蒿属植物黄土边坡固土效应数值研究

李寻昌,李平安,许 锐,杨 威,侯慧颖

(长安大学地质工程与测绘工程学院,陕西 西安 710054)

黄土高原地质环境脆弱,大量裸露边坡造成日益严重的水土流失与地质灾害问题[1-6]。植物护坡作为一门新兴的护坡技术,以其环保理念在边坡治理中备受关注,成为黄土边坡地质灾害防治的有效手段[7-11],得到越来越广泛的应用。近年来对植物护坡的理论和实用研究更加重视,研究方法主要以调查、试验和理论分析为主[12-13]。但是,植物对边坡稳定性提高的量化分析仍是研究中的难点问题。随着数值模拟的迅猛发展,国内外学者不再局限于理论研究和实验研究[14-15]。基于延安地区黄土边坡调查,筛选出适宜当地环境且护坡效果明显的蒿属植物作为研究对象[6-7],利用室内直剪试验得到的根-土复合体的力学参数,通过FLAC3D软件对不同坡度和不同根系状态下的边坡进行数值模拟,以强度折减法求得安全系数,定量分析其护坡效应。

1 数值模型

1.1 护坡树种筛选条件

以地处陕北黄土高原腹地、黄河中游的延安地区为调查区,其地貌复杂,沟壑纵横,环境脆弱,人类工程活动频繁,限制了植物在黄土边坡的生长。因此,护坡植物的选择不仅要考虑环境适应性和护坡效应,还必须警惕物种入侵等潜在生态风险。所以常见的护坡树种并不一定适应西北黄土地区特殊的自然条件。研究全面调查了陕北地区黄土边坡工程地质特点和植物生长特征,在分析植物生长特性与边坡生境相互关系的基础上,筛选出蒿属植物作为研究对象。

蒿属植物根系发达,具有很强的利用水分和微量元素的能力,且抗风蚀能力高、耐寒性强,是极少能适应西北地区冬季气候的草本植物之一。另一方面,蒿属植物具有稳定坡体及生态恢复的重要作用。蒿属植物根系具有木质、粗长、侧根多的特点,对边坡表层下1 m深度范围内的黄土加固作用显著。蒿属植物茎叶及根系可以推迟和减缓降雨产流、产沙时间,对于降低坡面冲刷作用明显。通过对1～3年生的蒿属植物调查比较,发现随着生长年限的增加,蒿属植物数量比重下降,植物多样性相应提高,说明蒿属植物对土壤环境有明显的恢复作用,对黄土边坡生境有较高的可塑性,特别适合作为西北地区黄土边坡初期护坡植物物种,且随着蒿属植物对边坡生境的改善,通过自然生长或人工干预逐渐增加边坡植物物种,可有效恢复边坡生态环境。

1.2 材料参数

土体与分布于其中的根系形成根-土复合体,能够发挥根系、土体两种材料的优势,有效增强边坡土体抗剪强度。这种抗剪强度增加值主要取决于根系、土体及其相互作用特征等诸多因素。在此次调查过程中,选择典型黄土边坡进行剖面开挖,在开挖剖面不同位置取原状土样进行室内试验,通过土工试验分析根系对含水率、密实度等土体物理参数的影响,特别是通过直剪试验揭示根系对土体抗剪强度等力学参数的影响。

试验测定平均值:天然土样含根系土的含水率为16.85%,粘聚力为21.84 kPa,内摩擦角为17.82°;无根系土的含水率为16.75%,粘聚力为18.31 kPa,内摩擦角为14.82°。根系对土体物理参数的改变较为明显。

1.3 模拟工况

蒿属植物是一种菊科植物,介于草本植物与灌木之间,属半灌木,一般蒿属植物在地上部分能长到1 m以上,主根到成年以后最长可达2 m以上。蒿属植物的寿命一般为10年左右,最长能活15年,而蒿属植物的根在幼年时候仅为须根,等到成年以后有一条主根向地下延伸。

植物须根在土壤中与土壤结合相当于加筋土,在模型中表现为提高了土壤的c值和φ值,在数值模拟时将根-土复合体等效化为均质材料。蒿属植物的主根在边坡土壤中起到了锚固作用,在模型中简化为锚固体作用在边坡土壤。幼年时的蒿属植物的根只有须根,等到成年后会出现明显的主根,因此在进行数值模拟时建立了12种不同工况,便于比较蒿属植物的根系对边坡土壤稳定性提高的贡献。具体工况如表1所列。

表1 数值模拟工况

1.4 数值模型

由于植被根系长度有限,对于深层滑坡的影响较小,但对坡面冲刷和浅表层滑坡有明显的防治作用[14],因此研究植被对存在浅表层滑动面的边坡稳定性的影响。建立12种工况对应的3种不同坡度的边坡模型,如图1所示。新建模型边坡高度均为10 m,潜在滑动面深2 m,模拟的根系长2.5 m。图1中绿色表示深层土壤,蓝色表示浅层根-土复合材料,红色表示浅层土壤。当边坡上没有植被覆盖时,蓝色和红色均为浅层土壤,土壤参数保持一致。

图1 边坡模型及网格划分Fig.1 Slope model and meshing

2 结果分析

2.1 模拟结果

由于篇幅原因,研究仅以30°边坡与60°边坡数值模拟结果进行比较,定量分析不同根系分布状态对不同坡度边坡的稳定性贡献,并总结出在复杂因素下边坡应力应变的变化规律。

(1) 30°边坡 当边坡的坡度为30°时,边坡较缓,边坡稳定性相对较好。最大剪应变增量的云图如图2所示。

图2 30°边坡最大剪应变增量云图Fig.2 Maximum shear incremental cloud map for 30° slope

由图2可以看出,工况1时,浅层土壤的最大剪应变增量明显大,所受的剪力大,形成一个潜在滑动面贯穿至边坡顶部,由于剪应变增量比其他地方大,所以在滑动面上的土壤最为薄弱,相对容易发生剪切破坏。随着根系的加强,坡体的最大剪应变增量逐渐降低。工况4时,边坡剪应变增量的薄弱层不再贯通至坡顶,仅集中在坡脚位置,其次边坡位移得到了明显控制,边坡稳定性有一定提高。

为定量评价根系对边坡稳定性的贡献,采用强度折减法进行每种工况的安全系数计算。边坡的坡度为30°时,坡度较缓,安全系数较大,蒿属植物的根系对边坡的安全系数影响不大,即蒿属植物根系对边坡稳定性提高的效果并不明显,仅是稍有提高。

(2) 60°边坡 当边坡的坡度为60°时,边坡较陡,边坡稳定性相对较差。最大剪应变增量的云图如图3所示。

由图3可以看出,虽然边坡剪应变增量的薄弱层一直贯通坡顶,但随着根系的加强,坡体的最大剪应变增量逐渐降低,边坡稳定性有一定提高。其次,工况9与工况10的边坡安全系数小于1,已经处于不稳定状态,根系加强后,工况11与工况12的边坡安全系数大于1,说明根系对坡度较大的边坡的安全系数影响十分明显。

图3 60°边坡最大剪应变增量云图Fig.3 Maximum shear incremental cloud map for 60° slope

2.2 规律分析

从上述不同坡度对应的不同工况的模拟结果中,对不同坡度工况下的安全系数进行比较,其变化规律如图4所示,不同工况下的安全系数提高百分比情况如图5所示。

由图4可知,坡度为30°的边坡安全系数最大,坡度为60°的边坡安全系数最小。说明坡度越缓边坡的整体稳定性越好,而边坡越陡其稳定性越差。并且在坡度较缓时,边坡上有无植被对边坡安全系数的提高效果不明显,而在坡度较陡时,能明显看到含主根上的须根系发达的植物对边坡的安全系数提高的效果最好。

图4 不同坡度工况下的安全系数对比Fig.4 Comparison of safety factors under differentslope working conditions

由图5可知:①蒿属植物的须根对边坡稳定性的提高不大,但是蒿属植物的主根对边坡稳定性的提高能起到一定的作用。蒿属植物的根系对边坡稳定性提高的能力还与边坡的坡度相关,边坡很缓时,蒿属植物根系对边坡稳定性稍有提高,即使有了主根的锚固作用其安全系数也只提高了2.63%,而边坡较陡时,蒿属植物的根系对边坡稳定性的提高效果依然不太明显,只有须根作用时的边坡其安全系数提高3.37%,有了主根后安全系数明显增大,达到了26.97%,对边坡稳定性的提高能有一定的作用。②含主根上的须根系发达的植物在提高边坡安全系数上较蒿属植物的作用明显,与不含植物的边坡相比,对30°边坡的安全系数提高了4.21%,对45°边坡的安全系数提高了11.43%,而对60°边坡的安全系数提高了30.34%。由此可见,主根上的须根系发达的植物对较陡的边坡有很可观的治理效果。木本植物虽然提高边坡安全系数的效果最好,但研究过程中并未考虑木本植物在地面上方的质量,木本植物的自重过大,反而降低边坡稳定性,其高陡边坡的护坡效果较蒿属植物等草本植物差。因此,在实际工程中,还要慎重考虑边坡上植被种类的选取。

图5 不同坡度工况下的安全系数提高百分比对比Fig.5 Comparison of the percentage increase in safety factorunder different slope working conditions

在延安地区,以蒿属植物为代表的适生性强的植物,有极大的护坡工程应用潜力,与传统的边坡治理技术相结合,在减少水土流失的同时,还能较好地增强护坡效果,减小高陡边坡浅表层滑坡隐患,提高边坡的稳定性。

3 结论

(1) 延安地区生态环境较为脆弱,护坡树种应以当地适生性强、护坡效果显著的植物为主。

(2) 植物根系能够与周围土体形成根-土复合体,提高土体的力学参数,从而提高边坡的稳定性。

(3) 植物根系对浅表层滑坡有明显的防治效果,其对边坡稳定性的提高效果随着坡度增大而增大。

(4) 蒿属植物在西北黄土地区生态复合型防治技术方面具有极大的应用潜力,因此可作为延安地区黄土边坡的优势护坡树种。