貼坡式玄武巖纖維石籠河道護坡的離散元分析

2021-04-29 07:54:22戴健健馬煜鈞

中國農村水利水電 2021年4期

戴健健，葉楠，蘇超，張恒，祝凡，馬煜鈞

（1.河海大學水利水電學院，南京210098；2.吉林水利科學研究院，長春130022）

0 引言

河道邊坡作為河流生態系統的重要組成部分，是河流與陸地生態系統之間的過渡帶，在水土保持、凈化水體、防洪泄洪等方面具有重要的功能［1］。目前，河道護坡主要分為傳統護坡和生態護坡，生態防護技術的誕生順應人與自然共生的要求，提升了護坡工程建設的內涵［2］。河道護坡材料主要有混凝土、砌石、石籠、土工植物袋和草皮等五種，例如南水北調中線干渠采用植草護坡［3］、三峽水庫消落帶采用生態袋護坡技術［4］等。對于蘇打鹽堿土地區的河道，鹽堿土會對植物生長造成抑制作用且易腐蝕混凝土和筋材，這給生態防護技術帶來了巨大的挑戰。玄武巖纖維是一種用天然玄武巖拉制的連續纖維材料，具有強度高、耐腐蝕［5］的優異性能，此外廢棄后可在環境中降解。采用玄武巖纖維澆筑而成的復合筋作為石籠結構的網箱，不僅發揮了玄武巖纖維的優良性能，而且可很好地結合石籠結構環境適應性強、整體性好以及施工簡便等優點，然而目前鮮有關于玄武巖纖維石籠結構支護方面的研究。因此，將玄武巖纖維石籠結構用于鹽堿土河道邊坡的支護具有重要的實踐意義和學術價值。

石籠網箱內填充的塊石作為一種典型的散體，采用連續介質數值方法難以模擬散體結構的力學特性，而顆粒離散元［6］通過圓盤或球體來模擬塊石，可以很好地體現散體的力學特性。目前石籠支護結構的數值模擬主要集中在擋土墻方面［7-9］，針對玄武巖纖維石籠用于河道護坡的研究較少，迫切需要相應研究來填補該技術領域的空白。本文結合某蘇打鹽堿土河道護坡工程，采用顆粒離散元PFC2D程序，首先標定土體和玄武巖纖維石籠的細觀參數，建立了離散元計算模型。其次考慮河道水流的滲流作用，為更好地對比石籠的支護效果，采用顆粒流強度折減法模擬了設計洪水位下原始邊坡的破壞形態。最后從變形和應力兩個角度分析玄武巖纖維石籠護坡的穩定性，并研究了玄武巖纖維復合筋的受力特征。

1 玄武巖纖維石籠河道護坡斷面型式

某蘇打鹽堿土河道存在溶陷、滲漏，水土流失等問題。為實現就地取材，節能環保和降低工程造價目的，采用玄武巖纖維生態防護技術對河道邊坡進行支護。該邊坡支護方案為：坡腳位置放置1 個玄武巖纖維復合筋石籠，尺寸為1 m×1 m×1 m，坡腳左側位置放置2 個玄武巖纖維格柵護墊，尺寸為2 m×1 m×0.3 m（長×寬×高），坡面貼坡式布置玄武巖纖維格柵護墊，石籠網箱內填充塊石，其示意圖見圖1。根據相應設計資料，表1為該玄武巖纖維石籠護坡的力學參數。

圖1 玄武巖纖維石籠護坡Fig.1 Basalt fiber gabion slope protection

表1 玄武巖纖維石籠護坡的力學參數Tab.1 Mechanical parameters of basalt fiber gabion slope protection

2 細觀參數標定及離散元模型

2.1 土體和石籠細觀參數標定

采用PFC2D程序對土體進行雙軸壓縮試驗標定其細觀參數，土體雙軸壓縮試驗的模型尺寸為3.0 m×1.5 m（高×寬）如圖2（a）所示。土體顆粒采用接觸黏結模型［10］，該模型能真實地反映黏土類黏性材料的宏觀力學特性。采用試錯法最終確定土體的細觀參數見表2，100、200、300 kPa 三個不同的圍壓下土體試樣的峰值強度分別為206.32、379.12、543.48 kPa，其應力-應變曲線見圖2（b）。通過Matlab 回歸分析可求得土體的凝聚力為15.08 kPa，內摩擦角為14.79°，與土體的力學參數吻合得很好。

圖2 土體細觀參數標定Fig.2 Calibration of soil micro-parameters

表2 土體顆粒的細觀參數Tab.2 Micro-parameters of soil particles

目前采用實際工程尺寸的室內和現場石籠試驗研究較少，因此，以蔣洋等［11］做的石籠單體單軸壓縮試驗作為參考（試樣尺寸為0.5 m×0.5 m×0.4 m），建立單軸壓縮試驗的石籠尺寸為1 m×0.5 m。復合筋網箱中填充的塊石采用線性模型，玄武巖纖維復合筋采用平行黏結模型以模擬其受拉和受彎特性。采用試錯法確定石籠的細觀參數見表3，模擬的應力-應變曲線與文獻［11］室內試驗C1試樣結果對比如圖3所示，可見標定的細觀參數能夠合理地反映石籠的力學特性。

表3 玄武巖纖維石籠細觀參數Tab.3 Micro-parameters of basalt fiber gabion

2.2 玄武巖纖維石籠護坡離散元模型

采用PFC2D程序與AutoCAD 相結合的方法建立石籠護坡土體部分，運用geometry import 與wall import geometry 命令將dxf格式文件導入生成邊坡的輪廓與墻體，運用ball distribute 命令生成土體顆粒，在模型達到平衡狀態后進行顆粒速度和位移的清零，賦予土體顆粒表2的細觀參數。玄武巖纖維石籠采用編寫的FISH 函數生成，該函數可生成采用顆粒黏結的任意線段，對于任何的玄武巖纖維復合筋網箱，只需輸入四條邊起點和終點坐標。生成的石籠模型如圖4（a）所示，計算區域取坡頂向右延伸10 m和坡高12 m，最終建立的玄武巖纖維石籠護坡離散元模型如圖4（b）所示。該模型顆粒總數為131 509 個，其中土體顆粒121 253個，塊石顆粒563個，玄武巖纖維復合筋顆粒9 693個，土體與石籠間以及石籠單體間的接觸均采用線性接觸模型，其細觀參數見表4所示。由坡頂至坡腳分別在石籠護坡的4個不同位置設置半徑為1.0 m 的測量圓，記錄相應位置土體顆粒在坡體滑動過程中應力的變化情況。此外為更好地對比石籠的支護效果，同時建立原始邊坡的離散元模型如圖5所示，土體顆粒共120 637個。

圖4 玄武巖纖維石籠護坡離散元模型Fig.4 Discrete element model of basalt fiber gabion slope protection

表4 石籠界面的細觀參數Tab.4 Micro-parameters of the stone cage interface

圖5 原始邊坡離散元模型Fig.5 Discrete element model of the initial slope

3 玄武巖纖維石籠護坡離散元分析

3.1 滲流作用的模擬

考慮到PFC2D中無內置的滲流計算程序，因此采用簡化方式考慮滲流作用的影響。滲流作用簡化計算的基本思路為：①采用有限元計算邊坡在相應水位的滲流場；②導出單元節點的水力梯度，計算單位滲透體力；③以有限元網格節點為圓心，網格的平均尺寸為半徑作圓；④將全部有限元網格節點對所有土體顆粒循環，若土體顆粒圓心在圓內，則將滲透體力通過PFC內置函數施加到土體顆粒上。此外由于在水位線以下的顆粒受到浮力作用，浸潤線以下土體顆粒的重度采用浮重度。

為減小邊界的影響，有限元滲流計算域取坡頂向右延伸100 m和坡高25 m。設計洪水位下玄武巖纖維石籠護坡和原始邊坡的總水頭和浸潤線如圖6所示。

3.2 原始邊坡穩定性分析

顆粒離散元強度折減法［12］的基本思路為將顆粒的法向、切向黏結強度和摩擦系數同時進行折減，其公式如下：

式中：Fs為滑坡的穩定系數；cbtenf為顆粒的法向黏結力；cbshearf為顆粒的切向黏結力；fric為顆粒間的摩擦系數；cbtenfcr、cbshearfcr和friccr依次為顆粒的臨界法向黏結力、切向黏結力和摩擦系數。

圖6 設計洪水位工況的總水頭和浸潤線（單位：m）Fig.6 The total head and wetting line for design flood level conditions

為更好地對石籠支護效果進行分析，首先對原始邊坡的滑坡破壞形態進行模擬，根據文獻［12］的判定準則求得原始邊坡穩定系數為2.20。對土體顆粒的法向、切向黏結強度和摩擦系數同時折減2.20 倍，對邊坡施加重力和滲透體力進行滑坡破壞模擬，計算時步取100萬步。在重力和滲透體力作用下，坡腳處顆粒首先發生擠壓破壞變形加劇，坡內顆粒接觸黏結斷裂形態向圓弧形式發展，土體發生剪切破壞。30萬步時斷裂的接觸黏結貫穿坡頂，貫通面形成，坡頂失去支撐的作用。50 萬步時坡頂產生明顯張拉裂縫，坡體發生失穩破壞，沿貫通的圓弧式斷裂黏結滑移，見圖7（b）。隨著時間的推移，斷裂的接觸黏結繼續發展，破壞的坡體繼續下滑，70 萬步時滑坡體顆粒間部分黏結破壞，出現二次破壞，由于土體具有一定凝聚力，滑坡體在一些局部位置發生張拉破壞，滑坡體局部破碎，并滑移堆積至坡腳處。100 萬步時坡體的滑動面已經呈現出圓弧狀，此時滑坡體趨于穩定。

圖7 原始邊坡滑坡破壞形態Fig.7 Initial slope landslide failure mode

3.3 石籠護坡穩定性分析

對于設計洪水位工況下的玄武巖纖維石籠護坡，對土體顆粒的法向、切向黏結強度和摩擦系數同時折減3.10 倍，對護坡施加重力和滲透體力進行100萬步的計算。計算完成時坡內土體顆粒斷裂的接觸黏結分布均勻，無法形成貫穿的滑動面，玄武巖纖維石籠護坡未發生滑動破壞，表明采用石籠支護可有效提升邊坡穩定性并防止坡內土體的破壞和滑動，這對滑坡的防治具有積極意義。由于石籠護坡未發生破壞，可以認為石籠護坡的穩定系數在3.10 以上，從安全角度考慮可取其穩定系數為3.10。

玄武巖纖維石籠護坡的破壞形態主要表現為石籠的錯位與復合筋受彎脫開，坡體未發生滑動破壞的原因在于：①由于從坡腳至坡頂均采用石籠進行支護，石籠內填充塊石密度為土體密度的1.79 倍，相當于在坡面加了蓋重，在石籠重力作用下提升邊坡的整體性；②采用石籠支護后，塊石與塊石間、塊石與復合筋間、石籠單體間及石籠與土體間的摩擦作用，這使得土體顆粒接觸黏結斷裂的分布更加均勻，無法形成貫通的滑動面。

3.3.1 變形特征

對于玄武巖纖維石籠護坡，40 萬步時，在重力和滲透體力作用下，土體顆粒位移從底部逐漸向坡頂處發展，石籠在塊石顆粒和土顆粒的共同作用下，玄武巖復合筋產生受彎變形，見圖8（a）。60 萬步時，位移向坡內中部發展，由于周圍土體顆粒的擠壓作用，位于坡腳左側的玄武巖纖維石籠網箱的位置發生錯動，如圖8（b）所示。80萬步時，位移向坡頂處發展，由于周圍土體顆粒發生沉降，石籠單體的復合筋網箱受彎，如圖8（c）所示。100萬步時，坡內土體的位移發展基本完成，坡頂位置位移最大，石籠單體之間出現脫離分開現象［圖8（d）］，坡內土體顆粒斷裂的接觸黏結分布均勻，無法形成貫穿滑動面，因此石籠護坡未發生滑動破壞。

圖8 玄武巖纖維石籠護坡變形特征Fig.8 Deformation characteristics of of basalt fiber gabion slope protection

3.3.2 應力特征

圖9為玄武巖纖維石籠護坡在計算過程中記錄的應力變化曲線，4 個測量圓在計算初期一定的時步x方向和y方向的應力基本為零，這是由于土體顆粒位移是從坡腳逐漸向坡頂發展，位移發展過程需要一定時間，在建立石籠護坡模型時土體顆粒已經達到平衡，其接觸力趨于零，因此測量圓得到的應力基本為零。測量圓1 的位置靠近坡頂，測量圓4 的位置靠近坡腳，因此1 號測量圓x方向和y方向的應力基本為零的時間最長，4 號測量圓的最短。隨著時間的推移，在坡腳左側與坡面石籠單體重力的作用下，土體顆粒緊密接觸，記錄的x方向和y方向應力增大。測量圓的y方向應力比x方向大，這是由于在石籠支護作用下，坡內土體顆粒斷裂的接觸黏結無法形成貫穿的滑動面，土體顆粒受到自身重力、滲透體力以及石籠重力的作用導致。

圖9 玄武巖纖維石籠護坡應力特征Fig.9 Stress characteristics of basalt fiber gabion slope protection

3.3.3 玄武巖纖維復合筋受力特征

玄武巖纖維復合筋的受力狀態如圖10所示，藍色表示受壓，綠色為受拉。坡面貼坡式布置的1 m×2 m×0.5 m（L×W×H）型石籠在重力和滲透體力作用下底部復合筋呈現受壓狀態，坡面中間兩個石籠頂部復合筋受拉。坡頂處石籠復合筋受力狀態為受拉，坡腳左側的兩個玄武巖纖維格柵護墊在土體顆粒及坡面石籠的作用下主要處于受壓狀態。玄武巖纖維復合筋的最大應力為壓應力其大小為8.27 kPa，出現在坡面第1 個玄武巖纖維格柵護墊底部中間偏下位置，復合筋的拉壓應力遠低于其允許的強度值。從安全的角度考慮，建議靠近坡腳位置的石籠網箱采用直徑更粗的復合筋或增加網箱間卡扣的數量。