栗 權(quán)

(新賓滿(mǎn)族自治縣水務(wù)局，遼寧 新賓 113200)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)、水電、道路等基建工作的不斷深入，環(huán)境保護(hù)與基礎(chǔ)建設(shè)之間的矛盾日益增長(zhǎng)，河流淤積、山體滑坡、坡面水土流失等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，對(duì)民眾的財(cái)產(chǎn)和生命安全造成嚴(yán)重的威脅[1]。與傳統(tǒng)的護(hù)坡方式相比，植被護(hù)坡具有良好的可持續(xù)效益，植被根系網(wǎng)絡(luò)包裹了大量土粒組成的大土塊，水流作用下不易被分散，進(jìn)而提高了土體強(qiáng)度而穩(wěn)定邊坡，同時(shí)植被根系的護(hù)坡作用在工程領(lǐng)域得到廣泛研究和證實(shí)[2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土-根的作用機(jī)理做了大量研究，并取得了豐碩的成果。劉豐陽(yáng)等[3]基于有限元法研究了植被對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響，表明植被能夠顯著提高邊坡穩(wěn)定性。張麗等[4]基于物理邊坡穩(wěn)定模型，分析了基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，從能量角度探討根系存在意義；黃細(xì)超等[5]建立了植被根系固土護(hù)坡的力學(xué)模型，研究了不同氣象階段邊坡土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文以撫順市勝利水電站為研究對(duì)象，依據(jù)根系形態(tài)建立植被根系模型，對(duì)蓄水、降雨工況下裸坡、植被護(hù)坡淺層滑動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 工程概況

勝利水電站死水位363 m，正常蓄水位390 m，庫(kù)區(qū)蓄水后需進(jìn)行移民工程。工程區(qū)上層土體由砂巖塊石及黃褐色粉質(zhì)粘土組成，土體松散，上級(jí)土體坡度較大。西南側(cè)有一邊坡，坡頂高程為403 m，坡高約為46 m，邊坡分為兩級(jí)，上坡的坡比1∶1.76，下級(jí)坡坡比為1∶3.85。場(chǎng)區(qū)地層厚度為約為20 m～50 m，表面地層為第四系土，土層主要由粘性土和碎石組成。根據(jù)附近工程資料勘察，土層力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 工程區(qū)巖土層力學(xué)特性

土坡勘察期間未見(jiàn)地下水，距坡頂l5 m～25 m范圍內(nèi)有醫(yī)院、超市及居民樓，屋頂荷載取值120 kPa，不考慮車(chē)輛及道路荷載，邊坡失穩(wěn)后危害程度比較嚴(yán)重。

2 計(jì)算模型

邊坡剖面尺寸見(jiàn)圖1，模型上級(jí)坡比1∶1.76，下級(jí)坡比1∶3.85，坡上緣89 m，下緣65 m，總高度46 m，下緣60 m。距上坡坡頂邊緣15 m～55 m處荷載100 kPa，底部Uxy=0，邊坡左右兩側(cè)X方向位移為0。

圖1 工程邊坡示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 邊坡初始狀態(tài)下穩(wěn)定分析

根據(jù)工程邊坡情況建模并計(jì)算，邊坡安全系數(shù)及危險(xiǎn)滑動(dòng)面見(jiàn)圖2。工程區(qū)內(nèi)包括道路、醫(yī)院、超市及居民樓等，依據(jù)規(guī)范要求，邊坡安全系數(shù)應(yīng)大于1.25，該工況下邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面出現(xiàn)在上級(jí)邊坡中，計(jì)算安全系數(shù)為1.496，因此該工況下的邊坡是安全的[6～7]。

圖2 危險(xiǎn)滑動(dòng)面及安全系數(shù)

3.2 植被護(hù)坡下的穩(wěn)定性分析

考慮植被對(duì)邊坡的影響，同時(shí)考慮喬木、灌木以及植草不同根系對(duì)邊坡的安全性影響。灌木、植草根系對(duì)土體的附加凝聚力變化范圍在0 m～1 m，喬木植被根系類(lèi)型選擇典型Tap垂直根型，植被株間距為3.5 m。喬木、灌木、植草邊坡最?；瑒?dòng)面，見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯瑔棠镜拇嬖谠黾恿嘶瑒?dòng)面深度；喬木和灌木護(hù)坡工況下，邊坡安全系數(shù)的增量分別為5.55%和1.60%；而植草對(duì)邊坡安全系數(shù)的提高效果并不明顯。

圖3 不同植被邊坡的危險(xiǎn)滑動(dòng)面

3.3 蓄水下的穩(wěn)定分析

3.3.1 滲流參數(shù)估計(jì)

工程區(qū)為非飽和土，運(yùn)用閉合方程估計(jì)體積含水量和滲透系數(shù)[8]。上層土體和下層巖土的滲透系數(shù)分別為1×10-5m/s和1×10-8m/s。上層土的滲透系數(shù)及體積含水量函數(shù)曲線見(jiàn)圖4。

圖4 滲透系數(shù)和體積含水量函數(shù)曲線

3.3.2 蓄水位工況

水庫(kù)蓄水位為337 m時(shí)，裸坡的滲流場(chǎng)發(fā)生變化導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低，對(duì)孔隙水壓力和邊坡應(yīng)力分布結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到蓄水位下裸坡的最?；瑒?dòng)面，見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯捎谛钏暗叵滤坏拇嬖?，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)發(fā)生較大改變，邊坡安全系數(shù)降低至0.983，此時(shí)滑動(dòng)面劃出點(diǎn)位于蓄水位以下，最?；瑒?dòng)面覆蓋上下級(jí)邊坡。

圖5 邊坡最?；瑒?dòng)面示意圖

水庫(kù)蓄水位為337 m時(shí)，坡面分別種植喬木、灌木及草本工況下邊坡的安全系數(shù)，見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，灌木和草對(duì)邊坡的安全系數(shù)的增加影響較小，主要是由于灌木和植草根系深度較淺，所產(chǎn)生的附加凝聚力值較低，沒(méi)有達(dá)到滑動(dòng)面深度；喬木對(duì)邊坡的安全系數(shù)的增加比較明顯，主要由于其根系延伸深度長(zhǎng)，形成的附加凝聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灌木和植草，對(duì)坡體安全系數(shù)的增量有較大作用。

圖6 蓄水位下的裸坡安全系數(shù)

3.3.3 降雨工況

對(duì)降雨時(shí)間為2天，降雨強(qiáng)度為35 mm/h的工況進(jìn)行研究，邊坡植被林冠對(duì)降雨的攔截折減率為26.3%，坡頂不考慮建筑物的降雨攔截，降雨后計(jì)算安全系數(shù)和孔隙水壓力[9]。坡面不同部位的降雨強(qiáng)度，見(jiàn)表2。降雨導(dǎo)致浸潤(rùn)線以上的土體孔壓減小，并且浸潤(rùn)線逐漸向坡面延伸，且植被根土復(fù)合體兩端的孔隙水壓力最先減小至零。降雨后的最?；瑒?dòng)面分布，見(jiàn)圖 7，可以看出，安全系數(shù)為1.080，降雨導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)顯著降低，在蓄水337 m下增加降雨后，滑動(dòng)面變淺，Tap植被根系安全系數(shù)下降了13.2%，更容易發(fā)生滑坡。

表2 邊坡降雨強(qiáng)度參考值

圖7 降雨后的最?；瑒?dòng)面分布

建立氣候邊界條件，氣候分布函數(shù)為恒定平均函數(shù)，根據(jù)時(shí)間、緯度和地表反照率，通過(guò)氣候數(shù)據(jù)估算凈太陽(yáng)輻射，在蓄水位坡面及坡頂設(shè)置氣候邊界，見(jiàn)表3。

表3 氣候邊界參數(shù)

干燥10 d后的最危滑動(dòng)面示意圖，見(jiàn)圖8?？梢钥闯?，與降雨時(shí)期相比安全系數(shù)有所增加，邊坡的安全系數(shù)為1.335，表明植被覆蓋下的干燥作用能夠有效增加邊坡的穩(wěn)定性。

圖8 干燥10 d后的最?；瑒?dòng)面示意圖

3.3.4 邊坡坡度分析

采用Tap型根系作為研究對(duì)象，建立坡度變化的植被邊坡模型，植被株間距為3 m，分別考慮不同坡度下植被邊坡的穩(wěn)定性，坡度取值分別為 17°、22°、27°、32°、37°、42°、47°、52°、57°，擬合得到坡度與植被坡、裸坡安全系數(shù)的擬合曲線，擬合方程如下:

不同坡度下的邊坡安全系數(shù)變化曲線見(jiàn)圖9?？梢杂^察到，隨著坡度的增加邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果表明，種植植被后17°邊坡安全系數(shù)的增量最小，隨著坡度的增加，其安全系數(shù)增量也在增加；當(dāng)坡度為32°和37°時(shí)安全系數(shù)增量分別為7.14%和7.18%；當(dāng)坡度42°時(shí)略有降低且裸坡安全系數(shù)增量為3.64%，表明種植植被后處于臨界狀態(tài)；當(dāng)坡度為52°和57°時(shí)分別達(dá)到6.64%和8.48%，表明坡度為57°時(shí)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的提高作用最為明顯，同時(shí)還應(yīng)考慮高坡度下植被傾覆的可能性以及種植技術(shù)的可行性，建議應(yīng)結(jié)合植被生長(zhǎng)規(guī)律謹(jǐn)慎選擇高坡度下的植被邊坡。因此，在實(shí)際工程中可以通過(guò)放緩邊坡的種植Tap型根系植被來(lái)滿(mǎn)足工程穩(wěn)定性需求，植被根系對(duì)小于32°的邊坡植被的作用較小，對(duì)32°～37°邊坡的安全性能作用明顯。

圖9 邊坡安全系數(shù)變化曲線及其增量變化柱狀圖

4 結(jié)論

以撫順市勝利水電站為研究對(duì)象，依據(jù)根系形態(tài)建立了植被根系模型，對(duì)蓄水、降雨工況下裸坡、植被護(hù)坡淺層滑動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論:1）庫(kù)區(qū)不蓄水時(shí)邊坡穩(wěn)定性良好，隨著庫(kù)區(qū)蓄水水位的增加，坡體的穩(wěn)定性顯著下降。2）植被根系對(duì)32°～37°邊坡的安全性能提高比較明顯，57°邊坡的穩(wěn)定性提高最為明顯，但此時(shí)坡體已處于臨界狀態(tài)以下；小于32°的邊坡植被的作用較小但邊坡本身的安全性能較高。3）在植被護(hù)坡的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用和工程效應(yīng)兩者的結(jié)合下進(jìn)行不同坡度的比較，進(jìn)而達(dá)到造價(jià)合理、環(huán)境保護(hù)、工程穩(wěn)定三者的平衡。