关于露天煤矿堆场边坡中短时强降雨引发的降雨侵蚀机制及防护技术的研究

《Ecological Engineering》：Study on the rainfall erosion mechanisms and protection technology induced by short-duration intense rainfall in open-pit coal mine dump slopes

短时强降雨引发露天矿排土场浅层失稳问题，本研究提出聚乙烯醇（PVA）材料与沙棘（S. psammophila）沙障协同防护策略。通过室内模拟降雨试验（37°/43°坡度，70-90 mm/h降雨强度），发现单独沙障仅有效于中等降雨（<80 mm/h），而PVA硬化表层（2-3 cm）可实现全降雨强度下零侵蚀和渗透。协同系统显著提升稳定性，SEM分析表明PVA与土壤颗粒形成氢键膜增强粘聚力，湿度传感器和渗透深度监测显示PVA有效降低渗透速率和延迟饱和。建立四阶段失稳模型（初始渗透-差异沉降-张拉开裂-浅层滑动），证实协同防护在极端降雨下有效抑制侵蚀，为矿山生态治理提供新方案。

　　

刘伟|徐向天|严晓宇|王振宇

内蒙古大学交通学院，中国内蒙古自治区呼和浩特市010070

摘要

短时间强降雨已成为露天矿堆场边坡浅层失稳的主要诱因，导致地表侵蚀、浅层滑坡（<5米）和作业安全隐患。本研究旨在探讨此类降雨事件相关的失稳机制，并评估一种结合聚乙烯醇（PVA）材料与沙生柳（Salix psammophila）沙障的合作保护策略。为此，在37°和43°的坡度上进行了十二次人工降雨试验，降雨强度分别为70、80和90毫米/小时。结果表明，仅使用沙生柳沙障在中等降雨强度（<80毫米/小时）下能有效减少侵蚀，而在更高强度下侵蚀面积比例从34.3%增加到65.0%。相比之下，经过PVA处理的坡面形成了2-3厘米的硬化表层，在所有条件下均无侵蚀和渗水现象。此外，PVA + 沙生柳组合系统优于单一措施，提高了机械稳定性和生态潜力。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，PVA与土壤颗粒形成了结合膜，从而增强了凝聚力并抵抗了冲刷。湿度传感器和渗透深度追踪显示，PVA显著降低了渗透速度并延缓了土壤饱和。提出了一种四阶段失稳模型——初始渗透、差异沉降、张力裂缝和浅层滑移——来解释观察到的失稳模式。这种综合保护方法显著降低了侵蚀风险，特别是在极端降雨条件下，为矿区边坡的可持续管理提供了有前景的解决方案。

引言

由矿产开采产生的废料堆场边坡是广泛存在的人工地质结构，存在显著的稳定性风险。它们的不稳定性直接威胁着矿山安全、人类生命、财产以及周边生态系统（刘等人，2025；田等人，2022）。在各种导致不稳定的因素中，短时间强降雨——以突然开始、高强度和短暂持续时间为特征——已成为浅层边坡失稳（通常深度<5米）的关键且频繁的自然诱因，如崩塌、滑坡和颗粒流（Pradhan等人，2022；王等人，2023；Siddle等人，1996；Shakesby和Whitlow，1991；Kovrov等人，2020）。这些失稳虽然规模相对较小，但发生非常突然，难以预测，并直接危及坡脚的人员和基础设施。

统计数据显示，大约80%的与浅层不稳定相关的矿区安全事故直接与强降雨渗透有关。其核心不稳定机制涉及浅层土壤水力-力学状态的快速变化：渗透显著降低了非饱和土壤的基质吸力，削弱了剪切强度，而孔隙水压力和单位重量的增加则增强了下坡驱动力（Nguyen等人，2022）。对于废料堆场材料而言，这些效应尤为严重，因为它们通常具有松散的结构、不均匀的压实度和高渗透性。因此，了解在这种降雨条件下的失稳机制并开发有效的保护技术是预防矿山灾害的迫切需求。

全球气候变化，特别是在中国北部地区降雨量显著增加（Gan等人，2023），加剧了这一问题。现有研究广泛分析了降雨引起的边坡不稳定性，尤其是滑坡和泥流（Chen等人，2020；Gao等人，2020；Xiong等人，2019；Chen等人，2020；Gao等人，2020；Tai等人，2023）。露天采矿对地表的影响远大于地下采矿——影响程度可达2到11倍（Miao和Marrs，2000）。在降雨期间，废料堆场边坡上的细沟侵蚀迅速发展，并随着降雨时间的延长而加深（Shi等人，2016；Hancock等人，2008），阻碍了植被恢复并加剧了生态退化（Guerrero-Campo和Montserrat-Martí，2004）。同时，废料堆场建设时土地可用性受限，常常导致坡度陡峭、高填土堆场，由压实不良、高孔隙性的材料组成，容易发生沉降和水引起的变形（Rong等人，2016；刘等人，2023；Zhang等人，2022b）。因此，降雨引起的侵蚀和浅层滑坡经常扰乱安全的采矿作业并降低生产效率（Ye等人，2024；王等人，2022；Cao等人，2020；王等人，2024）。这些问题凸显了需要适合短时间强降雨条件的保护措施。

目前的保护策略主要涉及植被恢复（Bao等人，2012；Drazic等人，2012；Lovich和Bainbridge，1999；Zhang等人，2011；Zuo等人，2010）和工程措施（如沙生柳沙障）。植被可以减少雨滴动能和径流，从而减轻侵蚀（Zhang等人，2015），但其建立需要相当长的时间。沙障提供了一定的保护，但在极端降雨下往往效果不足且缺乏长期有效性。已经探索了土壤改良剂来改善土壤结构和植物存活率（Yang等人，2024；Zhang等人，2023；Sun等人，2024；Hu等人，2024；Yang等人，2021），但它们在植物建立期间的即时保护效果仍然有限。模拟降雨研究提高了对侵蚀过程的理解，强调了沉积物粒径分布和径流作用等因素（Berger和Schlunegger，2010；Shainberg等人，1992）。然而，这些研究很少系统地考虑强降雨和典型矿堆场陡坡的联合影响。

缺乏针对废料堆场边坡独特材料特性和水文条件的有效、合作保护技术的研究。当前措施（例如单独使用沙障）在强降雨下往往无效，且缺乏经过验证的长期稳定性。需要创新且成本效益高的材料或综合方法，能够在植物完全建立之前的脆弱时期提供即时侵蚀抵抗能力，并支持长期生态稳定。

本研究提出并评估了一种新型、成本效益高的土壤边坡保持材料：高度醇化的聚乙烯醇（PVA）溶液。这种两亲性聚合物含有丰富的羟基，能与水和土壤颗粒形成氢键。通过特定的温度调节过程制备（在50-60°C下搅拌，保持在85-90°C，然后冷却），可得到可根据需要稀释的稳定溶液。其使用成本低至约0.4元人民币/平方米，具有很高的经济性。先前的应用在荒漠化控制和 dust 抑制方面显示出潜力（Wang等人，2005），初步研究表明其有助于提高土壤强度和渗透性（Zhang等人，2021；Zhang等人，2022c）。然而，其在矿区边坡保护中的应用，特别是在模拟极端条件下的应用，尚未得到探索。

PVA材料和沙生柳沙障的组合保护系统在减轻不同强度短时间强降雨和不同坡度角度下的废料堆场边坡侵蚀和浅层失稳方面的表现如何？PVA材料通过何种机制增强边坡稳定性，特别是在土壤固结和降雨侵蚀预防方面？与传统方法相比，这种组合方法是否提供更好的长期稳定性和侵蚀抵抗能力？基于材料的特性，本研究采用室内模拟降雨实验，在控制的降雨强度和坡度角度条件下评估PVA-沙障组合的有效性。通过整合实验数据，我们旨在分析保护机制，并为矿山边坡修复的知识体系提供实用的、成本效益高的解决方案，对矿山安全和环境保护具有重要意义。

研究区域

研究区域位于中国内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶海镇的露天矿堆场（图S1a–e），位于库叶河流域上游。该地区具有南部低地和北部高地地形，典型的丘陵和沟壑景观。平均海拔约为1268米，气候为温带大陆性季风气候。降雨主要集中在6月至9月，年平均降水量为320毫米

降雨期间边坡渗透和含水量变化的分析

根据图1中不同方案的湿润前沿深度发展曲线，湿润前沿的演变过程可分为两个阶段：渗透加速阶段（0–60分钟）和渗透稳定阶段（60–100分钟）。当坡度保持37°时，裸露边坡的湿润前沿深度随着降雨强度（70毫米/小时、80毫米/小时、90毫米/小时）的增加而从14.3厘米增加到16.0厘米。相比之下，沙丘的湿润前沿深度随着

讨论

本研究的一个关键且有些反直觉的发现是，在持续强降雨下，由沙生柳（Salix psammophila）沙障保护的边坡最终可能比裸露边坡经历更严重的侵蚀（图8）。虽然沙障在早期阶段（0–20分钟）有效固定土壤并拦截径流，限制了初始侵蚀（10.8% vs. 19.3%的侵蚀面积），但其保护机制会随着时间的推移而减弱。随着降雨持续（20–60分钟），松动的土壤

结论

本研究通过人工降雨模拟，研究了采矿区堆场边坡在强降雨条件下的不稳定性和失稳机制。研究提出了一种结合沙障和聚乙烯醇（PVA）材料的合作保护技术，并探讨了其在不同坡度和降雨强度下的影响。

(1)

湿润前沿和含水量分析表明，PVA材料减缓了渗透，抵抗了

CRediT作者贡献声明

刘伟：撰写——原始草稿，验证，方法学，正式分析，数据管理，概念化。徐向天：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，验证，监督，软件，方法学，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。严晓宇：方法学，正式分析，数据管理。王振宇：正式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号42201142，51778590）、内蒙古自治区自然科学基金（项目编号2024LHMS04007）和内蒙古自治区“科技兴蒙”行动计划重点项目（项目编号2022EEDSKJXM005-04）对本文研究的财政支持。