【论文精选】用有限元法研究降雨对青海云杉林边坡稳定性的影响学术资讯

来源：中国水土保持科学

2016年8月21日18时至22日10时，宁夏贺兰山中北段发生有记录以来最大降雨，16h降雨量达到239.5mm。暴雨引发了部分地区山体浅层滑坡，不仅损坏了公路、房屋等基础设施，而且对贺兰山的生态环境及植被造成了巨大的破坏；此外，贺兰山岩画等文物古迹在滑坡中也遭受了难以估量的损失。因此，研究极端天气下的贺兰山边坡稳定性，对于贺兰山地区的生态和经济社会发展具有重要的意义。

青海云杉(Picea crassifolia)作为贺兰山主要的水土保持树种之一，在水源涵养、稳定边坡方面起着十分重要的作用；但是通过查阅相关文献发现国内外对贺兰山地区青海云杉林等边坡的稳定性及影响因素研究未见报道，因此尚不能对其稳定边坡能力是不是与人们预想和期待的一致等问题给出科学的解释。

随着计算机运算能力的提高和岩土有限元理论的发展，采用有限元理论及软件对降雨条件下边坡的稳定性进行数值模拟分析，逐渐成为这一领域主要的研究方式。其中以达索系统(Dassault Systèmes)开发的大型通用有限元模拟软件ABAQUS，在解决复杂条件下的边坡非线性问题表现最为出色，被越来越多的科研人员用以降雨边坡的研究工作。

为此，作者通过三轴压缩、饱和渗透等土工试验获取青海云杉林边坡根土复合体的土力学参数，在此基础上建立基于有限元的贺兰山青海云杉林边坡稳定性计算模型。利用该模型分析了青海云杉林边坡与无林边坡（对照）的安全系数和破坏时间随降雨强度、降雨历时、边坡坡度的变化规律，拟合了降雨强度与边坡破坏时间的回归模型。通过降雨条件下青海云杉林边坡和无林边坡破坏时的最大位移、最大塑性应变的分析，量化了贺兰山青海云杉林增强降雨边坡稳定性的程度。

贺兰山青海云杉林边坡稳定性计算有限元模型

研究结果表明：

1) 在贺兰山，青海云杉林与无林边坡的安全系数随降雨历时、降雨强度、边坡坡度的增加而减小。降雨条件下青海云杉林边坡的破坏时间要显著高于无林边坡(平均高出48.61%)；降雨强度与破坏时间的回归关系满足幂函数，降雨强度增大，破坏时间减小。

2) 降雨条件下，青海云杉林的固土护坡作用是有限的，随着降雨强度的增加(从10mm/h增加到25mm/h)，固土护坡作用在减弱(从53.20%降低到45.70%)；青海云杉林可以明显提高边坡破坏时的最大位移(提高224.42%)和最大塑性应变(提高95.28%)。青海云杉林显著增强了降雨边坡的稳定性。

研究结果对于评价植被对降雨边坡的稳定作用和采用生物措施防治贺兰山浅层滑坡灾害具有重要的参考意义。

本研究由国家自然科学基金“贺兰山水土保持功能乔木根系锚固土壤作用与数值模拟研究”（31560232），“宁夏河东沙地典型防护林树种水分来源及水分利用策略研究”（31760236）共同资助。

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《中国水土保持科学》是由中国科学技术协会主管，中国水土保持学会主办的综合性学术期刊。2003年创刊，双月刊，公开发行，2004年成为中国科技核心期刊，2011年入选中国科学引文数据库（CSCD），2015年入编《中文核心期刊要目总览》2014年版（即第七版）。

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