蒲石河抽水蓄能電站渣場邊坡植物加固措施與評價

張 霄

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 工程背景

遼寧蒲石河抽水蓄能電站是東北地區興建的最大抽水蓄能電站，電站設置4臺機組，總裝機容量120萬kW，總投資45億元[1]。電站主要由上下游水庫、大壩、地下廠房以及輸水系統構成。其中，上水庫大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高78.5m壩、壩頂寬10.0m、最大底寬237.3m[2]。由于電站在建設中需要進行大量土石方開挖，并產生數量較大的渣土，因此在設置了上水庫庫盆、下水庫庫盆、六道坎和泉眼溝四處渣場[3]。其中，泉眼溝渣場的堆渣量為65.32萬m3，屬于大型渣場，由于堆渣量大，高度較高，需要采取必要的措施保證其邊坡的穩定性[3]。

2 泉眼溝渣場植物加固方案

泉眼溝渣場治理區屬于典型的中溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫為8.6℃，多年平均降水量783.2mm，降雨主要集中于汛期的6—9月，且多短時強降雨。強降雨期間的雨水滲透和沖刷作用會對渣場堆渣體邊坡的穩定性造成不利影響[4]。治理區的成土母質主要由坡積物、沖積物以及人工堆墊物等，歷時含量較高，不利于植物的生存和生長。渣場周邊的自然植被主要是草類、野生灌木以及楊樹、刺槐等人工水保植被，覆蓋面積不大。

根據水文調查資料，泉眼溝渣場該渣場的集雨面積為8.31hm2，在50年一遇強降雨情況下，其洪峰流量為1.72m3/s。在渣場的周邊設置矩形斷面排水溝，截面尺寸為1.20m×0.90m。排水溝采用厚0.35m的漿砌石砌筑，并采用厚度2cm的水泥砂漿抹面。在渣場的馬道部位設置截水溝，溝道底部設置U形排水盲溝。植物加固邊坡具有重要作用和價值，其根系不僅可以提高邊坡的穩定性，同時還可以改善渣場的生態環境。具體的措施為，在堆渣體的坡頂補植刺槐1200株，在坡面的裸露部位栽植穗槐7200株。

關于植被對邊坡穩定性的影響，Ellison認為喬木和灌木類植被覆蓋會增大邊坡上的荷載增大，因此這種邊坡具有更大的蠕動變形[5]。顯然，這種認知是將植被本身視為外荷載的[6]。目前的主流觀點是植被的根系對邊坡土體具有明顯的加固作用，可以有效提升邊坡的穩定性[7]?；诖?，本次研究以泉眼溝渣場堆渣體邊坡為例，利用有限元強度折減法對植被的加固效果進行評價分析，為渣場的加固處理提供必要的依據。

3 植物加固措施的有限元分析

3.1 有限元模型的構建

邊坡穩定性計算的方法主要由理論和數值兩種主流方法[8]。其中，理論方法以極限分析法為代表，數值方法主要以有限元計算模型為代表，通過不斷降低有限元本構模型中的強度參數，在模型恰好達到極限破壞時，其相應的折減系數即為邊坡的

圖1 邊坡有限元模型示意圖

安全系數[9]。鑒于理論分析法在使用過程中需要對某些條件進行假設，因此會影響到其在實際應用中的價值，而有限元強度折減法實用性較好，而目前大型商用有限元軟件的進步和發展，也使得該方法具有方便、快捷、準確的優勢[10]。因此，本文研究利用ABAQUS有限元強度折減法對植物加固措施的有效性進行研究[11]。

在進行有限元模型計算過程中，選擇堆渣體坡度最大，地質結構最不穩定的P2坡面進行稽核模型的構建，邊坡的處理按照上節方案中的植被進行種植。其中，假設灌木植被的根莖可以深入邊坡內部8m左右，同時將兩側的側根簡化為傾斜30°的梁結構[12]。坡面的上的灌木草本等植被根系深入邊坡內部1.5m左右，且視為一個垂直根系[13]。根系和周圍的土體在計算中視為復合材料結構，其中植被的根系視為纖維加筋作用，及加固機理按照加筋土理論進行分析[14]。由于植被根系的變形模量大于土體的變形模量，在土體變形過程中，根系可以產生一定的約束作用[15]。對模型進行四邊形單元網格剖分，最大網格為1.0m，植被部分按照梁單元進行模型，網格的間距設定為0.3m，最終獲得11078個網格單元，12376個計算節點，有限元模型示意圖如圖1所示。

根據地質勘查和實驗室試驗結果，計算過程中采用表1的原始邊坡計算參數。計算中邊坡巖土體的破壞形式利用摩爾-庫倫強度準則描述。植被根系對表層巖土體的加固作用主要表現為提升了巖土體的黏聚力，結合試驗結果，淺層植被根系部位巖土體的黏聚力為0.085MPa。根系對邊坡深部的加固作用主要通過根系和土體之間的黏結和摩擦實現，類似于錨桿和抗滑樁，根系和土體之間的黏聚力由試驗獲取，為0.135MPa。由于渣場的邊坡是散體棄渣堆砌而成，并沒有完全壓實，也沒有采取其他加固手段。鑒于堆渣體目前處于穩定狀態，因此在計算分析過程中按折減系數大于1開始計算。

表1 堆渣體邊坡物理力學參數

3.2 計算結果與分析

研究中首先對原始狀態，也就是沒有施加植物措施情況下的P2剖面的穩定性進行數值模擬計算，計算過程中從安全系數為1開始進行折減，計算步長為0.1，在進行到第4步分析時，結果不再收斂。查看計算結果，該步已經進行了10%的計算。因此，以線性差值計算，可知邊皮的安全系數為1.31，其最終的位移云圖和塑性破壞云圖如圖2—3所示。由圖可知，邊坡破壞不僅表現為接觸界面附近的剪切性破壞，同時還包括邊坡淺層部位的圓弧滑移破壞。因此，在該處邊坡的處理過程中，不僅需要關注深層的滑移破壞，同時也需要對表層進行加固。

為了驗證邊坡加固過程中植物措施的作用，研究中在原始邊坡的基礎上，直接嵌入植被的根系進行模擬計算。由上文分析，渣場的邊坡目前處于穩定狀態，因此假定在實施植物措施后，邊坡的安全系數仍舊大于1。因此，在模擬計算中，仍舊從安全系數為1開始進行折減，計算步長為0.1，其最終的位移云圖和塑性破壞云圖如圖4—5所示。由計算結果可知，邊坡的破壞特征與未采取植物措施時基本一致，邊坡破壞不僅表現為接觸界面附近的剪切性破壞，同時還包括邊坡淺層部位的圓弧滑移破壞。由此可見，采用植物措施進行邊坡的加固，

圖2 沒有施加植物措施工況P2剖面塑性區云圖

圖3 沒有施加植物措施工況P2剖面位移云圖

圖4 施加植物措施工況下P2剖面塑性區云圖

圖5 施加植物措施工況下P2剖面位移云圖

不會從根本上改變邊坡的破壞形式以及其發生的位置。從邊坡的安全系數來看，邊坡的安全系數從1.31提升到了1.34，提高的幅度比較有限。這說明，植物措施加固邊坡具有一定的效果，但是效果并不十分顯著。究其原因，主要是堆渣的體積較大，植物的根系難以深入到邊坡內部的滑移面上，因此難以發揮出較大的作用。但是，植被根系對淺層巖土體的加固還是具有比較顯著的效果的。因此，針對目前的邊坡加固設計，除了采用必要的植被措施的同時，還應該針對邊坡內部滑移面采用一些必要的工程措施，例如錨桿、抗滑樁等可以穿過深部滑移面的錨固手段，以保證邊坡在強降雨等不利工況下的穩定性，防止泥石流等次生地質災害的發生。

4 結語

本次研究以蒲石河抽水蓄能電站的泉眼溝渣場為例，利用有限元強度折法對植被加固邊坡的特點和有效性進行分析。結果顯示植被措施在提升邊坡穩定性方面的作用較為有限，建議進一步采用工程技術手段提升邊坡的穩定性。根據研究結果，植被本身可以對邊坡的淺層土體起到較好的加固作用，而深層加固效果如何應該看植被的根系是否能夠大量穿過邊坡內部潛在的滑移面。因此，應該結合具體工程現狀選擇應用方式。此外，本次研究沒有針對不同的植被進行深入分析，但是從力學角度看，不同植被根系的深度和強度不同，加固效果也必然不同。例如，棗樹類根系比較粗壯和發達的樹木可以取得更好的加固效果。