降雨条件下黄土植被边坡根固效应试验与模型试验研究

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防治边坡水土流失与边坡稳定性一直是我们研究中非常复杂的课题,西宁地区边坡是边坡水土流失与失稳较高风险区域,为此,进一步研究西宁黄土区植被边坡根固效应与水文效应是具有必要性的。本项研究筛选出适合当地环境要求与土壤条件的三种草本植被作为供试种,分别是芨芨草、高羊茅和耐寒型麦冬草,设计了室内直剪试验、人工降雨模型试验与有限元分析方法共同对比研究不同植被边坡的稳定性,综合分析出防治边坡水土流失与边坡稳定性的植被边坡优选方案。主要取得结果如下:(1)通过室内直剪试验研究发现,植物根-土复合体含根量相同时,在相同剪应力与垂直正压力下,三种草本植物根-土复合体的剪切位移均小于不含根素土的剪切位移,其中高羊茅根-土复合体的剪切位移相对较小,芨芨草次之,耐寒型麦冬草相对较大;当草本植物在含根量增加条件下,根-土复合体粘聚力相较于素土粘聚力都有一定程度的增长,但增长幅度为非线性变化,此外,三种植物在含根量梯度区内存在最优含根量,芨芨草、高羊茅和耐寒型麦冬草的最优含根量分别为4%、6%、6%。(2)通过对植被边坡进行两次人工降雨模型试验发现,四种不同条件的边坡模型都具有较好的抗雨水冲刷能力,而三种植物边坡相较于素土边坡抗冲刷能力更强,且耐寒型麦冬草植物边坡抗冲刷能力次之,高羊茅植被边坡抗冲刷能力最好。(3)坡体在受到自重作用条件下,无根边坡与三种植被条件边坡的位移变形主要产生区域在坡面附近,这是由于坡体深层处的位移量较小,且位移出现明显的分区特征。边坡的坡脚处为位移集中区,主要集中的是最大水平位移,而边坡的坡顶处位移集中区是最大竖向变形区域。(4)含根边坡相较于无根边坡在不同坡度条件下的总位移量均明显减小,这是因为植被根系与土体之间会产生摩阻力,对边坡起到了加筋作用,并且根系还具备抗拉能力,在受到外部荷载条件下,根系受拉后会对土体的变形产生阻碍作用,从而边坡土体变形的产生受到约束,边坡稳定性得到了提升。(5)通过有限元分析发现,无根边坡与三种含根边坡的安全系数都随着坡度的上升,而安全系数在降低,但有根系的边坡相较于无根系边坡安全系数减小幅度要小很多。所以含根边坡的边坡稳定性要高于无根边坡的稳定性。同理,三种植被根系边坡之间对边坡安全系数的影响也具有差异,结合总位移量与安全系数的综合分析,高羊茅植被的护坡能力要强于其它植被,这是因为高羊茅植物的根系极其发达且能够短时间内密布边坡土体表层内部,形成根系网,这使得该层根-土复合体的摩阻力远大于其它两种植被,所以通过数值模拟的分析,可反映出在植被护坡能力上,高羊茅植被要优于另外两种植被。
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