植物根系對贛南礦山邊坡的穩定性影響

王秋炎 易紅仔

摘 要：利用Midas SoilWorks有限元軟件，對礦山邊坡生態修復工程種植的狗牙根（Cynodondactylon （L.） Pers.）、花木藍（Indigofera kirilowii Maxim.exPalib.）和榆樹（Ulmus pumila L.） 的根系，在自然條件和暴雨條件下對礦山邊坡的安全穩定性影響進行了研究。結果表明，3種植物根系在各條件下對礦山邊坡的安全穩定性都有不同程度的提高。植物根系對礦山邊坡穩定性的影響程度與根系的數量及根系對邊坡土體的作用范圍有密切關系，深淺根系的組合效果最佳。但隨著植物根系的深入，邊坡安全穩定性系數提高，坡面的水平位移量也會隨之增大，所以在實際的礦山邊坡修復設計中，應結合安全穩定性系數、應力和變形等綜合分析驗證坡體的可靠性，選取最佳設計方案。

關鍵詞：礦山邊坡；有限元法；安全穩定性；植物根系

中圖分類號：X171.4文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）02-00-06

0 引言

綠色礦山建設是保證我國礦產資源和生態環境實現可持續健康發展的重要舉措，是實現人與自然和諧發展的必然選擇[1]。工程建設者們急需探索新的技術方法來修復已被破壞的邊坡，恢復礦山邊坡的生態環境并實現坡體力學關系的平衡與穩定，達到綠色礦山建設的目的。

傳統的鋼筋混凝土擋墻、漿砌石護坡、混凝土格構、錨噴技術等，對于區域生態環境的修復與協調收效甚微[2]。近年來，植物防護技術備受科研建設者青睞，他們采用ANSYS、ABAQUS、GeoStudio等軟件，對不同植物根系在河湖岸坡、公路邊坡的加固防護作用進行研究[3-11]。

經研究分析，發現現有文獻研究大都基于均一性質、干燥的邊坡土層，對理想化的河湖岸坡、公路邊坡中1～2類植物根系進行數值分析，而對實際項目中的礦山生態邊坡的植被根系研究文獻較少，尤其是對贛南地區的礦山邊坡植物根系的有限元數值分析更少。本文利用Midas SoilWorks有限元軟件對大余縣西華山鎢礦礦山環境綜合治理工程中邊坡生態修復所選用的3種喬灌草植物的根系進行數值分析，重點驗證在自然工況和暴雨工況下它們對礦山邊坡的安全穩定性影響。以期為今后綠色礦山建設和礦山邊坡生態修復提供一定的理論借鑒和參考。

1 項目概況

本文礦山邊坡位于大余西華山鎢礦區5號廢石堆東側治理區。邊坡高一般3～25 m，坡度25°～82°，山體巖土層按其成因類型、形成年代、物質組份及物理力學性質等特征可分為素填土、碎石、粉質粘性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖。根據設計方案，坡面削整后的巖土層主要是粉質粘性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖。根據大余西華山鎢礦區治理工程設計方案及贛南地區常用護坡植物種類，本文選用狗牙根（Cynodon dactylon（L.） Pers.）、花木藍（Indigofera kirilowii Maxim.ex Palib.）和榆樹（Ulmus pumila L.）3種草灌喬護坡植物的根系作為邊坡的加筋和錨固構件。

2 有限元模型建立

本文通過Midas SoilWorks有限元分析軟件，采用強度折減系數法（SRM）進行建模分析。

2.1 模型及邊界

本文用Midas SoilWorks二維有限元分析軟件構建模型，將坡體分析簡化為平面應變分析。鄭穎人等[12]研究認為，有限元模型的尺寸大小對數值分析的精細度和準確性具有較大的影響，理想的二維邊坡模型尺寸與坡高的關系如圖1所示。

以XZ平面建立2D礦山邊坡模型圖，模型寬度為41.713 m，高度為17.25 m。模型X向左右邊界受水平約束，Z向底邊界受豎向約束。通過軟件智能網格功能，共生成10個網格組，1428個巖土和結構單元。視模型土體單元為理想彈塑性，運用莫爾-庫倫圓破壞準則，分別賦予模型土體對應的巖土參數值。植物根系視為植入式桁架結構，并分別賦予對應的根系參數值。模型荷載為自重。礦山邊坡有限元模型如圖2所示。

2.2 基本參數

2.2.1 巖土參數

根據大余西華山鎢礦區勘察報告，結合邊坡場地巖土層性狀及均勻性， 巖土層主要參數指標見表1。

2.2.2 根系參數

狗牙根為須根型草本植物，其根系纖細而稠密，從基部呈放射狀分布，主要集中在地表以下30 cm土層內，且隨深度的增加根系越稀疏。根徑一般為0.15～1 mm。

本文選用2年生灌木狀花木藍植株的根系為研究對象。劉奧林等[13]通過實驗和統計分析，花木藍的豎直根系主要分布在1 m深的土層范圍內，超過一定的深度界限，其根系量大幅減少。一株花木藍整個根系呈錐形分布，水平根的占比最大。

榆樹為復合型根系，其多種根型發展較為均勻，主根系主要分布在2 m深的土層范圍內。

植物根系復雜交錯、盤根錯節，為方便建模，依據各根系的特性，狗牙根根徑統一取0.4 mm，花木藍根徑統一取3 mm，榆樹根徑統一取6 mm，其根系模型分別做如圖3所示的簡化處理。

結合工程實際和數值分析情況，查閱文獻資料[14， 15]，狗牙根、花木藍和榆樹的根系具體參數指標見表2。

2.3 分析工況設置

在自然條件和暴雨條件下，分別按表3的工況條件對礦山邊坡的安全穩定性進行分析。

3 結果與分析

3.1 自然條件下礦山邊坡的安全穩定性

在自然條件下，計算分析得到各工況下礦山邊坡的最大剪切應變云圖，如圖4～圖9和各工況下礦山邊坡的安全穩定性系數，如圖10。

從圖4、圖5和圖10可以看出工況1和工況2的礦山邊坡潛在滑動帶基本一致、邊坡安全穩定性系數一樣，但是工況1的坡腳淺層應變量明顯大于工況2。這是因為位于坡體淺層的須根系和側根系呈多維度的網狀分布，組成網架結構體，與土體相互交織包裹，形成根土復合的加筋土結構。狗牙根的根系淺，能對邊坡表層土起到加筋作用，而對位于地表以下較深的潛在滑動帶無明顯影響。

從圖6～圖9可以看出工況3～工況6的礦山邊坡潛在滑動帶相對于工況1和工況2都明顯變窄，而且滑動帶的位置在邊坡也都有不同程度的下移降低。分析各工況下滑動帶位置的向下偏移量，可以知道工況1≈工況2＜工況3＜工況5＜工況4＜工況6。這與圖10各工況下礦山邊坡的安全穩定性系數工況1=工況2＜工況3＜工況5＜工況4＜工況6一致，且工況3～工況6的安全穩定性系數相對于工況1分別提高了1.67%、11.11%、3.33%、15.56%。

可見，根系的加筋作用提升了土體的黏聚力和抗剪強度，且根系越深，其對土體的影響范圍越大，特別是直徑較大的主根系和側根系，具有傳遞應力，分散滑動面土體荷載，改善土體應變，增大滑動面的抗滑移水平，提高坡體抗剪強度，提高邊坡的整體穩定性和安全系數。

工況4的礦山邊坡安全穩定性相對于工況3和工況5，分別提高了9.29%、7.53%。這是因為榆樹的根系長，遠大于狗牙根和花木藍的根系，說明深根系對土體的錨固作用使礦山邊坡安全穩定性提高方面遠大于淺根系對淺層土體的加筋作用。

從圖4～圖9可以知道，礦山邊坡的安全穩定性變化與土體中植物根系設置的關系：裸露邊坡＜狗牙根邊坡＜花木藍邊坡＜狗牙根邊坡+花木藍邊坡＜榆樹邊坡＜狗牙根邊坡+花木藍+榆樹邊坡。可見，植物根系對礦山邊坡安全穩定性的影響程度與根系的數量及根系對邊坡土體的作用范圍有密切關系。

3.2 暴雨條件下礦山邊坡的安全穩定性

在暴雨條件下，計算分析得到各工況下礦山邊坡的最大剪切應變云圖，如圖11～圖16和各工況下礦山邊坡的安全穩定性系數，如圖17。

從圖11和圖17可知，在暴雨條件下，各工況礦山邊坡的安全穩定性系數相對于自然條件的各工況分別降低了35%、35%、34.43%、37.5%、34.95%、38.94%。可見，暴雨對礦山邊坡的安全穩定性影響很大。但從圖11～圖16可知，工況2的邊坡表層土體最大剪切應變量小于工況1，工況3～工況6安全穩定性相對于工況1分別提高了2.56%、6.84%、3.42%、8.55%，所以設置了植物根系的各工況邊坡其最大剪切應變量都比工況1小。說明植物根系有效改善邊坡土體的持水性，改善土體力學參數，在暴雨條件下也能較好提高礦山邊坡的穩定性。

分析圖11～圖17，在暴雨條件下，礦山邊坡各工況下的安全穩定性系數與邊坡滑動帶位置的向下偏移量及土體中植物根系設置的關系跟自然條件下基本一致。可見植物根系可有效調節滑動面區域土體的孔隙水壓，提高其抗滲性、吸附力和摩擦力，提高礦山邊坡的安全穩定性系數，并且深根系植物在這方面起著主導作用。

3.3 對坡面水平位移的影響分析

基于軟件分析結果，分別統計自然條件和暴雨條件下各工況礦山邊坡坡面點的最小和最大水平（DX）位移量，得到表4和圖18。

從表4和圖18可以知道，無論在自然條件還是暴雨條件下，礦山邊坡坡面的最小和最大水平位移量都隨坡體內設置的植物根系深度的增加而增大。結合前述的安全穩定性系數分析，可以發現通過坡體內設置植物根系來提高礦山邊坡的穩定性，隨著坡體安全穩定性系數的增大，坡面的水平位移量也相應增加。

植物根系類似錨桿、土釘等結構設置于坡體內，通過提高根土間的摩擦力，提高了邊坡的抗滑性能，但同時改變了坡體的應力分布，增大了邊坡位移變形，根系越深影響范圍越大。這是因為坡體的安全穩定性與坡體的變形具有相互的關聯性，其之間是應力與應變的復雜演變平衡的結果。所以在實際的礦山邊坡工程設計中，并不是增加錨桿、土釘使得邊坡的安全穩定性系數越高，坡體就越穩定可靠，還應結合實際情況，通過對應力和變形的詳細分析、對比優化，選取最佳設計方案。

4 結論

（1）采用強度折減系數法對礦山邊坡進行有限元分析，可得到坡體的應力、應變、塑性區、內力、安全穩定性等信息參數。相對于傳統的分析方法，強度折減系數法能更好展現礦山邊坡接近于實際的破壞情況，并顯示出潛在滑動面供邊坡治理參考。

（2）無論在自然工況還是在暴雨工況下，植物根系都能有效提高贛南礦山邊坡的安全穩定性。

（3）根深1 m以內的淺根系草灌木，其根系對贛南礦山邊坡土體的加筋作用可有效調節淺層邊坡的應力分布，降低邊坡土體的淺層應變，提高邊坡穩定性，但對坡體的安全穩定性系數影響不太明顯。

（4）深根系的喬灌木，其根系對贛南礦山邊坡土體的錨固作用可有效調節坡體的應力分布，降低土體應變，并提高坡體的安全穩定性系數。

（5）植物根系對贛南礦山邊坡安全穩定性的影響程度與根系的數量及根系對邊坡土體的作用范圍有密切關系，所以深淺根系的喬灌草植物組合效果最佳。

（6）在實際的礦山邊坡工程設計中，應結合邊坡的安全穩定性系數、應力和變形等綜合分析驗證坡體的穩定可靠性，選取最佳設計方案。

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