不同降雨强度下植被护坡对边坡位移的影响

嵇晓雷，杨平

(1.江苏开放大学建筑工程学院，南京 210036；2.南京林业大学土木工程学院，南京 210037)

我国基础设施建设的不断发展促进了高速公路及铁路工程的建设，这些工程建设过程中会形成大量的边坡，边坡必须做好防护避免出现滑坡、崩塌等安全事故。目前常采用的边坡防护方式有削坡卸荷、边坡压脚、坡面防护、抗滑桩、锚杆(索)、挡墙以及综合加固法等[1]。近几十年来，边坡防护工程取得了一定发展，但其施工过程中填土、弃土及混凝土等土木工程材料的大量使用不可避免地对环境造成了一定破坏，对边坡原生植物的生长造成很大影响。边坡原生植被根系可以增强边坡表层土体稳定性，同时能够保护生态环境[2-4]。降雨是引发边坡失稳，造成塌方、滑坡等事故的主要因素[5-7]，植物茎叶对雨水具有拦截作用，可以通过减少到达坡面的降雨量及雨滴初动能削弱降雨对边坡的侵蚀作用[8-9]，植物根系可以有效控制水土流失，提高土体抗剪强度及浅层边坡稳定性[10-12]。目前，针对植物根系护坡的研究主要集中在护坡机理、护坡效果等方面。戚国庆等[12]研究表明植被护坡对深层土体有锚固的效果，对浅层土体有加筋的作用，植被覆盖能够减弱岩土体表面受到冲刷的作用。自然环境下，裸露的边坡极易受到降雨的影响，杨永红等[13]研究表明，伴随着降雨，土体含水量增加，使得非饱和土体的黏聚力和内摩擦角均发生减小。嵇晓雷等[14]采用分形软件Fractal 1.0基于植被根系分形维数对边坡位移场的影响进行研究。

以上研究虽然对植被护坡的护坡机理及护坡效果进行了分析，但大多只考虑植被根系对边坡土体位移场的影响，并未开展不同降雨强度下植物根系对边坡土体位移的影响。因此，笔者在研究植物根系对边坡表层土体位移影响的前提下，考虑不同降雨强度对边坡位移的影响，并在此基础上提出植物根系护坡结合锚杆支护的综合边坡防护方式。

1 有限元模型的建立

采用PLAXIS 3D有限元软件进行数值模拟，边坡土体采用Mohr-Coulomb模型，排水类型为排水。当采用植物根系护坡时，通过改变边坡表层根系生长区土体的黏聚力和内摩擦角进行模拟，根据护坡植物生物特性并参考相关研究[9]，根系加固深度取0.6 m，具体土体参数见表1。边坡高度取10 m，坡度为1∶1.5，同时考虑到降雨条件下边坡位移的影响范围，模型深度取2倍边坡高度20 m，边坡左侧取50 m边界，右侧取35 m边界，减小边界效应的影响(图1)。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

图1 边坡模型示意图Fig. 1 Models of slope

2 不同降雨强度下边坡稳定性分析

2.1 不同降雨强度下边坡位移

采用PLAXIS 3D软件中的降雨量对边坡进行模拟，分析3种不同降雨强度(5，10，20 mm/h)下边坡表层土体位移。该程序指定由天气变化引起的常规竖向回灌及入渗，设置3种不同降雨强度的降雨时间均为1 d。

降雨强度5 mm/h时无植物根系固土的边坡土体位移云图见图2a，可见边坡最大位移为16.60 mm，且边坡土体位移增大范围覆盖整个坡面，最大位移量位于边坡中心。其原因是由于渗流作用，降雨导致土体的含水率增加，土体由不饱和变为饱和状态，从而导致土体强度降低，边坡土体产生整体下滑。降雨强度5 mm/h时植物根系固土边坡的土体位移云图见图2b，边坡土体最大位移为1.70 mm，与未采用植物根系护坡相比土体位移显著减小，同时在降雨条件下，采用植物根系护坡时，边坡土体位移增大的范围有所缩小，主要集中在边坡坡面中上部，坡脚位置土体产生位移较小。降雨10和20 mm/h时无根系加固边坡土体位移云图见图3，最大位移分别为18.7和20.83 mm，边坡土体最大位移随降雨强度的增加而增大。降雨强度10和20 mm/h时植物根系固土条件下边坡土体位移云图见图4，边坡土体最大位移分别为3.69和5.87 mm，与未采用植物根系护坡时相比土体位移均显著减小，与图2b对比可见，当采用植物根系护坡时，不同降雨强度条件下边坡表层土体位移增长趋势相同，最大位移均出现在坡面中上部。

图2 降雨5 mm/h时边坡土体位移云图Fig. 2 Slope displacement nephogram under the rainfall of 5 mm/h

图3 降雨10和20 mm/h时无根系边坡土体位移云图Fig. 3 Slope displacement nephogram under the rainfall of 10 and 20 mm/h

图4 降雨10和20 mm/h时植物根系固土边坡土体位移云图Fig. 4 Slope displacement nephogram with vegetation protection under the rainfall of 10 and 20 mm/h

图5 植物根系对边坡表层土体位移的影响Fig. 5 Effects of plant root system on the slope displacement

不同降雨强度下，植物根系对边坡表层土体位移影响对比见图5。分析柱状图可知，与无植物根系护坡相比，不同降雨条件下采用植物根系固土的边坡表层土体位移均有显著减小。降雨5，10和20 mm/h条件下边坡最大位移减小幅度分别为89.8%，80.3%和71.8%，因此降雨条件下植物根系能有效控制边坡表层土体位移，但随着降雨强度加大，植物根系对边坡表层土体位移的控制效果会有所降低。

2.2 不同降雨强度边坡稳定性分析

2.2.1 强度折减法的应用

采用PLAXIS 3D有限元分析软件中安全性对边坡整体稳定性进行分析，其原理为强度折减法，计算安全系数时不需提前确定滑动面位置及形状，也不需要进行条分法分析，通过在理想弹塑性有限元计算中逐渐削弱土体抗剪强度，直至边坡破坏，从而确定边坡破坏滑动面[15-16]。

2.2.2 边坡失稳滑动面

有植物根系护坡和无植物根系护坡条件下，降雨为20 mm/h条件下边坡偏应变增量分布云图见图6。偏应变的最大值分别为5.23和6.80，其数值大小反映边坡的滑坡体的剪应变大小，分布区域反映了潜在滑动面可能的分布区域。可见由于植物根系存在能够显著减小边坡发生滑坡时的偏应变增量，并且明显缩小潜在滑动面的发生区域，进而提升边坡的稳定性。

图6 边坡偏应变增量分布云图Fig. 6 Strain deviation increment nephogram of slope

2.2.3 边坡失稳时塑性点对比

降雨20 mm/h条件下无植物根系护坡和有植物根系护坡时的边坡塑性点分布图见图7。通过对比可以发现在强降雨条件下，采用植物根系护坡可以有效减少边坡坡脚及坡顶位置的塑性点数量，有利于增强边坡的稳定性。

图7 边坡塑性点分布图Fig. 7 Plastic point distribution of slope

3 植物根系联合锚杆护坡技术

由前述研究可知，当降雨强度较大时，仅采用单一的植物根系加固方式对边坡位移的控制效果将逐渐减弱。为防止持续性强降雨引起边坡产生较大位移，从而引发边坡失稳，提出植物根系结合锚杆的综合护坡方式。在降雨强度20 mm/h条件下，锚杆长度取7 m，其中自由段长4 m，采用线弹性本构，抗拉刚度2×105kN；锚固段长3 m，采用PLAXIS中的embedded beam单元模拟，直径0.3 m，弹性模量107kPa，桩侧摩阻力50 kN/m。此外，锚杆竖向间距取2 m，水平间距取2.5 m，采用植物根系联合锚杆护坡情况下边坡土体位移云图见图8。

图8 根系结合锚杆防护边坡土体位移云图Fig. 8 Displacement nephogram of slope with vegetation and bolt support

对比图4与图8可见，当采用植物根系联合锚杆护坡时，降雨强度为20 mm/h条件下边坡土体最大位移由5.87 mm减小到5.06 mm，但边坡坡面表层土体最大位移仅为2.21 mm，因此采用植物根系联合锚杆护坡可以大幅度减小降雨引起的边坡坡面表层土体位移，有效避免边坡水土流失。

4 结 论

本研究分析了不同降雨强度下植物根系对边坡表层土体位移的影响，并在此基础上提出了植物根系结合锚杆的综合边坡防护方式，主要结论如下：

1)边坡采用植物根系固土护坡时，相对无根系固土边坡，在降雨条件下边坡表层土体位移有显著减小，且边坡土体产生较大位移区域主要集中在坡顶，在降雨5，10和20 mm/h条件下，边坡表层土体最大位移减小幅度分别为89.8%，80.3%和71.8%，但随着降雨强度加大，植物根系对边坡表层土体位移的控制效果会有所降低。

2)植物根系能够增强边坡护坡植物生长范围内的土体抗剪强度，和未加固边坡相比，边坡滑动时塑性点数量减少，植物根系存在能显著减小边坡潜在滑动面的发生区域，提高边坡的稳定性。

3)为了确保长时间降雨环境下边坡安全稳定，可采用植物根系结合锚杆综合护坡方式对边坡进行有效的加固，综合护坡方式能够有效减小强降雨条件下边坡坡面表层土体位移，提高边坡整体稳定性。