植被根系固土對邊坡的穩定性影響研究

黃艷婷

(東莞市水務工程質量安全監督站，廣東 東莞 523109)

1 概述

隨著我國經濟快速發展，基礎設施建設與環境保護的矛盾愈發嚴峻，基礎設施的施工導致大量巖土質邊坡裸露。基礎設施建設不僅造成邊坡變形、降低了邊坡的穩定性，嚴重時可能導致邊坡失穩，而且破壞了原有生態。植被根系固土護坡作為一種生態護坡技術，不僅提升邊坡本身的穩定性，還能改善生態環境。

眾多科研工作者針對植被根系固土對邊坡穩定性影響的問題作了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。李紹才等[1]基于室內模型試驗，從植物根系與巖土體相互作用的力學特征出發，研究了植被護坡對邊坡穩定性的影響。王保輝等[2]通過抗剪強度試驗，研究了植被不同根系形式對草本植物根土復合體抗剪強度的影響。晏益力等[3]通過試驗手段，研究了植物根系-土體的相互作用力學原理，分析了植物根系對邊坡穩定性提升作用。楊亞林等[4]和張鋒等[5]基于室內模型試驗，研究了土壤-草本植被根系復合體的強度。戚國慶等[6]、張小娜等[7]和萬娟等[8]通過數值模擬手段，分析了植被護坡對邊坡的穩定性分析，并研究不同影響因素的影響。

本文通過Flac 3D有限元軟件建立植被護坡模型，研究了植被護坡對邊坡穩定性的影響，分析了不同時期根系形態、不同種植密度、不同邊坡角度等因素下邊坡的穩定性，并綜合評估加固效果。

2 工程概況

某水電站死水位320m，正常水位345m，該水電站水庫因蓄水過量導致附近鄉村淹沒和百姓移民。該水庫東北側有一邊坡，坡頂高程為357m、邊坡高度為32m，土體較松散。該地區土體主要有黃褐色粉質粘土及砂巖塊石構成，場地內表面土層為第四系土，土層厚度12～40m范圍，碎石和粘性土構成了該地區的主要土層。根據該工程的詳細地勘報告，該區域土體的力學參數見表1。該地區為亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為12～16℃。區內多年平均降雨量為941.8mm，且多集中在5—9月，占全年的84.38%。

表1 該區域土體的力學參數

3 深基坑的數值模型

圖1為Flac 3D模型圖。該模型總高度為65m，長度為75m，邊坡坡度45°。該模型的約束邊緣條件為：模型左右兩側在垂直于法向方向為固定邊界、模型背部垂直于法向方向為固定邊界、模型底部完全固定邊界。

圖1 三維模型網格劃分圖

土體本構模型選擇摩爾-庫倫模型，具體參數見表1。由于根系只能受拉，且根系與土之間的作用類似于錨索結構，因此采用錨索單位對根系進行模擬，具體參數見表2。

表2 植物根系參數取值表

4 數值結果分析

圖2為原狀邊坡位移云圖，從圖2中可以看出，天然邊坡在自身重力作用下的位移峰值約為4.1mm，且計算所得的邊坡安全系數為2.380。

圖2 原狀邊坡位移云圖

4.1 根系種植密度的影響

為研究根系種植密度對邊坡變形和穩定性的影響，選取8種不同根系種植密度工況：0%、20%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。圖3為密度為20%、60%、80%和100% 四種工況的邊坡位移云圖。如圖3所示，4種工況下的邊坡位移峰值分別為：4.03、3.08、2.89、3.06mm。根據數值模擬結果，表3給出了8種不同密度工況下邊坡的位移峰值和邊坡安全系數。從表3可以看出，隨著根系種植密度的增大，邊坡的位移首先迅速減小隨后衰減幅度放緩，邊坡穩定性安全系數迅速提升并逐漸趨于穩定。但當密度超過80%后，邊坡的位移和穩定性安全系數出現小幅度反彈。可見種植密度為80%時，邊坡的變形和穩定性最好，安全系數較天然邊坡增大0.17，穩定性提升7.1%。

圖3 不同根系種植密度下邊坡位移云圖

表3 不同根系種植密度下邊坡位移峰值和安全系數表

圖4為植被加固前后邊坡剖面豎向和水平位移對比圖。從圖4中可以看出，植被加固后邊坡的豎向位移顯著減小，而水平位移幾乎無影響。這是因為植被根系與土體作用力主要是摩擦力傳遞。而植被的抗彎強度小，對水平位移的影響小。當邊坡不穩定時，植被根系的抗拉強度發揮主要作用。

圖4 植被加固前后邊坡剖面豎向和水平位移對比圖

4.2 根系生長時間的影響

為研究根系生長時間對邊坡變形和穩定性的影響，通過改變根系長度來模擬不同生長時間，給出了根系長度分別為0、1、1.5、2m工況來模擬4個不同生長階段(保持根系為最佳密度80%)。圖5為4種根系長度工況的邊坡位移云圖。如圖5所示，4種工況下的邊坡位移峰值分別為：-3.93、-3.49、-2.97、-2.89mm。根據數值模擬結果，表4給出了4種根系長度工況下邊坡的位移峰值和邊坡安全系數。從表4中可以看出，隨著植被根系的生長，邊坡的位移首先迅速減小隨后衰減幅度放緩，邊坡穩定性安全系數迅速提升并逐漸趨于穩定[9- 10]。

圖5 不同根系生長階段下邊坡位移云圖

圖6 不同邊坡角度下植被護坡后的邊坡位移云圖

表4 不同根系生長階段下邊坡位移峰值和安全系數表

4.3 邊坡坡角影響

為研究邊坡角度對植被護坡的影響，給出了30°、45°和60°三種不同角度邊坡工況。同樣保持根系為最佳密度80%，根系生長長度為2m。圖6為3種邊坡工況的邊坡位移云圖。由圖6可知，植被固土后3種工況下的邊坡位移峰值分別為：-1.142、-2.89、-6.532mm。根據數值模擬結果，表5給出了4種根系長度工況下邊坡的位移峰值和邊坡安全系數。從表4中可以看出，天然邊坡角度增大，其位移顯著增大，穩定性顯著降低。另一方面，當邊坡角度為30°、45°和60°三種工況時，植被護坡后邊坡穩定性提高分別為：5.0%、7.1%和8.8%。可見，植被護坡對大角度邊坡的效果最佳。

表5 不同邊坡角度下植被護坡后的邊坡位移峰值和安全系數表

5 結論

本文基于某水庫邊坡，通過Flac 3D有限元軟件建立植被護坡模型，研究了植被護坡對邊坡穩定性的影響，分析了不同時期根系形態、不同種植密度、不同邊坡角度等因素下邊坡的穩定性。得到以下結論：

(1)植被根系與土體作用力主要是摩擦力傳遞。當邊坡較穩定時，植被根系與土體的摩擦力作用能有效控制邊坡沉降，但對水平位移有效較小；當邊坡不穩定時，植被根系的抗拉強度發揮主要作用。

(2)根系種植密度對邊坡的變形和穩定性有顯著影響。根系種植密度能顯著提升邊坡的穩定性，減小邊坡變形。但不能過多的種植植被，當種植密度過大反而會導致邊坡的穩定性下降。

(3)隨著植被根系的生長，邊坡穩定性安全系數迅速提升但增長幅度逐步放緩；植被護坡對大角度邊坡的加固效果更佳明顯。