基于COMSOL Multiphysics的高陡巖質邊坡復綠植生孔最優角度研究

宋 豪, 吳圣林, 米爾阿地力·阿布都艾尼1,, 史繼彪, 劉 抗, 趙天然, 李明亮, 瞿 虎1,

(1.徐州中礦巖土技術股份有限公司, 江蘇 徐州 221008;2.中國礦業大學資源與地球科學學院, 江蘇 徐州 221116;3.江蘇省采空區治理與生態修復工程技術研究中心, 江蘇 徐州 221008)

1 前言

伴隨我國基礎設施建設大力實施和露天礦資源高強度開發,公路、鐵路、水利、電力、橋涵、隧道、礦山等大型工程在帶來便利和滿足我們資源需求的同時,大量巖土體的開挖造成了一系列裸露邊坡,其中部分高陡巖質邊坡的復綠問題至今仍是疑難雜癥。

近年來裸露邊坡生態修復、復綠的新技術新方法層出不窮,植生孔復綠技術作為其中一種,面對部分無法“砍肩修腳”的高陡(坡度大于65°)巖質邊坡,有著不受坡度、坡高的限制,施工工藝相對簡單、復綠效果快速持久等優勢。植生孔復綠修復技術就是利用適宜的鉆具在邊坡上打出許多具有一定孔徑、深度、角度的種植孔,在孔內種(栽)植耐瘠薄、抗干旱、耐嚴寒的植物,使坡面迅速恢復植被的一種邊坡生態治理技術[1]。

植生孔復綠技術雖說在面對高陡巖質邊坡復綠上有一定的治理優勢,但目前學術界和工程界對植生孔復綠技術的研究和應用水平都仍然處于較為初級的階段,植生孔在坡面上的角度(植生孔軸線與水平面夾角)等設計參數的確定上仍然模糊,植生孔角度變化如何改變邊坡上的地境條件進而影響邊坡復綠治理成效沒有相應的學術定論。植生孔角度等參數的模糊設計則會導致復綠植物復綠效果無法保持在較高水準。

目前針對植生孔角度的研究相對較少,王玲[2]等人提出植生孔施工角度需要根據巖體裂隙的發育產狀確定,以切穿更多的裂隙為原則,具體確定方法可以通過繪制裂隙傾向玫瑰花圖完成,但需要注意的是無論如何種植孔的角度不得朝下。黃景春[3]等人提出植生孔角度的確定還需有利于植物最大限度地截留降雨和流水攜帶物且需方便施工。礦山生態修復技術規范中提出植生孔軸線與坡面夾角應保持10°～45°,但并未提出更詳細的設計方法。從目前的研究現狀來看,前人對植生孔角度的確定方法大都提出原則性約束條件或給出模糊設計范圍,未提出詳細設計方法或對給出的設計范圍進行解釋。

高陡巖質邊坡處于裸露狀態的主要原因是由于其坡面陡峭光滑存不住水土,巖石質地堅硬、抗風化能力強無法溝通內部結構面等特性,無法給植物提供必要的地境條件。因此植生孔的構造原則應為“存住土”“接住水”“穿裂隙”“抗蒸發”等為植物提供最佳地境條件為宜。對于不同工程地質條件的高陡巖質邊坡,植生孔鉆孔角度的不同會導致植生孔的復綠效果(植物成活率、生長速度)存在一定程度的差異,不同的成孔角度會導致孔內結構面揭露程度、水分補給排泄、空間利用率、高溫熱濕交換等發生較大變化。鑒于此,本文展開了植生孔角度的變化對復綠植物地境條件影響規律及最優角度確定方法的研究。

2 研究區概況

本文以徐州及周邊淮海地區的裸露高陡巖質邊坡為研究對象。該地區屬暖溫帶半濕潤季風氣候,春秋季節多晴少雨,蒸發強度大,?，F旱情;夏季降雨集中,易形成洪澇;冬季寒冷少雨且多霜凍。年平均氣溫14.2 ℃,歷史最高、最低氣溫40.6 ℃、-22.6 ℃;多年平均降水量837.8 mm,降水集中在 7～9月,占全年降水量的67%以上,多年平均蒸發量1 813.6 mm。

該地區裸露高陡巖質邊坡多為各類建材采石宕口殘留邊坡。坡面平整度不均一,部分坡體巖層面直接揭露,坡面平整光滑;部分布滿陡坎,平整度較差。坡體巖石質地堅硬,抗風化能力強,坡度一般為65°～80°,坡高最高可達100 m。地層屬“華北地層魯西分區徐宿小區”;巖性多以各類灰巖、白云巖、白云質灰巖為主,且部分坡體有侵入巖分布。

3 研究方法與過程

基于對研究區裸露邊坡的地質調研及邊坡生態修復項目的復綠效果追蹤研究,結合對現有文獻研究成果的歸納總結,提出了用于確定植生孔最優角度的四項定量指標。文中使用Creo Parametric建立內含植生孔、結構面的坡體模型,并提出相應計算式,計算孔內空間利用率、結構面揭露程度指標;使用COMSOL Multiphysics多物理場數值模擬[4]方法計算接受水分補給能力、抗蒸發能力指標。為驗證模擬結果,于江蘇省徐州市園博園巖秀園宕口建立高陡邊坡生態修復試驗基地,設置一定數量的試驗孔,現場監測和測量坡面試驗孔各項數據并進行了分析和驗證。

3.1 三維模型建立與計算

1)孔內空間利用率計算方法

為探究植生孔角度與孔內空間利用率的定量規律,找尋空間利用率較高的植生孔角度,本文采用Creo Parametric三維建模軟件,按表1所示工況1條件下的坡面幾何參數,以常用植生孔基質土類型粉質黏土干燥狀態下的自然安息角37.5°和濕潤狀態下自然安息角20°為例,建立60°、70°、80°三種坡面,每種坡面30°～80°六種植生孔角度,共18個三維幾何模型。計算各植生孔孔內可填置土體的體積Vr與實際鉆孔體積V之比,來衡量各角度植生孔其孔內空間利用率Us,揭示其規律,具體示意圖如圖1所示?？臻g利用率Us表示為式(1)。

圖1 植生孔空間利用率計算示意圖

表1 各工況邊坡三維模型幾何參數

(1)

2)孔內結構面揭露面積計算方法

通過Creo Parametric建立多種工況坡面幾何模型,如表1所示工況2和試驗區工況,在坡體內部構建不同產狀、相同間距、平行無限延伸的多組結構面,根據孔內揭露的結構面長度、厚度及孔隙率參數計算各工況植生孔在坡體內角度變化時其孔內結構面揭露面積,從而以結構面揭露面積峰值對應的角度確定最優揭露角度,具體如圖2所示。結構面揭露面積表達式見式(2)

圖2 植生孔結構面揭露程度計算示意圖

(2)

式中,Uf為結構面揭露面積(mm2);li為孔內第i條結構面揭露長度(mm);bi為第i條結構面厚度(或張開度)(mm);φi為第i條結構面孔隙率,無充填介質取值為1。

3.2 植生孔多孔介質非飽和入滲模擬

大氣降雨時或對坡面進行噴淋養護時坡面上的植生孔角度的設計是否更易于接受和收集更多的水分,對復綠植物的生長和生存較為重要。為探究高陡巖質邊坡自然降雨或噴淋養護等類似補給方式對不同角度植生孔內基質土含水量的影響,通過COMSOL Multiphysics數值模擬軟件,利用非飽和入滲理論Richards方程數學模型,研究高陡邊坡植生孔幾何模型在降雨條件下通過結構面和植生孔開口的變飽和入滲特性,在數值模擬層面上實現降雨條件下結構面與坡面植生孔開口對幾何模型內基質土的入滲以及排泄作用。建立特定高陡巖質邊坡幾何模型(特定坡向、坡角、巖層產狀),在坡體上設置不同角度、不同裂隙發育產狀組合下多種工況的植生孔。研究孔內基質土含水量的變化規律,分析不同角度植生孔降雨條件下孔內基質土接受補給能力,判定最佳角度。

1)控制方程與幾何模型

高陡巖質邊坡植生孔接受補給的過程是水分在基質土和結構面填充介質內非飽和入滲的過程。COMSOL內對這一過程的數值模擬采用Richards[5]方程進行描述,其本質與Darcy定律應用模式相似,區別在于材料的水力參數是非線性的,隨不飽和狀態發生變化[6],具體見式(3)

(3)

式中,ρ為水的密度(kg/m3);Cm為容水度(1/m);g為重力加速度(m/s2);Se為有效飽和度;S為貯水系數(1/Pa);p為壓力(Pa);Ks為飽和滲透系數(m/s);kr為相對滲透率;D為高程(m);Qm為流域內的源或匯[kg/(m3·s)]。其中Cm、Se、kr均為壓力p的函數。

為了便于研究非飽和入滲過程中結構面充填介質滲流特性,構建了植生孔為中心孔周1.25 m范圍的局部坡體模型如圖3所示,小尺寸模型方便研究細小裂隙與植生孔滲流補給排泄特性,且可防止因尺寸變化過大而導致的網格劃分錯誤和計算不收斂的問題。模型具體尺寸為高、寬2.5 m,坡長由坡角而不同;位于坡面中心的植生孔長50 cm、孔徑20 cm;內含多組結構面,呈平行無限延伸分布。

圖3 植生孔非飽和入滲幾何模型

采用COMSOL自帶網格劃分功能,使用自由四面體單元自動劃分較粗化網格,網格靠近結構面、植生孔尺寸較小結構處較細小,遠離則較粗大,模型共計約37萬個網格單元。網格劃分大小對模擬計算結果影響極小可忽略不計。模型除了各結構面在坡面上的開口、植生孔開口,其余所有外邊界均為不透水邊界。此模型中基質土、結構面、巖體三者均用Richards接口定義,但完整巖塊孔隙率和滲透系數極小,只起到給結構面和植生孔提供空間支撐作用。儲水模型為自帶線性儲水方程,模型底部不聯系地下水,模型初始壓力條件控制多孔介質初始飽和度,初始飽和度定為0.3。

2)解析方程

為求解上述方程(3),需建立有效飽和度Se、容水度Cm、相對滲透率kr與壓力p之間的相互關系解析式,COMSOL內給出兩種最常用的解析式,分別是Van Genuchten[7](VG)模型和Brooks and Corey[8](BC)模型。兩者區別在于,流體壓力等于大氣壓時使用VG模型,流體壓力發生變化或在無充填介質裂隙內的毛細力作用下(裂隙-孔隙雙重介質非飽和入滲時的裂隙流)使用BC模型可以較為準確的描述其過程。本文采用VG解析模型求解大氣降雨從坡體結構面充填介質和植生孔開口處補給孔內基質土的滲流過程,植生孔內基質土和結構面充填介質水力參數見表2,其中部分適用參數參考文獻[9],VG模型具體解析方程見式(4)～式(6)。

表2 基質土和結構面水力參數取值

(4)

(5)

(6)

式中,有效飽和度Se與體積含水率θ關系為Se=(θ-θr)/(θs-θr),θr為殘余含水率(%),θs為飽和含水率(%);α、l、m、n均為本構關系常數,且m=1-1/n,它們的取值定義特定介質類型;Hp為壓力水頭(m),Hp=p/(ρg)。

3)降雨邊界

模擬軟件中對于邊坡降雨入滲的邊界條件設置方式有所不同且有各自優劣。對降雨邊界模擬的關鍵在于是否能將降雨量的實際入滲補給多孔介質的部分和表面徑流流失的部分區別開。對于降雨邊界,李寧[10]等人采用編程語言對降雨邊界二次開發,克服了軟件中只能模擬降雨量全部入滲的問題。侯曉萍[11]等人采用前人[12]提出“空氣單元”的方法以及COMSOL軟件中的“透水層”和“探針”功能對裂隙土的上邊界進行模擬,可在降雨量大于土體入滲量時使多余積水沿表面徑流。

本文則使用軟件Richards方程接口中的“入口”邊界,通過分段函數控制“入口”的法向流入速度的方法實現降雨邊界的模擬。相對滲透率kr與飽和滲透系數Ks乘積大于等于降雨量q時全部入滲,反之則按實際滲透系數進行部分入滲。此方法也可防止降雨量較大時全部入滲的問題,可排除地表徑流流失部分的水量,且此方法具有良好的計算收斂性。

3.3 植生孔熱濕耦合水汽運移模擬

高溫干旱條件下植生孔內基質土水分會從孔口蒸發,并不斷減少基質土的含水量。為研究植生孔成孔角度的改變對孔內基質土水汽運移量的影響,本文運用含濕多孔介質熱濕耦合流動理論,在COMSOL軟件內利用其“濕空氣傳熱”“空氣中的水分輸送”“層流”接口模擬高溫干旱條件下植生孔內基質土水分不斷蒸發運移的過程。模擬計算不同角度模型孔內基質土的相對濕度、溫度隨時間變化,并探究其原因,進而選擇抗蒸發能力最佳植生孔設計角度。

多孔介質熱濕耦合流動的模擬需要考慮以下三種物理效應:流體的流動、熱傳遞以及液態水和氣態水的傳輸。模型將涉及“熱-水-力”三種物理場的耦合,可以使用 COMSOL 預定義的上述幾個接口模擬非飽和多孔介質中的這些物理效應。

3.3.1 控制方程與幾何模型

含濕多孔介質高溫熱濕耦合水汽運移的模擬過程囊括了濕空氣傳熱、空氣中的水分輸送、多孔介質兩相流、多孔介質中的水分輸送、多孔介質傳熱等多種理論,有關控制方程和多物理場耦合原理詳見COMSOL用戶手冊或參考文獻[13-15]。

坡體模型采用坡高2.5 m的小尺寸二維模型,坡體外設置4 m×5 m“空氣單元”包裹整個坡體,供相對干燥的熱空氣流動及環境溫度的傳遞。植生孔設置位置于坡面中心與尺寸與上文一致。模型由COMSOL自動劃分較粗化自由三角形網格,單個模型約62.5萬個網格單元,最小單元尺寸1 mm,最大880 mm。模型熱濕參數取值見表3,基質土的蒸汽滲透率和液態水滲透率在軟件內自定義函數確定。

表3 模型各介質熱濕參數

3.3.2 模型邊界與初始條件

模型“空氣單元”左右邊界分別為熱空氣的出口和入口,上下邊界為隔絕熱、水和空氣流動的“壁”邊界。坡面上的植生孔開口和結構面開口處為水分蒸發界面。坡體內部的巖體、植生孔、結構面等所有域都可以接受和傳遞環境溫度。圖4所示為水汽運移模型,干燥熱空氣以一定流速從入口邊界流入“空氣單元”域,給坡體傳遞熱量并干燥植生孔內基質土帶走一定量水分,由出口流出。

圖4 植生孔熱濕耦合水汽運移模型

3.4 試驗區復綠邊坡植生孔監測

為驗證模擬結果,于江蘇省徐州市園博園巖秀園宕口建立高陡邊坡生態修復試驗基地,設置一定數量的試驗孔,現場監測和測量坡面試驗孔各項數據并進行了分析和驗證。試驗區具體位置位于銅山區呂梁懸水湖風景區內懸水湖南側,X309路北側,原為廢棄采石宕口,現已治理成為宕口花園。試驗區邊坡地層主要為震旦系倪園組厚層狀灰巖、白云質灰巖、薄層狀白云質灰巖,局部分布侵入巖輝綠巖。地層產狀300°～320°∠17°～25°,節理裂隙較發育。

試驗區宕口花園坡面治理時由上至下分為三個區域,底部較緩坡面采取喬木栽植、擋墻填土、生態袋、噴播的治理措施,中部采取灌木栽植、生態袋、噴播治理措施,頂部最陡區為植生孔覆綠區,為試驗基地核心監測和測量區域,也是三維模型建立與多物理場數值仿真的對象。植生孔覆綠區,坡面產狀230°～235°∠70°～80°,植生孔數量約1 000個,單孔尺寸為長50 cm、直徑20 cm的圓柱體。

在試驗區復綠坡面底部0～5 m范圍、中部5～10 m范圍的植生孔均勻分布分別安裝64個、32個雙插針溫濕度傳感器,實時監測不同角度植生孔孔內基質土在自然降雨條件下或開啟噴淋養護時的接受水分補給后體積含水率的變化,以及干旱條件下的濕度衰減速率。試驗孔分布如圖5所示。

圖5 試驗孔分布位置

4 研究結果與分析

4.1 孔內空間利用率

對于任意坡面,植生孔成孔角度不垂直于坡面,都會使植生孔柱體在空間上形成斜開口柱體而非標準圓柱體。植生孔內置基質土并非能完全充滿整個斜開口柱體,而會因自然降雨、風化營力等因素流失、被剝蝕一部分基質土,最后在孔內以其自然安息角度存在。這會導致植生孔損失部分可利用體積,而損失量也會因植生孔角度、坡角的改變而改變。

圖6所示為空間利用率曲線圖,以粉質黏土為例的植生孔的孔內空間利用率隨邊坡坡角和植生孔角度的增大而減小,且后期經降雨浸潤流失過后的濕土體積比初期干燥狀態下的整體少10%。結果表明植生孔設計角度保持在40°～60°時能保證一定的植生孔空間利用率,植生孔設計角度大于60°時空間利用率則大幅減小,此時應增加孔深保證植物所需的用土量或地境深度。

圖6 空間利用率計算結果

這里的“濕土”的自然安息角取值并不唯一,計算中的取值20°為試驗區植生孔內基質土含水率在20%～40%狀態下的實測均值,基質土的自然安息角隨含水率和基質土類型發生變化。

4.2 結構面揭露程度

對特定的高陡巖質邊坡,內部存在一組或多組結構面(巖層面、裂隙面、節理面等),植生孔在坡體內角度的變化會帶來植生孔柱體穿切該坡面內部結構面數量變化。有研究顯示[16-17],植生孔內部結構面的揭露程度(或巖體體裂隙率)可極大程度上影響植物生長甚至生存,植生孔內部的各類結構面可以讓植物盡可能多地獲取更多水分、肥分以及根系伸展空間。因此,穿切并在孔內揭露盡可能多的結構面應成為植生孔角度的重要設計原則之一。

在工況2和試驗區工況條件下建立四種坡體模型,不同角度植生孔柱體穿切坡體內部的結構面在并孔內壁揭露出現橢圓形或不規則的裂隙,統計其揭露長度并帶入公式(2)計算結構面揭露面積Uf,并得到植生孔角度所對應的關系曲線如圖7所示,可獲取揭露面積峰值所對應的最優植生孔角度。

圖7 結構面揭露面積計算結果

幾何上,植生孔軸線與孔隙率和張開度較大的結構面的夾角越接近垂直時,可最大程度揭露結構面,增加孔內結構面的揭露面積。坡體本身結構面密集且間距小也可使植生孔穿切并揭露更多結構面。由于不同邊坡坡角的形成和內部結構面發育的隨機性,其產狀、厚度、間距、充填情況各有不同,無法通過文中幾種工況獲取植生孔揭露結構面的總體規律,但針對具體工況可通過實測坡體、結構面產狀等各項數據,并利用此方法得到最優角度。

4.3 接受水分補給能力

圖8所示為試驗區工況植生孔非飽和入滲,孔內基質土飽和度變化模擬過程云圖。

圖8 植生孔非飽和入滲過程

工況1為無結構面工況,水分僅從孔口補給,孔內無補給或排泄通道,在q=0.02 m/h條件下進行補給直至飽和。圖9所示為工況1三種坡角模型孔內基質土飽和速率與植生孔角度之間的關系曲線。曲線表明,邊坡坡度和植生孔角度越大使孔內基質土飽和速率越快。通過飽和度變化云圖,分析其原因:一是與植生孔的開口大小有關;二是與基質土水力坡度有關,大角度植生孔內賦基質土水力坡度更大,使水分補給更迅速;三是滲流通道分布不均勻,角度越小的植生孔其滲流通道集中于靠下部的孔壁,反之滲流通道則相對更均勻地分布于孔內。

圖9 工況1基質土飽和度

工況2和試驗區工況坡體內部含結構面,這兩種工況下,水分在孔內基質土是邊補給邊排泄的過程。圖10所示為試驗區工況20天孔內基質土飽和度變化趨勢曲線,由于排泄通道的存在,此工況下基質土飽和速率遠不及無結構面工況,且短期降水不同角度植生孔補給量無明顯差異,長期降雨或基質土飽和度達到一定界限時才有顯著差異。

圖10 試驗區工況基質土飽和速率變化

圖11所示為工況2和試驗區工況在上述同樣q值條件下入滲第20天孔內基質土有效飽和度與植生孔角度之間的關系曲線。結果表明,各曲線各自總體上呈上升趨勢,也即植生孔角度越大越易接受水分補給;結合圖7來看不同曲線之間存在的飽和度差異是由于孔內揭露的結構面存在的差異,也即植生孔孔內揭露的結構面的排泄作用大于其補給作用。

圖11 工況2基質土飽和度

4.4 抗蒸發能力

圖12所示為植生孔熱濕耦合模擬,孔內基質土相對濕度變化、孔外溫度變化過程云圖。

圖12 植生孔熱濕耦合水分運移過程

圖13所示為環境溫40 ℃下蒸發30 d各模型不同角度植生孔孔內平均相對濕度變化趨勢曲線。曲線總體而言,各孔平均相對濕度變化速率在0～5 d內相對較快,5～30 d內則相對較慢并各自逐漸趨于穩定的速率。從不同的植生孔角度來看,植生孔角度越大孔內平均相對濕度衰減速率則越快,第30天最終相對濕度越低。

圖13 基質土相對濕度變化

圖14所示為植生孔角度α=30°模型在環境溫40 ℃下蒸發30 d,孔軸線不同深度(h/cm)處相對濕度變化曲線。由該圖可知,基質土淺表層蒸發速率相對較快,且最大影響深度為約25 cm左右,淺表層基質土初期有短暫的相對濕度提升的過程。淺表層基質土相對濕度的短暫提升是因為孔內部分液態水遠離熱源向孔內移動所致。

圖14 不同深度處相對濕度變化

圖15所示為在三種環境溫條件下各角度植生孔模型孔內基質土第30 d平均相對濕度曲線。結果表明5 ℃左右環境溫變化對孔內平均濕度結果影響較小,對曲線走勢幾乎沒有影響。

圖15 不同溫度下相對濕度變化

綜合來看,模擬結果表明植生孔角度越大其抗蒸發能力越弱。影響植生孔內基質土的水汽運移量的因素有三:一是植生孔的開口大小直接影響蒸發面積,是最主要的因素;二是高溫條件會迫使部分水分向結構面排泄,使植生孔內濕度不斷下降;三是大角度植生孔與巖體形成的壁較薄,使孔內基質土更易受到環境溫影響,增加蒸發量。

4.5 試驗區監測驗證結果

1)試驗孔水分補給監測結果

圖16所示為2022年3月至2023年4月期間各監測區不同角度植生孔接受天然降雨和噴淋養護補給后各孔體積含水率平均增加量。結果表明:各監測區,無論是自然降雨還是噴淋養護,植生孔孔內基質土接受水分補給量隨植生孔角度增大而增大,與模擬結果一致;且試驗區角度小于40°的監測孔接受的水分補給量大幅度小于其余監測孔。

圖16 試驗孔水分補給監測結果

綜合數值模擬與監測結果,植生孔接受水分補給的能力主要體現在植生孔開口大小,而大角度植生孔能在坡面上形成更大開口,給水分直接滴入或通過坡面徑流流入孔內都提供了更大的幾率。

2)試驗孔抗蒸發能力監測結果

圖17所示為2022年期間各監測區不同角度植生孔經4 d的無水分補給條件下基質土含水率平均衰減值。結果表明:植生孔基質土含水率衰減值隨植生孔角度增大而增大,與模擬結果一致。

圖17 試驗孔抗蒸發能力監測結果

綜合數值模擬和監測驗證,大角度植生孔含水率衰減相對較快的原因在于其較大的開口以及更易受環境溫度影響的較薄孔壁。

4.6 最優成孔角度的確定

對于待治理邊坡最終最優成孔角度的確定需四項指標綜合考量。各指標使用一組能表征該指標的數據,通過歸一化處理去除量綱的影響,將不同植生孔角度對應的四項指標歸一化值曲線繪制于同一坐標系內,通過曲線交點和各指標重要程度權重確定最優角度(精確到5°左右),具體如圖18所示。

圖18 試驗區工況最優角度確定

空間利用率和結構面揭露程度指標使用文中所提US、Uf數據表征;接受水分補給能力指標可使用邊坡所在地年最大連續降雨天數對應的孔內飽和度數據(或體積含水率);抗蒸發能力指標可使用邊坡所在地年最大連續無降水天數隨對應的孔內相對濕度數據(或使用飽和度、含濕量)。

對于節理裂隙較發育(體裂隙率大于1.5%)或薄層至中厚層層理發育邊坡,結構面揭露程度指標權重占比應該最大;接受水分補給能力指標應根據邊坡所在地年降水量數據或后期是否使用噴淋等養護方式來確定權重;抗蒸發能力指標權重通過當地蒸發強度確定;空間利用率指標應根據不同植物對土體流失和地境深度的敏感性決定其權重。

根據試驗區邊坡實際條件:植生孔設計孔深、孔徑分別為50 cm、20 cm,坡體薄層層理以及節理裂隙較發育(體裂隙率大于1.5%),當地多年平均降水量837.8 mm、多年平均蒸發量1 813.6 mm,設置有噴淋養護裝置,確定結構面揭露程度指標和抗蒸發能力指標重要程度較大。根據圖18,在四曲線各交點分布范圍內(55°～75°)取各指標所對應的最優角度,四各角度多因素權值計算所得試驗區工況植生孔最優角度為60°。

5 結論

根據高陡邊坡植生孔三維建模計算、COMSOL多孔介質非飽和入滲、高溫熱濕耦合水汽運移模擬以及試驗區植生孔現場測量與監測驗證結果,綜合分析,得出以下結論。

(1)在目前常用孔深50 cm、孔徑20 cm條件下,植生孔角度保持在40°～60°能保證較高的孔內空間利用率,超過此范圍將造成一定程度的孔內土體流失,無法保證植物所需用土量或地境深度。

(2)由于結構面發育產狀和坡面形成的隨機性,可通過實測坡面和結構面產狀等數據建立三維模型方式計算并繪制結構面揭露面積曲線,并得到穿切揭露結構面最多的植生孔角度。

(3)植生孔不同的成孔角度可以影響其接受水分補給的能力(自然降雨或噴淋養護)和抗蒸發能力,在30°～80°范圍內,植生孔角度越大其接受水分補給的能力越強,但同時也會使其抗蒸發能力減弱。

(4)復綠邊坡治理區段最終最優成孔角度的精確值,可通過四項指標歸一化值與不同植生孔角度對應的曲線交點和各指標重要程度權重綜合判定。