生態格柵護坡在河道工程中應用研究

雷 寧，楊 濤，李 卉，茆福文，張 巍

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223000)

在河道治理工程中，岸坡防護是其中重要子項目，研究護坡技術對推動河道治理工程具有重要意義。岸坡防護有土體硬化措施，即鉆孔灌漿土體，增強土體穩定性，或人工硬化坡面，減少土體受沖刷影響[1- 2]；另還有利用人工新型材料，制作岸坡防護網，強化坡體穩定性[3- 4]。隨著生態理念逐步在各行各業深層次踐行，岸坡防護中逐漸應用生態體系建設來強化岸坡穩定性，岸坡生態體系的建設，不僅工程成本大大降低，且對河道水生態以是重要調節作用[5- 7]，但限于河道工程多樣性，本文將針對具體工程開展岸坡防護措施研究，并借助有限元數值軟件FLAC開展岸坡防護與坡體穩定性影響參數分析。

1 工程概況及FLAC軟件介紹

1.1 工程概況

東部某城市河道由于年久淤泥積累過多，河流水質污染愈來愈重，航道亦逐漸失去承載能力，魚類生態破壞較嚴重，為此需對該河道開展疏浚治理。在河道樁號2+106處存在一岸坡，該岸坡穩定性與河道安全治理息息相關，故針對該岸坡開展穩定性護坡研究很有必要。根據現場地質踏勘表明，該河道為支流流經城市必要通道，河面寬6m，岸坡所在地層為第四系更新統沖積土，顆粒較為松散，以淡黃色粉質壤土為主，可塑狀態，內夾有磨圓度較高的砂礫石，含水量達62%；岸坡區域內還存在第四系全新統坡積土，覆蓋在基巖層上，密實度較高，土體孔隙率較低，厚度約為4～6m，室內試驗知該土層屬中等滲透土質。現場鉆孔資料得出基巖層為強風化石英巖石，但風化層厚度較薄，僅有3～5m，下覆灰巖與之不整合接觸，部分區域出路表層，塊狀構造，屬中元古界發育巖石群，其表層出露部位均已全風化，顆粒碎屑可見，抗風化能力較差。岸坡高約5m，坡度為30°，岸坡頂存在有寬4m的道路，坡面已在前期進行平整處理。

1.2 FLAC介紹

FLAC軟件基礎理論即拉格朗日有限差分法，針對連續介質力學運動，引入時間變化與物理運動變化一致性，進而獲得流體運動方程解，表征介質運動狀態[8]。其具體操作是利用Fish語言，將所有需求指令進行編譯，計算機程序自行進行計算拉格朗日多次迭代方程的解，每個離散解作為微單元體，借助邊界條件方程一直迭代出收斂解。

其求解計算步驟不同于其他ANSYS、ABAQUS數值軟件交互界面，FLAC軟件需首先利用Fish語言編譯指令，建立數值模型，并生成網格單元體，后基于本構模型方程定義單元體，施加邊界條件參數后，設置求解精度，計算機進行多次迭代計算，獲得最優解[9- 10]。

2 土質護坡穩定性分析

2.1 模型建立

在上述分析基礎上，基于FLAC軟件建立幾何模型，如圖1所示，其中該模型由460個八節點等四邊形微單元體、980個節點構成，以M-C本構模型作為基本變形準則，土層物理參數參考室內土工試驗報告。

圖2 各坡度下岸坡位移云圖

圖1 簡化岸坡幾何模型

2.2 穩定性分析

根據所建立模型，分別計算不同坡度(25°、30°、35°、40°、45°)岸坡土體位移云圖與安全穩定系數，如圖2所示。坡度的定義參考文獻[11- 12]定義，衡量河道中該岸坡臨空面傾斜程度。

從圖2可看出，坡度25°、30°、35°、45°最大位移分別為0.0291、0.0311、0.0269、0.0253，安全穩定系數計算分別為1.61、1.44、1.28、1.06，塊體滑移量表征了土層側向土壓力在巖土層中發育狀況，安全穩定系數綜合表征該坡度模型下岸坡失穩可能性，根據設計規范，岸坡安全系數臨界值為1.1，故45°條件下岸坡處于危險狀態，其他坡度岸坡均處于安全區間，由此亦可發現，該河道工程中岸坡穩定性與模型中計算出最大位移量關聯性并不顯著，通常狀態下，愈危險邊坡其最大位移量較大，且分布面積較廣，分析由于計算模型進行簡化影響范圍時，岸坡模型限制了土體側向土壓力分布范圍。

坡度30°模型下岸坡內不平衡應力分布如圖3所示。不平衡應力指某封閉系統內外應力差，表征了系統應力平衡狀態，FLAC軟件中采用的四邊形網格對應著四個角度上應力值，根據網格作用力可知，當不平衡應力為0時，實質上并不表明系統處于真正的平衡狀態，其仍然可能處于塑性，而不平衡應力可認為單元網格各個節點均為0，通過多次迭代步次，將最大不平衡應力劃歸到該模型下求解精度中，利用HISTUNBAL計算得到多步次下最大不平衡應力。

圖3 坡度30°模型下岸坡內不平衡應力分布

圖4 坡度30°下岸坡垂向應力分布云圖

坡度30°模型下岸坡內垂直向應力分布云圖如圖4所示。從圖4可看出，迭代步次依次增長，岸坡內最大不平衡應力值逐漸收斂于0，此表明岸坡內應力平衡逐漸趨于各個單元網格節點處為0，即內部應力集中區域搜索出為0。從圖4中還可看出，最大應力值為1.72MPa，隨垂直向深度增加，應力值逐漸遞增，但岸坡表層出露區域面應力基本接近0，坡身內應分布有負應力值，表明岸坡內應力拉應力區域基本值處于可控范圍，安全穩定性較高，與穩定系數1.44的求解相對應。

有無護腳參數下不同坡度模型安全穩定系數對比圖如圖5所示。從圖5中可看出，有護腳下各坡度岸坡模型安全穩定系數亦是隨坡度增加，安全穩定系數逐漸降低，但各坡度下岸坡模型穩定系數均超過1.1，即有護腳狀態下45°以下坡度岸坡均處于安全狀態。對比有無護腳模型安全穩定系數可知，有護腳模型安全穩定系數最大提升量為25°坡度模型，提升量達0.22，平均各坡度安全穩定系數提升幅度達16%。

圖5 有無護腳下安全穩定系數對比

3 生態格柵護坡穩定性分析

3.1 生態格柵護坡穩定性

傳統護坡施工工藝主要利用土體加固或減少坡度等手段，此類混凝土硬化等強硬手段一定程度會傷害河流生態體系，減少生態多樣性，且美觀性較差[13]。對某一岸坡進行加固，本質上是防止土體發生滑移等狀況，故而生態護坡在較多河道治理工程中應用較多，為此本工程中利用FLAC軟件模擬計算生態格柵護坡穩定系數。

生態格柵護坡下25°坡度模型位移云圖如圖6所示，從圖6中可看出，最大位移分布區域顯著減少，表層位移量得到降低，安全穩定系數計算得1.74。根據計算所得到應力云圖亦可得知，垂直方向上應力值分布較為均勻，各應力區域段均處于相等狀態，減少由于某一處應力集中造成的塊體滑移，如圖7所示。對比生態格柵護坡與土質護坡安全穩定系數，如圖8所示，最大增長量為坡度25°，增長了0.13，且連坡度45°安全穩定系數亦超過1.1，處于安全范圍，五個坡度模型安全穩定系數增長幅度在6.9%～11.3%。

圖6 生態格柵護坡下25°坡度模型位移云圖

圖7 生態格柵護坡下25°坡度模型垂向應力云圖

圖8 生態格柵護坡與土質護坡安全穩定系數對比

為分析岸坡內不同參數影響安全穩定系數，本文以坡度25°、30°、35°作為對照組，改變土體粘聚力參數，其他物理力學參數均保持相同，獲得不同坡度不同粘聚力模型下岸坡穩定系數，如圖9所示。從圖9中可看出，同一坡度下隨粘聚力增大，岸坡穩定系數逐漸增大，在坡度30°下，粘聚力30kPa相比20kPa下安全穩定系數增長了20.9%，即粘聚力與岸坡安全穩定性呈正比；同一粘聚力參數下，坡度增大，安全穩定系數減小，即安全穩定系數與坡度成反比。

圖9 不同坡度不同粘聚力模型下岸坡穩定系數

同理，改變土體內摩擦角參數，保持其他參數一致，利用FLAC數值平臺研究坡度25°、30°、35°岸坡穩定系數，如圖10所示，內摩擦角與安全穩定系數成正比，隨內摩擦角正大，安全穩定系數逐漸增大，且坡度愈小，內摩擦角促進穩定系數增長幅度愈顯著，坡度25°下內摩擦角35°相比25°下安全穩定系數增大了31.1%，而坡度35°下增長了26.5%。

圖10 不同坡度不同內摩擦角模型下岸坡穩定系數

3.2 滲流作用下生態格柵護坡穩定性

在封閉各向異性系統中，滲流穩定方程為[14- 16]

(1)

當保證該系統中含水層為各向同性時，滲流方程可演變成

(2)

式中，Ω—值滲流場；Г1、Г2—一類、二類邊界。

式(2)在差分方程解下，拉普拉斯轉換為

(3)

滲流場進行非等間隔劃分單元體，式(3)展開為

(4)

(5)

式中，其他參數表達式如下

(6)

FLAC解決滲流作用亦是采用有限差分，將滲流場與固體場劃分單元體理論方程結合，其中FLAC滲流穩定差分方程如下，最后分步次迭代求解出多場耦合作用下岸坡穩定系數。

(Ai+Bi+Cj+Dj)Hi，j=AiHi+1，j+BiHi-1，j+
CjHi，j+1+DjHi，j-1

(7)

滲流場存在勢必會影響土體中含水量，引起局部土體飽和，降低土體間摩擦系數，增大土體滑移能力，導致岸坡失穩破壞[17]。河道中水位2m時，坡度30°下岸坡位移云圖如圖11所示，其中安全穩定系數為1.06，相比生態格柵護坡下降低了31.2%，且岸坡處于危險狀態。

為研究河道水位對岸坡穩定性影響，改變河道中水位參數，保證其他參數均處于不變，獲得不同水位下岸坡位移云圖與穩定系數，如圖12—13所示。隨著河道水位變化，岸坡內土體最大位移量先增大后減小，以水位1、2.5m下最大位移區域分布面積較廣，最大位移值為水位1m下，達2.669mm，安全穩定系數如圖13所示，滲流作用下，岸坡安全穩定系數顯著降低，隨水位增大，安全系數先減小后增大，變化臨界水位為2m，水位0m至2m安全系數降低了24.3%，水位2m至4m安全系數又增大了17.9%，表明岸坡穩定性受河道水位影響特性具有分界點水位。

圖11 水位2m、坡度30°位移云圖

圖12 不同水位岸坡位移云圖

圖13 不同水位岸坡安全穩定系數

4 結論

針對某河道工程岸坡，利用FLAC有限元軟件，分析了岸坡穩定性與生態格柵對岸坡安全穩定提升作用，并基于有限元滲流理論，研究了滲流作用下岸坡穩定性，得到了以下結論。

(1)獲得了岸坡隨坡度增大安全穩定系數逐漸降低，但最大位移量與穩定性關聯性并不顯著；岸坡表層應力為0，坡身內部存在負應力值，隨深度增大應力值遞增；有護腳模型安全穩定系數最大提升量達0.22，穩定系數平均提升達16%。

(2)生態格柵護坡能提升岸坡穩定性，最大提升幅度為13.3%；岸坡土體內摩擦角與粘結力參數與安全穩定系數呈正比，坡度30°下，粘聚力30kPa相比20kPa下安全穩定系數增長了20.9%，內摩擦角35°相比25°下安全穩定系數增大了31.8%。

(3)研究了滲流作用降低了岸坡穩定性，隨河道水位增大，岸坡穩定系數先減小后增大，變化臨界點水位為2m。