水位變化條件下植被對(duì)下荊江河段岸坡穩(wěn)定性影響分析

邱嘉琦，余明輝，李 倩

(武漢大學(xué) 水資源工程與調(diào)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

1 研究背景

長(zhǎng)江中游荊江河段河岸為典型的二元結(jié)構(gòu)，抗沖性較差。在上游水庫(kù)群蓄水?dāng)r沙作用下，進(jìn)入荊江河段的沙量大幅減小，汛后水位快速下降，河床及河岸坡腳發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間、大面積的沖刷，局部河段岸線劇烈崩退，以藕池口以下的下荊江最為嚴(yán)重[1-2]。護(hù)岸工程是長(zhǎng)江岸線防護(hù)最基本的工程措施，新中國(guó)成立后，國(guó)家高度重視長(zhǎng)江中下游干流的河道治理工作，至1998年，累計(jì)完成護(hù)岸長(zhǎng)度約1189 km。1998年大洪水后，國(guó)家實(shí)施了長(zhǎng)江重要堤防隱蔽工程，對(duì)直接危及干流重要堤防安全的崩岸段和河勢(shì)變化劇烈的河段進(jìn)行了治理，累計(jì)護(hù)岸總長(zhǎng)約436 km[3-5]。三峽建成后長(zhǎng)江中下游干流沿線又實(shí)施護(hù)岸工程超過(guò)700 km。長(zhǎng)江中下游兩岸護(hù)岸工程對(duì)穩(wěn)定河勢(shì)起到積極作用，河勢(shì)總體較為穩(wěn)定。

目前，生態(tài)護(hù)坡形式已經(jīng)成為未來(lái)邊坡防護(hù)發(fā)展的方向，許多學(xué)者針對(duì)邊坡穩(wěn)定模擬及植被生態(tài)護(hù)坡進(jìn)行了大量的研究。在岸坡穩(wěn)定性研究方面，Wang等[6]利用GeoStudio軟件對(duì)山西某滑坡進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該軟件可以方便地計(jì)算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)，并能直觀地表達(dá)潛在滑移面；Yang等[7]研究水位變動(dòng)、降雨對(duì)三峽庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定性的年內(nèi)影響，發(fā)現(xiàn)邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性主要受水位影響；舒安平等[8]通過(guò)研究庫(kù)區(qū)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)庫(kù)水位的陡漲陡落均會(huì)促使庫(kù)區(qū)邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑坡。在植被根系的研究方面，周正軍等[9]通過(guò)對(duì)比坡腳加筋、坡頂加筋、全坡加筋3種情況下的邊坡穩(wěn)定性，表明根系的加筋作用能提高邊坡淺層穩(wěn)定性；陳潮等[10]將植被根系作為“活土釘”作用于邊坡，發(fā)現(xiàn)植被能改善坡內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)邊坡的淺層錨固效果明顯。

目前研究植被對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響大多考慮根系的加筋錨固作用，將含根系土作為一種抗剪強(qiáng)度較高的“特殊土層”或?qū)⒏底鳛橥玲?、梁?jiǎn)卧葟椥圆牧蟍9-10]，然而研究表明坡面植被影響下的蒸發(fā)蒸騰作用對(duì)坡體中的水分分布以及邊坡整體穩(wěn)定性具有重要影響[11]。此外，河道內(nèi)水位變化是影響河岸穩(wěn)定性的重要因素之一，尤其在退水期內(nèi)，該因素的作用更為明顯[12]。因此需要綜合考慮護(hù)岸植被的水文效應(yīng)，定量分析河道水位下降對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響。在護(hù)坡植被的選擇中，香根草根系抗剪的特點(diǎn)，被廣泛用于水土保持[14]。因此本文選用香根草-高羊茅組合植物護(hù)坡型式，在考慮植被根系錨固、固土護(hù)坡等力學(xué)因素的基礎(chǔ)上，綜合考慮坡面蒸發(fā)、植被蒸騰等水文因素，運(yùn)用單因子分析方法研究河道水位下降幅度、水位下降速率、初始水位三種因素對(duì)有、無(wú)植被岸坡穩(wěn)定性的影響，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)比三種因素對(duì)有、無(wú)植被岸坡穩(wěn)定性的影響程度。

2 研究方法

2.1 Morgenstern-Price邊坡穩(wěn)定性理論岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)選用GEO-SLOPE計(jì)算模塊中的M-P方法。該方法將滑坡體劃分為垂直的多個(gè)土條，考慮土條的條間正應(yīng)力及條間剪應(yīng)力，且認(rèn)為二者間存在一定的函數(shù)關(guān)系。安全系數(shù)計(jì)算公式為[15]：

(1)

式中：FS為安全系數(shù)；c為土體黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；ΔL為各土條在滑動(dòng)面上的長(zhǎng)度；R為對(duì)滑動(dòng)面圓心取矩的力臂長(zhǎng)；W為滑動(dòng)面對(duì)土條的切向作用力；LW為各土條到滑動(dòng)面圓心的力臂長(zhǎng)；N為滑動(dòng)面對(duì)土條的法向作用力；LN為各土條在滑動(dòng)面上的中點(diǎn)到對(duì)應(yīng)法線的距離。

2.2 坡面蒸發(fā)與植被蒸騰GeoStudio軟件通過(guò)計(jì)算潛在蒸發(fā)量來(lái)模擬坡面的蒸發(fā)過(guò)程，最為廣泛使用的模擬公式為Penman公式，認(rèn)為土壤表面為完全飽和狀態(tài)，故當(dāng)土壤表面為非飽和狀態(tài)時(shí)，計(jì)算結(jié)果將大于土壤的實(shí)際蒸發(fā)量，且蒸發(fā)量除了與氣象因素有關(guān)外，與土壤的含水率、空氣的相對(duì)濕度等其他因素也相關(guān)。Wilson對(duì)其進(jìn)行修正后提出了Penman-Wilson公式計(jì)算實(shí)際坡面蒸發(fā)量[11]：

(2)

式中：Γ為飽和蒸氣壓隨溫度變化曲線在計(jì)算時(shí)段平均溫度處的斜率；Q為坡體表面有效凈輻射能量；ν為理化常數(shù)；Ea為與風(fēng)速、蒸汽壓力、相對(duì)濕度有關(guān)的參數(shù)；A為坡體土壤表面相對(duì)濕度的倒數(shù)。

當(dāng)坡體土壤處于飽和狀態(tài)時(shí)，植物的潛在蒸騰量Tp為：

(3)

若土壤部分飽和，則植物的實(shí)際蒸騰量Ta為：

(4)

式中：Ep為潛在蒸發(fā)量；LAI為植被的葉面積指數(shù)；Rn為仿真模擬的節(jié)點(diǎn)深度；Rt為植被根區(qū)的總厚度；An為仿真模擬節(jié)點(diǎn)的代表區(qū)域；PML為當(dāng)前孔隙水負(fù)壓力下的植物濕度界限函數(shù)值。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析灰色關(guān)聯(lián)分析法[16]能在有限數(shù)據(jù)的條件下較為精確地計(jì)算比較因素與參考因素之間的關(guān)聯(lián)程度，關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明比較因素與參考因素的相關(guān)性越強(qiáng)，即敏感度越高。

2.3.1 定義比較列與參考列矩陣 將影響岸坡穩(wěn)定性的因素定義為比較列矩陣X，將對(duì)應(yīng)的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)定義為參考列矩陣Y。兩矩陣均為m行n列，m為影響岸坡穩(wěn)定性的因素?cái)?shù)量；n為各影響因素變化值數(shù)量。

2.3.2 求解灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣及灰色關(guān)聯(lián)度 為避免各影響因素的單位和量級(jí)對(duì)分析結(jié)果造成影響，需對(duì)各影響因素組成的矩陣采用極差變換法進(jìn)行無(wú)量綱化處理，求得均值x′ij，根據(jù)公式|x′ij-yij|得到差異序列矩陣Δij，利用差異序列矩陣計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣元素rij，再利用關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度R：

(5)

式中：k為分辨系數(shù)，一般取為0.5；Δmax、Δmin為差異序列矩陣中的最大、最小值?；疑P(guān)聯(lián)度的取值范圍在0～1之間，越接近1，說(shuō)明該影響因素對(duì)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響越大，即岸坡對(duì)該因素越敏感。

3 計(jì)算模型

3.1 岸坡模型及參數(shù)以下荊江河段土質(zhì)岸坡為研究背景，岸坡為自然沉積的二元結(jié)構(gòu)[17]：上部土層為黏性土層，由粉質(zhì)黏土或粉土、壤土組成；下部土層以中細(xì)砂為主，屬于非黏性土。

如圖1(a)所示，參考監(jiān)利(二站)2019年實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)，素土岸坡坡頂高程為35.00 m(黃海高程，下同)，坡頂寬度為30.00 m，坡腳高程為15.00 m，坡腳到模型左邊界的距離為32.50 m；土層交界面水平分布，高程15.00 m以上為黏性土，以下為砂性土；岸坡在高程20.00 m處出現(xiàn)坡度陡變，上部坡度為1∶2.5，下部垂直于河床。岸坡模型網(wǎng)格取全局單元大概尺寸為2.0 m，共包含731個(gè)節(jié)點(diǎn)及668個(gè)單元。植被岸坡模型如圖1(b)，采用香根草—高羊茅組合的植物護(hù)坡型式，坡頂種植香根草，坡面種植高羊茅，保證在不妨礙行洪的前提下穩(wěn)固岸坡。植被根系模擬采用土釘模型，成熟香根草根系深度為3.00 m，由于香根草地面植株高可達(dá)2 m，植株主干上生長(zhǎng)有0.5～1.5 m長(zhǎng)的中空側(cè)莖[18]，故取植株間距為1.00 m；高羊茅根系深度為0.5 m，由于高羊茅根土復(fù)合體幾何形狀近似為Plate型[19]，考慮草本植被根系的重疊纏繞，故取植株間距為0.5 m[20]。種植區(qū)域最下端高程按監(jiān)利(二站)2019年最低保證率水位取為24.50 m。土釘?shù)目估?、抗剪、抗拔等?qiáng)度參數(shù)為香根草、高羊茅根系的實(shí)際參數(shù)：香根草土釘抗拔強(qiáng)度為9.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為10.0 kN，抗剪強(qiáng)度為5.0 kN，抗拔、抗拉、抗剪安全系數(shù)為1.0；高羊茅土釘抗拔強(qiáng)度為1.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.8 kN，抗剪強(qiáng)度為0.5 kN，抗拔、抗拉、抗剪安全系數(shù)為1.0[21]。

圖1 模型示意圖

岸坡土體強(qiáng)度參數(shù)采用陳潔等[22]總結(jié)的藕池口—城陵磯段岸坡平均參數(shù)，具有普遍性與代表性；黏粒含量及中值粒徑采用下荊江河岸平均值[23]，如表1所示。岸坡土體熱力學(xué)參數(shù)采用段研[24]的試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。粉質(zhì)黏土、細(xì)砂的土水曲線和滲透系數(shù)函數(shù)由Van Genuchten函數(shù)[25]擬合得出。

表1 岸坡土體強(qiáng)度參數(shù)

表2 岸坡土體熱力學(xué)參數(shù)

3.2 邊界條件及初始條件

(1)邊界條件。

①模型底面：不考慮滲流影響，設(shè)為不透水邊界。

②模型左側(cè)：為臨水一側(cè)，設(shè)為給定水頭邊界。由于模型為河道岸坡，因此邊界水頭設(shè)為河道水位對(duì)應(yīng)水頭；水流無(wú)法淹沒(méi)的范圍按零流量邊界處理，并同時(shí)附加土水氣候條件。

③模型右側(cè)：為背水一側(cè)，設(shè)為給定水頭邊界。邊界水頭設(shè)為地下水位對(duì)應(yīng)水頭，默認(rèn)初始地下水位與河道水位相同，且地下水位的下降速率始終為0.5 m/d；地下水位以上部分按零流量邊界處理。

④模型頂部：坡頂設(shè)為土水氣候邊界。

(2)初始條件。設(shè)定為各計(jì)算工況初始時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果。

3.3 氣候條件及植被條件土水氣候邊界條件根據(jù)監(jiān)利實(shí)際氣象水文資料確定。監(jiān)利太陽(yáng)年輻射總量為435～460 kJ/cm2；氣溫參考2019年汛后9月平均氣溫，日氣溫變化在21～30 ℃之間；相對(duì)濕度取為多年平均相對(duì)濕度76%；風(fēng)速設(shè)為多年平均風(fēng)速2.2 m/s；凈輻射通量函數(shù)取峰值輻射通量為10-6J/(s·m2)，分布為正弦分布。植被葉面積指數(shù)LAI取3.0，植被覆蓋度為80%。

4 植被對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響分析

4.1 計(jì)算工況根據(jù)監(jiān)利(二站)實(shí)測(cè)水位資料，共設(shè)計(jì)46個(gè)工況：其中素土岸坡命名為b，植被岸坡命名為v；水位下降幅度命名為M，水位下降速率命名為R，初始水位命名為I。各工況具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)工況表

4.2 計(jì)算結(jié)果根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》(GB/T 32864—2016)，當(dāng)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.15時(shí)，岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)介于1.05～1.15時(shí)，岸坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)介于1.0～1.05時(shí)，岸坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0時(shí)，岸坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.2.1 水位下降幅度影響分析 圖2為有、無(wú)植被岸坡在不同水位下降幅度時(shí)坡內(nèi)浸潤(rùn)線在計(jì)算時(shí)段末的分布情況。隨著河道水位的下降，浸潤(rùn)線的高度也不斷降低。由于岸坡土壤的保水性，坡內(nèi)浸潤(rùn)線的下降相對(duì)于河道水位下降表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)，即坡內(nèi)浸潤(rùn)線的下降速度小于河道水位的下降速度，因此坡內(nèi)浸潤(rùn)線的分布呈上凸型曲線。由圖2對(duì)比能看出，在植被蒸騰作用的調(diào)節(jié)下，有植被岸坡坡內(nèi)浸潤(rùn)線的分布更加均勻。圖3為有、無(wú)植被岸坡在不同水位下降幅度時(shí)的最小安全系數(shù)及其滑移面，上部黏性土的滑移面呈弧形，下部砂性土的滑移面呈折線形，與土坡滑動(dòng)規(guī)律相符。與素土岸坡相比，有植被岸坡滑動(dòng)面上端貫通面左移，坡頂香根草根系阻隔了滑移面的貫通，岸坡穩(wěn)定性提升。圖4為岸坡在有、無(wú)植被情況下穩(wěn)定安全系數(shù)隨水位下降幅度的變化趨勢(shì)。在水位下降幅度小于4.5 m時(shí)，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低較快，隨著水位下降幅度繼續(xù)增大，穩(wěn)定安全系數(shù)降低趨勢(shì)逐漸放緩，并在水位下降幅度大于9 m后基本趨于穩(wěn)定值。對(duì)比有、無(wú)植被情況下水位下降幅度對(duì)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響(工況Mb1—Mb8與工況Mv1—Mv8)，發(fā)現(xiàn)植被對(duì)岸坡穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)幾乎沒(méi)有影響，但由于植被對(duì)岸坡的穩(wěn)固作用，有植被岸坡的穩(wěn)定性始終高于素土岸坡，植被對(duì)于岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的提升幅度介于2.55%～4.33%，當(dāng)水位下降幅度較小時(shí)，植被對(duì)岸坡穩(wěn)定性的提升幅度較大。

圖2 有、無(wú)植被岸坡在不同水位下降幅度下的浸潤(rùn)線分布對(duì)比

圖3 有、無(wú)植被岸坡在不同水位下降幅度下的安全系數(shù)及滑移面對(duì)比

圖4 岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨水位下降幅度變化

4.2.2 水位下降速率影響分析 除水位大幅下降導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定性降低外，水位驟降對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響也不容忽視。圖5為有、無(wú)植被岸坡在不同水位下降速率時(shí)坡內(nèi)浸潤(rùn)線在計(jì)算時(shí)段末的分布情況。水位下降速率為0.5 m/d時(shí)，坡內(nèi)外水位下降速率相等，浸潤(rùn)線近似呈水平直線。隨著河道水位下降速率的增大，坡內(nèi)外水位下降的速度差增大，滯后效應(yīng)表現(xiàn)得更加明顯，因此坡內(nèi)浸潤(rùn)線由直線變?yōu)榍€，且上凸趨勢(shì)逐漸增大。由圖6(a)(b)對(duì)比可知，不同水位下降速率下滑動(dòng)面上下端位置基本相同，但相較于素土岸坡，有植被岸坡滑動(dòng)面上端貫通面明顯左移，在坡面高羊茅根系的錨固作用下，岸坡穩(wěn)定性提升。由圖7可以看出，岸坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨河道水位下降速率的增大而減小。素土岸坡結(jié)果顯示，當(dāng)水位下降速率小于0.5 m/d時(shí)，岸坡接近穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)水位下降速率介于0.5～1.5 m/d時(shí)，岸坡迅速由穩(wěn)定狀態(tài)降低至欠穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)水位下降速率大于1.5 m/d時(shí)，岸坡穩(wěn)定性下降趨勢(shì)變?yōu)榫従€性；當(dāng)水位下降速率大于3 m/d時(shí)，岸坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。對(duì)比有、無(wú)植被情況下水位下降速率對(duì)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響(工況Rb1—Rb10與工況Rv1—Rv10)，可以看出，植被同樣沒(méi)有改變岸坡穩(wěn)定性隨河道水位下降速率的變化趨勢(shì)，但能一定程度上提升岸坡的穩(wěn)定性，平均提升幅度為2.51%，最大提升2.76%。

圖5 有、無(wú)植被岸坡在不同水位下降速率下的浸潤(rùn)線分布對(duì)比

圖6 有、無(wú)植被岸坡在不同水位下降速率下的安全系數(shù)及滑移面對(duì)比

圖7 岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨水位下降速率變化

4.2.3 初始水位影響分析 監(jiān)利(二站)2003—2019年河道多年平均最高水位為32.62 m，故將初始水位設(shè)為28～32 m，計(jì)算有、無(wú)植被岸坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。圖8為有、無(wú)植被岸坡在不同初始水位時(shí)坡內(nèi)浸潤(rùn)線在計(jì)算時(shí)段末的分布。由于坡內(nèi)外水位下降存在速度差，浸潤(rùn)線呈曲線分布。與水位下降幅度、水位下降速率對(duì)岸坡的影響不同的是，初始水位會(huì)影響坡內(nèi)孔隙水壓力的整體分布，初始水位越高，浸潤(rùn)線位置越高，這意味著在相同水位降幅的情況下，浸潤(rùn)線以下坡體體積增大，岸坡滑坡體所受的下滑力增大，岸坡穩(wěn)定性降低。因此，相較于枯水期水位降落，每年汛后水位的大幅下降對(duì)岸坡

圖8 有、無(wú)植被岸坡在不同初始水位下的浸潤(rùn)線分布對(duì)比

的穩(wěn)定性更為不利。由圖9可知，初始水位越高，岸坡穩(wěn)定性越低。不同初始水位下，滑坡體上端位置基本一致，但下端出口位置差異較大，說(shuō)明初始水位越高，對(duì)坡腳穩(wěn)定越不利。由圖10可知，隨著河道初始水位的升高，有、無(wú)植被的岸坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均不斷下降，當(dāng)初始水位高于31 m時(shí)，岸坡穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定值，不再明顯下降。由安全系數(shù)數(shù)值能看出，當(dāng)河道初始水位介于28～32 m時(shí)，有、無(wú)植被岸坡在水位下降末時(shí)刻均能維持在基本穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比有、無(wú)植被情況下初始水位對(duì)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響(工況Ib1—Ib5與Iv1—Iv5)，植被對(duì)岸坡穩(wěn)定性的平均提升幅度為1.95%，最大提升幅度為2.16%。

圖9 有、無(wú)植被岸坡在不同初始水位下的安全系數(shù)及滑移面對(duì)比

圖10 岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨初始水位變化

5 討論

5.1 敏感性分析

5.1.1 正交試驗(yàn) 考慮河道水位下降幅度、水位下降速率、初始水位三種影響因素，每種因素各設(shè)置三個(gè)水平，分別進(jìn)行有、無(wú)植被岸坡的正交試驗(yàn)。影響因素的取值見(jiàn)表4，正交試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 影響因素水平表

表5 岸坡正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

5.1.2 灰色關(guān)聯(lián)分析 有、無(wú)植被岸坡的穩(wěn)定安全系數(shù)與各影響因素的關(guān)聯(lián)度如表6所示。有、無(wú)植被岸坡與三種影響因素的關(guān)聯(lián)度排序均為水位下降速率>水位下降幅度>初始水位，因此，岸坡在有、無(wú)植被情況下均對(duì)河道水位下降速率最敏感，對(duì)河道初始水位最不敏感。植被可降低岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)與各影響因素的關(guān)聯(lián)度，在水位下降幅度因素中，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)聯(lián)度降低效果最明顯，可達(dá)到3.73%；在水位下降速率和初始水位因素中，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)聯(lián)度降低幅度相近，約為2.8%。說(shuō)明植被削弱了水位下降對(duì)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，植被對(duì)岸坡具有穩(wěn)定效果。

表6 岸坡與各影響因素關(guān)聯(lián)度

5.2 成果合理性分析對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析：

(1)ZHOU等[26]研究了庫(kù)水位下降速率、庫(kù)水位下降高度對(duì)土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性的影響，在計(jì)算庫(kù)水位下降速率影響時(shí)，假設(shè)下降高度不變；在計(jì)算庫(kù)水位下降高度影響時(shí)，假設(shè)下降速率不變。發(fā)現(xiàn)庫(kù)水位下降速率對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響較大，可使岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)下降16.17%。本文運(yùn)用單因子分析方法研究了河道水位下降幅度、水位下降速率、初始水位對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著水位下降幅度、水位下降速率、初始水位的增加，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)均呈現(xiàn)先快速下降，后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，這與文獻(xiàn)[26]的研究結(jié)果相符；同時(shí)本文運(yùn)用敏感性分析中的灰色關(guān)聯(lián)度指標(biāo)量化研究并對(duì)比了三種因素對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響程度。結(jié)果顯示：河道水位下降速率對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響較大，河道水位下降速率由0.5 m/d增加至5 m/d時(shí)，素土岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)減小14.9%，與文獻(xiàn)[26]結(jié)果相近。

(2)郝由之等[27]研究了草-灌生態(tài)護(hù)岸、草-灌-喬生態(tài)護(hù)岸對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，與素土岸坡相比，生態(tài)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別能提升0.54%、5.16%；進(jìn)一步研究草-灌-喬生態(tài)護(hù)岸時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)喬木根系長(zhǎng)度由1 m增加至3 m時(shí)，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)不斷提升，該研究?jī)H考慮了植被根系的錨固作用。本文在考慮根系錨固的基礎(chǔ)上還考慮了植被蒸騰作用，更加貼合實(shí)際。香根草-高羊茅護(hù)岸為草-灌生態(tài)護(hù)岸，對(duì)岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的提升幅度為1.8%～4.33%，護(hù)岸效果介于草-灌生態(tài)護(hù)岸與草-灌-喬生態(tài)護(hù)岸之間。這是因?yàn)楸疚脑O(shè)置的香根草根系為3 m，長(zhǎng)度趨近于喬木根系，但香根草根系強(qiáng)度小于實(shí)際喬木的根系強(qiáng)度，故本文植被的護(hù)岸效果接近但略小于草-灌-喬生態(tài)護(hù)岸效果。

6 結(jié)論

本文利用GeoStudio構(gòu)建下荊江河段典型二元岸坡模型，綜合考慮植被的固土力學(xué)效應(yīng)與氣候水文效應(yīng)，從河道水位下降幅度、水位下降速率、初始水位三個(gè)方面設(shè)計(jì)工況，通過(guò)單因子穩(wěn)定性分析與灰色關(guān)聯(lián)度敏感性分析，研究水位變化條件下植被對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論：

(1)岸坡在有、無(wú)植被保護(hù)情況下的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨河道水位下降幅度、水位下降速率、河道初始水位的增大而減小。隨著河道水位的下降，由于岸坡土壤的保水性，坡內(nèi)水位下降相對(duì)于河道水位下降表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)，使得岸坡內(nèi)部產(chǎn)生指向河道方向的滲流力，降低岸坡的穩(wěn)定性。

(2)單因子穩(wěn)定性分析可知，在本文設(shè)置的三種影響因素中，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)在快速下降后均能最終維持在某個(gè)穩(wěn)定值，穩(wěn)定后岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的大小排序?yàn)椋核幌陆捣?初始水位>水位下降速率。素土岸坡計(jì)算結(jié)果顯示：岸坡在水位下降幅度小于3 m時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)(FS>1.15)，在水位下降幅度介于3～10 m時(shí)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)(1.05

(3)灰色關(guān)聯(lián)度敏感性分析可知，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)與本文設(shè)置的三種影響因素的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)椋核幌陆邓俾?水位下降幅度>初始水位。植被可降低岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)與三種影響因素的關(guān)聯(lián)度，且降低效果為：水位下降幅度>初始水位>水位下降速率，最大降低幅度為3.73%。