蔣希雁， 楊尚青， 謝聰

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室,張家口 075031; 2.河北省寒冷地區(qū)交通基礎設施工程技術創(chuàng)新中心, 張家口075031; 3.河北建筑工程學院土木工程學院, 張家口 075031; 4.河北建筑工程學院理學院, 張家口 075031)

植被護坡作為一種新型的護坡方式，既可以提高邊坡的淺層穩(wěn)定性[1-5]，又有一定的美觀效果，契合當代建設美麗中國的戰(zhàn)略方針。21世紀以來，學者們借助計算機的先進技術，對植被邊坡的穩(wěn)定性展開了相關研究。劉俊[6]通過有限元分析軟件ABAQUS，考慮降雨邊界條件，建立素土邊坡、香根草邊坡數(shù)值模型，采用強度折減法分析邊坡穩(wěn)定性，研究香根草根系對邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結果表明，相對于素土邊坡，植入香根草根系邊坡，降低了土體內部的孔隙水壓力，提高了土體的基質吸力，減小了邊坡淺層位移量，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。 Gao等[7]研究了干燥裂縫和植被對降雨過程中紅黏土路塹邊坡淺層穩(wěn)定性的影響。利用ABAQUS軟件建立了邊坡的數(shù)值模型，研究結果表明，根系長度大于0.5 m的植被能明顯改善裂隙邊坡的穩(wěn)定性。Hasan等[8]通過數(shù)值分析，研究了有根和無根邊坡的安全系數(shù)，并對比了不同根系形態(tài)對邊坡穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：無根邊坡的安全系數(shù)值在1.781～1.926，有根邊坡的安全系數(shù)值在1.997～2.173；根系為圓柱形的植物對邊坡穩(wěn)定性的影響最為顯著。Kokutse等[9]利用強度折減法分析了草植被、灌木植被在不同類型邊坡上的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在其影響因素中，降雨的影響不容忽視。劉威[10]利用有限元軟件比較裸露和草本植物邊坡在不同降雨強度下的穩(wěn)定性。研究結果表明，在降雨強度相同的情況下，植被邊坡的穩(wěn)定性大于裸露邊坡，并且植被土對降雨有著很好的截留效果。馬瑤[11]結合植被土的水文效應開展了降雨對植被邊坡滲流的研究，發(fā)現(xiàn)隨著降雨強度的增大，植被根系的存在可以有效保護邊坡淺層土體。嵇曉雷等[12]利用PLAXIS 3D軟件對不同根系形式的植被邊坡進行了有限元分析，結果表明，不同形式的植被根系對邊坡穩(wěn)定性有著更好的提升效果。尹永強[13]利用ABQUS軟件對無植被邊坡和蜂巢約束植被護坡進行了降雨入滲以及穩(wěn)定性分析。研究結果表明，蜂巢隔室降低了邊坡土體的孔隙水壓力，增大了摩阻力，有利于提高邊坡的穩(wěn)定性。 Ng等[14]也通過建模得出了相似的結果。在以往的研究中，學者們主要針對單種植被邊坡進行研究，對兩種或兩種以上混合植被邊坡的研究較少。

有關降雨條件下植被邊坡穩(wěn)定性的研究在張家口地區(qū)比較匱乏，現(xiàn)以該地區(qū)某邊坡工程為背景，選取當?shù)爻Ｒ姷淖o坡植被：高羊茅(Festucaarundinacea)與小葉黃楊(Buxusmicrophylla)，基于室外雙環(huán)入滲試驗確定各植被土層的飽和滲透系數(shù)，并根據(jù)室內降雨模型試驗得到各植被土層的土水特征曲線[15-16]。依據(jù)上述試驗結果建立植被邊坡有限元模型，采用張家口地區(qū)十年一遇的最大降雨強度(153.2 mm/12 h)，選取無植被、高羊茅、小葉黃楊以及高羊茅-小葉黃楊混合植被邊坡4種工況，分析邊坡孔隙水壓力隨時間的變化情況，并運用強度折減法對4種邊坡的穩(wěn)定性進行比較分析；為該區(qū)域植被護坡的工程實踐提供科學依據(jù)，為植被邊坡防護技術提供參考和借鑒。

1 邊坡計算模型

1.1 工程背景

河北省張家口市東外環(huán)某路段護坡建設工程，該路段邊坡現(xiàn)場勘察圖片如圖1所示。該邊坡坡度37.63°，坡高13.88 m，坡面長23.3 m，坡頂寬16 m，坡底寬12 m，如圖2所示。通過巖土工程勘察，邊坡土層分為三層，依次為淺層的素填土(厚度2 m)、粉質黏土(厚度5～10.87 m)以及風化巖(厚度為8～16 m)。

圖1 張家口市外環(huán)某路段邊坡現(xiàn)場勘察照片F(xiàn)ig.1 Scene survey photo of a slope in the outer ring of Zhangjiakou(1∶500)

圖2 植被邊坡幾何圖形Fig.2 Geometric figure of the slope of lobular

1.2 計算參數(shù)的選取與邊界條件設定

分別設置4種工況裸露邊坡、高羊茅植被邊坡、小葉黃楊植被邊坡和高羊茅-小葉黃楊混合植被邊坡(后文簡稱草灌混合植被邊坡)進行對比分析。各土層的物理力學參數(shù)如表1所示[15]。

表1 邊坡不同土層的物理性質指標Table 1 Physical properties of different soil layers of slope

在邊坡模型的左右兩側設置定水頭邊界，地下水位線距坡底5 m，水頭高度設置為10 m，并對邊坡模型左右兩側和底部設置靜力約束條件。

按照張家口地區(qū)十年一遇的最大降雨強度(153.2 mm/12 h)對各邊坡施加降雨邊界條件，雨水沿著邊坡坡頂、坡面與坡底入滲，將坡頂、坡面與坡底設置為降雨邊界。降雨歷時設置為12 h，符合張家口地區(qū)夏季降雨短促且集中的特點。由于考慮非飽和的影響，需要定義各土層的非飽和特性函數(shù)。其中，風化巖、粉質黏土、素填土參考Midas GTS/NX的數(shù)據(jù)庫，定義非飽和特性函數(shù)。各植被土的非飽和特性函數(shù)是通過導入室內降雨模型試驗得到的土水特征曲線確定[16]。

1.3 植被邊坡模型的建立

利用Midas GTS/NX進行二維邊坡模型建模。邊坡土體選取Mohr-Coulomb強度準則，采用兩種不同的方式分別建立高羊茅根系與小葉黃楊根系。

高羊茅植被邊坡，由于高羊茅根系較細，因此將其根系與淺層土體簡化為均質的各向同性的根土復合體，并賦予其相關的屬性。小葉黃楊植被邊坡，由于小葉黃楊的根系較高羊茅根系相對發(fā)達，其主根和須根與淺層土體的作用不可忽視，選取理想的各向同性的一維彈性模型，采用植入式桁架模擬其根系，桁架的截面選擇實心圓形，主根直徑為0.008 m，須根直徑為0.005 m。同時，將坡面1.0 m深度范圍設置為含根土層并賦予相應的材料特性參數(shù)。采用垂直坡面布置，相鄰兩棵小葉黃楊之間的凈距離即種植間距設為1.0 m，如圖3所示。植入根系模型后，邊坡根系范圍內設置為“含根土層”。草灌混合植被邊坡，是在建立高羊茅根土復合體的基礎上，加入植入式桁架模擬小葉黃楊的根系，并對其賦予屬性。

圖3 小葉黃楊根系布置形式Fig.3 Root arrangement of Buxus microphylla

該模型共有1 126個節(jié)點，871個單元。邊坡網格劃分模型如圖4所示。

圖4 小葉黃楊植被邊坡網格劃分模型Fig.4 Grid division model of Buxus microphylla vegetation slope

1.4 安全系數(shù)的計算方法

建立應力-滲流邊坡的施工階段，分別對比降雨前后裸露邊坡與其他3種不同的植被邊坡的孔隙水壓力隨時間的變化。同時，運用強度折減法[17]對4種不同類型的邊坡進行無降雨與降雨12 h后的穩(wěn)定性分析，得到相應的邊坡安全系數(shù)，并進行比較。植被邊坡中，植被根系在邊坡淺層土體中起到了加筋作用，增加了淺層土體的黏聚力和內摩擦角。因此，強度折減法同樣適用于計算植被邊坡的穩(wěn)定性[18]。

2 結果分析

2.1 裸露邊坡與3種植被邊坡孔隙水壓力隨降雨歷時的變化

在進行降雨入滲分析前，首先需要確定各個工況的初始孔隙水壓力分布情況。圖5為裸露邊坡降雨之前的初始孔隙水壓力分布圖，高羊茅植被邊坡、小葉黃楊植被邊坡、草灌混合植被邊坡的分布圖與其非常接近，不再贅述?？梢园l(fā)現(xiàn)，4種工況下的初始孔隙水壓力均呈線性分布。底部孔隙水壓力為49.0 kPa，頂部孔隙水壓力為-234.1 kPa， 由于該值為負孔隙水壓力，故也是基質吸力值。

降雨12 h后，得到了4種工況下的孔隙水壓力分布情況，分別從坡頂、坡面和坡底3個位置比較了各邊坡的孔隙水壓力變化情況。

2.1.1 裸露邊坡降雨12 h后的孔隙水壓力分析

圖6為裸露邊坡降雨12 h后的孔隙水壓力分布圖，與圖5進行比較，比較結果如表2所示，隨著降雨歷時的增加，坡頂和坡面上部的孔隙水壓力有著非常明顯的增加，雨水不斷滲入邊坡土體，深層土體的孔隙水壓力也有一定程度的增大。值得注意的是，雖然降雨持續(xù)了12 h，在邊坡坡頂和坡面上部的孔隙水壓力增加到-76.9 kPa，即維持了76.9 kPa的基質吸力，該值并沒有大于等于0，這說明邊坡坡頂和坡面上部的土體并沒有達到飽和狀態(tài)，沒有出現(xiàn)相應的暫態(tài)飽和區(qū)。對于邊坡坡面以下以及坡底土體，經過了12 h的降雨之后，孔隙水壓力有了相對顯著的增加，增加到47.3 kPa。該處與坡面以內孔隙水壓力已大于0，基質吸力全部消失，說明在邊坡坡面以下以及坡底土體逐漸達到了飽和狀態(tài)，降雨的充分入滲使得邊坡土體的含水率提高。

圖5 裸露邊坡降雨之前的初始孔隙水壓力分布圖Fig.5 Distribution of initial pore water pressure before rainfall in exposed slope

圖6 裸露邊坡降雨12 h后的孔隙水壓力分布圖Fig.6 Distribution diagram of pore water pressure after 12 h rainfall in exposed slope

表2 裸露邊坡降雨前后孔隙水壓力比較Table 2 Comparison of pore water pressure before and after rainfall in exposed slope

2.1.2 高羊茅植被邊坡降雨前后的孔隙水壓力比較分析

圖7為高羊茅植被邊坡降雨12 h后的孔隙水壓力分布圖，與降雨前的孔隙水壓力進行比較，結果如表3所示，隨著降雨歷時的增加，雨水通過淺層的根土復合體不斷滲入邊坡土體，邊坡坡頂和深層土體的孔隙水壓力均有不同程度的增大。在降雨12 h后，對于邊坡坡頂和坡面上部土體，孔隙水壓力增加到-151.5 kPa，即維持了151.5 kPa的基質吸力。與裸露邊坡相比，高羊茅植被邊坡孔隙水壓力的增幅明顯小于裸露邊坡。邊坡坡面以下以及坡底土體，經過了12 h的降雨之后，孔隙水壓力增加到-18.1 kPa，即維持了-18.1 kPa的基質吸力。與裸露邊坡不同的是，裸露邊坡坡底在降雨12 h后孔隙水壓力已大于0，沒有任何基質吸力保留。這說明淺層的高羊茅植被土減少了降雨的入滲，進而減緩了降雨滲入深層土體的速度。降雨的入滲速率與淺層土體的滲透系數(shù)也有關，邊坡淺層的植被土滲透系數(shù)越小，越不利于降雨的入滲，這在高羊茅植被邊坡中有了顯著的體現(xiàn)。

圖7 高羊茅植被邊坡降雨12 h之后的孔隙水壓力分布圖Fig.7 Distribution diagram of pore water pressure after 12 h rainfall in Festuca arundinacea vegetation slope

表3 高羊茅植被邊坡降雨前后孔隙水壓力比較Table 3 Comparison of pore water pressure before and after rainfall in Festuca arundinacea slope

2.1.3 小葉黃楊植被邊坡降雨前與降雨12 h后的孔隙水壓力分析

圖8為小葉黃楊植被邊坡降雨12 h后的孔隙水壓力分布圖，與降雨前的孔隙水壓力進行比較，結果如表4所示，對于小葉黃楊植被邊坡坡頂和坡面上部土體，孔隙水壓力增加到-94.0 kPa，即維持了94.0 kPa的基質吸力，其孔隙水壓力的增幅小于裸露邊坡。邊坡坡面以下以及坡底土體，經過了12 h的降雨之后，孔隙水壓力已達到正值，沒有任何基質吸力保留，增加到33.3 kPa。與高羊茅植被邊坡相比，相同的降雨時長下，降雨的影響深度要大于高羊茅植被邊坡。

表4 小葉黃楊植被邊坡降雨前后孔隙水壓力比較Table 4 Comparison of pore water pressure before and after rainfall in Buxus microphylla slope

圖8 小葉黃楊植被邊坡降雨12 h之后的孔隙水壓力分布圖Fig.8 Distribution diagram of pore water pressure after 12 h rainfallin Buxus microphylla vegetation slope

2.1.4 草灌混合植被邊坡降雨之前與降雨12 h后的孔隙水壓力分析結果

圖9為草灌混合植被邊坡降雨12 h后的孔隙水壓力分布圖，與降雨前的孔隙水壓力進行比較，結果如表5所示，對于草灌混合植被邊坡坡頂和坡面上部土體，孔隙水壓力增加到-108.5 kPa，即維持了-108.5 kPa的基質吸力，孔隙水壓力的增幅小于裸露邊坡。與小葉黃楊植被邊坡類似，邊坡坡面以下以及坡底土體，經過了12 h的降雨之后，孔隙水壓力也已達到正值，沒有任何基質吸力保留，增加到21.0 kPa。

圖9 草灌混合植被邊坡降雨12 h之后的孔隙水壓力分布圖Fig.9 Distribution diagram of pore water pressure after 12 h rainfall in mixed vegetation slope

表5 草灌混合植被邊坡降雨前后孔隙水壓力比較Table 5 Comparison of pore water pressure before and after rainfall invegetation mixture slope

圖10綜合比較了4種不同類型邊坡坡頂、坡面與坡底的孔隙水壓力隨時間的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同的降雨強度和降雨時長條件下，無論是坡頂、坡面還是坡底，高羊茅植被邊坡的孔隙水壓力增幅最小，說明高羊茅植被邊坡中，降雨的影響深度最小，其次是草灌混合植被邊坡與小葉黃楊植被邊坡，3種植被邊坡降雨的影響深度均小于裸露邊坡。雖然3種植被邊坡淺層植被土的含根量相同，但是它們的水力特性有著不同的差異。對于高羊茅植被邊坡，降雨12 h后，在坡頂、坡面、坡底土體仍然維持了部分的基質吸力，而小葉黃楊、草灌混合植被邊坡，僅僅在坡面以上土體維持了部分基質吸力。并且，對于邊坡內部土體，高羊茅植被邊坡相同位置處的孔隙水壓力均小于其他工況下的邊坡，降雨的影響深度也小于其他工況下的邊坡，這說明高羊茅植被減緩了降雨的入滲過程，提高了邊坡土體的基質吸力，這是有利于邊坡穩(wěn)定性的。

圖10 4種工況下邊坡不同位置處的孔隙水壓力隨時間的變化情況Fig.10 Variation of pore water pressure with time at different positions of slope under four working conditions

2.2 裸露邊坡與3種植被邊坡安全系數(shù)大小比較

運用強度折減法對裸露邊坡以及3種植被邊坡在不同降雨工況下的安全系數(shù)進行了分析，如表6所示。以裸露邊坡的安全系數(shù)作為比較對象，分別計算每種植被邊坡的安全系數(shù)增幅。通過計算結果得出，無論是在無降雨或者降雨12 h的條件下，裸露邊坡的安全系數(shù)均小于3種不同類型植被邊坡的安全系數(shù)。

表6 不同工況邊坡的安全系數(shù)大小Table 6 The safety factors of slope under different working conditions

圖11以柱狀圖的形式更直觀地比較了各個工況下的邊坡的安全系數(shù)。通過安全系數(shù)大小比較得出，在未施加降雨條件的情況下，小葉黃楊植被邊坡的安全系數(shù)最大，達到了2.175，較裸露邊坡提高了11.88%，這說明在不考慮降雨時，灌木根系對邊坡穩(wěn)定性的提升效果要優(yōu)于草植被根系與混合根系。對所有的工況下的邊坡施加了12 h的降雨條件后，所有工況下的邊坡的安全系數(shù)都有一定程度的減小。降雨的充分入滲使初始的基質吸力逐漸消失，降低邊坡各土層的抗剪強度，減小邊坡安全系數(shù)[19]。與無降雨工況不同的是，邊坡在施加了降雨條件后，高羊茅植被邊坡的安全系數(shù)最大，達到了1.562，較裸露邊坡提高了15.62%。這主要是因為在降雨階段，無植被的裸露邊坡由于缺少植被的保護，邊坡土體滲入了更多的雨水，高羊茅植被邊坡淺層的高羊茅植被土減緩了降雨入滲速度，減小了降雨影響深度，邊坡內部孔隙水壓力變化的幅度相對較小，植被根系的存在提高了邊坡土體的負孔隙水壓力，即維持了一定的基質吸力值，從而提高了邊坡土體的有效應力，提高了邊坡穩(wěn)定性。實際上，由于植物本身還存在著削弱濺蝕的作用，減緩雨水落下的速度，降低了雨水對土體的沖擊力，尤其是在降雨強度非常大的情況下，植被的固土護坡效果更加明顯[20]。降雨結束后，植被土還具有蒸騰作用，使坡面的水分逐漸蒸發(fā)，這對提高邊坡穩(wěn)定性也有一定效果。

圖11 不同工況下邊坡的安全系數(shù)大小比較Fig.11 Comparison of safety factor of slope under different working conditions

3 結論

為了研究降雨作用下不同類型植被邊坡的穩(wěn)定性，基于Midas GTS/NX軟件，并結合張家口地區(qū)某邊坡工程背景，選取4種不同類型邊坡，對降雨條件下邊坡內部土體孔隙水壓力隨時間的變化以及邊坡穩(wěn)定性的大小進行了對比分析，得到如下結論。

(1)在相同的降雨強度和降雨歷時下，3種植被邊坡的入滲速率均小于裸露邊坡，說明有植被覆蓋的邊坡相對于裸露邊坡有著更好的持水能力。

(2)無論是在降雨前或者降雨12 h的條件下，裸露邊坡的安全系數(shù)均小于3種不同類型植被邊坡的安全系數(shù)。

(3)降雨前，小葉黃楊植被邊坡的安全系數(shù)最大，達到了2.175，較裸露邊坡的安全系數(shù)提高了11.88%，因此，在不考慮降雨時，灌木根系對邊坡穩(wěn)定性的提升效果要優(yōu)于草植被根系與混合根系；在施加了12 h的降雨條件后，高羊茅植被邊坡的安全系數(shù)最大，較裸露邊坡提高了15.62%。說明在降雨條件下，高羊茅植被邊坡更能有效地提高邊坡的穩(wěn)定性。

(4)降雨12 h后，高羊茅植被邊坡在坡頂、坡面、坡底處的孔隙水壓力均小于其他工況下相同位置處的孔隙水壓力，降雨的影響深度也小于其他工況下的邊坡，由此得出，高羊茅根系的存在有效減緩了降雨的入滲。

降雨入滲是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)最為主要的因素之一。在降雨條件下，高羊茅根系的存在有效地減緩了降雨入滲、提高了邊坡的穩(wěn)定性，研究結果可以為類似研究區(qū)域條件下植被護坡工程中，植被類型的選取提供借鑒和參考價值。