南方离子型稀土矿山浸矿场地边坡生态修复及土壤稳定性研究

作     者：罗特 

作者单位：江西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈飞

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 080104[工学-工程力学] 0903[农学-农业资源与环境] 0815[工学-水利工程] 0713[理学-生态学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：离子型稀土矿山浸矿场地 水土流失 生态护坡技术 草本植物混播 黑麦草茎 混合生态固化剂 

摘      要：稀土是我国重要的战略资源,主要分布在我国南方地区。随着我国经济发展的需要,对稀土进行大量开采,使稀土矿区的生态环境受到严重破坏,导致滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害问题频繁出现,已经严重影响到周边居民的生命财产安全。生态护坡技术是一种综合植物、土壤、生态和力学等相关理论的护坡技术,该技术已经在诸多实际河道、公路边坡工程中应用,并取得有效成果。针对浸矿场区土壤性质和气候环境,提出一种以草本植物+加筋材料+生态固化剂的新型护坡结构,对矿区边坡土壤进行生态修复试验,为解决实际边坡工程问题提供参考。本文以江西省赣州市定南县大塘尾离子型稀土矿山浸矿场地边坡为研究对象,在矿区进行原地取样,通过试验检测土壤的物理力学性质。利用采集的边坡土壤进行黑麦草与白三叶的混播种植试验,对根土复合结构体的抗剪强度、渗透性及氨氮含量进行试验检测,分析混播后植物生长状态和土体强度的变化。将黑麦草茎作为加筋材料,对不同加筋长度、不同加筋率的重塑土样进行抗剪强度试验,探究黑麦草茎的加筋效果。将水性聚氨酯与膨润土两种固化剂混合,探究混合固化剂加入土体后土体强度的变化,并从试验结果中优选最优的混合配比。将草本植物、加筋材料、混合固化剂相结合,通过室内模拟冲刷试验,验证该护坡系统的稳定性和抗冲刷能力。通过试验研究得到以下主要结论:(1)通过室内试验,测得该矿区土壤颗粒粒径小于2mm占91.18%,颗粒筛分2mm以下土颗粒进行重塑,对不同干密度不同含水率土体进行三轴试验。试验结果表明含水率相同,干密度越大,土壤粘聚力和内摩擦角均增大;干密度相同,含水率增大,土壤粘聚力和内摩擦角均减小。不同的干密度与含水率对土体的稳定性具有较明显的影响。(2)将黑麦草与白三叶以不同比例混播种植,人工无施肥养护77天,由于土壤中营养物质不足导致黑麦草生长受到影响,但白三叶具有固氮能力,提供了黑麦草生长所需的养分,使混播植物生长相互促进。对混播土壤进行氨氮含量测试,土壤中氨氮含量随白三叶占比的增加而增加,随黑麦草占比的增加而减少,当白三叶含量占30%以上黑麦草生长正常,当白三叶含量占40%以上时,其土壤中氨氮含量高于无植物土壤中的氨氮含量。混播种植能促使植物适应更恶劣的土壤环境。(3)混播植物根土复合结构土壤粘聚力与黑麦草的占比和植物生长状态相关,当黑麦草、白三叶各占比50%时,抗剪强度达到最大,粘聚力为素土的343.4%。当白三叶占比40%,黑麦草占比60%时,混播植物根土复合结构的渗透系数最小,抗渗能力最强。植物的根土结构能有效提高土体的抗剪强度和抗渗性能,并且根土结构的稳定性与植物生长状态和混播比例有关。(4)10天～30天阶段黑麦草茎抗拉力逐渐提高,但增加幅度较低,30天～40天黑麦草茎抗拉力增长幅度显著上升。黑麦草茎长度相同,加筋土粘聚力随着加筋率的增加先增加后减小,在加筋率为0.2%时取得最大值;黑麦草茎加筋率相同,加筋土粘聚力随着加筋长度的增先增加后减小,在加筋长度为20mm时粘聚力取得最大值。黑麦草茎是一种较好的加筋材料,当加筋长度为20mm、加筋率为0.2%时加筋效果最佳。(5)19组不同混合配比固化剂溶液与土颗粒混合进行直剪试验,当固化剂溶液中膨润土比重相同时,土样粘聚力大小随水性聚氨酯比重的增加先增大后减小,在水性聚氨酯比重为15时达到最大值;当固化剂溶液中水性聚氨酯比重相同时,土样内摩擦角大小随膨润土比重增加先增大后减小,在膨润土比重为12时达到最大值。碳酸氢钠:水性聚氨酯:膨润土:水=1:15:12:100为最优配比,抗剪强度最佳。(6)以种植混播草本植物为基础,建立多组边坡冲刷模型,设置100L/h的模拟降雨流量,冲刷时间60分钟。对比冲刷效果,加筋材料与混播植物的抗冲刷能力不足,但当边坡表面滴加混合固化剂时,其表面形成的黏膜有效抵御了模拟强降雨的冲刷。综合试验结果表明,以混播植物、加筋材料及固化剂为系统的护坡结构既能显著提高边坡土体的抗剪强度又能有效提高边坡的抗冲刷能力。