黃艷婷

(東莞市水務(wù)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，廣東 東莞 523109)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的矛盾愈發(fā)嚴(yán)峻，基礎(chǔ)設(shè)施的施工導(dǎo)致大量巖土質(zhì)邊坡裸露?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)不僅造成邊坡變形、降低了邊坡的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，而且破壞了原有生態(tài)。植被根系固土護(hù)坡作為一種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，不僅提升邊坡本身的穩(wěn)定性，還能改善生態(tài)環(huán)境。

眾多科研工作者針對植被根系固土對邊坡穩(wěn)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(nèi)模型試驗，從植物根系與巖土體相互作用的力學(xué)特征出發(fā)，研究了植被護(hù)坡對邊坡穩(wěn)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(fù)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(xué)原理，分析了植物根系對邊坡穩(wěn)定性提升作用。楊亞林等[4]和張鋒等[5]基于室內(nèi)模型試驗，研究了土壤-草本植被根系復(fù)合體的強度。戚國慶等[6]、張小娜等[7]和萬娟等[8]通過數(shù)值模擬手段，分析了植被護(hù)坡對邊坡的穩(wěn)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(hù)坡模型，研究了植被護(hù)坡對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了不同時期根系形態(tài)、不同種植密度、不同邊坡角度等因素下邊坡的穩(wěn)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(dǎo)致附近鄉(xiāng)村淹沒和百姓移民。該水庫東北側(cè)有一邊坡，坡頂高程為357m、邊坡高度為32m，土體較松散。該地區(qū)土體主要有黃褐色粉質(zhì)粘土及砂巖塊石構(gòu)成，場地內(nèi)表面土層為第四系土，土層厚度12～40m范圍，碎石和粘性土構(gòu)成了該地區(qū)的主要土層。根據(jù)該工程的詳細(xì)地勘報告，該區(qū)域土體的力學(xué)參數(shù)見表1。該地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為12～16℃。區(qū)內(nèi)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(qū)域土體的力學(xué)參數(shù)

3 深基坑的數(shù)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(cè)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(wǎng)格劃分圖

土體本構(gòu)模型選擇摩爾-庫倫模型，具體參數(shù)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(jié)構(gòu)，因此采用錨索單位對根系進(jìn)行模擬，具體參數(shù)見表2。

表2 植物根系參數(shù)取值表

4 數(shù)值結(jié)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(shù)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(wěn)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(jù)數(shù)值模擬結(jié)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(shù)。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(wěn)定性安全系數(shù)迅速提升并逐漸趨于穩(wěn)定。但當(dāng)密度超過80%后，邊坡的位移和穩(wěn)定性安全系數(shù)出現(xiàn)小幅度反彈?？梢姺N植密度為80%時，邊坡的變形和穩(wěn)定性最好，安全系數(shù)較天然邊坡增大0.17，穩(wěn)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(shù)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(dāng)邊坡不穩(wěn)定時，植被根系的抗拉強度發(fā)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(wěn)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(jù)數(shù)值模擬結(jié)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(shù)。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(wěn)定性安全系數(shù)迅速提升并逐漸趨于穩(wěn)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(hù)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(shù)表

4.3 邊坡坡角影響

為研究邊坡角度對植被護(hù)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(jù)數(shù)值模擬結(jié)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(shù)。從表4中可以看出，天然邊坡角度增大，其位移顯著增大，穩(wěn)定性顯著降低。另一方面，當(dāng)邊坡角度為30°、45°和60°三種工況時，植被護(hù)坡后邊坡穩(wěn)定性提高分別為：5.0%、7.1%和8.8%。可見，植被護(hù)坡對大角度邊坡的效果最佳。

表5 不同邊坡角度下植被護(hù)坡后的邊坡位移峰值和安全系數(shù)表

5 結(jié)論

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

(1)植被根系與土體作用力主要是摩擦力傳遞。當(dāng)邊坡較穩(wěn)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?。划?dāng)邊坡不穩(wěn)定時，植被根系的抗拉強度發(fā)揮主要作用。

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

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