植被根系对生态护坡浅层滑动稳定性的影响

栗 权

(新宾满族自治县水务局，辽宁 新宾 113200)

0 引言

随着我国经济的快速发展，城镇、水电、道路等基建工作的不断深入，环境保护与基础建设之间的矛盾日益增长，河流淤积、山体滑坡、坡面水土流失等灾害时有发生，对民众的财产和生命安全造成严重的威胁[1]。与传统的护坡方式相比，植被护坡具有良好的可持续效益，植被根系网络包裹了大量土粒组成的大土块，水流作用下不易被分散，进而提高了土体强度而稳定边坡，同时植被根系的护坡作用在工程领域得到广泛研究和证实[2]。国内学者对土-根的作用机理做了大量研究，并取得了丰硕的成果。刘丰阳等[3]基于有限元法研究了植被对斜坡稳定性的影响，表明植被能够显著提高边坡稳定性。张丽等[4]基于物理边坡稳定模型，分析了基质吸力对边坡稳定性的影响，从能量角度探讨根系存在意义；黄细超等[5]建立了植被根系固土护坡的力学模型，研究了不同气象阶段边坡土壤水分运动规律。本文以抚顺市胜利水电站为研究对象，依据根系形态建立植被根系模型，对蓄水、降雨工况下裸坡、植被护坡浅层滑动稳定性进行数值模拟。

1 工程概况

胜利水电站死水位363 m，正常蓄水位390 m，库区蓄水后需进行移民工程。工程区上层土体由砂岩块石及黄褐色粉质粘土组成，土体松散，上级土体坡度较大。西南侧有一边坡，坡顶高程为403 m，坡高约为46 m，边坡分为两级，上坡的坡比1∶1.76，下级坡坡比为1∶3.85。场区地层厚度为约为20 m～50 m，表面地层为第四系土，土层主要由粘性土和碎石组成。根据附近工程资料勘察，土层力学性质见表1。

表1 工程区岩土层力学特性

土坡勘察期间未见地下水，距坡顶l5 m～25 m范围内有医院、超市及居民楼，屋顶荷载取值120 kPa，不考虑车辆及道路荷载，边坡失稳后危害程度比较严重。

2 计算模型

边坡剖面尺寸见图1，模型上级坡比1∶1.76，下级坡比1∶3.85，坡上缘89 m，下缘65 m，总高度46 m，下缘60 m。距上坡坡顶边缘15 m～55 m处荷载100 kPa，底部Uxy=0，边坡左右两侧X方向位移为0。

图1 工程边坡示意图

3 结果与分析

3.1 边坡初始状态下稳定分析

根据工程边坡情况建模并计算，边坡安全系数及危险滑动面见图2。工程区内包括道路、医院、超市及居民楼等，依据规范要求，边坡安全系数应大于1.25，该工况下边坡最危险滑动面出现在上级边坡中，计算安全系数为1.496，因此该工况下的边坡是安全的[6～7]。

图2 危险滑动面及安全系数

3.2 植被护坡下的稳定性分析

考虑植被对边坡的影响，同时考虑乔木、灌木以及植草不同根系对边坡的安全性影响。灌木、植草根系对土体的附加凝聚力变化范围在0 m～1 m，乔木植被根系类型选择典型Tap垂直根型，植被株间距为3.5 m。乔木、灌木、植草边坡最危滑动面，见图3。可以看出，乔木的存在增加了滑动面深度；乔木和灌木护坡工况下，边坡安全系数的增量分别为5.55%和1.60%；而植草对边坡安全系数的提高效果并不明显。

图3 不同植被边坡的危险滑动面

3.3 蓄水下的稳定分析

3.3.1 渗流参数估计

工程区为非饱和土，运用闭合方程估计体积含水量和渗透系数[8]。上层土体和下层岩土的渗透系数分别为1×10-5m/s和1×10-8m/s。上层土的渗透系数及体积含水量函数曲线见图4。

图4 渗透系数和体积含水量函数曲线

3.3.2 蓄水位工况

水库蓄水位为337 m时，裸坡的渗流场发生变化导致边坡的稳定性降低，对孔隙水压力和边坡应力分布结果进行计算，得到蓄水位下裸坡的最危滑动面，见图5。可以看出，由于蓄水及地下水位的存在，导致边坡的安全系数发生较大改变，边坡安全系数降低至0.983，此时滑动面划出点位于蓄水位以下，最危滑动面覆盖上下级边坡。

图5 边坡最危滑动面示意图

水库蓄水位为337 m时，坡面分别种植乔木、灌木及草本工况下边坡的安全系数，见图6。可以看出，灌木和草对边坡的安全系数的增加影响较小，主要是由于灌木和植草根系深度较浅，所产生的附加凝聚力值较低，没有达到滑动面深度；乔木对边坡的安全系数的增加比较明显，主要由于其根系延伸深度长，形成的附加凝聚力远远高于灌木和植草，对坡体安全系数的增量有较大作用。

图6 蓄水位下的裸坡安全系数

3.3.3 降雨工况

对降雨时间为2天，降雨强度为35 mm/h的工况进行研究，边坡植被林冠对降雨的拦截折减率为26.3%，坡顶不考虑建筑物的降雨拦截，降雨后计算安全系数和孔隙水压力[9]。坡面不同部位的降雨强度，见表2。降雨导致浸润线以上的土体孔压减小，并且浸润线逐渐向坡面延伸，且植被根土复合体两端的孔隙水压力最先减小至零。降雨后的最危滑动面分布，见图 7，可以看出，安全系数为1.080，降雨导致边坡的安全系数显著降低，在蓄水337 m下增加降雨后，滑动面变浅，Tap植被根系安全系数下降了13.2%，更容易发生滑坡。

表2 边坡降雨强度参考值

图7 降雨后的最危滑动面分布

建立气候边界条件，气候分布函数为恒定平均函数，根据时间、纬度和地表反照率，通过气候数据估算净太阳辐射，在蓄水位坡面及坡顶设置气候边界，见表3。

表3 气候边界参数

干燥10 d后的最危滑动面示意图，见图8。可以看出，与降雨时期相比安全系数有所增加，边坡的安全系数为1.335，表明植被覆盖下的干燥作用能够有效增加边坡的稳定性。

图8 干燥10 d后的最危滑动面示意图

3.3.4 边坡坡度分析

采用Tap型根系作为研究对象，建立坡度变化的植被边坡模型，植被株间距为3 m，分别考虑不同坡度下植被边坡的稳定性，坡度取值分别为 17°、22°、27°、32°、37°、42°、47°、52°、57°，拟合得到坡度与植被坡、裸坡安全系数的拟合曲线，拟合方程如下:

不同坡度下的边坡安全系数变化曲线见图9。可以观察到，随着坡度的增加边坡安全系数呈现缓慢降低趋势。计算结果表明，种植植被后17°边坡安全系数的增量最小，随着坡度的增加，其安全系数增量也在增加；当坡度为32°和37°时安全系数增量分别为7.14%和7.18%；当坡度42°时略有降低且裸坡安全系数增量为3.64%，表明种植植被后处于临界状态；当坡度为52°和57°时分别达到6.64%和8.48%，表明坡度为57°时对边坡的稳定性的提高作用最为明显，同时还应考虑高坡度下植被倾覆的可能性以及种植技术的可行性，建议应结合植被生长规律谨慎选择高坡度下的植被边坡。因此，在实际工程中可以通过放缓边坡的种植Tap型根系植被来满足工程稳定性需求，植被根系对小于32°的边坡植被的作用较小，对32°～37°边坡的安全性能作用明显。

图9 边坡安全系数变化曲线及其增量变化柱状图

4 结论

以抚顺市胜利水电站为研究对象，依据根系形态建立了植被根系模型，对蓄水、降雨工况下裸坡、植被护坡浅层滑动稳定性进行数值模拟，得出以下结论:1）库区不蓄水时边坡稳定性良好，随着库区蓄水水位的增加，坡体的稳定性显著下降。2）植被根系对32°～37°边坡的安全性能提高比较明显，57°边坡的稳定性提高最为明显，但此时坡体已处于临界状态以下；小于32°的边坡植被的作用较小但边坡本身的安全性能较高。3）在植被护坡的经济费用和工程效应两者的结合下进行不同坡度的比较，进而达到造价合理、环境保护、工程稳定三者的平衡。