植物根系对赣南矿山边坡的稳定性影响

王秋炎 易红仔

摘 要：利用Midas SoilWorks有限元软件，对矿山边坡生态修复工程种植的狗牙根（Cynodondactylon （L.） Pers.）、花木蓝（Indigofera kirilowii Maxim.exPalib.）和榆树（Ulmus pumila L.） 的根系，在自然条件和暴雨条件下对矿山边坡的安全稳定性影响进行了研究。结果表明，3种植物根系在各条件下对矿山边坡的安全稳定性都有不同程度的提高。植物根系对矿山边坡稳定性的影响程度与根系的数量及根系对边坡土体的作用范围有密切关系，深浅根系的组合效果最佳。但随着植物根系的深入，边坡安全稳定性系数提高，坡面的水平位移量也会随之增大，所以在实际的矿山边坡修复设计中，应结合安全稳定性系数、应力和变形等综合分析验证坡体的可靠性，选取最佳设计方案。

关键词：矿山边坡；有限元法；安全稳定性；植物根系

中图分类号：X171.4文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）02-00-06

0 引言

绿色矿山建设是保证我国礦产资源和生态环境实现可持续健康发展的重要举措，是实现人与自然和谐发展的必然选择[1]。工程建设者们急需探索新的技术方法来修复已被破坏的边坡，恢复矿山边坡的生态环境并实现坡体力学关系的平衡与稳定，达到绿色矿山建设的目的。

传统的钢筋混凝土挡墙、浆砌石护坡、混凝土格构、锚喷技术等，对于区域生态环境的修复与协调收效甚微[2]。近年来，植物防护技术备受科研建设者青睐，他们采用ANSYS、ABAQUS、GeoStudio等软件，对不同植物根系在河湖岸坡、公路边坡的加固防护作用进行研究[3-11]。

经研究分析，发现现有文献研究大都基于均一性质、干燥的边坡土层，对理想化的河湖岸坡、公路边坡中1～2类植物根系进行数值分析，而对实际项目中的矿山生态边坡的植被根系研究文献较少，尤其是对赣南地区的矿山边坡植物根系的有限元数值分析更少。本文利用Midas SoilWorks有限元软件对大余县西华山钨矿矿山环境综合治理工程中边坡生态修复所选用的3种乔灌草植物的根系进行数值分析，重点验证在自然工况和暴雨工况下它们对矿山边坡的安全稳定性影响。以期为今后绿色矿山建设和矿山边坡生态修复提供一定的理论借鉴和参考。

1 项目概况

本文矿山边坡位于大余西华山钨矿区5号废石堆东侧治理区。边坡高一般3～25 m，坡度25°～82°，山体岩土层按其成因类型、形成年代、物质组份及物理力学性质等特征可分为素填土、碎石、粉质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩。根据设计方案，坡面削整后的岩土层主要是粉质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩。根据大余西华山钨矿区治理工程设计方案及赣南地区常用护坡植物种类，本文选用狗牙根（Cynodon dactylon（L.） Pers.）、花木蓝（Indigofera kirilowii Maxim.ex Palib.）和榆树（Ulmus pumila L.）3种草灌乔护坡植物的根系作为边坡的加筋和锚固构件。

2 有限元模型建立

本文通过Midas SoilWorks有限元分析软件，采用强度折减系数法（SRM）进行建模分析。

2.1 模型及边界

本文用Midas SoilWorks二维有限元分析软件构建模型，将坡体分析简化为平面应变分析。郑颖人等[12]研究认为，有限元模型的尺寸大小对数值分析的精细度和准确性具有较大的影响，理想的二维边坡模型尺寸与坡高的关系如图1所示。

以XZ平面建立2D矿山边坡模型图，模型宽度为41.713 m，高度为17.25 m。模型X向左右边界受水平约束，Z向底边界受竖向约束。通过软件智能网格功能，共生成10个网格组，1428个岩土和结构单元。视模型土体单元为理想弹塑性，运用莫尔-库伦圆破坏准则，分别赋予模型土体对应的岩土参数值。植物根系视为植入式桁架结构，并分别赋予对应的根系参数值。模型荷载为自重。矿山边坡有限元模型如图2所示。

2.2 基本参数

2.2.1 岩土参数

根据大余西华山钨矿区勘察报告，结合边坡场地岩土层性状及均匀性， 岩土层主要参数指标见表1。

2.2.2 根系参数

狗牙根为须根型草本植物，其根系纤细而稠密，从基部呈放射状分布，主要集中在地表以下30 cm土层内，且随深度的增加根系越稀疏。根径一般为0.15～1 mm。

本文选用2年生灌木状花木蓝植株的根系为研究对象。刘奥林等[13]通过实验和统计分析，花木蓝的竖直根系主要分布在1 m深的土层范围内，超过一定的深度界限，其根系量大幅减少。一株花木蓝整个根系呈锥形分布，水平根的占比最大。

榆树为复合型根系，其多种根型发展较为均匀，主根系主要分布在2 m深的土层范围内。

植物根系复杂交错、盘根错节，为方便建模，依据各根系的特性，狗牙根根径统一取0.4 mm，花木蓝根径统一取3 mm，榆树根径统一取6 mm，其根系模型分别做如图3所示的简化处理。

结合工程实际和数值分析情况，查阅文献资料[14， 15]，狗牙根、花木蓝和榆树的根系具体参数指标见表2。

2.3 分析工况设置

在自然条件和暴雨条件下，分别按表3的工况条件对矿山边坡的安全稳定性进行分析。

3 结果与分析

3.1 自然条件下矿山边坡的安全稳定性

在自然条件下，计算分析得到各工况下矿山边坡的最大剪切应变云图，如图4～图9和各工况下矿山边坡的安全稳定性系数，如图10。

从图4、图5和图10可以看出工况1和工况2的矿山边坡潜在滑动带基本一致、边坡安全稳定性系数一样，但是工况1的坡脚浅层应变量明显大于工况2。这是因为位于坡体浅层的须根系和侧根系呈多维度的网状分布，组成网架结构体，与土体相互交织包裹，形成根土复合的加筋土结构。狗牙根的根系浅，能对边坡表层土起到加筋作用，而对位于地表以下较深的潜在滑动带无明显影响。

从图6～图9可以看出工况3～工况6的矿山边坡潜在滑动带相对于工况1和工况2都明显变窄，而且滑动带的位置在边坡也都有不同程度的下移降低。分析各工况下滑动带位置的向下偏移量，可以知道工况1≈工况2＜工况3＜工况5＜工况4＜工况6。这与图10各工况下矿山边坡的安全稳定性系数工况1=工况2＜工况3＜工况5＜工况4＜工况6一致，且工况3～工况6的安全稳定性系数相对于工况1分别提高了1.67%、11.11%、3.33%、15.56%。

可见，根系的加筋作用提升了土体的黏聚力和抗剪强度，且根系越深，其对土体的影响范围越大，特别是直径较大的主根系和侧根系，具有传递应力，分散滑动面土体荷载，改善土体应变，增大滑动面的抗滑移水平，提高坡体抗剪强度，提高边坡的整体稳定性和安全系数。

工况4的矿山边坡安全稳定性相对于工况3和工况5，分别提高了9.29%、7.53%。这是因为榆树的根系长，远大于狗牙根和花木蓝的根系，说明深根系对土体的锚固作用使矿山边坡安全稳定性提高方面远大于浅根系对浅层土体的加筋作用。

从图4～图9可以知道，矿山边坡的安全稳定性变化与土体中植物根系设置的关系：裸露边坡＜狗牙根边坡＜花木蓝边坡＜狗牙根边坡+花木蓝边坡＜榆树边坡＜狗牙根边坡+花木蓝+榆树边坡。可见，植物根系对矿山边坡安全稳定性的影响程度与根系的数量及根系对边坡土体的作用范围有密切关系。

3.2 暴雨条件下矿山边坡的安全稳定性

在暴雨条件下，计算分析得到各工况下矿山边坡的最大剪切应变云图，如图11～图16和各工况下矿山边坡的安全稳定性系数，如图17。

从图11和图17可知，在暴雨条件下，各工况矿山边坡的安全稳定性系数相对于自然条件的各工况分别降低了35%、35%、34.43%、37.5%、34.95%、38.94%。可见，暴雨对矿山边坡的安全稳定性影响很大。但从图11～图16可知，工况2的边坡表层土体最大剪切应变量小于工况1，工况3～工况6安全稳定性相对于工况1分别提高了2.56%、6.84%、3.42%、8.55%，所以设置了植物根系的各工况边坡其最大剪切应变量都比工况1小。说明植物根系有效改善边坡土体的持水性，改善土体力学参数，在暴雨条件下也能较好提高矿山边坡的稳定性。

分析图11～图17，在暴雨条件下，矿山边坡各工况下的安全稳定性系数与边坡滑动带位置的向下偏移量及土体中植物根系设置的关系跟自然条件下基本一致。可见植物根系可有效调节滑动面区域土体的孔隙水压，提高其抗渗性、吸附力和摩擦力，提高矿山边坡的安全稳定性系数，并且深根系植物在这方面起着主导作用。

3.3 对坡面水平位移的影响分析

基于軟件分析结果，分别统计自然条件和暴雨条件下各工况矿山边坡坡面点的最小和最大水平（DX）位移量，得到表4和图18。

从表4和图18可以知道，无论在自然条件还是暴雨条件下，矿山边坡坡面的最小和最大水平位移量都随坡体内设置的植物根系深度的增加而增大。结合前述的安全稳定性系数分析，可以发现通过坡体内设置植物根系来提高矿山边坡的稳定性，随着坡体安全稳定性系数的增大，坡面的水平位移量也相应增加。

植物根系类似锚杆、土钉等结构设置于坡体内，通过提高根土间的摩擦力，提高了边坡的抗滑性能，但同时改变了坡体的应力分布，增大了边坡位移变形，根系越深影响范围越大。这是因为坡体的安全稳定性与坡体的变形具有相互的关联性，其之间是应力与应变的复杂演变平衡的结果。所以在实际的矿山边坡工程设计中，并不是增加锚杆、土钉使得边坡的安全稳定性系数越高，坡体就越稳定可靠，还应结合实际情况，通过对应力和变形的详细分析、对比优化，选取最佳设计方案。

4 结论

（1）采用强度折减系数法对矿山边坡进行有限元分析，可得到坡体的应力、应变、塑性区、内力、安全稳定性等信息参数。相对于传统的分析方法，强度折减系数法能更好展现矿山边坡接近于实际的破坏情况，并显示出潜在滑动面供边坡治理参考。

（2）无论在自然工况还是在暴雨工况下，植物根系都能有效提高赣南矿山边坡的安全稳定性。

（3）根深1 m以内的浅根系草灌木，其根系对赣南矿山边坡土体的加筋作用可有效调节浅层边坡的应力分布，降低边坡土体的浅层应变，提高边坡稳定性，但对坡体的安全稳定性系数影响不太明显。

（4）深根系的乔灌木，其根系对赣南矿山边坡土体的锚固作用可有效调节坡体的应力分布，降低土体应变，并提高坡体的安全稳定性系数。

（5）植物根系对赣南矿山边坡安全稳定性的影响程度与根系的数量及根系对边坡土体的作用范围有密切关系，所以深浅根系的乔灌草植物组合效果最佳。

（6）在实际的矿山边坡工程设计中，应结合边坡的安全稳定性系数、应力和变形等综合分析验证坡体的稳定可靠性，选取最佳设计方案。

参考文献：

[1] 何秋里.边坡工程生态防护研究与应用[D].湖北：华中科技大学，2006.

[2] 王玮晶.土工格栅及生态袋在生态护坡中的应用[J].水利科技与经济，2011，17（7）：97-98.

[3] Der-Guey Lin，Bor-Shun Huang，Shin-Hwei Lin.3-D numerical investigations into the shear strength of the soil-root system of Makino bamboo and its effect on slope stability[J].Ecological Engineering，2010，36（8）：992-1006.

[4] 梁天河.植物护坡技术的力学机理及有限元分析[J].山西建筑，2017，43（1）：88-89.

[5] 李岩.有限元强度折减法在林木根系固土护坡中的应用研究[D].重庆：西南大学，2015.

[6] 李雪尔，谢春燕，李岩，等.植物根系护坡的有限元数值分析[J].西南师范大学学报（自然科学版），2018，43（2）：76-82.

[7] 嵇晓雷.植物根系分布对边坡护坡效应的数值模拟[J].中国科技论文，2020，15（6）：652-656.

[8] Yan ZX，Song Y ，Jiang P ，etal.Mechanical analysis of interaction between plant roots and rock and soil mass in slope vegetation[J].Applied Mathematics and Mechanics，2010，31（5）：617-622.

[9] 郝由之，赵进勇，路明，等.复合植被根系作用对生态岸坡稳定性的影响[J].水生态学杂志，2020，41（3）：42-50.

[10] 肖本林，罗寿龙，陈军，等.根系生态护坡的有限元分析[J].岩土力学，2011，32（6）：1881-1885.

[11] 谢强.草本植物对消落带边坡加固效果及稳定性影响分析[D].浙江：浙江工业大学，2022.

[12] 郑颖人，赵尚毅，李安洪，等.有限元极限分析法及其在边坡中的应用[M].北京：人民交通出版社，2011．

[13] 刘奥林，易文，陆杨瑞雪.湘北地区多花木兰根系形态研究[J].大众标准化，2020（8）：117-119.

[14] 郝由之.考虑复合植被根系加筋锚固作用的坡式生态护岸稳定性研究[D].河北：河北工程大学，2018.

[15] 万娟.草灌生态护坡力学性能研究[D].湖北：华中科技大学，2015.