Studie über die Einflüsse der fraktalen Dimension des Wurzelsystems und des Hanggrades auf die Hangstabilität

Aug 04, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 10282 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Das Problem der Quantifizierung der Auswirkung der Luzerne-Wurzelmorphologie auf die Stabilität der flachen Oberflächenschicht des Hangs des Haizhou-Tagebaukohlebergwerks und des optimalen Hanggrads im Hinblick auf die Verstärkung der flachen Oberflächenschicht durch das Luzerne-Wurzelsystem wurde angesprochen. In dieser Studie wurden die mechanischen Parameter von einfachen Böden und Luzernewurzel-Boden-Verbundproben durch Indoor-Bodentests und triaxiale Kompressionstests gemessen und ein Berechnungsmodell für das Gefälle des Tagebau-Kohlebergwerks Haizhou in der numerischen Simulationssoftware FLAC3D erstellt Analyse des Einflusses des Luzerne-Wurzelsystems auf die maximale Verschiebung der flachen Oberflächenschicht des Hangs und der Beziehung zur fraktalen Dimension des Luzerne-Wurzelsystems. Die fraktale Dimension wurde angewendet, um den Einfluss der Luzerne-Wurzelmorphologie zu quantifizieren und die Beziehung zwischen der fraktalen Dimension des Wurzelsystems und der optimalen Neigung der flachen Oberflächenschicht weiter zu untersuchen. Die Analyse ergab, dass die fraktale Dimension des Luzerne-Wurzelsystems bei verschiedenen Neigungsgraden variierte, dh 40° > flach > 30° > 50°; Die maximale Bodenverdrängung der flachen Oberflächenschicht des Hangs nahm mit der Neigung in nichtlinearen Schritten zu. Die Analyse der fraktalen Dimension des Luzerne-Wurzelsystems und der maximalen Verschiebungsreduktionsrate bei den verschiedenen Neigungsgraden ergab, dass der optimale Neigungsgrad der durch Luzerne verstärkten flachen Oberflächenschicht zwischen 30° und 40° variierte. Die Studienergebnisse könnten eine Grundlage für die weitere Erklärung der Art der Rolle der Luzerne-Wurzelmorphologie bei der Verstärkung von flachem Oberflächenboden und dem optimalen Neigungsgrad des durch Luzerne-Wurzeln verstärkten Hangs des Tagebaus Haizhou liefern.

In den letzten Jahren wurde der Hangbefestigung aufgrund der Zunahme des Kohletagebaus zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt. Der Kohletagebau Haizhou ist von Ost nach West 4 km lang und von Nord nach Süd 2 km breit, mit einer vertikalen Tiefe von 250 m, was 18 m unter dem Meeresspiegel liegt, und ging 2005 in Konkurs Das Fehlen von Schutzmaßnahmen während des Kohlebergbaus führte zur Bildung einer binären Boden-Gesteins-Hangstruktur, die aus einer oberen flachen Bodenschicht und einer unteren verwitterten Grundgesteinsschicht besteht. Darüber hinaus sind technische Maßnahmen zur Hangstabilisierung an Hängen mit Boden-Fels-Doppelstruktur in der Regel schwierig zu erreichen, und eine unsachgemäße Planung oder Konstruktion kann leicht zu geologischen Schäden wie Hangeinsturz durch Erdrutsche führen, was die Gesamtstabilität des Hangs gefährdet1,2,3; Daher kann das Steigungsproblem nicht ignoriert werden.

Die Verbesserung der Hangstabilität durch Optimierung des Hangverstärkungsprozesses ist das Ziel vieler Ingenieure. Herkömmliche technische Böschungsbefestigungsmaßnahmen können in der frühen Phase des Projekts eine gewisse Böschungsschutzwirkung erzielen, Beton, Stahl und Felsen werden jedoch durch Witterungseinflüsse und die Einwirkung von Regenwasser ständig erodiert, was zu einer Verringerung der Schutzwirkung der technischen Böschungsbefestigungen führt Maßnahmen. Die Vegetation spielt eine Rolle, die durch andere technische Maßnahmen nicht erfüllt wird, wie z. B. die Verbesserung der ökologischen Umwelt, die Verringerung der Bodenerosion, die Wasserrückhaltung und die Befestigung von Böden und Böschungen, und die Befestigung von Vegetationsböschungen ist eine Kontrollmethode für den Wirtschafts- und Umweltschutz mit einer unersetzlichen und wichtigen Rolle. Daher ist die Technologie zur Vegetationsbefestigung von Böschungen zum Trend und Hauptziel der Böschungsbewirtschaftung und -pflege geworden4. Manbeian et al.5 kamen zu dem Schluss, dass der Effekt der Scherfestigkeitssteigerung von Wurzelsystemen auf Hangböden von der Pflanzenwurzelmorphologie und dem Pflanzentyp beeinflusst wird und dass unterschiedliche Pflanzenwurzelmorphologien unterschiedliche Auswirkungen auf die Verbesserung der Hangstabilität haben. Im Jahr 1989 wandte Tatsumi6 als erster die Fraktaltheorie auf die Untersuchung von Pflanzenwurzelsystemen an und quantifizierte so die morphologischen und strukturellen Eigenschaften von Pflanzenwurzelsystemen. Durch die Untersuchung der fraktalen Eigenschaften verschiedener Pflanzenwurzeln im Wüstenhinterland kamen Xiaolin Yang et al.7 zu dem Schluss, dass die fraktale Dimension nicht nur zur Quantifizierung der Komplexität der Wurzelverzweigung verwendet werden kann, sondern auch zur Vorhersage der Biomasse von Pflanzenwurzeln und damit herangezogen werden kann Analysieren Sie die Bodenbindungsfähigkeit verschiedener Pflanzen. Durch die Analyse der Morphologie des Agriophyllum-squarrosum-Wurzelsystems unter verschiedenen Bestandsbedingungen kamen Jie Ren et al.8 zu dem Schluss, dass die unterschiedlichen Bestandsbedingungen die fraktale Dimension des Agriophyllum-squarrosum-Wurzelsystems erheblich beeinflussten. Diese Studie übersah jedoch den Einfluss von Pflanzenwurzeln auf die Hangstabilität bei unterschiedlichen Hanggraden. Hongyan Wu et al.9 untersuchten den Zusammenhang zwischen der Wurzelmorphologie von Hu Zhi Zi und der Stabilität von Hängen bei unterschiedlichen Hanggraden an der Beijing Vulture Peak Forestry Station mithilfe der Wurzelfraktaldimension. Allerdings wurden in dieser Studie nur Strauchpflanzen untersucht, während die Auswirkungen anderer Pflanzenarten auf die Hangstabilität nicht untersucht wurden. Derzeit ist die numerische Simulation eine der am weitesten verbreiteten Methoden zur Bewertung der Hangstabilität10, und FLAC3D kann das dreidimensionale mechanische Verhalten geotechnischer Körper geeignet simulieren11. Dieser Algorithmus überwindet die Annahmen von finiten Elementen und Randelementen, die auf kleinen Verformungen basieren, sowie die Annahme von diskreten Elementen bei der Behandlung diskreter Blöcke als starre Körper12, und die Modellzellen können die Ausbeute gut widerspiegeln13. Xiaolei Ji14 untersuchte durch Simulation den Zusammenhang zwischen der maximalen Verschiebung verschiedener pflanzenbewehrter Hänge und der fraktalen Dimension des Pflanzenwurzelsystems. Die Pflanzenwurzelmorphologie wurde hauptsächlich durch die Untersuchung des Winkels zwischen den Haupt- und Seitenwurzeln des Pflanzenwurzelsystems beschrieben, dieser Methode fehlt jedoch die Quantifizierung des Einflusses der Gesamtmorphologie des Pflanzenwurzelsystems auf die Stabilität der flachen Oberflächenschicht des Hanges. Diese Studien, die meist nur die Verbesserung der Bodenfestigkeit durch das Wurzelsystem berücksichtigten, berücksichtigten nicht umfassend die Auswirkung der Wurzelmorphologie auf die Stabilität der flachen Oberflächenschicht von Tagebauhängen bei unterschiedlichen Neigungsgraden und den optimalen Neigungsgrad die flache Oberflächenschicht der Abhänge von Tagebau-Kohlebergwerken ist durch Wurzelsysteme von krautigen Pflanzen verstärkt, aber das Gefälle wurde als gemeinsamer und wichtiger topografischer Faktor verwendet15; Darüber hinaus beeinflussen unterschiedliche Hanggrade Umweltfaktoren wie Bodenfeuchtigkeit und direkten Sonneneinstrahlungswinkel, was wiederum das Wurzelwachstum und damit die Stabilität der flachen Oberflächenschicht des Hangs beeinflusst16.

Basierend auf den oben genannten Studien zur Pflanzenwurzelmorphologie und Hangstabilität wurden daher die drei Aspekte Hanggrad, fraktale Dimension und Hangoberflächenstabilität kombiniert und berücksichtigt, um den optimalen Hanggrad der Oberflächenschicht des Hangs weiter zu untersuchen Haizhou-Tagebaukohlebergwerk verstärkt durch das Luzerne-Wurzelsystem durch Quantifizierung der Beziehung zwischen der Luzerne-Wurzelmorphologie und der Hangoberflächenstabilität des Haizhou-Tagebaukohlebergwerks bei verschiedenen Hanggraden.

Der Untersuchungsstandort ist die nordöstliche Ecke des nördlichen Ganggesteins des Tagebau-Kohlenbergbaugebiets im Haizhou Open-Pit Coal Mine National Mine Park, Stadt Fuxin, Provinz Liaoning (121°41′1,59"E, 41°59′57,42). "N, Höhe 141 m). Das Tagebau-Kohlenbergwerk Haizhou liegt im Bezirk Taiping, etwa 3 km südöstlich des Stadtzentrums der Stadt Fuxin. Das Tagebaugebiet Haizhou liegt in der nördlichen gemäßigten Zone mittlerer Breite mit einem halbfeuchten und halbtrockenen kontinentalen Monsunklima mit Durchschnittstemperaturen über 20 °C im Sommer und unter 3 °C im Winter, was einer durchschnittlichen Jahrestemperatur von 9,5 °C entspricht °C, eine durchschnittliche Sonnenscheindauer von 2800 Stunden und eine Gesamtlichtenergiestrahlung von 130 kcal/cm217. Der flache Oberflächenboden des nordöstlichen Eckhangs des nördlichen Ganggesteins gehört zu den neutralen Sandböden, die durch die Verwitterung von Sandstein in der Quellschicht entstanden sind. Die Lithologie ist eine Kombination aus Sandstein, Schluffstein und Kohleflözen, und der Sandstein ist durchsetzt Kohleflöze unterschiedlicher Mächtigkeit.

Sowohl die Luzerne-Wurzel-Boden-Komplex- als auch die einfachen Bodenproben, die im Test in dieser Arbeit verwendet wurden, umfassten In-situ-Böden, die im gleichen Zeitraum gesammelt wurden. Die Bodenqualität der flachen Oberflächenschicht des Hangs war sandiger Boden, wie mit der Indoor-Siebanalysemethode bestimmt. Im Vergleich zu umgestaltetem Boden können die gemessenen Daten für In-situ-Boden die physikalischen Eigenschaften des Hangbodens besser widerspiegeln, da die Bodenumgestaltung die ursprüngliche Bodenporosität und den Verdichtungsgrad verändert und es schwierig ist, den Unterschied in den physikalischen Bodeneigenschaften zwischen In-situ-Wurzeln zu simulieren –Bodenverbundstoffe und einfacher Boden im Feld18, sodass die gemessenen Daten für umgestalteten Boden kaum die tatsächliche Situation wiedergeben können und keine Datenunterstützung für das tatsächliche Projekt bieten können. Die Berechnungsparameter der geotechnischen Materialien des Hanges sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Kohäsionskraft C und der innere Reibungswinkel φ der Wurzel-Boden-Verbundproben und der einfachen Bodenproben wurden mit der Indoor-Direktschertestmethode ermittelt; Die Kohäsionskraft und der innere Reibungswinkel des Grundgesteins sowie der Elastizitätsmodul der drei Materialien wurden mit der triaxialen Kompressionstestmethode ermittelt, und die Dichte des Bodens und des Grundgesteins wurde mit der Ringmessermethode bzw. der Versiegelungsmethode gemessen. Für alle Tests wurden drei Proben jedes Materials vorbereitet und die Daten mit einer Abweichung von mehr als 5 % verworfen, während die entsprechenden Proben erneut getestet wurden. Anschließend wurden die drei Messdaten als Berechnungsparameter der geotechnischen Materialien des Hanges gemittelt.

An den Seitenhängen des Untersuchungsgebiets ist das Luzerne-Wurzelsystem ein Pfahlwurzelsystem, das aus Primär- und Seitenwurzeln besteht, und die Seitenwurzeln sind Zweigwurzeln, die von der Primärwurzel ausgehen; Die aus den Seitenwurzeln wachsenden Wurzeln werden als primäre Seitenwurzeln bezeichnet, die aus den primären Seitenwurzeln wachsenden Wurzeln werden als sekundäre Seitenwurzeln bezeichnet, und Luzerne kann unter der Wirkung von Trockenstress auch tertiäre Seitenwurzeln bilden19. Luzerne erzeugt ein gut entwickeltes Wurzelsystem, und ein Jahr alte Luzernewurzeln können normalerweise eine Tiefe von 1 bis 2 m in den Boden erreichen20,21. Das durch die Ausgrabungsmethode gewonnene Luzerne-Wurzelsystem am Hang des Untersuchungsgebiets wurde gemessen und die durchschnittliche Länge der Hauptwurzeln einjähriger Luzerne an jedem Hang betrug 53,3 cm, mit einem Trend zum vertikalen Abwärtswachstum. Die durchschnittliche Länge der Seitenwurzeln betrug 124,6 cm, mit einem Wachstumstrend in alle Richtungen ab 5 cm der Hauptwurzeln, und die horizontalen Seitenwurzeln drangen bis zu einer Tiefe von 1 m in den Boden ein. Daher wurde die berechnete Modelldicke der flachen Oberflächenschicht des Hangs des Tagebaus Haizhou auf 1 m ausgelegt. Das Modell wurde in der Software AutoCAD 2020 erstellt und entsprechend den Böschungsabmessungen im DXF-Format gespeichert. Die spezifischen Parameter des Böschungsgeometriemodells sind in Abb. 1 dargestellt. Die DXF-Datei wurde in FLAC3D 7.0 importiert und das Modell um gestreckt 2 m entlang der Dickenrichtung, um ein vorläufiges 3D-Hangmodell zu erstellen. Nachdem das Modell erstellt wurde, wurde das Netz geteilt, ein hexaedrisches Netz übernommen und die Kantenlänge eines einzelnen Netzes auf 0,5 m festgelegt. Die Netzdatei wurde mit einem automatischen Netzteilungsprogramm generiert und die Anzahl der Netzzellen betrug insgesamt 4500, wie in Abb. 2 dargestellt. Schließlich wurde das Modell zur numerischen Simulation in FLAC3D 6.0 importiert. Die Modellgrenze wurde eingeschränkt, wobei die obere Oberfläche des Modells als freies Ende definiert wurde, die untere Oberfläche als feste Randbedingung definiert wurde und die normale Randbedingung entlang des Umfangs angewendet wurde, um ein Gleichgewicht unter Eigengewicht zu erreichen.

Hanggeometriemodell.

Neigungsberechnungsmodell.

In dieser Arbeit wurde die Festigkeitsreduktionsmethode in der oben genannten Finite-Elemente-Software zur Berechnung des Neigungssicherheitsfaktors verwendet. Da die Kohäsion C und der innere Reibungswinkel φ die Hauptfaktoren der Hangstabilität sind, wurde der Koeffizient F im Berechnungsprozess schrittweise angepasst, um unterschiedliche C′- und φ′-Werte zu erhalten, die die Parameter für wiederholte iterative Berechnungen sind. Der Reduktionsfaktor, wenn sich die Böschung im kritischen Schadenszustand befindet, ist der Sicherheitsfaktor der Böschung. Die Festigkeitsreduzierungsmethode kann als Gleichungen ausgedrückt werden: (1) und (2).

Die Kohäsion und der innere Reibungswinkel der Böschung im Schadenszustand nach der Diskontierung können mit den Gleichungen ermittelt werden. (1) und (2) durch C′ bzw. φ′. Der Diskontierungskoeffizient wird mit F bezeichnet, und die Kohäsion und der innere Reibungswinkel im Schadenszustand vor der Diskontierung werden mit C bzw. φ bezeichnet. Mit der Verwendung der integrierten FISH-Sprache in der FLAC 3D-Software zur Berechnung des Neigungssicherheitskoeffizienten gibt es in der Finite-Elemente-Analyse drei Hauptmethoden zur Bestimmung, ob die Neigung den kritischen Instabilitätszustand erreicht: (1) Es wird festgestellt, ob die Der Modellberechnungsprozess kann konvergieren oder vollständig berechnet werden, und wenn der Modellberechnungsprozess nicht konvergiert, selbst wenn die maximale Anzahl von Iterationen überschritten wird, wird dies als Steigungsschaden bestimmt; (2) Als Beurteilungskriterium wird bestimmt, ob sich im Laufe der Zeit an einem Knoten am oberen oder unteren Ende des Hangs eine große Verschiebung oder ein Wendepunkt der Verschiebung entwickelt. (3) Als Bewertungskriterium wird ermittelt, ob im Böschungsberechnungsmodell eine durchgehende plastische Durchgangszone vom Böschungsfuß bis zur Böschungsspitze entsteht. Gemäß den drei oben genannten Konvergenzbeurteilungskriterien kann der Sicherheitskoeffizient der Steigung durch iterative Berechnung der Modellparameter22 ermittelt werden. In dieser Arbeit wurde die Konvergenz der beobachteten Werte als Kriterium für die Beurteilung des kritischen Zustands der Hanginstabilität herangezogen.

Bei den in diesem Experiment gesammelten Luzerne-Pflanzen handelte es sich ausschließlich um Arten, die häufig in der Umgebung des Kohletagebaus Haizhou in der Stadt Fuxin in der Provinz Liaoning im Nordosten Chinas anzutreffen sind. Es waren keine wertvollen Pflanzenarten beteiligt, obwohl die Erlaubnis zum Sammeln von Luzerne-Pflanzen rund um den Tagebau Haizhou erteilt wurde Kohlebergwerk wurde übernommen. Die Luzernepflanzen wurden unter Einhaltung relevanter institutioneller, nationaler und internationaler Richtlinien und Gesetze gesammelt.

In dieser Arbeit wurde die Auswirkung von Luzernewurzeln auf die flache Oberflächenverstärkung verschiedener Böschungen unter Einwirkung des Eigengewichts untersucht, und das Modell berücksichtigte flache Bodenböschungen und Luzerneböschungen mit unterschiedlichen Neigungen für die Simulationsberechnung. Abbildung 3 zeigt, dass die maximale Verschiebung und der Verschiebungswolkenbereich der Luzerne-Hänge bei unterschiedlichen Neigungsgraden kleiner sind als die der flachen Bodenhänge, was darauf hindeutet, dass das Luzerne-Wurzelsystem einen positiven Effekt auf die Verbesserung der Stabilität der flachen Oberflächenschicht hat die Pisten. Dies liegt daran, dass die Steilhänge eine große Wasserspiegeltiefe und eine geringe Vegetationsbedeckung und Artenvielfalt aufweisen, der Verwitterungseffekt hauptsächlich auf physikalischer Verwitterung beruht und der Verwitterungseffekt des Oberflächenbodens schwach ist. Allerdings werden die Verwitterungsprodukte leicht abgewaschen und erodieren. Im Gegensatz dazu ist an den sanften Hängen aufgrund des flacheren Geländes, häufiger Oberflächenwasser- und Grundwasserprozesse, höherer Vegetationsbedeckung und Artenvielfalt sowie des Vorherrschens chemischer Verwitterung die Verwitterungswirkung des Oberflächenbodens stärker und die Verwitterungsprodukte werden weniger erodiert durch Scheuern als diejenigen an steilen Hängen. Daher ist der Bereich der maximalen Verschiebung, die an sanften Hängen auftritt, größer als an steilen Hängen, aber die maximale Verschiebung an steilen Hängen ist größer als an sanften Hängen, da die Gleitkraft auf ersteren größer ist als auf den Letzteres und die Spannung konzentriert sich am Fuß des Hangs23,24. Dies deutet darauf hin, dass die Rolle des Luzernewurzel-Boden-Komplexes bei der Verstärkung der flachen Oberflächenschicht umso ausgeprägter ist, je steiler der Hang ist25.

Maximale Verschiebung des Flachbodens und der Luzernenhänge unter den unterschiedlichen Hangneigungen.

Gemäß der Analyse der Daten in Tabelle 2 ist der Sicherheitskoeffizient der Luzerne-Hänge bei den verschiedenen Neigungsgraden höher als der der Böschungen auf flachem Boden, und die Anstiegsrate des Sicherheitskoeffizienten bei Neigungen von 30°, 40°, und 50° beträgt etwa 17 %. Dies liegt daran, dass die mechanischen Eigenschaften von Wurzeln Zug-, aber nicht Druckeigenschaften haben, während der Boden zwar Druck-, aber keine Zugeigenschaften aufweist. Durch die Kombination der beiden Materialien zu Wurzel-Boden-Verbundwerkstoffen können die Mängel beider Materialien ausgeglichen und die Stabilität der flachen Oberflächenschicht des Hangs wirksam verbessert werden. Die maximalen Verschiebungen der Luzerne-Hänge waren bei Neigungen von 30°, 40° und 50° kleiner als die der flachen Bodenhänge. Im Vergleich zu denen der flachen Bodenböschungen wurden die maximalen Verschiebungen der 30°-Böschungen um 83,0 %, die maximalen Verschiebungen der 40°-Böschungen um 59,3 % und die maximalen Verschiebungen der 50°-Böschungen um 17,4 % reduziert %.

Abbildung 4 zeigt die Beziehung zwischen der maximalen Verschiebungsreduzierungsrate und dem Hangsicherheitskoeffizienten der Böschungen bei verschiedenen Neigungsgraden. Die maximale Verschiebungsreduzierungsrate nimmt mit zunehmender Neigung allmählich ab, da der steile Hang einem Trockenstress ausgesetzt ist, der den Toleranzbereich überschreitet des Luzerne-Wurzelsystems wird das Wachstum der Primärwurzel gehemmt und die Seitenwurzeln dienen hauptsächlich der Bodenverfestigung. Allerdings wird das Wachstum der Seitenwurzeln durch ihre Eigenfestigkeit begrenzt, so dass die Rolle der Luzerne bei der Erhöhung der Hangstabilität mit zunehmendem Hanggrad allmählich abnimmt. Die Wachstumsrate des Hangsicherheitsfaktors änderte sich nicht wesentlich. Dies liegt daran, dass der Sicherheitskoeffizient jeder Böschung über 1 liegt, was darauf hindeutet, dass sich die Böschung in einem relativ sicheren Zustand befindet und die Reduzierung der maximalen Verschiebung der Böschung durch das Wurzelsystem begrenzt ist. Da das Wurzelsystem der Luzerne eine natürliche Verstärkung bietet, können Wurzel-Boden-Komposite als verstärkter Boden betrachtet werden. Die Verteilung des Luzerne-Wurzelsystems im Boden ist komplizierter als bei herkömmlichen technischen Verstärkungsmaterialien, mit einem großen Durchmesser der Hauptwurzel, die die Rolle der Verankerung im Boden übernimmt, und einem kleinen Durchmesser und einer großen Anzahl von Seitenwurzeln, die bilden netzartige Taschen im Boden und dienen vor allem der Verstärkung. In die oberflächliche Schicht des Hangs implantierte Luzernewurzeln können einen Teil der Spannung des Bodenkörpers teilen und die Spannung über die Primär- und Seitenwurzeln auf den umgebenden Bodenkörper übertragen, wodurch die Leistungsfähigkeit des in die oberflächliche Schicht implantierten Wurzelsystems erhöht wird Der Bodenkörper kann äußeren Belastungen standhalten, wodurch die Scherfestigkeit der oberflächlichen Hangschicht verbessert, die Stabilität des Hangs erhöht und der Sicherheitsfaktor deutlich erhöht wird14.

Beziehung zwischen der Reduzierungsrate der maximalen Hangverschiebung und dem Hangsicherheitsfaktor.

An jedem Hang wurden drei einjährige Luzernepflanzen ausgewählt und die Wurzeln vorsichtig mit einer Bürste vom Boden getrennt. Das behandelte Wurzelsystem wurde mit einem HP P8700-Scanner in vier Richtungen gescannt und die Wurzelmorphologie wurde aus den Scanergebnissen mit der WinRHIZO Tron-Software26 extrahiert. Die extrahierten Bilder der Luzerne-Wurzelmorphologie wurden in der Software FracLab 2.2 verarbeitet, um Binärbilder zu erhalten, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Wurzelfraktaldimension der Binärbilder wurde berechnet und der Durchschnittswert ermittelt. Die durchschnittliche fraktale Dimension des Wurzelsystems der drei aus derselben Charge ausgewählten Luzerne-Pflanzen auf demselben Hang wurde als durchschnittliche fraktale Dimension des Wurzelsystems auf dem betrachteten Hang und als durchschnittliche fraktale Dimension des Wurzelsystems auf der anderen Seite berechnet Die Neigungsgrade wurden mit dieser Methode separat berechnet.

Binäres Bild der Luzerne-Wurzelmorphologie.

Gemäß Tabelle 3 war die Wurzelfraktaldimension auf den 40°-Neigungen am höchsten und stieg um 1,4 %, 2,1 % bzw. 3,5 % relativ zu den Neigungen von 30° und 50°, während sie auf den 40°-Neigungen geringfügig niedriger war 30° Steigungen als flaches Land. Die fraktale Dimension des Wurzelsystems nimmt steil ab, wenn die Neigung 40° übersteigt, was mit der Feststellung von Hao Wang et al.27 übereinstimmt, die darauf hindeutet, dass die gesamte fraktale Dimension des Sanddornwurzelsystems bei unterschiedlichen Neigungsgraden zunächst zunimmt und dann abnimmt . Die Beziehung zwischen der fraktalen Dimension des Luzerne-Wurzelsystems und der maximalen Verschiebung der flachen Oberflächenschicht des Hangs bei unterschiedlichen Hanggraden ist in Abb. 6 dargestellt. Es wird angenommen, dass das Wachstum von Pflanzenwurzeln eine Wasserretention am Hang erfordert , und der Wassergehalt im Hang ist einer der Hauptfaktoren, die die Morphologie der Pflanzenwurzeln beeinflussen28. Da der 30°-Seitenhang eine bessere hydrophobe Wirkung hat als flaches Land, erfolgt der Nährstoffverlust des Bodens durch den Seitenhang etwas schneller, was zu einem geringeren Trockenstress für die Pflanzenwurzeln führt. Der Unterschied in der fraktalen Dimension des Luzerne-Wurzelsystems zwischen den beiden Standortbedingungen ist gering, sodass die maximale Verschiebung des 30°-Seitenhangs nicht offensichtlich ist. Mit zunehmender Neigung nimmt die Bodenerosion der Böschung zu, das Wurzelsystem der Pflanze ist stärkerem Trockenstress ausgesetzt und das im Hang zurückgehaltene Wasser kann die normalen Wachstumsanforderungen der Pflanze nicht vollständig erfüllen, sodass das Wurzelsystem viele seitliche Wurzeln horizontal und vertikal wachsen lässt Es absorbiert Nährstoffe in alle Richtungen und vergrößert gleichzeitig die Kontaktfläche zwischen Wurzelsystem und Bodenpartikeln, verbessert die Scherfestigkeit des Bodenkörpers in der flachen Oberflächenschicht des Hangs und verringert die maximale Verschiebung der flachen Oberflächenschicht des Hangs Dadurch wird die Stabilität des Bodenkörpers in der oberflächlichen Oberflächenschicht des Hangs erhöht, was mit den Erkenntnissen von Wenyao Li et al.29 übereinstimmt, die darauf hinweisen, dass Trockenstress das Wachstum seitlicher Luzernewurzeln fördert, was wiederum die Stabilität verbessert die Piste. Wenn die Hangneigung 40° übersteigt, ist die daraus resultierende Hangerosion schwerwiegend, der Hangtrockenstress nimmt zu und die tangentiale Belastung des Pflanzenwurzelsystems an hohen und steilen Hängen ist größer als die Festigkeit des Wurzelsystems selbst. Daher sind hauptsächlich die feinen Seitenwurzeln gebrochen und können nicht wachsen, und nur die Primärwurzel kann eine verstärkende Rolle übernehmen, was zu einer Verringerung der fraktalen Dimension des Luzerne-Wurzelsystems führt. Die Abnahme der Bodenkohäsion der flachen Oberflächenschicht des Hangs führt zu einer Verringerung der Scherfestigkeit der flachen Oberflächenschicht, und die maximale Verschiebung des Hangs nimmt erheblich zu, was die Stabilität der flachen Oberflächenschicht des Hangs verringert30. Der zugrunde liegende Mechanismus könnte mit Veränderungen der Wurzelplastizität aufgrund von Trockenstress und kontinuierlicher Anpassung an die Umwelt zusammenhängen31.

Fraktale Dimension des Luzerne-Wurzelsystems und maximale Hangverschiebung bei den verschiedenen Hanggraden.

Die Analyse von Tabelle 2 zeigt, dass die maximale Verschiebungsreduktionsrate für die 30°-Neigungen um 23,7 % höher ist als für die 40°-Neigungen und um 41,9 % höher für die 40°-Neigungen als für die 50°-Neigungen und die fraktale Dimension der Luzerne Das Wurzelsystem ist bei der 40°-Seitenneigung am höchsten. Die Ergebnisse zeigen, dass der optimale Neigungsgrad für das Luzerne-Wurzelsystem 30° bis 40° beträgt, um die flache Oberflächenschicht des Hanges zu verstärken. Mit der FLAC3D-Software werden verschiedene Hangmodelle zwischen 30° und 40° in Schritten von 1° simuliert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 als maximale Verschiebung, Sicherheitsfaktor und Wachstumsrate des Sicherheitsfaktors der bewachsenen Bodenhänge aufgeführt Luzernehänge unter jedem Hanggefälle. Abbildung 7 zeigt den Variationstrend der Sicherheitskoeffizienten der Flachboden- und Luzernehänge bei einem Hanggefälle von 30° bis 40°. Es lässt sich feststellen, dass die Neigung und der Neigungssicherheitskoeffizient eine Potenzfunktionsbeziehung aufweisen und dass der Neigungssicherheitskoeffizient mit zunehmender Neigung abnimmt. Die Anpassungsgleichungen für Neigung und Sicherheitsfaktor lauten wie folgt: einfache Bodenneigung: y = 152,485x−1,257, R2 = 0,986; Luzerne-Steigung: y = 190,909x−1,277, R2 = 0,986. Im Vergleich zu der des ebenen Bodenhangs unterscheidet sich die Wachstumsrate des Sicherheitsfaktors des Luzernenhangs nicht wesentlich von der des oben untersuchten Hangs. Dies liegt an der begrenzten Wachstumsrate des Sicherheitsfaktors der 30°- und 40°-Neigungen und dem kleinen Neigungsinkrement der 30°- bis 40°-Neigungsberechnungsmodelle, sodass die Wachstumsrate des Sicherheitsfaktors der Neigung gleich ist ca. 17 %. Abbildung 8 zeigt das Variationsmuster der maximalen Verschiebung der Luzernehänge zwischen 30° und 40°. Die maximale Verschiebung nimmt als Potenzfunktion mit zunehmender Steigung zu. Die Anpassungsgleichung der maximalen Verschiebung und Steigung lautet wie folgt: y = 3,799·10−4x3,206, R2 = 0,986; Luzerne-Steigung: y = 6,571·10−12x7,785, R2 = 0,958. Die Reduktionsrate der maximalen Verschiebung nimmt exponentiell mit der Steigung ab, und die Anpassungsgleichung lautet y = 85,212–3,514·10−5e0,337x, R2 = 0,902. Wenn die Neigung 35° beträgt, erreicht die maximale Verschiebungsreduzierungsrate ihren Maximalwert von 86,3 %, was darauf hinweist, dass es sich bei dieser Neigung um den optimalen Neigungsgrad handelt. Die maximale Verdrängung sowohl der Flachboden- als auch der Luzernehänge nimmt mit zunehmender Neigung allmählich zu, und die maximale Verdrängungsreduktionsrate nimmt allmählich ab.

Variationstrend des Sicherheitskoeffizienten der 30° ~ 40°-Steigungen.

Variationstrend der maximalen Verschiebung der 30° ~ 40°-Steigungen.

Die bestehenden Studien zur Vegetationshangstabilisierung konzentrieren sich hauptsächlich auf die numerische Analyse des Interaktionsmechanismus zwischen Pflanzenwurzeln und Boden, der mechanischen Eigenschaften von Pflanzenwurzeln und der einzelnen Faktoren der Pflanzenwurzelmorphologie, wie Anzahl, Durchmesser, Länge und Winkel der Pflanzenwurzeln Haupt- und Seitenwurzeln der Pflanze. Die Pflanzenwurzelmorphologie hat einen erheblichen Einfluss auf die Verstärkung der flachen Oberflächenschichten von Hängen. Es gibt jedoch nur wenige Studien zur Anwendung der fraktalen Dimension zur Quantifizierung der Pflanzenwurzelmorphologie und ihrer Auswirkung auf die Stabilität flacher Oberflächenschichten an verschiedenen Hängen Grad. In dieser Arbeit wurde ein numerisches Simulationsmodell für das Gefälle des Kohletagebaus Haizhou durch die Analyse von Feldforschungen und verfügbaren Indoor-Testdaten erstellt. Im Vergleich zu bestehenden Studien wird in dieser Studie die Software WinRHIZO Tron verwendet, um das vollständige Wurzelsystem der Luzerne zu erhalten, und die Software FracLab2.2 wird verwendet, um die fraktale Dimension des gesamten Wurzelsystems der Luzerne zu erhalten, die mit der maximalen Verschiebung und dem maximalen Sicherheitsfaktor kombiniert wird des Hanges, um den Einfluss der fraktalen Dimension des Luzerne-Wurzelsystems auf die Stabilität der flachen Oberflächenschicht des Hanges weiter zu untersuchen.

In dieser Studie wurden einjährige Exemplare von Luzerne verwendet, um den Einfluss der Luzerne-Wurzelmorphologie auf den Hangstabilisierungseffekt der flachen Oberflächenschicht des Tagebaus Haizhou zu untersuchen. Durch die Analyse der fraktalen Dimension des Luzerne-Wurzelsystems wurde festgestellt, dass es aufgrund der Festigkeit einen optimalen Neigungsgrad für das Luzerne-Wurzelsystem im Hinblick auf die Verstärkung der flachen Oberflächenschicht des Hangs des Haizhou-Tagebaukohlebergwerks gab des Luzerne-Wurzelsystems selbst. Der optimale Hanggradbereich wurde aus der fraktalen Dimension des Luzerne-Wurzelsystems, der maximalen Verschiebung der flachen Oberflächenschicht des Hangs und dem Sicherheitskoeffizienten des Hangs bestimmt und ein numerisches Simulationsmodell für den Hang bei verschiedenen Hanggraden erstellt (in Schritten von 1 Grad), um den optimalen Neigungsgrad für die Verstärkung der flachen Oberflächenschicht des Hangs des Tagebau-Kohlebergwerks Haizhou durch das Luzerne-Wurzelsystem zu bestimmen, was den wichtigen ökologischen Wert von Luzerne für die Hangbewirtschaftung von Haizhou widerspiegelt Tagebau-Kohlenbergwerk.

In dieser Arbeit werden durch die Erstellung eines Finite-Elemente-Modells zur Berechnung der Boden-Gesteins-Binärstrukturhänge des Kohletagebaus Haizhou bei verschiedenen Neigungsgraden die maximale Verschiebung der flachen Oberflächenschicht von Flach- und Luzernenhängen, der Sicherheitsfaktor und die Die fraktale Dimension des Pflanzenwurzelsystems kann das Änderungsmuster des Bodenverstärkungseffekts des Pflanzenwurzelsystems mit Neigung intuitiv und wissenschaftlich widerspiegeln, und nach Analyse und Diskussion werden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:

Die maximalen Verschiebungen der Flachboden- und Luzernenhänge stehen im Einklang mit der Neigungsänderung, wobei beide als Leistungsfunktion zunehmen. Die Verringerungsrate der maximalen Verschiebung der Oberbodenschicht an den Luzernenhängen relativ zu den flachen Bodenhängen nimmt als Exponentialfunktion ab (y = 85,212–3,514·10−5e0,337x, R2 = 0,902) und je höher die Neigung ist Je höher das Gefälle, desto geringer ist der Effekt des Luzernewurzel-Boden-Komplexes auf die Verbesserung der Hangstabilität. Der Böschungssicherheitskoeffizient zeigt einen durch die Potenzfunktion abnehmenden Zusammenhang mit der Böschungssteigung. Die Wachstumsrate des Sicherheitskoeffizienten des Luzernenhangs im Vergleich zum ebenen Bodenhang beträgt in beiden Fällen etwa 17 %.

Die fraktale Dimension des Luzerne-Wurzelsystems nimmt mit der Neigung bei den verschiedenen Neigungsgraden zunächst zu und dann ab, wobei die fraktale Dimension des Wurzelsystems bei 40° am höchsten ist, was darauf hindeutet, dass Luzerne, wenn sie Trockenstress ausgesetzt ist, größer ist Dies begünstigt die Bildung netzartiger Taschen durch die Seitenwurzeln und verbessert die Stabilität des Hanges. Bei einer Neigung von mehr als 40° nimmt die Anzahl der Seitenwurzeln des Luzerne-Wurzelsystems aufgrund seiner Festigkeit und des starken Trockenstresses ab und die fraktale Dimension des Luzerne-Wurzelsystems nimmt ab.

Der optimale Neigungsgrad für die flache Oberflächenschicht des durch das Luzernenwurzelsystem verstärkten Hanges variierte zwischen 30° und 40°. Die Studie stützte sich auf numerische Simulationen und stellte fest, dass die maximale Verschiebung des Luzernenhangs bei einem Hanggefälle von 35° 86,3 % kleiner war als die des flachen Bodenhangs. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Gefälle von 35° des Kohletagebaus Haizhou der optimale Gefällegrad für die Verstärkung der flachen Oberflächenschicht des Gefälles durch Luzerne ist.

Abschließend soll der Einfluss der Luzerne-Wurzelmorphologie auf die Stabilität der flachen Oberflächenschicht des Hangs des Tagebau-Kohlenbergwerks Haizhou, der Einfluss regionaler Niederschläge auf die Verschiebung der flachen Oberflächenschicht und der Gesamtsicherheitsfaktor untersucht werden Die Steigung muss sorgfältig abgewogen werden.

Die in dieser Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde mit finanzieller Unterstützung des Projekts der National Natural Science Foundation of China (NSFC) (52274084) durchgeführt.

Fakultät für Mechanik und Ingenieurwesen, Technische Universität Liaoning, Fuxin, 123000, Liaoning, China

Long Hai, Yongbo Lv, Shilin Tan und Lixin Feng

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Allgemeine wissenschaftliche Betreuung der Arbeiten LH; Formulierung der Forschungsziele und -ziele, Datenanalyse und Papiervorbereitung; Durchführung von Experimenten, Methodenentwicklung, Datenanalyse und Vorbereitung des ersten Entwurfs. YL, ST und LF führten Datenaufzeichnung, grafische Darstellung, Überprüfung und Layoutarbeiten durch. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Yongbo Lv.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hai, L., Lv, Y., Tan, S. et al. Studie über die Einflüsse der fraktalen Dimension des Wurzelsystems und des Hanggrades auf die Hangstabilität. Sci Rep 13, 10282 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37561-8

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Eingegangen: 31. März 2023

Angenommen: 23. Juni 2023

Veröffentlicht: 24. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37561-8

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