CN113412696A - 一种煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，具体实施步骤如下：步骤一，先对煤矸石边坡进行坡面平整、锚杆施工，然后在其表面喷涂高分子聚合物固化剂并进行养护；步骤二，将土壤固化剂加入到客土中，充分混合得到改良客土；步骤三，采用改良客土进行客土喷播，再用无纺布覆盖并养护即可。本发明在原有客土喷播技术的基础上通过高分子聚合物固化剂和土壤固化剂的协同作用，既能在煤矸石边坡表层起到防护作用，又能增加喷播客土的改善植物生长环境，达到边坡浅层加固与生态恢复的效果。

Description

一种煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法

技术领域

本发明属于边坡生态防护工程领域，具体涉及一种煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法。

背景技术

传统的岩质边坡的生态防护多采用客土喷播的方式，但其在特殊的岩质边坡—煤矸石边坡上的应用效果却不够理想。煤矸石边坡大多坡度较陡，强风化的煤矸石遇水易发生崩解，且自燃后的煤矸石呈弱酸性，其重金属含量高，保水能力弱，无法给植物提供一个良好的生长环境。使用传统喷播方法喷播的客土在煤矸石边坡上的稳定性差，易被雨水冲刷，且由于煤矸石自身性质的影响，植物生长情况差，难以达到生态护坡的效果。

在基材中添加粘结剂可以提高客土的抗冲刷能力。在实际工程中，常使用普通硅酸盐水泥作为粘结剂，此方法虽然可以增加客土的抗冲刷能力，但这种粘结剂不能被自然分解，且水泥等粘结剂不利于植物生长，与生态恢复的理念相违背。

因此，找到一种既能在煤矸石边坡表层起到防护作用，又能改善植物生长环境，实现生态恢复的护坡方法具有一定的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，在原有客土喷播技术的基础上通过高分子聚合物固化剂和土壤固化剂的协同作用，既能在煤矸石边坡表层起到防护作用，又能增加喷播客土的改善植物生长环境，达到边坡浅层加固与生态恢复的效果。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，具体实施步骤如下：

步骤一，先对煤矸石边坡进行坡面平整、锚杆施工，然后在其表面喷涂高分子聚合物固化剂并进行养护；

步骤二，将土壤固化剂加入到客土中，充分混合得到改良客土；

步骤三，采用改良客土进行客土喷播，再用无纺布覆盖并养护即可。

优选的，步骤一中，所述的高分子聚合物固化剂为纯丙乳液、水泥、成膜剂和消泡剂的混合物，各原料所占重量百分比为：纯丙乳液55％-65％、水泥25％-35％、成膜剂3％-6％、消泡剂1％-4％。

更优选的，所述纯丙乳液的黏度为200-800mPas，固含量为50±1wt％；水泥为普通硅酸盐水泥；消泡剂为有机硅消泡剂。

优选的，步骤一中，所述高分子聚合物固化剂的厚度为6-8mm，养护时间为7天。

优选的，步骤二中，所述土壤固化剂为聚乙酸乙烯酯乳液，黏度为10-50Pas，固含量为45±2wt％，其加入量为客土质量的2.0～3.0wt％。

本发明中，高分子聚合物固化剂采用简单的搅拌混合即可制得，例如按各原料所占重量百分比，首先将纯丙乳液人工搅拌30s；然后加入水泥，再机械搅拌120s，同时在机械搅拌的过程中加入消泡剂和成膜剂，最后静置5min后再人工搅拌30s，并均匀振动即可。

高分子聚合物固化剂中纯丙乳液的固含量和水泥含量之比称为聚灰比，本发明中，发明人发现聚灰比为1.2左右时，高分子聚合物固化剂的黏度、粘结强度、防水性和耐久性能等综合性能好，其各原材料所占重量百分比为：纯丙乳液55％-65％、水泥25％-35％、成膜剂3％-6％、消泡剂1％-4％，纯丙乳液的黏度为200-800mPas，固含量为50±1wt％。

优选的，步骤三中，客土喷播的方式为：首先，喷射不含植物种子的改良客土，喷厚为喷播总厚度的7/10；其次，喷射含有植物种子的改良客土，其喷播厚度为喷播总厚度的1/10；最后，喷射不含植物种子的改良客土，其喷播厚度为喷播总厚度的2/10，喷播总厚度为18-22cm。

更优选的，植物种子在配制客土前进行催芽处理，客土配制完成后在1～2天内完成喷播作业；植物种子配置量为15-25g/m²；

植物种子为灌木种子和草本种子中的一种或几种；灌木种子为红叶石楠、夹竹桃、火棘、紫穗槐中的一种或几种；草本种子为狗牙根、高羊茅、千里光、白三叶中的一种或几种。

与现有技术相比，发明的优势在于：

(1)本发明所涉及的煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，简单且易用于实体工程。采用在煤矸石边坡表层喷涂高分子聚合物固化剂的方式，一方面可以防止雨水渗透以延缓煤矸石的风化崩解，起到边坡表层防护的作用；另一方面可以降低煤矸石的弱酸性和其含有的重金属物质对植物生长的影响，改善植物的生长环境，起到隔离作用；且喷涂的高分子聚合物固化剂不会妨碍植物根系的生长，植物根系在生长时能够穿过喷涂的高分子聚合物固化剂。

(2)本发明采用绿色环保型生态土壤固化剂代替原有客土喷播中使用的粘结剂与保水剂，一方面聚乙酸乙烯酯乳液能够提高土体强度和稳定性，在植物生长初期阶段对土体起到加固作用；另一方面，经聚乙酸乙烯酯乳液改性后的客土土颗粒的水稳性得到提高，土壤的结构及其物理性质如，孔隙度、通气性、透水性等得到改善，为植物的发芽和生长起到了保温、保湿作用，从而大大提高喷播的效果。生态型土壤固化剂最终可被土壤微生物完全分解，不会造成环境负荷，符合生态环保的理念。

总之，本发明在原有客土喷播技术的基础上通过高分子聚合物固化剂和土壤固化剂的协同作用，既能在煤矸石边坡表层起到防护作用，又能增加喷播客土的改善植物生长环境，达到边坡浅层加固与生态恢复的效果。

附图说明

图1是本发明所用的纯丙乳液的实物图；

图2是本发明实施例1喷涂高分子聚合物固化剂时的A模型箱实物图；

图3是本发明实施例1施工三个月时的A模型箱(a)、B模型箱(b)和C模型箱(c)的实物图；

图4是本发明实施例2中施工前的部分煤矸石边坡；

图5是本发明实施例2中客土喷播的施工现场图；

图6是本发明实施例2中用无纺布覆盖的煤矸石边坡；

图7是龙琅高速采用普通客土喷播法(a)以及采用本发明方法(b)施工后的煤矸石边坡。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于理解，以下结合实施例及附图对本发明做具体阐述。

一种煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，具体包括如下步骤：

步骤一，首先进行坡面平整、测量放线及锚杆施工，然后在所需加固的煤矸石边坡表面喷涂6-8mm厚的高分子聚合物固化剂，再养护7天；

坡面平整的方式为：填补凹陷和裂缝，去除坡面危石、浮石，平整坡面；

锚杆施工的方式为：主锚杆按照水平间距2.5m、顺坡间距2.5m的方式打钻锚孔，孔眼方向与坡面垂直，在孔眼内注浆，将主锚杆***锚孔内至浆液溢出并硬化；次锚杆按照水平间距1.2m、顺坡间距1.2m的方式在相邻主锚杆之间插补次锚杆。为防止锚杆凸出，锚杆伸出坡面长度应不大于9cm；

主锚杆的直径为18-22mm，长度为1.2-1.6m；次锚杆的直径为11-15mm，长度为0.6-1.0m；

高分子聚合物固化剂为纯丙乳液、水泥、成膜剂和消泡剂的混合物，各原料所占重量百分比为：纯丙乳液55％-65％、水泥25％-35％、成膜剂3％-6％、消泡剂1％-4％；

纯丙乳液的黏度为200-800mPas，固含量为50±1wt％；水泥为普通硅酸盐水泥；消泡剂为有机硅消泡剂；

喷涂高分子聚合物固化剂的方式为：采用湿式喷射机喷涂，先用水湿润坡面，使岩面保持一定的湿度，再分段、分片由上而下的进行喷涂，喷涂厚度为6-8mm；

步骤二，将喷播客土质量2.0％-3.0％的土壤固化剂加入到客土中，在常温下进行混合，得到改良客土；

土壤固化剂为聚乙酸乙烯酯乳液，其黏度为10-50Pas，固含量45±2wt％；

客土为土壤、有机质、肥料和pH调节剂的混合物，各原料所占重量百分比为：土壤75％-85％、有机质8％-12％、肥料8％-15％、pH调节剂0.4％-0.7％。土壤以砂性土壤为主，颗粒粒径不超过8mm，可选用工程地原有地表土或附近农用土；有机质为玉米秸秆、腐叶土等；肥料为复合肥。

步骤三，挂网施工，配置植物种子后进行客土喷播，再用无纺布覆盖并养护；

挂网施工工艺为：挂网自上而下放卷铺设，相邻两网之间用绑扎铁丝固定连接，交接处至少重叠10cm；

网为镀锌铁丝网，网格孔距为4-8cm，镀锌铁丝的直径为2.1mm±10％。

客土喷播的方式为：首先，喷射不含植物种子的改良客土，喷厚约为喷播总厚度的7/10；其次，待底基层稳定后，喷射含有植物种子的改良客土，其喷播厚度约为喷播总厚度的1/10；最后，喷射不含植物种子的改良客土，其喷播厚度约为喷播总厚度的2/10，喷播总厚度为18-22cm；

植物种子在配制客土前进行催芽处理，客土配制完成后在1～2天内完成喷播作业；植物种子配置量为15-25g/m²。

植物种子为灌木种子和草本种子中的一种或几种；灌木种子为红叶石楠、夹竹桃、火棘、紫穗槐中的一种或几种；草本种子为狗牙根、高羊茅、千里光、白三叶中的一种或几种；

无纺布为面密度为11-15g/m²的轻质无纺布；

养护方式为：在草种发芽及幼苗期，适时喷水养护，喷播完成一个月后，对生长不良的位置进行补种，在植物逐渐生长过程中，对其适时适量的施肥、浇水和病虫害防治。

实施例1

本实施例中，高分子聚合物固化剂为63wt％的纯丙乳液(黏度为200-800mPas，固含量为50±1wt％)、32wt％的普通硅酸盐水泥、3wt％的成膜剂和2wt％的有机硅消泡剂。

土壤固化剂为聚乙酸乙烯酯乳液，黏度为10-50Pas，固含量为45±2wt％，其加入量为客土质量的2.5wt％。

客土所用土壤为工程地原有地表土，以砂性土壤为主，颗粒粒径不超过8mm；有机质为玉米秸秆和腐叶土的混合物；肥料为复合肥。各原料所占重量百分比为：土壤80％、有机质9％、肥料10.5％、pH调节剂0.5％。

植物种子为狗牙根、千里光、高羊茅、红叶石楠和紫穗槐种子的混合物，各植物种子所占重量百分比为：狗牙根30％、千里光12％、高羊茅18％、红叶石楠20％、紫穗槐20％，植物种子配置量为20g/m²。

通过边坡模型箱实验来检测所述发明方法的有效性，使用三个高度和宽带均为1.2m的边坡模型箱，并将其分别记为模型箱A、B、C，然后将每个模型箱的坡面划分为三个区，坡度分别设为30°、45°和60°，其中A模型箱使用本发明的方法进行施工，B模型箱只喷涂高分子聚合物固化剂，不在客土中添加土壤固化剂，C模型箱既不在表面喷涂高分子聚合物固化剂，也不在客土中添加土壤固化剂，采用原始的客土喷播方法进行施工，其他施工方式与条件保持一致。

所有模拟边坡均在原始坡面上铺设一层10-15cm厚的煤矸石以模拟实际煤矸石边坡，所述煤矸石来自龙琅高速煤矸石边坡的现场取样。

铺设煤矸石后进行高分子聚合物固化剂喷涂，其中所用的纯丙乳液如图1所示，喷涂高分子聚合物固化剂后的模拟边坡A如图2所示。

各模拟边坡露天放置，种苗的管理措施相同。

每两周观测一次，连续观测5个月，观测内容包括植物发芽率、覆盖率、高度、土壤侵蚀率、pH值等。施工3个月后的模拟边坡A～C分别如图3(a)～(c)所示。

在每个模拟边坡坡底设置收集槽，用以收集从坡面流失的土壤。每周将收集槽内的泥土收集并烘干，计算其质量与初始喷播基材的质量占比，得到土壤侵蚀量。土壤最大持水量采用测定饱和含水量的方法得到。实施例1的有效性检测结果，如表1所示。

表1实施例1的有效性检测结果

由表1可得：模型箱A的植物发芽率高于B和C，A、B模型箱的pH值相差不大，C模型箱的土壤偏酸性，表明在煤矸石边坡上喷涂高分子聚合物固化剂能降低煤矸石中的重金属物质和自身的弱酸性对植物生长的影响，改善植物的生长环境。植被覆盖率模型箱A高于模型箱B，模型箱B高于模型箱C，模型箱A的土壤侵蚀率远低于B和C，且随着时间的增加，差距进一步增加，模型箱A的最大持水量远高于B和C，表明喷涂高分子聚合物固化剂和添加土壤固化剂能提高土壤的保水能力，增加客土的抗冲刷能力，改善植物的生长环境。模型箱A的植物发芽高，客土耐雨水冲刷性能好，植被覆盖度高，水土流失量少，施工三个月后植被已基本覆盖坡面，后期土壤侵蚀量进一步降低，具有良好的防护作用。

由图3(a)～(c)可得，模型箱A坡面完整，坡面表层形成了一层具有一定强度和韧性的弹性固结层，且植被发育情况远好于B和C，具有很好的绿化效果。模型箱B、C的坡顶位置植物很少生长，坡面冲刷严重，表明在B、C模型箱坡顶处喷播的植物种子被雨水冲刷带走，以致植物发芽率低，护坡效果差。

采用四联直剪仪测量三个模型箱中根土复合体的抗剪强度，先用环刀分别在三个模拟边坡的坡面随机取5份根土复合体试样，然后在100KPa、200KPa和250KPa的垂直固结压力进行固结快剪实验，剪切速率取0.8mm/min，实验结果取平均值见表2。

表2根土复合体的抗剪强度

由表2得，采用本发明方法施工的模拟边坡A的根土复合体的抗剪强度远高于用传统方法施工的B、C。一方面是因为聚乙酸乙烯酯乳液是由大量表面带有亲水基团的长链组成，在与土壤混合后，亲水基团通过氢键及阳离子交换作用与土颗粒形成紧密的连接结构，故而添加土壤固化剂能够提高土体的强度和稳定性；另一方面是因为本发明的方法能够改善植物的生长环境，使得植物生长茂盛，根系发达，对土体起到加筋作用，从而提高根土复合体的强度。

实施例2

选取位于湖南省娄底市新化县的一煤矸石边坡为实施对象，该边坡位于龙琅高速K68+760－K68+840段的右幅，坡上煤矸石以中风化程度为主，沿线为构造剥蚀形成的丘陵地貌，区内构造剥蚀作用强烈，基岩裸露，植被较少发育。坡面倾角一般在45-60°之间，局部坡度在60°以上。

本实施例中，高分子聚合物固化剂为63wt％的纯丙乳液(黏度为200-800mPas，固含量为50±1wt％)、32wt％的普通硅酸盐水泥、3wt％的成膜剂和2wt％的有机硅消泡剂。

土壤固化剂为聚乙酸乙烯酯乳液，黏度为10-50Pas，固含量为45±2wt％，其加入量为客土质量的2.5wt％。

客土所用土壤为工程地原有地表土，以砂性土壤为主，颗粒粒径不超过8mm；有机质为玉米秸秆和腐叶土的混合物；肥料为复合肥。各原料所占重量百分比为：土壤80％、有机质9％、肥料10.5％、pH调节剂0.5％。

植物种子为狗牙根、千里光、高羊茅、红叶石楠和紫穗槐种子的混合物，各植物种子所占重量百分比为：狗牙根30％、千里光12％、高羊茅18％、红叶石楠20％、紫穗槐20％。

按本发明的方法进行该边坡的施工，另选取附近一按原始客土喷播方法进行施工的煤矸石边坡为对照，施工一年后的两边坡如图7所示。

通过图7(a)、(b)的对比得出，采用普通客土喷播法施工的边坡(a)，植物发育不良，植被覆盖率低，坡面雨水冲刷痕迹明显；而采用本发明方法施工的煤矸石边坡(b)取得了较好的技术效果，其坡面绿化基本覆盖、植被发育良好，环境质量明显优化，边坡防护与生态恢复的效果初步体现。

Claims (7)

1.一种煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

步骤一，先对煤矸石边坡进行坡面平整、锚杆施工，然后在其表面喷涂高分子聚合物固化剂并进行养护；

步骤二，将土壤固化剂加入到客土中，充分混合得到改良客土；

步骤三，采用改良客土进行客土喷播，再用无纺布覆盖并养护即可。

2.根据权利要求1所述的煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，其特征在于：步骤一中，所述的高分子聚合物固化剂为纯丙乳液、水泥、成膜剂和消泡剂的混合物，各原料所占重量百分比为：纯丙乳液55％-65％、水泥25％-35％、成膜剂3％-6％、消泡剂1％-4％。

3.根据权利要求2所述的煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，其特征在于：所述纯丙乳液的黏度为200-800mPas，固含量为50±1wt％；水泥为普通硅酸盐水泥；消泡剂为有机硅消泡剂。

4.根据权利要求2所述的煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，其特征在于：步骤一中，所述高分子聚合物固化剂的厚度为6-8mm，养护时间为7天。

5.根据权利要求2所述的煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，其特征在于：步骤二中，所述土壤固化剂为聚乙酸乙烯酯乳液，黏度为10-50Pas，固含量为45±2wt％，其加入量为客土质量的2.0～3.0wt％。

6.根据权利要求2所述的煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，其特征在于：步骤三中，客土喷播的方式为：首先，喷射不含植物种子的改良客土，喷厚为喷播总厚度的7/10；其次，喷射含有植物种子的改良客土，其喷播厚度为喷播总厚度的1/10；最后，喷射不含植物种子的改良客土，其喷播厚度为喷播总厚度的2/10，喷播总厚度为18-22cm。

7.根据权利要求6所述的煤矸石边坡浅层加固与生态恢复的方法，其特征在于：植物种子在配制客土前进行催芽处理，客土配制完成后在1～2天内完成喷播作业；植物种子配置量为15-25g/m²；

植物种子为灌木种子和草本种子中的一种或几种；灌木种子为红叶石楠、夹竹桃、火棘、紫穗槐中的一种或几种；草本种子为狗牙根、高羊茅、千里光、白三叶中的一种或几种。

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