蒿屬植物黃土邊坡固土效應(yīng)數(shù)值研究

李尋昌,李平安,許 銳,楊 威,侯慧穎

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

黃土高原地質(zhì)環(huán)境脆弱,大量裸露邊坡造成日益嚴(yán)重的水土流失與地質(zhì)災(zāi)害問題[1-6]。植物護(hù)坡作為一門新興的護(hù)坡技術(shù),以其環(huán)保理念在邊坡治理中備受關(guān)注,成為黃土邊坡地質(zhì)災(zāi)害防治的有效手段[7-11],得到越來越廣泛的應(yīng)用。近年來對(duì)植物護(hù)坡的理論和實(shí)用研究更加重視,研究方法主要以調(diào)查、試驗(yàn)和理論分析為主[12-13]。但是,植物對(duì)邊坡穩(wěn)定性提高的量化分析仍是研究中的難點(diǎn)問題。隨著數(shù)值模擬的迅猛發(fā)展,國(guó)內(nèi)外學(xué)者不再局限于理論研究和實(shí)驗(yàn)研究[14-15]?；谘影驳貐^(qū)黃土邊坡調(diào)查,篩選出適宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境且護(hù)坡效果明顯的蒿屬植物作為研究對(duì)象[6-7],利用室內(nèi)直剪試驗(yàn)得到的根-土復(fù)合體的力學(xué)參數(shù),通過FLAC3D軟件對(duì)不同坡度和不同根系狀態(tài)下的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬,以強(qiáng)度折減法求得安全系數(shù),定量分析其護(hù)坡效應(yīng)。

1 數(shù)值模型

1.1 護(hù)坡樹種篩選條件

以地處陜北黃土高原腹地、黃河中游的延安地區(qū)為調(diào)查區(qū),其地貌復(fù)雜,溝壑縱橫,環(huán)境脆弱,人類工程活動(dòng)頻繁,限制了植物在黃土邊坡的生長(zhǎng)。因此,護(hù)坡植物的選擇不僅要考慮環(huán)境適應(yīng)性和護(hù)坡效應(yīng),還必須警惕物種入侵等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。所以常見的護(hù)坡樹種并不一定適應(yīng)西北黃土地區(qū)特殊的自然條件。研究全面調(diào)查了陜北地區(qū)黃土邊坡工程地質(zhì)特點(diǎn)和植物生長(zhǎng)特征,在分析植物生長(zhǎng)特性與邊坡生境相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,篩選出蒿屬植物作為研究對(duì)象。

蒿屬植物根系發(fā)達(dá),具有很強(qiáng)的利用水分和微量元素的能力,且抗風(fēng)蝕能力高、耐寒性強(qiáng),是極少能適應(yīng)西北地區(qū)冬季氣候的草本植物之一。另一方面,蒿屬植物具有穩(wěn)定坡體及生態(tài)恢復(fù)的重要作用。蒿屬植物根系具有木質(zhì)、粗長(zhǎng)、側(cè)根多的特點(diǎn),對(duì)邊坡表層下1 m深度范圍內(nèi)的黃土加固作用顯著。蒿屬植物莖葉及根系可以推遲和減緩降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙時(shí)間,對(duì)于降低坡面沖刷作用明顯。通過對(duì)1～3年生的蒿屬植物調(diào)查比較,發(fā)現(xiàn)隨著生長(zhǎng)年限的增加,蒿屬植物數(shù)量比重下降,植物多樣性相應(yīng)提高,說明蒿屬植物對(duì)土壤環(huán)境有明顯的恢復(fù)作用,對(duì)黃土邊坡生境有較高的可塑性,特別適合作為西北地區(qū)黃土邊坡初期護(hù)坡植物物種,且隨著蒿屬植物對(duì)邊坡生境的改善,通過自然生長(zhǎng)或人工干預(yù)逐漸增加邊坡植物物種,可有效恢復(fù)邊坡生態(tài)環(huán)境。

1.2 材料參數(shù)

土體與分布于其中的根系形成根-土復(fù)合體,能夠發(fā)揮根系、土體兩種材料的優(yōu)勢(shì),有效增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度。這種抗剪強(qiáng)度增加值主要取決于根系、土體及其相互作用特征等諸多因素。在此次調(diào)查過程中,選擇典型黃土邊坡進(jìn)行剖面開挖,在開挖剖面不同位置取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),通過土工試驗(yàn)分析根系對(duì)含水率、密實(shí)度等土體物理參數(shù)的影響,特別是通過直剪試驗(yàn)揭示根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的影響。

試驗(yàn)測(cè)定平均值:天然土樣含根系土的含水率為16.85%,粘聚力為21.84 kPa,內(nèi)摩擦角為17.82°;無根系土的含水率為16.75%,粘聚力為18.31 kPa,內(nèi)摩擦角為14.82°。根系對(duì)土體物理參數(shù)的改變較為明顯。

1.3 模擬工況

蒿屬植物是一種菊科植物,介于草本植物與灌木之間,屬半灌木,一般蒿屬植物在地上部分能長(zhǎng)到1 m以上,主根到成年以后最長(zhǎng)可達(dá)2 m以上。蒿屬植物的壽命一般為10年左右,最長(zhǎng)能活15年,而蒿屬植物的根在幼年時(shí)候僅為須根,等到成年以后有一條主根向地下延伸。

植物須根在土壤中與土壤結(jié)合相當(dāng)于加筋土,在模型中表現(xiàn)為提高了土壤的c值和φ值,在數(shù)值模擬時(shí)將根-土復(fù)合體等效化為均質(zhì)材料。蒿屬植物的主根在邊坡土壤中起到了錨固作用,在模型中簡(jiǎn)化為錨固體作用在邊坡土壤。幼年時(shí)的蒿屬植物的根只有須根,等到成年后會(huì)出現(xiàn)明顯的主根,因此在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)建立了12種不同工況,便于比較蒿屬植物的根系對(duì)邊坡土壤穩(wěn)定性提高的貢獻(xiàn)。具體工況如表1所列。

表1 數(shù)值模擬工況

1.4 數(shù)值模型

由于植被根系長(zhǎng)度有限,對(duì)于深層滑坡的影響較小,但對(duì)坡面沖刷和淺表層滑坡有明顯的防治作用[14],因此研究植被對(duì)存在淺表層滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性的影響。建立12種工況對(duì)應(yīng)的3種不同坡度的邊坡模型,如圖1所示。新建模型邊坡高度均為10 m,潛在滑動(dòng)面深2 m,模擬的根系長(zhǎng)2.5 m。圖1中綠色表示深層土壤,藍(lán)色表示淺層根-土復(fù)合材料,紅色表示淺層土壤。當(dāng)邊坡上沒有植被覆蓋時(shí),藍(lán)色和紅色均為淺層土壤,土壤參數(shù)保持一致。

圖1 邊坡模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Slope model and meshing

2 結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果

由于篇幅原因,研究?jī)H以30°邊坡與60°邊坡數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較,定量分析不同根系分布狀態(tài)對(duì)不同坡度邊坡的穩(wěn)定性貢獻(xiàn),并總結(jié)出在復(fù)雜因素下邊坡應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律。

(1) 30°邊坡 當(dāng)邊坡的坡度為30°時(shí),邊坡較緩,邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較好。最大剪應(yīng)變?cè)隽康脑茍D如圖2所示。

圖2 30°邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.2 Maximum shear incremental cloud map for 30° slope

由圖2可以看出,工況1時(shí),淺層土壤的最大剪應(yīng)變?cè)隽棵黠@大,所受的剪力大,形成一個(gè)潛在滑動(dòng)面貫穿至邊坡頂部,由于剪應(yīng)變?cè)隽勘绕渌胤酱?所以在滑動(dòng)面上的土壤最為薄弱,相對(duì)容易發(fā)生剪切破壞。隨著根系的加強(qiáng),坡體的最大剪應(yīng)變?cè)隽恐饾u降低。工況4時(shí),邊坡剪應(yīng)變?cè)隽康谋∪鯇硬辉儇炌ㄖ疗马?僅集中在坡腳位置,其次邊坡位移得到了明顯控制,邊坡穩(wěn)定性有一定提高。

為定量評(píng)價(jià)根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn),采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行每種工況的安全系數(shù)計(jì)算。邊坡的坡度為30°時(shí),坡度較緩,安全系數(shù)較大,蒿屬植物的根系對(duì)邊坡的安全系數(shù)影響不大,即蒿屬植物根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性提高的效果并不明顯,僅是稍有提高。

(2) 60°邊坡 當(dāng)邊坡的坡度為60°時(shí),邊坡較陡,邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較差。最大剪應(yīng)變?cè)隽康脑茍D如圖3所示。

由圖3可以看出,雖然邊坡剪應(yīng)變?cè)隽康谋∪鯇右恢必炌ㄆ马?但隨著根系的加強(qiáng),坡體的最大剪應(yīng)變?cè)隽恐饾u降低,邊坡穩(wěn)定性有一定提高。其次,工況9與工況10的邊坡安全系數(shù)小于1,已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài),根系加強(qiáng)后,工況11與工況12的邊坡安全系數(shù)大于1,說明根系對(duì)坡度較大的邊坡的安全系數(shù)影響十分明顯。

圖3 60°邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.3 Maximum shear incremental cloud map for 60° slope

2.2 規(guī)律分析

從上述不同坡度對(duì)應(yīng)的不同工況的模擬結(jié)果中,對(duì)不同坡度工況下的安全系數(shù)進(jìn)行比較,其變化規(guī)律如圖4所示,不同工況下的安全系數(shù)提高百分比情況如圖5所示。

由圖4可知,坡度為30°的邊坡安全系數(shù)最大,坡度為60°的邊坡安全系數(shù)最小。說明坡度越緩邊坡的整體穩(wěn)定性越好,而邊坡越陡其穩(wěn)定性越差。并且在坡度較緩時(shí),邊坡上有無植被對(duì)邊坡安全系數(shù)的提高效果不明顯,而在坡度較陡時(shí),能明顯看到含主根上的須根系發(fā)達(dá)的植物對(duì)邊坡的安全系數(shù)提高的效果最好。

圖4 不同坡度工況下的安全系數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of safety factors under differentslope working conditions

由圖5可知:①蒿屬植物的須根對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提高不大,但是蒿屬植物的主根對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提高能起到一定的作用。蒿屬植物的根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性提高的能力還與邊坡的坡度相關(guān),邊坡很緩時(shí),蒿屬植物根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性稍有提高,即使有了主根的錨固作用其安全系數(shù)也只提高了2.63%,而邊坡較陡時(shí),蒿屬植物的根系對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提高效果依然不太明顯,只有須根作用時(shí)的邊坡其安全系數(shù)提高3.37%,有了主根后安全系數(shù)明顯增大,達(dá)到了26.97%,對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提高能有一定的作用。②含主根上的須根系發(fā)達(dá)的植物在提高邊坡安全系數(shù)上較蒿屬植物的作用明顯,與不含植物的邊坡相比,對(duì)30°邊坡的安全系數(shù)提高了4.21%,對(duì)45°邊坡的安全系數(shù)提高了11.43%,而對(duì)60°邊坡的安全系數(shù)提高了30.34%。由此可見,主根上的須根系發(fā)達(dá)的植物對(duì)較陡的邊坡有很可觀的治理效果。木本植物雖然提高邊坡安全系數(shù)的效果最好,但研究過程中并未考慮木本植物在地面上方的質(zhì)量,木本植物的自重過大,反而降低邊坡穩(wěn)定性,其高陡邊坡的護(hù)坡效果較蒿屬植物等草本植物差。因此,在實(shí)際工程中,還要慎重考慮邊坡上植被種類的選取。

圖5 不同坡度工況下的安全系數(shù)提高百分比對(duì)比Fig.5 Comparison of the percentage increase in safety factorunder different slope working conditions

在延安地區(qū),以蒿屬植物為代表的適生性強(qiáng)的植物,有極大的護(hù)坡工程應(yīng)用潛力,與傳統(tǒng)的邊坡治理技術(shù)相結(jié)合,在減少水土流失的同時(shí),還能較好地增強(qiáng)護(hù)坡效果,減小高陡邊坡淺表層滑坡隱患,提高邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1) 延安地區(qū)生態(tài)環(huán)境較為脆弱,護(hù)坡樹種應(yīng)以當(dāng)?shù)剡m生性強(qiáng)、護(hù)坡效果顯著的植物為主。

(2) 植物根系能夠與周圍土體形成根-土復(fù)合體,提高土體的力學(xué)參數(shù),從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

(3) 植物根系對(duì)淺表層滑坡有明顯的防治效果,其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提高效果隨著坡度增大而增大。

(4) 蒿屬植物在西北黃土地區(qū)生態(tài)復(fù)合型防治技術(shù)方面具有極大的應(yīng)用潛力,因此可作為延安地區(qū)黃土邊坡的優(yōu)勢(shì)護(hù)坡樹種。