基于GEO5的河道階梯式生態護岸穩定分析

邢 健

(北京東方利禾景觀設計有限公司，北京 100015)

1 概 述

河流是城市重要的環境資源和空間載體，關系到城市生存，制約著城市發展，是塑造城市風貌和美化城市環境的重要景觀因素。在遵循流域規劃前提下，保證河道天然使用功能的基礎上，充分考慮河流的生態功能、水質凈化、生態景觀等功能的需要，同時兼顧親水活動的安全。本著創造高質量的河道水景觀，建設具有當地特色、自然舒展的河流，努力營造一幅景觀優美、生態平衡、人水和諧共生的魅力畫卷，以此提升城市形象與品位，促進城市經濟、社會及環境的可持續發展。

河道除承擔防洪排水任務外，還應起到美化城市環境、豐富城市景觀，為人們提供休憩娛樂場所的作用。進行河道治理時，要貫徹生態治河的理念，把生態環境放在重要位置，充分重視治理工程的生態效應、環境影響和景觀要求，注重人水和諧相處。對于流經建設區段的河道，要結合環境景觀綜合治理，利用地形及綠化，設置適量景觀節點與園林小品，將沿河兩岸建設成綠色親水長廊，建立水域與陸地的和諧過渡帶，為人們創造親水的休閑空間。河道治理還應維系水生態系統，減少對環境的不利影響，大力推廣生態環保型河道治理技術方案。

傳統的河道治理，一貫采用硬質擋墻或護坡形式，對邊坡的處理主要是強調其強度功效，卻往往忽視了其對環境的破壞，已不能滿足現在需要。生態護坡作為巖土工程與環境工程相結合的產物，它兼顧了防護與環境兩方面的功效，是一種很有效的護坡、固坡手段。但生態護坡形式新穎，種類多樣，現有護坡抗滑穩定、傾覆等計算工具等不能有效適用，不能為設計方案提供有效設計參數，致使工程存在安全隱患。本文以唐山市環城水系提升改造綜合治理工程中青龍河河道治理為例，采用GEO5軟件中混凝土砌塊護坡計算模塊，對階梯式生態框護岸進行相應穩定計算，為設計提供合理的參數指標，指導工程有效實施。

2 工程概況

唐山市城區有陡河、青龍河、李各莊河及龍王廟河4條主要河道，在城區南部有開灤煤礦采煤沉陷形成的南湖濕地，青龍河下游匯入南湖。東部陡河，西部青龍河，新開挖人工排澇河道——西北排水渠12.3 km，將陡河和青龍河上游連通。同時，在陡河下游新建南湖引水渠6.4 km，將陡河下游與南湖連通，形成了40.2 km的環城水系。青龍河位于環城水系西側，承擔唐山市區西北部澇水；而且青龍河位于唐山市區，兩岸遍布居住小區，對青龍河景觀功能需求較高，因此青龍河功能定位以排水為主，兼具生態景觀功能。

青龍河方案設計河道采用生態護坡，因兩岸用地限制，綜合考慮后選用階梯式生態框護岸，既可滿足河道在用地空間內行洪需求，又可結合水生、陸生植物設計滿足生態景觀需求。兩岸護坡采用階梯式生態框護砌，尺寸2×1×0.5，邊坡坡比1∶0.5，共6層，背側厚300 mm碎石墊層反濾，生態框下設高0.8 m的C20鋼筋混凝土基礎。為滿足生態景觀需求，生態框內包350 g/m2無紡布，回填土，用于種植水生植物。岸頂外側為寬4 m人行步道。護岸設計見圖1。

圖1 青龍河護岸典型斷面

3 GEO5分析計算

青龍河護岸邊坡坡比1∶0.5，較陡，需對其進行穩定驗算，確保工程安全。本文采用GEO5混凝土砌塊擋墻設計模塊，建立河道斷面模型，對岸坡抗滑、抗傾穩定及基底應力進行驗算。

3.1 模型建立

本文要確定階梯式生態框的安全穩定性，對其進行抗滑穩定及抗傾覆驗算。在建立河道斷面模型時，需要定義的屬性有：墻身斷面尺寸、墻背側剖面圖層、巖土材料、砌塊基礎、背后回填土、墻后坡面、地下水等影響因素。根據設計斷面及地層情況，輸入相應參數建立河道斷面模型。青龍河河道工程等別為3等，主要建筑物級別為3級。根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)，本次岸坡分析按以下4個工況進行。

工況一：迎水側設計洪水位12.75 m，背水側相應水位

工況二：迎水側水位驟降0.5 m，背水側相應水位

工況三：施工完建期，迎水側無水

工況四：迎水側正常水位11.80 m，遭遇8級地震

安全系數允許值見表1。河道模型斷面見圖2。

表1 護岸穩定計算安全系數表

圖2 河道模型斷面圖

3.2 計算參數

預制階梯式生態框內填土料，綜合考慮重度按23 kN/m3，鋼筋混凝土底板重度25 kN/m3。

階梯式生態框底板基礎坐落于粉質黏土層，地質勘察相應參數見表2。

生態框混凝土之間摩擦系數取0.6，考慮地層生態框與底板前設置抗滑鍵，生態框與底板混凝土綜合摩擦系數取0.7。

頂面荷載：施工完建期荷載取為20 kPa，正常運行工況及地震工況荷載取3.5 kPa。

表2 各土層物理性質表

3.3 分析成果

根據不同工況基本參數，調整水位、荷載，對階梯式生態框護岸進行傾覆滑移驗算、承載力驗算、截面強度驗算及外部穩定性驗算，計算成果見表3-表6，岸坡滑移圓弧見圖3-圖6。

表3 階梯式生態框抗滑抗傾穩定驗算成果表

表4 階梯式生態框承載力驗算成果表

表5 階梯式生態框截面強度驗算成果表

表6 邊坡抗滑穩定計算成果表

圖3 設計水位工況岸坡滑動圓弧

圖4 水位驟降工況岸坡滑動圓弧

圖5 完建無水工況岸坡滑動圓弧

圖6 地震工況岸坡滑動圓弧

經驗算，各種組合下階梯式生態框護岸傾覆滑移驗算、承載力驗算、截面強度驗算及外部穩定性驗算成果均滿足規范要求。

4 結 論

1) 采用階梯式生態框護岸，并配合植物種植，使河水與土壤相互滲透，增強河道自凈能力，弱化了工程結構對河流生態系統的沖擊。在保證河道天然使用功能的基礎上，充分考慮河流的生態、水質凈化、景觀等功能的需要，加強河道生態廊道功能，滿足人們營造整潔、舒適、美好生活空間的強烈愿望。

2) 采用GEO5軟件建立混凝土生態砌塊模型，驗算階梯式生態框護岸傾覆滑移、基底承載力、生態框截面強度及岸坡穩定性的成果，可為設計方案提供基本設計依據，使設計成果更趨合理、經濟，在設計方案滿足工程生態景觀需要的同時，可確保工程安全性。