首页 > 论文范文 > 农业科技论文 > 植物保护论文 > 植物防治方法论文 > 降雨条件下多花木兰根系固坡效果研究

降雨条件下多花木兰根系固坡效果研究

2024-11-05 152 上传者：管理员

摘要：为探究植物根系对边坡护坡效果,采用Midas-GTS有限元软件对多花木兰根系在降雨作用下对边坡稳定性的影响进行模拟,研究降雨量以及多花木兰根系生长时间等影响因素对边坡稳定性的规律。结果表明,降雨条件下多花木兰根系能显著提高护坡效果,加入根系后能改善边坡的应力状态,且随着生长时间增大,降雨对边坡影响显著降低。由此可知多花木兰根系能显著提高边坡稳定性,且降低降雨对边坡稳定性的影响,从而为生态护坡等工程的建设提供一定参考与借鉴。

关键词：
基础设施
多花木兰
数值模拟
边坡
降雨
加入收藏

我国基础设施建设已走在世界前列,其不断的发展促进了公路和铁路的形成,这些工程的建设难免会导致大量边坡的形成,因此为防止边坡滑坡就必须做好防护措施,目前常用的措施有：削坡、卸荷、压脚、抗滑桩、锚杆以及综合加固[1]。但以上方法的施工过程中难免会破坏边坡原生植物的生长环境,对环境造成极大的危害。植物根系不仅能增强边坡稳定性,还能保护环境[2-4]。降雨是导致边坡失稳、造成滑坡等事故的主要因素。

多花木兰是一种常见的乔木植物,具有深根系和良好的抗风抗倾性。根系结构、根长和根粗度等特性使得多花木兰在土壤保持方面具有一定的潜力。嵇晓雷等[5]使用有限元软件研究了植物根系生长时间对边坡稳定性的影响,结果表明根系生长时间的增加并未很好的提高边坡整体稳定性,汤晏烨[6]研究了常见护坡草灌植物的抗拉强度,发现植物根系的抗拉强度与直径存负相关,多花木兰为62.9 N/mm2。

目前关于降雨的研究大部分集中于降雨对边坡稳定性的影响,针对根系护坡的研究大多集中于护坡效果以及机理的研究,极少开展降雨条件下根系对边坡稳定性的影响,且未考虑在不同降雨强度下,根系生长时间对边坡护坡效果的影响。鉴于此,本文在根系护坡研究的前提下,考虑降雨强度以及多花兰根生长时间对边坡护坡效果的影响以及规律。

1、有限元模型建立

1.1边坡几何模型与边界条件

本文基于有限元软件MIDAS GTS进行数值模拟,用二维平面应变模型来模拟边坡土体,用摩尔库伦（Mohr-Coulomb）破坏准则来模拟土体,张鲁渝[7]等认为,边坡的计算精度受边坡的边界范围影响,较为合适的高度应当为2倍边坡高度,坡顶到边坡的距离应按2.5倍边坡高度来确定,坡底到边坡的距离按1.5倍边坡高度选择。

边坡模型的高度取10 m,坡比取1∶1,具体模型尺寸见见图1[5],在此基础上,模型的设置了横向位移限制,只允许竖向位移限制在左右两侧边界,而下侧边界既限制横向位移又限制竖向位移,上部边界采取无位移限制,降雨条件采用GTS中的渗流固结模块来进行模拟分析,初始水头利用节点水头来模拟,降雨用曲面流量进行模拟。选择渗流分析模块对该边坡进行稳定性分析,在施工阶段组中选择应力-渗流-边坡,设置三个施工阶段,分别为初始水头、降雨以及边坡稳定（SRM）。有限元模型见图2。

图1边坡模型尺寸

图2有限元模型

1.2多花木兰根布置模型

根系选用边坡工程常用的灌木-多花木兰。经郑明新[8]研究,证明多花木为直根型的灌木。在MIDAS GTS建模中,将多花木兰根系按组成部分分类,分为主根与侧根,将同一种类的根系分解成等直径的直节段,多花木的根系可以采用插入式桁架单元进行建模进而模拟。图3给出了多花木兰根布置示意图[9],主根间距0.5 m。主根和侧根的夹角为45°,侧根间距0.1 m的根系布置图。

图3根系布置图

1.3计算参数

郑明新[8]等人提出,边坡土壤采用饱和黏土来模拟,具体参数见表1,根系模型的具体参数在表2中显示[8]。降雨参数按降雨量大小来设置五种降雨情况,见表3。

表1黏土物理力学性质

表2根系模型参数

表3降雨参数

2、不同降雨强度下边坡稳定性分析

2.1多花木兰根系护坡效果

采用MIDAS-GTS软件中的边坡-渗流模块对边坡进行模拟,分析无雨（0 mm/d）与暴雨（75 mm/d）两种降雨条件下的边坡位移,降雨均为24 h,结果见图4、图5。多花木兰根系可以明显提高边坡护坡效果,当生长时间达到3月时,可以将边坡位移由原来的16.38 mm降低到9.72 mm,降幅为40.65%。降雨情况下,种植多花木兰的边坡受降雨影响较裸露边坡小,在暴雨情况下,裸露边坡的边坡位移为30.25 mm,增幅为84.68%,含多花木兰的边坡的边坡位移为16.97 mm,增幅为74.58%,且种植多花木兰根系后降幅为43.9%,因此种植多花木兰能够起到护坡效果。

图4裸露边坡的水平位移云图

图5种植生长时间为3月的多花木兰边坡的水平位移云图

2.2不同降雨强度下多花木兰边坡水平位移分析

在边坡种植多花木兰能起到良好的护坡效果,鉴于此考虑5种降雨强度,分别为无雨（0 mm/d）、小雨（5 mm/d）、中雨（15 mm/d）、大雨（35 mm/d）以及暴雨（75 mm/d）,并加入植物生长时间为影响因素,综合考虑降雨条件下对边坡稳定性的影响。图6给出了生长时间为三月的多花木兰根在不同降雨强度下边坡位移云图和不同生长时间与降雨强度对边坡影响的关系图。结果表明,随着降雨强度的增加,生长时间为3月的边坡位移呈现递增趋势,从无雨状态下的9.72 mm逐步增加到暴雨状态下的16.97 mm,且边坡位移均集中于坡脚,由图7可知,随着降雨强度的增加,多花兰根系对边坡的影响逐渐减小曲线均呈现先增加,后趋于平缓,造成这样的原因是降雨量增大,边坡逐步达到饱和状态,降雨对边坡水平位移的影响减小。

由图8可知,在同一降雨强度下,随着生长时间的增加,多花木兰对边坡的位移变化影响减小,最大值集中在3月～6月之间,最大降低幅度为29.89%,随着降雨强度的增大,生长时间的增加,降低幅度逐渐减小,最小降低幅度为16.5%。造成这样的原因是多花木兰生长初期,根系生长,对较深土体具有锚固效果,浅层土体具有加筋作用,当根系生长时间增加,根系增长,但土体被覆盖面积并未增长太多,导致多花木兰根抗冲刷与抗滑动能力增加效果不如生长时间较短时强。

图6不同降雨强度下多花木兰根生长时间为3月的边坡的水平位移云图

图7考虑不同降雨强度下不同生长时间的多花木兰根系对边坡水平位移

图8考虑不同降雨强度下不同生长时间的多花木兰根系对边坡水平位移的降幅

2.3不同降雨强度下边坡稳定性分析

2.3.1强度折减法

有限元强度折减法就是将岩土体的内摩擦角φ和黏聚力c一起减小,因此会产生新的岩土体强度参数,从而使用该岩土体强度参数来分析和计算,强度折减系数会不断增加,直到边坡达到临界状态,达到临界状态的强度折减系数就是边坡安全系数,边坡安全系数FS定义为：

式中：c和φ分别为黏聚力和内摩擦角；ccr和φcr分别为处于临界状态时的黏聚力和内摩擦角。

2.3.2边坡稳定性分析

由图9、图10可知,在多花木兰生长时间为3月的边坡中,随着降雨强度的增加,最大等效塑性应变值逐渐增加,且均集中于坡脚,从无雨情况下的0.57增长到0.96,相比较于裸露边坡无雨情况下的0.83已有明显改善,但暴雨情况下最大最大等效塑性应变值已达到0.96,边坡极其危险,易导致滑坡,且本文降雨时间设置为24 h,若此时持续降雨,边坡必然产生滑坡等自然灾害,威胁人民生命安全,为此在实际工程中,对于这类边坡,应当在根系护坡初期联合锚杆等护坡技术,来联合护坡,以保障在持续降雨情况下不引起边坡失稳。当降雨强度增加时,塑性应变值的增幅逐步减小,表明在降雨初期塑性应变值受降雨影响更大,与前文的规律一致。

图9不同降雨强度下多花木兰根生长时间为3月的边坡的塑性应变云图

图1 0不同降雨强度下多花木兰根生长时间为3月的边坡的塑性应变值及变化趋势

3、结论

本文基于Midas-GTS进行边坡的数值模拟,分析了在不同降雨强度下不同生长时间的多花木兰根对边坡位移及稳定性的影响,结论如下：

1）边坡采用多花木兰根系护坡时比裸露边坡在降雨条件下,显著降低了边坡位移,且最大位移均集中于坡脚区域,在暴雨与生长时间为3月时的条件下,最大位移幅度减小43.9%。

2）当降雨强度增加时,同一生长时期的多花木兰根系对边坡位移的降幅减小,所以,降雨强度足够大时,仅使用多花木兰根系进行护坡可能存在潜在的威胁。

3）在相同降雨强度下,生长初期的多花木兰根系对边坡位移的降幅最大,随着多花木兰根系的继续生长,对边坡位移的降幅逐渐降低,但生长时间越长的多花木兰根系对边坡的总体位移降低最多。

在多花木兰根系生长初期,由于降雨强度较大时,会降低其对边坡位移的控制效果。在实际工程中,这类型边坡处于连续性大雨的情况下,仅靠根系护坡难以保障滑坡的稳定,易造成边坡失稳。因此可以使用多花木兰根系与锚杆等相结合的护坡方式来提高边坡稳定性。

参考文献:

[1]杨志法,张路青,祝介旺.四项边坡加固新技术[J].岩石力学与工程学报,2005(21):30-36.

[2]潘天辉,杜峰,王月.陕北黄土区护坡植物根系分布和抗剪增强分析[J].水土保持研究,2020,27(03):357-363+371.

[3]万娟,陈应峰,范瑛,等.公路生态护坡根系加筋土强度试验研究[J].公路,2020,65(04):83-87.