王秋炎 易紅仔

摘 要：利用Midas SoilWorks有限元軟件，對(duì)礦山邊坡生態(tài)修復(fù)工程種植的狗牙根（Cynodondactylon （L.） Pers.）、花木藍(lán)（Indigofera kirilowii Maxim.exPalib.）和榆樹（Ulmus pumila L.） 的根系，在自然條件和暴雨條件下對(duì)礦山邊坡的安全穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，3種植物根系在各條件下對(duì)礦山邊坡的安全穩(wěn)定性都有不同程度的提高。植物根系對(duì)礦山邊坡穩(wěn)定性的影響程度與根系的數(shù)量及根系對(duì)邊坡土體的作用范圍有密切關(guān)系，深淺根系的組合效果最佳。但隨著植物根系的深入，邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)提高，坡面的水平位移量也會(huì)隨之增大，所以在實(shí)際的礦山邊坡修復(fù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合安全穩(wěn)定性系數(shù)、應(yīng)力和變形等綜合分析驗(yàn)證坡體的可靠性，選取最佳設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：礦山邊坡；有限元法；安全穩(wěn)定性；植物根系

中圖分類號(hào)：X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-9655（2024）02-00-06

0 引言

綠色礦山建設(shè)是保證我國礦產(chǎn)資源和生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展的重要舉措，是實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的必然選擇[1]。工程建設(shè)者們急需探索新的技術(shù)方法來修復(fù)已被破壞的邊坡，恢復(fù)礦山邊坡的生態(tài)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)坡體力學(xué)關(guān)系的平衡與穩(wěn)定，達(dá)到綠色礦山建設(shè)的目的。

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土擋墻、漿砌石護(hù)坡、混凝土格構(gòu)、錨噴技術(shù)等，對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與協(xié)調(diào)收效甚微[2]。近年來，植物防護(hù)技術(shù)備受科研建設(shè)者青睞，他們采用ANSYS、ABAQUS、GeoStudio等軟件，對(duì)不同植物根系在河湖岸坡、公路邊坡的加固防護(hù)作用進(jìn)行研究[3-11]。

經(jīng)研究分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究大都基于均一性質(zhì)、干燥的邊坡土層，對(duì)理想化的河湖岸坡、公路邊坡中1～2類植物根系進(jìn)行數(shù)值分析，而對(duì)實(shí)際項(xiàng)目中的礦山生態(tài)邊坡的植被根系研究文獻(xiàn)較少，尤其是對(duì)贛南地區(qū)的礦山邊坡植物根系的有限元數(shù)值分析更少。本文利用Midas SoilWorks有限元軟件對(duì)大余縣西華山鎢礦礦山環(huán)境綜合治理工程中邊坡生態(tài)修復(fù)所選用的3種喬灌草植物的根系進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)驗(yàn)證在自然工況和暴雨工況下它們對(duì)礦山邊坡的安全穩(wěn)定性影響。以期為今后綠色礦山建設(shè)和礦山邊坡生態(tài)修復(fù)提供一定的理論借鑒和參考。

1 項(xiàng)目概況

本文礦山邊坡位于大余西華山鎢礦區(qū)5號(hào)廢石堆東側(cè)治理區(qū)。邊坡高一般3～25 m，坡度25°～82°，山體巖土層按其成因類型、形成年代、物質(zhì)組份及物理力學(xué)性質(zhì)等特征可分為素填土、碎石、粉質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，坡面削整后的巖土層主要是粉質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。根據(jù)大余西華山鎢礦區(qū)治理工程設(shè)計(jì)方案及贛南地區(qū)常用護(hù)坡植物種類，本文選用狗牙根（Cynodon dactylon（L.） Pers.）、花木藍(lán)（Indigofera kirilowii Maxim.ex Palib.）和榆樹（Ulmus pumila L.）3種草灌喬護(hù)坡植物的根系作為邊坡的加筋和錨固構(gòu)件。

2 有限元模型建立

本文通過Midas SoilWorks有限元分析軟件，采用強(qiáng)度折減系數(shù)法（SRM）進(jìn)行建模分析。

2.1 模型及邊界

本文用Midas SoilWorks二維有限元分析軟件構(gòu)建模型，將坡體分析簡化為平面應(yīng)變分析。鄭穎人等[12]研究認(rèn)為，有限元模型的尺寸大小對(duì)數(shù)值分析的精細(xì)度和準(zhǔn)確性具有較大的影響，理想的二維邊坡模型尺寸與坡高的關(guān)系如圖1所示。

以XZ平面建立2D礦山邊坡模型圖，模型寬度為41.713 m，高度為17.25 m。模型X向左右邊界受水平約束，Z向底邊界受豎向約束。通過軟件智能網(wǎng)格功能，共生成10個(gè)網(wǎng)格組，1428個(gè)巖土和結(jié)構(gòu)單元。視模型土體單元為理想彈塑性，運(yùn)用莫爾-庫倫圓破壞準(zhǔn)則，分別賦予模型土體對(duì)應(yīng)的巖土參數(shù)值。植物根系視為植入式桁架結(jié)構(gòu)，并分別賦予對(duì)應(yīng)的根系參數(shù)值。模型荷載為自重。礦山邊坡有限元模型如圖2所示。

2.2 基本參數(shù)

2.2.1 巖土參數(shù)

根據(jù)大余西華山鎢礦區(qū)勘察報(bào)告，結(jié)合邊坡場地巖土層性狀及均勻性， 巖土層主要參數(shù)指標(biāo)見表1。

2.2.2 根系參數(shù)

狗牙根為須根型草本植物，其根系纖細(xì)而稠密，從基部呈放射狀分布，主要集中在地表以下30 cm土層內(nèi)，且隨深度的增加根系越稀疏。根徑一般為0.15～1 mm。

本文選用2年生灌木狀花木藍(lán)植株的根系為研究對(duì)象。劉奧林等[13]通過實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，花木藍(lán)的豎直根系主要分布在1 m深的土層范圍內(nèi)，超過一定的深度界限，其根系量大幅減少。一株花木藍(lán)整個(gè)根系呈錐形分布，水平根的占比最大。

榆樹為復(fù)合型根系，其多種根型發(fā)展較為均勻，主根系主要分布在2 m深的土層范圍內(nèi)。

植物根系復(fù)雜交錯(cuò)、盤根錯(cuò)節(jié)，為方便建模，依據(jù)各根系的特性，狗牙根根徑統(tǒng)一取0.4 mm，花木藍(lán)根徑統(tǒng)一取3 mm，榆樹根徑統(tǒng)一取6 mm，其根系模型分別做如圖3所示的簡化處理。

結(jié)合工程實(shí)際和數(shù)值分析情況，查閱文獻(xiàn)資料[14， 15]，狗牙根、花木藍(lán)和榆樹的根系具體參數(shù)指標(biāo)見表2。

2.3 分析工況設(shè)置

在自然條件和暴雨條件下，分別按表3的工況條件對(duì)礦山邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 自然條件下礦山邊坡的安全穩(wěn)定性

在自然條件下，計(jì)算分析得到各工況下礦山邊坡的最大剪切應(yīng)變云圖，如圖4～圖9和各工況下礦山邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)，如圖10。

從圖4、圖5和圖10可以看出工況1和工況2的礦山邊坡潛在滑動(dòng)帶基本一致、邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)一樣，但是工況1的坡腳淺層應(yīng)變量明顯大于工況2。這是因?yàn)槲挥谄麦w淺層的須根系和側(cè)根系呈多維度的網(wǎng)狀分布，組成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體，與土體相互交織包裹，形成根土復(fù)合的加筋土結(jié)構(gòu)。狗牙根的根系淺，能對(duì)邊坡表層土起到加筋作用，而對(duì)位于地表以下較深的潛在滑動(dòng)帶無明顯影響。

從圖6～圖9可以看出工況3～工況6的礦山邊坡潛在滑動(dòng)帶相對(duì)于工況1和工況2都明顯變窄，而且滑動(dòng)帶的位置在邊坡也都有不同程度的下移降低。分析各工況下滑動(dòng)帶位置的向下偏移量，可以知道工況1≈工況2＜工況3＜工況5＜工況4＜工況6。這與圖10各工況下礦山邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)工況1=工況2＜工況3＜工況5＜工況4＜工況6一致，且工況3～工況6的安全穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)于工況1分別提高了1.67%、11.11%、3.33%、15.56%。

可見，根系的加筋作用提升了土體的黏聚力和抗剪強(qiáng)度，且根系越深，其對(duì)土體的影響范圍越大，特別是直徑較大的主根系和側(cè)根系，具有傳遞應(yīng)力，分散滑動(dòng)面土體荷載，改善土體應(yīng)變，增大滑動(dòng)面的抗滑移水平，提高坡體抗剪強(qiáng)度，提高邊坡的整體穩(wěn)定性和安全系數(shù)。

工況4的礦山邊坡安全穩(wěn)定性相對(duì)于工況3和工況5，分別提高了9.29%、7.53%。這是因?yàn)橛軜涞母甸L，遠(yuǎn)大于狗牙根和花木藍(lán)的根系，說明深根系對(duì)土體的錨固作用使礦山邊坡安全穩(wěn)定性提高方面遠(yuǎn)大于淺根系對(duì)淺層土體的加筋作用。

從圖4～圖9可以知道，礦山邊坡的安全穩(wěn)定性變化與土體中植物根系設(shè)置的關(guān)系：裸露邊坡＜狗牙根邊坡＜花木藍(lán)邊坡＜狗牙根邊坡+花木藍(lán)邊坡＜榆樹邊坡＜狗牙根邊坡+花木藍(lán)+榆樹邊坡?？梢?，植物根系對(duì)礦山邊坡安全穩(wěn)定性的影響程度與根系的數(shù)量及根系對(duì)邊坡土體的作用范圍有密切關(guān)系。

3.2 暴雨條件下礦山邊坡的安全穩(wěn)定性

在暴雨條件下，計(jì)算分析得到各工況下礦山邊坡的最大剪切應(yīng)變云圖，如圖11～圖16和各工況下礦山邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)，如圖17。

從圖11和圖17可知，在暴雨條件下，各工況礦山邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)于自然條件的各工況分別降低了35%、35%、34.43%、37.5%、34.95%、38.94%。可見，暴雨對(duì)礦山邊坡的安全穩(wěn)定性影響很大。但從圖11～圖16可知，工況2的邊坡表層土體最大剪切應(yīng)變量小于工況1，工況3～工況6安全穩(wěn)定性相對(duì)于工況1分別提高了2.56%、6.84%、3.42%、8.55%，所以設(shè)置了植物根系的各工況邊坡其最大剪切應(yīng)變量都比工況1小。說明植物根系有效改善邊坡土體的持水性，改善土體力學(xué)參數(shù)，在暴雨條件下也能較好提高礦山邊坡的穩(wěn)定性。

分析圖11～圖17，在暴雨條件下，礦山邊坡各工況下的安全穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡滑動(dòng)帶位置的向下偏移量及土體中植物根系設(shè)置的關(guān)系跟自然條件下基本一致?？梢娭参锔悼捎行д{(diào)節(jié)滑動(dòng)面區(qū)域土體的孔隙水壓，提高其抗?jié)B性、吸附力和摩擦力，提高礦山邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)，并且深根系植物在這方面起著主導(dǎo)作用。

3.3 對(duì)坡面水平位移的影響分析

基于軟件分析結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)自然條件和暴雨條件下各工況礦山邊坡坡面點(diǎn)的最小和最大水平（DX）位移量，得到表4和圖18。

從表4和圖18可以知道，無論在自然條件還是暴雨條件下，礦山邊坡坡面的最小和最大水平位移量都隨坡體內(nèi)設(shè)置的植物根系深度的增加而增大。結(jié)合前述的安全穩(wěn)定性系數(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)通過坡體內(nèi)設(shè)置植物根系來提高礦山邊坡的穩(wěn)定性，隨著坡體安全穩(wěn)定性系數(shù)的增大，坡面的水平位移量也相應(yīng)增加。

植物根系類似錨桿、土釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)設(shè)置于坡體內(nèi)，通過提高根土間的摩擦力，提高了邊坡的抗滑性能，但同時(shí)改變了坡體的應(yīng)力分布，增大了邊坡位移變形，根系越深影響范圍越大。這是因?yàn)槠麦w的安全穩(wěn)定性與坡體的變形具有相互的關(guān)聯(lián)性，其之間是應(yīng)力與應(yīng)變的復(fù)雜演變平衡的結(jié)果。所以在實(shí)際的礦山邊坡工程設(shè)計(jì)中，并不是增加錨桿、土釘使得邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)越高，坡體就越穩(wěn)定可靠，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，通過對(duì)應(yīng)力和變形的詳細(xì)分析、對(duì)比優(yōu)化，選取最佳設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

（1）采用強(qiáng)度折減系數(shù)法對(duì)礦山邊坡進(jìn)行有限元分析，可得到坡體的應(yīng)力、應(yīng)變、塑性區(qū)、內(nèi)力、安全穩(wěn)定性等信息參數(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的分析方法，強(qiáng)度折減系數(shù)法能更好展現(xiàn)礦山邊坡接近于實(shí)際的破壞情況，并顯示出潛在滑動(dòng)面供邊坡治理參考。

（2）無論在自然工況還是在暴雨工況下，植物根系都能有效提高贛南礦山邊坡的安全穩(wěn)定性。

（3）根深1 m以內(nèi)的淺根系草灌木，其根系對(duì)贛南礦山邊坡土體的加筋作用可有效調(diào)節(jié)淺層邊坡的應(yīng)力分布，降低邊坡土體的淺層應(yīng)變，提高邊坡穩(wěn)定性，但對(duì)坡體的安全穩(wěn)定性系數(shù)影響不太明顯。

（4）深根系的喬灌木，其根系對(duì)贛南礦山邊坡土體的錨固作用可有效調(diào)節(jié)坡體的應(yīng)力分布，降低土體應(yīng)變，并提高坡體的安全穩(wěn)定性系數(shù)。

（5）植物根系對(duì)贛南礦山邊坡安全穩(wěn)定性的影響程度與根系的數(shù)量及根系對(duì)邊坡土體的作用范圍有密切關(guān)系，所以深淺根系的喬灌草植物組合效果最佳。

（6）在實(shí)際的礦山邊坡工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)、應(yīng)力和變形等綜合分析驗(yàn)證坡體的穩(wěn)定可靠性，選取最佳設(shè)計(jì)方案。

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