蒲石河抽水蓄能电站渣场边坡植物加固措施与评价

张 霄

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

1 工程背景

辽宁蒲石河抽水蓄能电站是东北地区兴建的最大抽水蓄能电站，电站设置4台机组，总装机容量120万kW，总投资45亿元[1]。电站主要由上下游水库、大坝、地下厂房以及输水系统构成。其中，上水库大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高78.5m坝、坝顶宽10.0m、最大底宽237.3m[2]。由于电站在建设中需要进行大量土石方开挖，并产生数量较大的渣土，因此在设置了上水库库盆、下水库库盆、六道坎和泉眼沟四处渣场[3]。其中，泉眼沟渣场的堆渣量为65.32万m3，属于大型渣场，由于堆渣量大，高度较高，需要采取必要的措施保证其边坡的稳定性[3]。

2 泉眼沟渣场植物加固方案

泉眼沟渣场治理区属于典型的中温带大陆性季风气候，多年平均气温为8.6℃，多年平均降水量783.2mm，降雨主要集中于汛期的6—9月，且多短时强降雨。强降雨期间的雨水渗透和冲刷作用会对渣场堆渣体边坡的稳定性造成不利影响[4]。治理区的成土母质主要由坡积物、冲积物以及人工堆垫物等，历时含量较高，不利于植物的生存和生长。渣场周边的自然植被主要是草类、野生灌木以及杨树、刺槐等人工水保植被，覆盖面积不大。

根据水文调查资料，泉眼沟渣场该渣场的集雨面积为8.31hm2，在50年一遇强降雨情况下，其洪峰流量为1.72m3/s。在渣场的周边设置矩形断面排水沟，截面尺寸为1.20m×0.90m。排水沟采用厚0.35m的浆砌石砌筑，并采用厚度2cm的水泥砂浆抹面。在渣场的马道部位设置截水沟，沟道底部设置U形排水盲沟。植物加固边坡具有重要作用和价值，其根系不仅可以提高边坡的稳定性，同时还可以改善渣场的生态环境。具体的措施为，在堆渣体的坡顶补植刺槐1200株，在坡面的裸露部位栽植穗槐7200株。

关于植被对边坡稳定性的影响，Ellison认为乔木和灌木类植被覆盖会增大边坡上的荷载增大，因此这种边坡具有更大的蠕动变形[5]。显然，这种认知是将植被本身视为外荷载的[6]。目前的主流观点是植被的根系对边坡土体具有明显的加固作用，可以有效提升边坡的稳定性[7]。基于此，本次研究以泉眼沟渣场堆渣体边坡为例，利用有限元强度折减法对植被的加固效果进行评价分析，为渣场的加固处理提供必要的依据。

3 植物加固措施的有限元分析

3.1 有限元模型的构建

边坡稳定性计算的方法主要由理论和数值两种主流方法[8]。其中，理论方法以极限分析法为代表，数值方法主要以有限元计算模型为代表，通过不断降低有限元本构模型中的强度参数，在模型恰好达到极限破坏时，其相应的折减系数即为边坡的

图1 边坡有限元模型示意图

安全系数[9]。鉴于理论分析法在使用过程中需要对某些条件进行假设，因此会影响到其在实际应用中的价值，而有限元强度折减法实用性较好，而目前大型商用有限元软件的进步和发展，也使得该方法具有方便、快捷、准确的优势[10]。因此，本文研究利用ABAQUS有限元强度折减法对植物加固措施的有效性进行研究[11]。

在进行有限元模型计算过程中，选择堆渣体坡度最大，地质结构最不稳定的P2坡面进行稽核模型的构建，边坡的处理按照上节方案中的植被进行种植。其中，假设灌木植被的根茎可以深入边坡内部8m左右，同时将两侧的侧根简化为倾斜30°的梁结构[12]。坡面的上的灌木草本等植被根系深入边坡内部1.5m左右，且视为一个垂直根系[13]。根系和周围的土体在计算中视为复合材料结构，其中植被的根系视为纤维加筋作用，及加固机理按照加筋土理论进行分析[14]。由于植被根系的变形模量大于土体的变形模量，在土体变形过程中，根系可以产生一定的约束作用[15]。对模型进行四边形单元网格剖分，最大网格为1.0m，植被部分按照梁单元进行模型，网格的间距设定为0.3m，最终获得11078个网格单元，12376个计算节点，有限元模型示意图如图1所示。

根据地质勘查和实验室试验结果，计算过程中采用表1的原始边坡计算参数。计算中边坡岩土体的破坏形式利用摩尔-库伦强度准则描述。植被根系对表层岩土体的加固作用主要表现为提升了岩土体的黏聚力，结合试验结果，浅层植被根系部位岩土体的黏聚力为0.085MPa。根系对边坡深部的加固作用主要通过根系和土体之间的黏结和摩擦实现，类似于锚杆和抗滑桩，根系和土体之间的黏聚力由试验获取，为0.135MPa。由于渣场的边坡是散体弃渣堆砌而成，并没有完全压实，也没有采取其他加固手段。鉴于堆渣体目前处于稳定状态，因此在计算分析过程中按折减系数大于1开始计算。

表1 堆渣体边坡物理力学参数

3.2 计算结果与分析

研究中首先对原始状态，也就是没有施加植物措施情况下的P2剖面的稳定性进行数值模拟计算，计算过程中从安全系数为1开始进行折减，计算步长为0.1，在进行到第4步分析时，结果不再收敛。查看计算结果，该步已经进行了10%的计算。因此，以线性差值计算，可知边皮的安全系数为1.31，其最终的位移云图和塑性破坏云图如图2—3所示。由图可知，边坡破坏不仅表现为接触界面附近的剪切性破坏，同时还包括边坡浅层部位的圆弧滑移破坏。因此，在该处边坡的处理过程中，不仅需要关注深层的滑移破坏，同时也需要对表层进行加固。

为了验证边坡加固过程中植物措施的作用，研究中在原始边坡的基础上，直接嵌入植被的根系进行模拟计算。由上文分析，渣场的边坡目前处于稳定状态，因此假定在实施植物措施后，边坡的安全系数仍旧大于1。因此，在模拟计算中，仍旧从安全系数为1开始进行折减，计算步长为0.1，其最终的位移云图和塑性破坏云图如图4—5所示。由计算结果可知，边坡的破坏特征与未采取植物措施时基本一致，边坡破坏不仅表现为接触界面附近的剪切性破坏，同时还包括边坡浅层部位的圆弧滑移破坏。由此可见，采用植物措施进行边坡的加固，

图2 没有施加植物措施工况P2剖面塑性区云图

图3 没有施加植物措施工况P2剖面位移云图

图4 施加植物措施工况下P2剖面塑性区云图

图5 施加植物措施工况下P2剖面位移云图

不会从根本上改变边坡的破坏形式以及其发生的位置。从边坡的安全系数来看，边坡的安全系数从1.31提升到了1.34，提高的幅度比较有限。这说明，植物措施加固边坡具有一定的效果，但是效果并不十分显著。究其原因，主要是堆渣的体积较大，植物的根系难以深入到边坡内部的滑移面上，因此难以发挥出较大的作用。但是，植被根系对浅层岩土体的加固还是具有比较显著的效果的。因此，针对目前的边坡加固设计，除了采用必要的植被措施的同时，还应该针对边坡内部滑移面采用一些必要的工程措施，例如锚杆、抗滑桩等可以穿过深部滑移面的锚固手段，以保证边坡在强降雨等不利工况下的稳定性，防止泥石流等次生地质灾害的发生。

4 结语

本次研究以蒲石河抽水蓄能电站的泉眼沟渣场为例，利用有限元强度折法对植被加固边坡的特点和有效性进行分析。结果显示植被措施在提升边坡稳定性方面的作用较为有限，建议进一步采用工程技术手段提升边坡的稳定性。根据研究结果，植被本身可以对边坡的浅层土体起到较好的加固作用，而深层加固效果如何应该看植被的根系是否能够大量穿过边坡内部潜在的滑移面。因此，应该结合具体工程现状选择应用方式。此外，本次研究没有针对不同的植被进行深入分析，但是从力学角度看，不同植被根系的深度和强度不同，加固效果也必然不同。例如，枣树类根系比较粗壮和发达的树木可以取得更好的加固效果。