锚杆—土工网垫喷播防护技术下植被根系长度与岩质高陡边坡稳定性影响关系数值模拟分析

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【摘要】植被根系长度是分析影响边坡稳定性的一项重要因素。本文将通过运用FLAC3D软件进行数值模拟，分析在不同根系长度下，岩质高陡边坡的安全稳定系数，最终得出相应植被根系对于高陡性岩质边坡的加固效应。

【关键词】岩质高陡边坡；根系长度；安全系数；数值模拟

1.引言

锚杆——土工网垫喷播生态护坡技术作为复合型生态防护结构技术一种，其受到的影响因素也是多样化，其中植被根系的长度对于高陡型岩质边坡稳定性的影响不容小觑。鉴于此，本文将通过采用FLAC3D软件进行数值模拟，通过对最终安全系数分析，得出在不同根系长度下其根系对高陡型岩质边坡稳定的影响效用关系。

2. 复合型生态防护结构基本原理

（1）锚杆——土工网垫喷播生态护坡技术是将植被护坡和工程护坡有机结合，其作用机理主要包括锚杆空间固坡机理，土工网垫护坡机理，根系固坡机理。

（2）锚杆空间固坡机理。岩石锚杆打入到岩体内可以减少岩体裂隙，锚杆还可以传递与岩体的拉力，可以有效的控制边坡向临空方向变形；岩石锚杆将土工网垫固定在坡面，使土工网垫紧贴在岩质高陡边坡坡面，为植被的生长提供基本的生存条件。

（3）土工网垫护坡机理。土工网垫便于操作[1]，紧密贴伏于岩体表面。在植被未生长时提供临时防护，可有效防止坡面被雨水等侵蚀[2]。土工网垫利用其高强度的特性将植被生长必须的土壤固定于岩石坡面[3]。待植被根系发育后，土工网垫与植被根系结合成一体，形成致密保护膜，可高效防止雨水的侵蚀，大大的提高坡体浅层的稳定性。

（4）根系固坡机理。植被根系向边坡内部发展对浅层坡体起到深根锚固、浅根加筋的作用。植被茎叶向外发育形成缓冲层，可以抵挡外来风雨对边坡的侵蚀。植被利用其固有的生命特性充分发挥其茎叶、根系的不同作用，来提高边坡浅层的稳定性。

3. 我国边坡稳定性计算方法的选择

我国水利水电边坡设计规范（DLT5353-2006）规定，我国一般推荐使用简化毕肖普法、简布法对滑面近似圆弧形的岩质滑坡体的边坡稳定性进行计算，使用摩根斯坦-普莱斯法或传递系数法对复合型滑面的岩质滑坡体的边坡稳定性进行计算，采用潘家铮分块极限平衡法、条块侧面倾斜的萨尔玛法和能量法（EMU）对新开挖或长期处于稳定状态的岩体完整边坡稳定性进行计算，采用摩根斯坦-普莱斯法对风化卸荷的自然边坡稳定性进行计算。

4. 复合型生态防护结构稳定性分析

有限元强度折减法[4]在用FLAC3D拉格朗日差分法进行模型模拟时对所有单元进行强度折减，使系统达到不稳定状态，有限元计算不收敛，此时的折减系数即为安全系数。强度折减法中安全系

数定义为使边坡达到临界破坏状态时，对岩土体的抗剪强度进行折减的程度，即岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后强度的比值。通过调整式（1）、（2）中强度指标，然后对边坡稳定性进行数值分析，重复计算至临界破坏状态，得到安全系数Fs[5]。

式中cF、φF分别表示折减后的粘聚力、内摩擦角；Fs为折减系数，计算出边坡的安全系数即使边坡模型不收敛的Fs值，这种状态下边坡的位移被称作临界位移。

5. 高陡岩质生态边坡稳定性数值模拟

5.1模型建立。

本文借助于FLAC3D进行数值模拟，建立三种基本模型进行分析。

边坡岩体拟为摩尔-库伦理想弹塑性模型，沿边坡走向取单位长度1米，边界条件设为底边为竖向约束，左右两侧水平约束，坡面为自由边界，属平面应力问题。为使计算结果更精确，模拟采用赵尚毅，郑颖人[6]等提出的计算范围：坡脚距同侧计算边界为1.5H，坡顶距同侧计算边界为2.5H。经计算边坡滑裂面位置距坡脚同侧边界几乎为零，故将其扩大至2H，经计算符合所需精度要求。

岩石锚杆——锚索（Cable）单元：FLAC3D内设单元。锚索为弹塑性材料，拉压屈服。

植被根系——锚索（Cable）单元：模拟忽略侧根作用只考虑主根作用，主根生长发育穿过基质进入浅表层岩体形成坡面岩体——基质——根系复合体，抗剪力由摩擦力提供。因此用Cable单元来模拟植被根系。

植生基材——壳（shell）单元：植生基材由植物种子、植壤土、粘合剂、土壤改良剂等材料按一定配比均匀混合组成，可视为各项同性的线性弹性材料，故将其模拟为shell单元。

5.2参数选取。

为更客观反应采用锚杆——土工网垫喷播防护技术时应尽量减少坡体高度对于岩质高陡边坡稳定性的不利影响，故此选取坡体高度为40m。

5.3FLAC3D计算。

本文为了切实的研究植物的锚固作用，选取木本植物，取其根长分别为1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、

3m，取植被根茎间距为0.2m，用FLAC3D分别计算他们的安全系数，得到了剪切应变增量图及

植物根系长度为1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m的边坡安全稳定系数、剪切应变增量云图。

5.4结果分析。

经数值模拟分析可知植被根系长度与边坡整体稳定性存在着必要联系。随着根系长度的增加，高陡岩质边坡整体稳定性逐渐增加，但是增长幅度不大。随着根系长度的增加，其对浅层稳定性加固效果要比对整体稳定性加固作用明显。随着根系长度的增加发现其坡顶处的剪切应变有变缓趋势。

6. 结论

通过数值分析与数据分析表明，浅层岩体的稳定性随着植物根系的长度增加而增强，因为受到植被根系长度的限制，即便植被无法贯穿滑裂面，但是植被根系对于结构整体稳定的作用体现于促进加固浅层岩体层面稳定性，从而促进生态防护与结构防护结合达到提升结构整体稳定性的效用。植被根系作为锚杆——土工网垫喷播生态护坡技术的一项重要因素，其影响不容忽视，该数值分析也为其实际生态防固工程提供一定的分析依据。

参考文献

[1]胡燕东，三维植被网在高速公路边坡防护中的应用浅析[J]，价值工程，2010：44.

[2]徐景瑜，三维植被网垫在高速公路边坡防护中的应用[J]，北方交通，2008（2）：80～81.

[3]胡宁，姚飞，三维植被网在生态护坡中的作用机理及施工工艺研究[J]，科技风，2011（8）：211.

[4]郑宏，李春光，李焯芬，求解安全系数的有限元法[J]，岩土工程学报，2002（5）.

[5]Waldron L J，Dakessian S.Soil reinforcement by roots： calculation of increased shear resistance from root properties[J].Soil Science，1981（132）： 427～435.

[6]郑颖人，赵商毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学，2002，4（10）：57～61.

[基金项目]青岛市科技发展计划：青岛市岩质边坡生态防护与环境行为持续性研究。

[文章编号]1006-7619（2013）10-08-872

[作者简介] 戚铧钟（1988-），男，汉族，籍贯：山东威海人，学历：硕士，研究方向为地基处理及深基坑支护。

时伟，女，职称：教授。