均为圆弧面,这是为了与十字连接构件的十字交叉处的4 个圆弧面进行配合使用[17-18]。
图3 固土格栅的结构示意
Fig.3 Structural diagram of soil fixation grid
2—固土格栅;2-1—左半格栅;2-2—左半边格框;2-3—左半内格框;2-4—左半圆形格框;2-5—右半格栅;2-6—右半边格框;2-7—右半内格框;2-8—右半圆形格框;2-9—植被种植孔
图4 固土格栅与PVC 板材格构的组合结构示意
Fig.4 Structural diagram of soil fixation grid with the combination of PVC plates lattice
基于PVC 板材格构锚杆梁的边坡生态恢复治理技术,施工步骤包括:边坡整形、主体结构施工、植被种植、排水结构施工、植被养护。 其中边坡整形、植被种植、排水结构施工、植被养护4 个步骤,现有技术已经相当成熟,本文不再详述。 对于主体结构施工,按照从坡顶到坡脚的顺序,依次在黄土边坡的多个台阶结构面和坡面结构面上进行施工。
首先在黄土边坡的多个台阶结构面和坡面结构面上划出矩形施工区域。 在矩形施工区域内放多条平行于黄土边坡的坡面结构面走向的线,作为施工基准线7,相邻2 条施工基准线7 之间的间距均为其中,L1 为十字连接构件1-1 的一个十字边的长度,L2 为中间连接构件1-2 的长度;然后,在每相邻的2 根施工基准线7 之间的中间位置处放1 条施工辅助线9[17-18];施工基准线、施工辅助线和PVC 板材格构基本单元的布设如图5所示。
图5 施工基准线、施工辅助线和PVC 板材格构基本单元的布设示意
Fig.5 Layout diagram of construction base line,auxiliary line and PVC plates lattice basic unit
7—施工基准线;8—PVC 板材格构基本单元;9—施工辅助线
按照从坡顶到坡脚的顺序,依次在相邻2 条施工基准线7 之间施做多排相互对接的PVC 板材格构基本单元8,PVC 板材格构基本单元的施做过程为:
1)将位于PVC 板材格构基本单元8 的菱形A顶点处的十字连接构件1-1 打入黄土边坡的台阶结构面中[17-18],且使该十字连接构件1-1 的第二卡接口1-5 外漏在PVC 板材格构基本单元8 的AB 边位置处,使该十字连接构件1-1 的第四卡接口1-10外漏在PVC 板材格构基本单元8 的AD 边位置处。
2)在步骤1 中的十字连接构件1-1 的第二卡接口1-5 上,连接位于PVC 板材格构基本单元8 的AB 边位置处的中间连接构件1-2,并将该中间连接构件1-2 打入黄土边坡的台阶结构面中,且使该中间连接构件1-2 的第六卡接口1-7 外漏在PVC 板材格构基本单元8 的AB 边位置处;其中,中间连接构件1-2 的第五卡接口1-6 与十字连接构件1-1的第二卡接口1-5 连接[17-18]。
3)在步骤1 中的十字连接构件1-1 的第四卡接口1-10 上连接位于PVC 板材格构基本单元8 的AD 边位置处的中间连接构件1-2,并将该中间连接构件1-2 打入黄土边坡的台阶结构面中,且使该中间连接构件1-2 的第六卡接口1-7 外漏在PVC 板材格构基本单元8 的AD 边位置处;其中,中间连接构件1-2 的第五卡接口1-6 与十字连接构件1-1的第四卡接口1-10 连接[17-18]。
4)在步骤2 中的中间连接构件1-2 的第六卡接口1-7 上连接位于PVC 板材格构基本单元8 的B 顶点位置处的十字连接构件1-1,并将该十字连接构件1-1 打入黄土边坡的台阶结构面中,且使该十字连接构件1-1 的第二卡接口1-5 外漏,使该十字连接构件1-1 的第四卡接口1-10 外漏在PVC 板材格构基本单元8 的BC 边位置处;其中,十字连接构件1-1 的第三卡接口1-9 与中间连接构件1-2的第六卡接口1-7 连接[17-18]。
5)在步骤3 中的中间连接构件1-2 的第六卡接口1-7 上,连接位于PVC 板材格构基本单元8 的D 顶点位置处的十字连接构件1-1,并将该十字连接构件1-1 打入黄土边坡的台阶结构面中,且使该十字连接构件1-1 的第二卡接口1-5 外漏在PVC板材格构基本单元8 的DC 边位置处,使该十字连接构件1-1 的第四卡接口1-10 外漏;其中,十字连接构件1-1 的第一卡接口1-4 与中间连接构件1-2的第六卡接口1-7 连接[17-18]。
6)在步骤4 中的十字连接构件1-1 的第四卡接口1-10 上连接位于PVC 板材格构基本单元8 的BC 边位置处的中间连接构件1-2,并将该中间连接构件1-2 打入黄土边坡的台阶结构面中,且使该中间连接构件1-2 的第六卡接口1-7 外漏在PVC 板材格构基本单元8 的BC 边位置处;其中,中间连接构件1-2 的第五卡接口1-6 与十字连接构件1-1的第四卡接口1-10 连接[17-18]。
7)在步骤5 中的十字连接构件1-1 的第二卡接口1-5 上连接位于PVC 板材格构基本单元8 的DC 边位置处的中间连接构件1-2,并将该中间连接构件1-2 打入黄土边坡的台阶结构面中,且使该中间连接构件1-2 的第六卡接口1-7 外漏在PVC 板材格构基本单元8 的DC 边位置处;其中,中间连接构件1-2 的第五卡接口1-6 与十字连接构件1-1的第二卡接口1-5 连接[17-18]。
8)将位于PVC 板材格构基本单元8 的菱形C顶点处的十字连接构件1-1 打入黄土边坡的台阶结构面中,使该十字连接构件1-1 的第二卡接口1-5 和第四卡接口1-10 外漏,且将该十字连接构件1-1的第一卡接口1-4 与步骤6 中的中间连接构件1-2 的第六卡接口1-7 连接,将该十字连接构件1-1的第三卡接口1-9 与步骤7 中的中间连接构件1-2的第六卡接口1-7 连接[17-18]。
采用钻孔工具穿过十字连接构件1-1 上的锚孔1-8,在施做有PVC 板材格构1 的黄土边坡的台阶结构面上钻孔,将锚杆3-2 穿过锚孔1-8 放入钻孔中并进行注浆,然后在位于锚孔1-8 上端的一段锚杆3-2 上连接螺栓3-1[17-18]。
植被群落设计应建立符合当地的立地条件、形成适宜立地要求和协调周围环境的植被群落,并满足生态学相关原理的自然性原则、安全性原则、多样性原则、功能性原则和景观性原则[13,28]。
植被群落类型可分为草本型植被群落、草灌型植被群落、灌草型植被群落、乔灌型植被群落和特殊型植被群落[13,29]。 草本型植被群落是以草本植物为主体的植被群落,由于其前期生长快,易成活等特点,是目前边坡生态恢复中应用最多的植被群落类型;草灌型植被群落是以草本植物为建群种、灌木为伴生种的植被群落类型,避免了单一应用草本植物;灌草型植被群落是以灌木为建群种、草本植物为伴生种的植被群落类型,由于灌木根系长且发达,对坡面有很好的加筋作用,能加强边坡稳定性;乔灌型植被群落是以乔木为主要建群种,辅以草灌的植被群落类型[28];特殊型植被群落,在选择物种时要着重考虑景观效果好、观赏价值高的花卉以及一些有特殊寓意的植物,注重颜色和造型上的搭配。 采用灌草型植被群落类型进行黄土高原矿区边坡的坡面生态恢复,对于边坡的多级平台辅以乔木进行生态恢复。
根据气候特征及年平均降水量可将黄土高原矿区进行植被分带,依次分为森林地带、森林草原地带、典型草原地带和荒漠草原地带。 当对实际边坡工程生态恢复时,依据植被群落设计原则及其所处植被分带进行植被种类的选择,黄土高原矿区各植被分带区典型植被见表1。
表1 黄土高原矿区各植被分带区典型植被[30-32]
Table 1 Typical vegetation in different vegetation zones of mining areas on loess plateau
植被分带 地理特征 气候特征年平均降水量/mm乔木 灌木 草本森林地带黄土高原矿区地区的东南部及山西、河南、陕西、甘肃境内的局部山地暖温带半湿润气候>550华山松、铁杉、漆树、油松或栎槭树等荆条、黄刺玫、枸子、丁香、黄栌、三桠绣线菊、木本铁线莲、白刺花、酸枣、荆条、达乌里胡枝子、黄蔷薇等白羊草、黄背草、野菊花、马先蒿、铁杆蒿、茭蒿、山萝卜花、本氏针茅、西伯利亚针茅、大油芒、野古草、隐子草、大油芒和蒿属等森林草原地带黄土高原矿区中部稍偏南地区,南与森林地带相连,北临典型草原区半湿润-半干旱气候450~550油松、辽东栎、山杨、白桦、椴树等自芨稍、自刺花、扁核木、沙棘、虎榛子、榛子、忍冬、三桠绣线菊、酸枣、达乌里胡枝子、柠条等白羊草、本氏针茅、铁杆蒿、茭蒿、本氏羽茅、兴安胡枝子、长芒草、隐子草、白草、茵陈蒿等典型草原地带黄土高原矿区的中部稍偏北,南与森林草原地带相连,北与荒漠草原地带相接暖温性半干旱气候300~450云杉、油松、辽东栎、白桦、山杨等荆条、黄刺玫、白刺花、沙棘等 针茅、披碱草、委陵菜、硷草以及铁杆蒿等荒漠草原地带黄土高原矿区的西北部,东南与典型草原区相连,面积较小半干旱-干旱气候<300 榆树、沙枣、小叶杨等 柽柳、沙柳等 盐蓬、芨芨草、甘草、针茅、披硷草、委陵菜、硷草、铁杆蒿等
1)基于PVC 板材格构锚杆梁的黄土高原矿区边坡生态恢复治理植被种植保障技术,其结构简单,施工方法步骤简便,该技术适用于黄土高原矿区土质边坡或坡率缓于1 ∶0.75 的全风化岩质边坡。
2)PVC 板材还具有耐酸、耐碱、耐盐、原材料丰富和质量小的特性[33];总体上PVC(聚氯乙烯)板材对环境是友好的,对人类健康基本没危害[34-35]。
3)按照设计的厚度为10 ~50 mm 的 PVC 板材具有更好的耐久性,根据已有文献推测其寿命至少30 年[36-37],而钢筋混凝土板材最多30 年[38-40]。
4)PVC 板材的成本比钢筋混凝土的要高,但是从运输成本、施工工期以及后期养护综合来看,PVC板材具有优势。 尤其是在2017 年以来,全国砂石供应普遍减少,价格上涨明显,导致混凝土原材料紧缺,价格也相应上涨的情况下,PVC 板材将更具优势[39,41-42]。
5)与现有技术相比,基于PVC 板材格构锚杆梁的黄土高原矿区边坡生态恢复治理植被种植保障技术具有自身的优势,是一种适用范围更广,更加科学的边坡生态恢复治理技术,基于PVC 板材格构锚杆梁的植被种植保障技术与现有技术对比分析见表2。
表2 现有技术与基于PVC 板材格构锚杆梁技术对比分析[43-44]
Table 2 Comparative analysis of the existing technology and the technology based on PVC plate lattice anchor beam
现有技术 适用条件 特点 对比分析抹面技术人工将水泥砂浆等材料抹覆在坡面上以封闭边坡,从而对坡面起保护作用;抹面适用于尚未严重风化的软质岩石边坡,边坡坡度可不受限制,但坡面应干燥[45]应用范围广,尤其在陡峭的岩石边坡运用最为广泛[46]基于PVC 板材格构锚杆梁技术相抹面技术,前期人力、物力等投入相对较小,景观效果好干、浆砌片石技术包括干砌片石、浆砌片石、护面墙等样式种类;干砌片石、浆砌片石可采用浆砌条石、块石、片石、卵石或混凝土预制块等作为砌筑材料,适用于坡度缓于1 ∶1.00 的易风化的岩石边坡和土质挖方边坡;护面墙可采用浆砌条石、块石或混凝土预制块等作为砌筑材料,也可现浇素混凝土;适用于防护易风化或风化严重的软质岩石或较破碎岩石挖方边坡,以及坡面易受侵蚀的土质边坡取材方便,技术简单;除自重外,不承担其他荷载基于PVC 板材格构锚杆梁技术相比干、浆砌片石技术,结构自重小;不仅起到坡面防护效果,还对边坡稳定性有所提高喷射混凝土技术包括喷浆护坡、喷射混凝土护坡和喷锚护坡等种类。适用于岩性较差、强度较低、易于风化或裂隙发育的岩质边坡易于操作,设备简单,故障率低,施工工期短[47]喷射混凝土技术主要适用于岩石边坡,基于PVC 板材格构锚杆梁技术主要适用于土质边坡框格技术包括骨架护坡、混凝土空心块护坡等种类;骨架护坡适用于边坡坡率缓于1 ∶0.75 土质和全风化的岩质边坡防护与绿化,当坡面受雨水冲刷严重或潮湿时,坡度应缓于1 ∶1.00;混凝土空心块护坡适用于边坡坡率缓于1 ∶0.75 土质和全风化、强风化的岩石挖方边坡,并根据需要设置浆砌片石或混凝土骨架可根据现场情况确定骨架形状,并与周围景观相协 调, 有 良 好 的 景 观性[48];挖方工程量小,景观效果好[49]框格技术虽然考虑了生态恢复,但是其恢复率较基于PVC 板材格构锚杆梁技术低钢筋混凝土格构锚杆技术适用于土质边坡和坡体中无不良结构面、风化破碎的岩石挖方边坡加固效果好,施工便捷,是一种兼顾深层抗滑与浅层护坡的复合支护体系[50]钢筋混凝土结构虽然整体性较好,但是自重较大,基于PVC 板材格构锚杆梁技术在保证结构完整性的同时减轻了材料自重
1)基于PVC 板材格构锚杆梁的黄土高原矿区边坡生态恢复治理植被种植保障技术解决了常规采用钢筋混凝土制备格构框架所存在的自重大且后期存在强度损伤的缺陷,采用耐久性更好、更加轻便、绿色环保的PVC 板材替代混凝土材料,并且从运输成本、施工工期以及后期养护综合来看PVC 板材更具有优势。 该技术改善了格构锚杆梁的传统施工工艺,结构简单,施工方法步骤简便,应用前景好,便于推广使用。
2)基于PVC 板材格构锚杆梁的黄土高原矿区边坡生态恢复治理植被种植保障技术优化了格构锚杆梁结构的设计方法,考虑了随时间变化的动态过程,以及植物根系生长过程中加筋作用逐渐增强,直至结构失效后完全依靠植物根系起到边坡加固的作用,从而实现了边坡稳定性动态管理和后期补强的理念。
3)从生态学的自然性原则、安全性原则、多样性原则、功能性原则和景观性原则来看,采用灌草型植被群落类型进行黄土高原矿区边坡的坡面生态恢复,对于边坡的多级平台辅以施种乔木进行黄土高原矿区边坡工程生态恢复是更加合理的方法,根据气候特征整理出黄土高原矿区典型植被物种,为黄土高原矿区边坡工程生态恢复植物选择提供了理论依据。
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