生态护坡中植被防护边坡浅层稳定性的研究

蒋希雁 杨尚青 冯 峰 何春晓

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000； (2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

在生态护坡概念和理论不断深入发展的前提下，进行了大量的实践论证，使得理论与实践更好的结合.国内外众多学者对生态防护技术的研究，主要集中在根-土相互作用的力学特性、边坡稳定、加筋特性等方面的研究.肖本林、罗寿龙[1]分析了生态护坡的力学机理，研究表明根系主要是通过根—土接触面的摩擦力把剪应力转换为拉应力来提高土体的抗剪强度.杨麒麟、李柏[2]分析了毛竹根系生长分布及其护坡效果，研究发现随着种植年限增加，其护坡能力有了明显的增强.丁齐、陈建斌等[3]研究了生态护坡基材的抗剪性能，研究发现粘聚力与基材的配比和含水量相关.陈杰、韩妮妮[4]分析了土质稳定性对生态护坡工程的影响，发现采用植被防护边坡能对边坡浅层起到一定的锚固作用.胡其志，周政等[5]研究了土壤含根量与抗剪强度的关系，结果表明根—土复合体的抗剪强度与含根量的增加而增大.以上学者大多围绕在根-土相互作用方面，但对生态边坡浅层稳定性的研究较少.因此，需要通过一种分析方法，分析影响生态边坡浅层稳定性的各种因素.

1 植物防护边坡浅层稳定分析方法

图1 极限平衡法模型示意图

基本假定：假定滑动面为平面，且与坡面平行，不考虑地下水位对于边坡稳定性的影响.植被的选择为一种常见的温带植被——狗尾草.把滑坡体形状视为长方体，由于根系的质量和土体质量相比质量较小，因此不考虑植物根系的重度即根系土的重度按素土重度计算.根系的加筋深度有限，在此不考虑底面滑裂面处的加筋作用，只考虑滑裂体侧边面上根系的加筋效果，其浅层滑体图如图1-1所示[6].

由图1-1可知滑体的下滑力为T=Wsinα=γLBzcosαsinα，侧面的土体的抗剪切力、侧面上根系的抗剪切力、滑裂面底面的抗剪切力三部分之和组成边坡的抗滑力，其大小分别为τc(2L+B)zcosα、τ0(2L+B)zcosα、τLB.这可表示为R=τLB+τc(2L+B)zcosα+τ0(2L+B)zcosα

(1-1)

T—下滑力，kN；

W—滑体自重,kN；

α—边坡坡度，°；

γ—土体重度，kN/m3；

L—滑体沿斜坡长度，m；

B—滑体宽度，m；

z—滑体深度，m；

τ—滑动面土体的抗剪强度，kPa；

τc—侧面土体的抗剪强度，kPa；

τ0—侧面根系对土体的抗剪强度增量，kPa；

土体抗剪强度公式为τ=c+σtanφ=c+γzcosαtanφ，其中c—土体黏聚力，γ—土体重度，z—滑体深度，φ—土体内摩擦角，由于滑动体滑动过程中滑动面上没有覆土，不考虑正应力的影响，则可得土体的抗剪强度只有黏聚力的影响则可得τc=c.则可得边坡稳定性系数可表示为

通过对植被防护边坡浅层稳定分析方法的影响因素分析，可得边坡坡度、滑体潜在滑裂面深度、滑体宽度、滑块宽长比等都对边坡的稳定性有影响.分别考虑其对边坡稳定性的影响，由于植被混合根系的黏聚力较素土增长较大，这里仅分析混合根系对边坡安全系数的影响.

2 边坡坡度对于浅层稳定性的影响

假定潜在滑裂面深度1.5 m，滑体宽度6 m，滑坡体沿斜坡长度为3 m.以表1为例，边坡的根土复合体含水率为12%，分别计算边坡坡度为21°、27°、33°和39°时不同含根量下边坡的安全因数与安全系数比值.安全系数比值的计算方法为，每组含根量的安全因数与含根量为0时的安全因数之比.除了含水率为12%的情况，还计算了含水率为12%、14%、16%和18%时每组工况的安全系数与安全系数比值，与表1类似，根据结果得到素土边坡坡度与安全系数曲线，如图2-1.

表1 不同边坡坡度不同含根量下边坡稳定性及比值

由上表可得随着含根量的增加，含水率为12%的情况下安全系数逐渐增加，安全系数的增加幅度不大，在边坡坡度为21°时较其他边坡坡度增加的幅度最大，在其他含水率的情况下也得到了类似的结果.含根量在0%到0.1%对于安全系数增加得较为明显，说明在此含水率下含根量在此区间内对边坡稳定性的影响显著，根系的存在能够显著增强边坡抗滑力，对于边坡稳定性有重要的影响作用.

图2-1 素土边坡坡度与安全系数曲线 图2-2 含水率12%含根量与安全系数比值图

由图2-1得，在含水率18%安全系数下降得比较显著，说明在此含水率下对于边坡的稳定性更加不利，而在含水量12%、14%、16%下降得比较均匀，说明含水率对于边坡稳定性有一定影响.由图2-2得各边坡坡度下安全系数比值增加得比较均匀，几近线性关系，边坡坡度为21°增加得最为显著，边坡坡度越小，边坡越安全.

3 滑体宽度对于浅层稳定性的影响

假定潜在滑裂面深度1.5 m，边坡坡度为33°，滑坡体沿斜坡长度为3 m.以表2为例，边坡的根土复合体含水率为12%，分别计算滑体宽度为4 m、6 m、8 m和10 m时不同含根量下边坡的安全因数与安全系数比值.安全系数比值的计算方法为，每组含根量的安全因数与含根量为0时的安全因数之比.除了含水率为12%的情况，还计算了含水率为12%、14%、16%和18%时每组工况的安全系数与安全系数比值，与表2类似，根据结果得到素土滑体宽度与安全系数曲线，如图3-1.

表2 不同滑体宽度不同含根量下边坡稳定性及其比值

由表2可得，在含水率为12%的情况下随着滑体宽度的增加，根土复合体和素土的安全系数都降低，但都大于1处于稳定状态，根土复合体的安全系数曲线都在素土曲线之上，说明根土复合体中根的存在能够有效提高边坡的抗滑力进而提高边坡的稳定性，在其他含水率的情况下也得到了类似的结果.浅层边坡稳点性系数在滑体宽度为4 m时增加最为显著，说明在此区间内滑体宽度变化对于边坡稳定性影响较为显著，在含根量0%到0.1%区间内安全系数显著增加，说明根系的存在能够显著提高边坡的稳定性.

图3-1 素土滑体宽度-安全系数曲线 图3-2 含水率12%含根量与安全系数比值图

由图3-1可得，随着含根量的增加安全系数不断增加，在含水率16%到18%安全系数下降比较明显，说明在此区间内含水率变化对安全系数的影响显著.由图3-2可得随着含根量的增加安全系数的比值逐渐增加，在滑体宽度为4m时增加得最为显著，增加的幅度为6.3%-29.2%，在滑体宽度为10 m时增加得最小，增加的幅度为2.8%-15.6%，说明滑体的宽度越小，边坡越稳定.

4 结 论

本文通过极限平衡法对边坡稳定性进行了分析，假设了滑体形状为长方体，考虑影响边坡稳定的诸多因素适用于边坡面积较小容易确定的情形.虽然这种边坡稳定性的计算公式能够计算边坡的稳定性，但不能完全反应边坡的实际情况.通过上述分析可以得出如下结论：

1)浅层边坡的稳定性与含水率、边坡坡角、滑体宽度呈负相关，即随着含水率、边坡坡角和滑体宽度的增加，安全系数降低；浅层边坡的稳定性与含根量成正相关，即随着含根量的增加，边坡稳定性增加.

2)浅层边坡安全系数在含水率16%-18%范围内下降显著，说明在此区间内受含水率变化影响显著，在此区间内边坡稳定性对含水率变化敏感.边坡稳定性在边坡坡度为21°-27°，滑体宽度4 m-6 m范围内变化显著，对浅层边坡的稳定性影响较大.