黄艳婷

(东莞市水务工程质量安全监督站，广东 东莞 523109)

1 概述

随着我国经济快速发展，基础设施建设与环境保护的矛盾愈发严峻，基础设施的施工导致大量岩土质边坡裸露。基础设施建设不仅造成边坡变形、降低了边坡的稳定性，严重时可能导致边坡失稳，而且破坏了原有生态。植被根系固土护坡作为一种生态护坡技术，不仅提升边坡本身的稳定性，还能改善生态环境。

众多科研工作者针对植被根系固土对边坡稳定性影响的问题作了一系列的研究，并取得了丰硕的成果。李绍才等[1]基于室内模型试验，从植物根系与岩土体相互作用的力学特征出发，研究了植被护坡对边坡稳定性的影响。王保辉等[2]通过抗剪强度试验，研究了植被不同根系形式对草本植物根土复合体抗剪强度的影响。晏益力等[3]通过试验手段，研究了植物根系-土体的相互作用力学原理，分析了植物根系对边坡稳定性提升作用。杨亚林等[4]和张锋等[5]基于室内模型试验，研究了土壤-草本植被根系复合体的强度。戚国庆等[6]、张小娜等[7]和万娟等[8]通过数值模拟手段，分析了植被护坡对边坡的稳定性分析，并研究不同影响因素的影响。

本文通过Flac 3D有限元软件建立植被护坡模型，研究了植被护坡对边坡稳定性的影响，分析了不同时期根系形态、不同种植密度、不同边坡角度等因素下边坡的稳定性，并综合评估加固效果。

2 工程概况

某水电站死水位320m，正常水位345m，该水电站水库因蓄水过量导致附近乡村淹没和百姓移民。该水库东北侧有一边坡，坡顶高程为357m、边坡高度为32m，土体较松散。该地区土体主要有黄褐色粉质粘土及砂岩块石构成，场地内表面土层为第四系土，土层厚度12～40m范围，碎石和粘性土构成了该地区的主要土层。根据该工程的详细地勘报告，该区域土体的力学参数见表1。该地区为亚热带季风气候，年平均气温为12～16℃。区内多年平均降雨量为941.8mm，且多集中在5—9月，占全年的84.38%。

表1 该区域土体的力学参数

3 深基坑的数值模型

图1为Flac 3D模型图。该模型总高度为65m，长度为75m，边坡坡度45°。该模型的约束边缘条件为：模型左右两侧在垂直于法向方向为固定边界、模型背部垂直于法向方向为固定边界、模型底部完全固定边界。

图1 三维模型网格划分图

土体本构模型选择摩尔-库伦模型，具体参数见表1。由于根系只能受拉，且根系与土之间的作用类似于锚索结构，因此采用锚索单位对根系进行模拟，具体参数见表2。

表2 植物根系参数取值表

4 数值结果分析

图2为原状边坡位移云图，从图2中可以看出，天然边坡在自身重力作用下的位移峰值约为4.1mm，且计算所得的边坡安全系数为2.380。

图2 原状边坡位移云图

4.1 根系种植密度的影响

为研究根系种植密度对边坡变形和稳定性的影响，选取8种不同根系种植密度工况：0%、20%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。图3为密度为20%、60%、80%和100% 四种工况的边坡位移云图。如图3所示，4种工况下的边坡位移峰值分别为：4.03、3.08、2.89、3.06mm。根据数值模拟结果，表3给出了8种不同密度工况下边坡的位移峰值和边坡安全系数。从表3可以看出，随着根系种植密度的增大，边坡的位移首先迅速减小随后衰减幅度放缓，边坡稳定性安全系数迅速提升并逐渐趋于稳定。但当密度超过80%后，边坡的位移和稳定性安全系数出现小幅度反弹。可见种植密度为80%时，边坡的变形和稳定性最好，安全系数较天然边坡增大0.17，稳定性提升7.1%。

图3 不同根系种植密度下边坡位移云图

表3 不同根系种植密度下边坡位移峰值和安全系数表

图4为植被加固前后边坡剖面竖向和水平位移对比图。从图4中可以看出，植被加固后边坡的竖向位移显著减小，而水平位移几乎无影响。这是因为植被根系与土体作用力主要是摩擦力传递。而植被的抗弯强度小，对水平位移的影响小。当边坡不稳定时，植被根系的抗拉强度发挥主要作用。

图4 植被加固前后边坡剖面竖向和水平位移对比图

4.2 根系生长时间的影响

为研究根系生长时间对边坡变形和稳定性的影响，通过改变根系长度来模拟不同生长时间，给出了根系长度分别为0、1、1.5、2m工况来模拟4个不同生长阶段(保持根系为最佳密度80%)。图5为4种根系长度工况的边坡位移云图。如图5所示，4种工况下的边坡位移峰值分别为：-3.93、-3.49、-2.97、-2.89mm。根据数值模拟结果，表4给出了4种根系长度工况下边坡的位移峰值和边坡安全系数。从表4中可以看出，随着植被根系的生长，边坡的位移首先迅速减小随后衰减幅度放缓，边坡稳定性安全系数迅速提升并逐渐趋于稳定[9- 10]。

图5 不同根系生长阶段下边坡位移云图

图6 不同边坡角度下植被护坡后的边坡位移云图

表4 不同根系生长阶段下边坡位移峰值和安全系数表

4.3 边坡坡角影响

为研究边坡角度对植被护坡的影响，给出了30°、45°和60°三种不同角度边坡工况。同样保持根系为最佳密度80%，根系生长长度为2m。图6为3种边坡工况的边坡位移云图。由图6可知，植被固土后3种工况下的边坡位移峰值分别为：-1.142、-2.89、-6.532mm。根据数值模拟结果，表5给出了4种根系长度工况下边坡的位移峰值和边坡安全系数。从表4中可以看出，天然边坡角度增大，其位移显著增大，稳定性显著降低。另一方面，当边坡角度为30°、45°和60°三种工况时，植被护坡后边坡稳定性提高分别为：5.0%、7.1%和8.8%。可见，植被护坡对大角度边坡的效果最佳。

表5 不同边坡角度下植被护坡后的边坡位移峰值和安全系数表

5 结论

本文基于某水库边坡，通过Flac 3D有限元软件建立植被护坡模型，研究了植被护坡对边坡稳定性的影响，分析了不同时期根系形态、不同种植密度、不同边坡角度等因素下边坡的稳定性。得到以下结论：

(1)植被根系与土体作用力主要是摩擦力传递。当边坡较稳定时，植被根系与土体的摩擦力作用能有效控制边坡沉降，但对水平位移有效较小；当边坡不稳定时，植被根系的抗拉强度发挥主要作用。

(2)根系种植密度对边坡的变形和稳定性有显著影响。根系种植密度能显著提升边坡的稳定性，减小边坡变形。但不能过多的种植植被，当种植密度过大反而会导致边坡的稳定性下降。

(3)随着植被根系的生长，边坡稳定性安全系数迅速提升但增长幅度逐步放缓；植被护坡对大角度边坡的加固效果更佳明显。