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【摘 要】本文来源青岛市科技计划基础研究项目基金资助（12-1-4-4-（4）-jch），从生态护坡的岩土工程学视角出发，围绕岩质高陡边坡的本质特征，应用FLAC3D数值模拟和粗糙集理论，对锚杆——土工网垫喷播植草生态护坡结构稳定性进行了较为深入的研究。文章研究了FLAC3D在高陡岩质边坡结构稳定性的应用，即用确定性的方法研究锚杆——土工网垫喷播植草生态结构的稳定性，用FLAC3D分别模拟未支护、锚杆支护、生态支护三种模式，分析了生态护坡的优势。通过研究得到以下结论：锚杆——土工网垫喷播植草生态护坡技术相对于同等条件下的无支护、锚杆支护（植被未生长）的边坡稳定性有了很大的提高，在边坡35m、45m、55m的高度下应用该技术加固边坡，其稳定性安全系数均满足规范要求。
【关键词】FLAC3D数值模拟；高陡岩质边坡生态护坡技术
High steep rock slope anchor - Geonet ecological stability of Slope Protection Technology
Qi Hua-zhong
（Qingdao Technological University Qingdao Shandong 266033）
【Abstract】This paper is derived from the funding of Qingdao science and technology research projects（12-1-4-4-（4）-jch）. From the perspective of ecological slope protection in geotechnical engineering， this article sets out around the essence of high and steep rock slope and use FlAC3D numerical simulation and the rough set theory to research the stability of c-geonet mat spraying ecological slope protection deeply.The application of FLAC3D is studied in the high and steep rock slope structure stability. This method researches the stability of anchor-geonet mat spraying ecological structure with deterministic method and simulates respectivelly unsupportive、bolting and ecological-supportive slopes。Then this paper analysises the advantages of Ecological slope protection.In the study， this paper gets the following conclusion：Compared with the same conditions without support and bolt support （without vegetation growth） ， anchor - geonet mat spraying and sowing grass ecological slope protection technology has greatly improved the stability of the slope. In the slope height of 35m， 45m， 55m， the stability safety coefficient can satisfy the requirements of specification under the application of the technology to reinforce slope.
【Key words】FlAC3D numerical simulation；High and steep rock slope ecological slope protection
1. 引言
（1）在我国经济迅速发展的今天，各种道路、水、电、城镇等基础设施建设迅猛发展[1]，大量山体被开挖，导致了各种形式的地质与环境问题：植被破坏，岩石边坡裸露，引发了水土流失、泥石流、滑坡等地质灾害，人工岩土边坡不断增加，同时局部气候恶化，食物链被破坏，严重影响生态环境保护与水土保持工作[2]。
图1 锚杆——土工网垫生态护坡技术结构示意图
（2）因此，亟须一种经济适用、长期有效的岩质高陡边坡的生态防护技术解决此类问题。目前高陡岩质边坡稳定性的研究，大多集中于植物根系固土作用，较少将坡面绿化稳定及坡体稳定作为研究内容。鉴于此，本文针对一种岩质高陡边坡生态防护的新型技术——锚杆——土工网垫喷播生态护坡结构，重点分析其在不同边坡高度下稳定性，经FLAC3D模拟得到稳定性系数，分析其加固效果。
2. 锚杆——土工网垫喷播生态护基本原理
锚杆——土工网垫喷播生态防护技术是指在通过锚杆加固边坡岩体的同时，利用锚杆固定土工网垫，并在土工网垫内喷播植生基材，待植被生长后达到坡面绿化效果，植被根系嵌入浅层岩体，增强浅层护坡作用，将坡面绿化防护与深层固坡有机结合从而使岩质边坡整体稳定[3]。锚杆——土工网垫喷播生态防护结构主要包括锚杆、土工网垫、植生基质三部分[4]，其结构组成见图1。 3. 数值模拟及计算分析
拟采用三种边坡形式进行数值模拟：A边坡未支护 、B边坡进行锚杆土工网垫喷播植草生态护坡但植被未生长、C 边坡进行锚杆土工网垫喷播植草生态护坡且植被生长比较旺盛。
3.1 模型的建立。
（1）岩石锚杆——锚索（Cable）单元：FLAC3D内设单元。锚索为弹塑性材料，拉压屈服。
（2）植被主根系——锚索（Cable）单元：模拟忽略侧根作用只考虑主根作用，主根生长发育穿过基质进入浅表层岩体形成坡面岩体——基质——根系复合体，它的受力机理和锚杆的锚固机理相同，即抗剪力由摩擦力提供。因此用Cable单元来模拟植被根系。
（3）喷播植生层——壳（shell）单元：植生基材由植物种子、粘合剂、植壤土、土壤改良剂、缓释肥、生物菌肥、保水剂等材料按一定配比均匀混合组成，可视为各项同性的线性弹性材料，因此用shell单元来模拟。
（4）复合纤维加筋土体——摩尔——库伦理想弹塑性模型：植被根系——土工网垫——喷播植生层三者结合形成复合纤维加筋土。使用素土本构模型来代替纤维加筋土本构模型。
（5）边坡岩体拟为摩尔——库伦理想弹塑性模型，沿边坡走向取单位长度1米，边界条件设为底边为竖向约束，左右两侧水平约束，坡面为自由边界，属于平面应力问题。坡体基本网格划分模型尺寸如图3、图4、图5。为使计算结果更为精确，模拟采用赵尚毅、郑颖人等提出的计算范围：坡脚距同侧计算边界为1.5H，坡顶距同侧计算边界为2.5H。经计算本文中边坡滑裂面位置距坡脚同侧边界几乎为零，故将其扩大至2H，经计算符合所需精度要求。
3.2 模型参数的选取。
选用模型的高度分别为35 m、45m、55m，其他主要参数见表1。
3.3 计算结果。
初始应力为自重应力下，计算所得的竖向应力云图、剪切应变增量云图、边坡滑裂面位置如图所示。
（1）同种生态结构支护下不同高度剪切面、X方向位移比对。
图3 高度分别为35M、45M、55M生态护坡的安全系数、剪切应变图
图4 高度高度分别为35M、45M、55M生态护坡的X向位移等值线图
图5 35M高度下分别为未支护、锚杆支护、生态支护的滑裂面位置
（2）不同支护条件下同种边坡高度滑裂面位置比对。
3.4 结果分析。
（1）在不同的高度、不同的支护类型下，高陡岩质边坡的稳定安全系数计算结果如表2所示。
（2）从计算结果横向、纵向对比表明，随着高度的增加，边坡的稳定性随之下降，并且采用锚杆——土工网垫喷播植草护坡结构比同等支护条件下锚杆支护所得的安全系数有小幅度的提高。植被的根系在地表浅层范围内分布广泛，虽然本模拟只取了主根的锚固作用忽略了侧根，但是从结果中可以看出应用此项生态护坡技术，不仅提供了边坡的稳定性，而且达到了绿化、美观的效果。
（3）从图3至图4，随着边坡高度的增加，滑裂面的位置明显向坡体后侧移动，坡顶和坡脚处的塑性变形逐渐增大，相同的支护条件下，单纯的提高边坡的高度，边坡的稳定性会明显的降低。从图5，滑裂面处的塑性变形逐渐的缩小，在未支护的时候边坡稳定安全系数为1.15，通过此项生态护坡技术支护后稳定安全系数为1.3，满足规范的要求。
4. 结论
（1）随着边坡高度的增大，边坡稳定性系数普遍呈降低趋势，边坡高度变化程度成为影响边坡稳定性的主要因素。
（2）经复合型锚杆——土工网垫喷播结构进行加固后边坡稳定性显著提高，因此，该技术可用于高陡岩质边坡的生态防护，且加固效果良好。
（3）该支护体系植被根系加固作用不可忽略，其对边坡浅层稳定性的影响起决定性作用，但本文忽略了植被固有的生命属性，如根系生长周期、根系无限生长性以及根系分泌物等，因此，从植被的固有生命体系出发，从微观的角度分析其浅层稳定性将更加的复合实际。
参考文献
[1] 高喜才，露天矿边坡开挖过程变形破坏特征及稳定性实验研究[D]，西安科技大学硕士学位论文，2006.
[2] 曾亚武，田伟明，边坡稳定分析的有限元法与极限平衡法的结合，岩石力学与工程学报，2005.11.
[3] 胡燕东，三维植被网在高速公路边坡防护中的应用浅析[J]，价值工程，2010：44.
[4] 徐景瑜，三维植被网垫在高速公路边坡防护中的应用[J]，北方交通，2008（2）：80～81.
[5] 郑颖人，赵商毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学，2002，4（10）：57～61.
[文章编号]1006-7619（2013）06-08-481
【关键词】FLAC3D数值模拟；高陡岩质边坡生态护坡技术
High steep rock slope anchor - Geonet ecological stability of Slope Protection Technology
Qi Hua-zhong
（Qingdao Technological University Qingdao Shandong 266033）
【Abstract】This paper is derived from the funding of Qingdao science and technology research projects（12-1-4-4-（4）-jch）. From the perspective of ecological slope protection in geotechnical engineering， this article sets out around the essence of high and steep rock slope and use FlAC3D numerical simulation and the rough set theory to research the stability of c-geonet mat spraying ecological slope protection deeply.The application of FLAC3D is studied in the high and steep rock slope structure stability. This method researches the stability of anchor-geonet mat spraying ecological structure with deterministic method and simulates respectivelly unsupportive、bolting and ecological-supportive slopes。Then this paper analysises the advantages of Ecological slope protection.In the study， this paper gets the following conclusion：Compared with the same conditions without support and bolt support （without vegetation growth） ， anchor - geonet mat spraying and sowing grass ecological slope protection technology has greatly improved the stability of the slope. In the slope height of 35m， 45m， 55m， the stability safety coefficient can satisfy the requirements of specification under the application of the technology to reinforce slope.
【Key words】FlAC3D numerical simulation；High and steep rock slope ecological slope protection
1. 引言
（1）在我国经济迅速发展的今天，各种道路、水、电、城镇等基础设施建设迅猛发展[1]，大量山体被开挖，导致了各种形式的地质与环境问题：植被破坏，岩石边坡裸露，引发了水土流失、泥石流、滑坡等地质灾害，人工岩土边坡不断增加，同时局部气候恶化，食物链被破坏，严重影响生态环境保护与水土保持工作[2]。
图1 锚杆——土工网垫生态护坡技术结构示意图
（2）因此，亟须一种经济适用、长期有效的岩质高陡边坡的生态防护技术解决此类问题。目前高陡岩质边坡稳定性的研究，大多集中于植物根系固土作用，较少将坡面绿化稳定及坡体稳定作为研究内容。鉴于此，本文针对一种岩质高陡边坡生态防护的新型技术——锚杆——土工网垫喷播生态护坡结构，重点分析其在不同边坡高度下稳定性，经FLAC3D模拟得到稳定性系数，分析其加固效果。
2. 锚杆——土工网垫喷播生态护基本原理
锚杆——土工网垫喷播生态防护技术是指在通过锚杆加固边坡岩体的同时，利用锚杆固定土工网垫，并在土工网垫内喷播植生基材，待植被生长后达到坡面绿化效果，植被根系嵌入浅层岩体，增强浅层护坡作用，将坡面绿化防护与深层固坡有机结合从而使岩质边坡整体稳定[3]。锚杆——土工网垫喷播生态防护结构主要包括锚杆、土工网垫、植生基质三部分[4]，其结构组成见图1。 3. 数值模拟及计算分析
拟采用三种边坡形式进行数值模拟：A边坡未支护 、B边坡进行锚杆土工网垫喷播植草生态护坡但植被未生长、C 边坡进行锚杆土工网垫喷播植草生态护坡且植被生长比较旺盛。
3.1 模型的建立。
（1）岩石锚杆——锚索（Cable）单元：FLAC3D内设单元。锚索为弹塑性材料，拉压屈服。
（2）植被主根系——锚索（Cable）单元：模拟忽略侧根作用只考虑主根作用，主根生长发育穿过基质进入浅表层岩体形成坡面岩体——基质——根系复合体，它的受力机理和锚杆的锚固机理相同，即抗剪力由摩擦力提供。因此用Cable单元来模拟植被根系。
（3）喷播植生层——壳（shell）单元：植生基材由植物种子、粘合剂、植壤土、土壤改良剂、缓释肥、生物菌肥、保水剂等材料按一定配比均匀混合组成，可视为各项同性的线性弹性材料，因此用shell单元来模拟。
（4）复合纤维加筋土体——摩尔——库伦理想弹塑性模型：植被根系——土工网垫——喷播植生层三者结合形成复合纤维加筋土。使用素土本构模型来代替纤维加筋土本构模型。
（5）边坡岩体拟为摩尔——库伦理想弹塑性模型，沿边坡走向取单位长度1米，边界条件设为底边为竖向约束，左右两侧水平约束，坡面为自由边界，属于平面应力问题。坡体基本网格划分模型尺寸如图3、图4、图5。为使计算结果更为精确，模拟采用赵尚毅、郑颖人等提出的计算范围：坡脚距同侧计算边界为1.5H，坡顶距同侧计算边界为2.5H。经计算本文中边坡滑裂面位置距坡脚同侧边界几乎为零，故将其扩大至2H，经计算符合所需精度要求。
3.2 模型参数的选取。
选用模型的高度分别为35 m、45m、55m，其他主要参数见表1。
3.3 计算结果。
初始应力为自重应力下，计算所得的竖向应力云图、剪切应变增量云图、边坡滑裂面位置如图所示。
（1）同种生态结构支护下不同高度剪切面、X方向位移比对。
图3 高度分别为35M、45M、55M生态护坡的安全系数、剪切应变图
图4 高度高度分别为35M、45M、55M生态护坡的X向位移等值线图
图5 35M高度下分别为未支护、锚杆支护、生态支护的滑裂面位置
（2）不同支护条件下同种边坡高度滑裂面位置比对。
3.4 结果分析。
（1）在不同的高度、不同的支护类型下，高陡岩质边坡的稳定安全系数计算结果如表2所示。
（2）从计算结果横向、纵向对比表明，随着高度的增加，边坡的稳定性随之下降，并且采用锚杆——土工网垫喷播植草护坡结构比同等支护条件下锚杆支护所得的安全系数有小幅度的提高。植被的根系在地表浅层范围内分布广泛，虽然本模拟只取了主根的锚固作用忽略了侧根，但是从结果中可以看出应用此项生态护坡技术，不仅提供了边坡的稳定性，而且达到了绿化、美观的效果。
（3）从图3至图4，随着边坡高度的增加，滑裂面的位置明显向坡体后侧移动，坡顶和坡脚处的塑性变形逐渐增大，相同的支护条件下，单纯的提高边坡的高度，边坡的稳定性会明显的降低。从图5，滑裂面处的塑性变形逐渐的缩小，在未支护的时候边坡稳定安全系数为1.15，通过此项生态护坡技术支护后稳定安全系数为1.3，满足规范的要求。
4. 结论
（1）随着边坡高度的增大，边坡稳定性系数普遍呈降低趋势，边坡高度变化程度成为影响边坡稳定性的主要因素。
（2）经复合型锚杆——土工网垫喷播结构进行加固后边坡稳定性显著提高，因此，该技术可用于高陡岩质边坡的生态防护，且加固效果良好。
（3）该支护体系植被根系加固作用不可忽略，其对边坡浅层稳定性的影响起决定性作用，但本文忽略了植被固有的生命属性，如根系生长周期、根系无限生长性以及根系分泌物等，因此，从植被的固有生命体系出发，从微观的角度分析其浅层稳定性将更加的复合实际。
参考文献
[1] 高喜才，露天矿边坡开挖过程变形破坏特征及稳定性实验研究[D]，西安科技大学硕士学位论文，2006.
[2] 曾亚武，田伟明，边坡稳定分析的有限元法与极限平衡法的结合，岩石力学与工程学报，2005.11.
[3] 胡燕东，三维植被网在高速公路边坡防护中的应用浅析[J]，价值工程，2010：44.
[4] 徐景瑜，三维植被网垫在高速公路边坡防护中的应用[J]，北方交通，2008（2）：80～81.
[5] 郑颖人，赵商毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学，2002，4（10）：57～61.
[文章编号]1006-7619（2013）06-08-481