加筋土轻质挡墙护岸结构及其稳定性研究

李欣欣，李登华，汪璋淳，张桂荣

(1．哈尔滨市磨盘山水库管理处,黑龙江 哈尔滨 150076；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024)

河道岸坡的崩塌和失稳属于流固耦合作用下水土结合面的稳定性问题，其形成条件和过程受到人为荷载、水流冲刷、地表侵蚀、冻融等多因素的影响。目前，抛石护岸、土工织物砂枕护岸、铰链沉排护岸、重力式挡墙驳岸、现浇或预制混凝土空心挡墙驳岸、板式或模袋混凝土护岸等传统防护技术在大量水利工程中得到了应用，取得了较大的经济和社会效益。但其中很多方法都柔性不足，不能很好地适应岸坡及河床的变形，因此有必要在汲取这些方法的优点和不足的基础上进一步开发新的岸坡防治技术。岸坡生态柔性防治技术就是当前河流岸坡防护的研究方向。

岸坡生态防护理念历史悠久，早在1633年日本展开了生态护岸技术的初探；20世纪30年代生态护岸技术在中欧得到了极大的发展；接下来30年里，世界上很多国家开始广泛应用该技术[1]。国内的生态护坡技术起步相对较晚，但是随着经济的快速发展和人们绿色环保意识的增强，河流生态护岸理念开始备受关注[2]。从中国知网权威统计中，发现“生态护坡”的学术关注度从1997～2017年呈现逐年攀升迅速提高的趋势。随着我国水生态文明建设现代治水治河理念的提出，将迎来河流生态柔性防护技术的快速发展和进步。

1 生态河道护岸特点及机理

1.1 生态岸坡特点

基于对传统硬质岸坡缺点的认识，国内外学者提出了生态护岸或生态岸坡的概念[3-5]。生态护岸是指能在防止河岸坍方之外，还具备使河水与土体相互渗透，增强河道自净能力，有一定自然景观效果的河道护坡形式。河流生态岸坡首先需满足防洪抗冲标准要求，构建能透水、透气、适合植被生长的防护平台；其次需满足岸坡生态平衡要求，即要建立良性的河岸生态系统。生态岸坡因设置了多孔性构造，对生物的生长和水质改善起到了保护作用，同时也满足了人们的亲水要求。另外，从工程维护角度分析，生态护岸结构中的植被一般在栽种后的一年内要进行一定补栽(一般为10%左右) ，在植物成活前要进行一定养护，而后植物主要是依靠自身能力进行自然更新，通常情况下无需维护，所以维护工作量较小，可大大改善岸坡生态环境。

1.2 生态柔性岸坡护坡固土机理

植被根系具有固土护坡作用，其机制之一是根系的存在改变了土的力学性能，提高了土体抗剪强度[6-8]。植物根系在土体中相互交织成根网，根网与土体的摩擦黏结作用可以扩散或转移土体中的部分剪应力，能够承受更大的形变(见图1)，从而提高根-土复合体的抗剪强度。

由于植草护岸技术固土能力的局限性，经过不断的尝试与研究，土工合成材料与植草护坡技术相结合的生态加筋挡墙(护坡)结构能够解决生态要求和强度要求的矛盾。现有的生态加筋结构普遍采用的是在坡面或岸坡土体中铺设土工网垫、土工格栅与种植植被相结合的加筋方式[9-10]，或采用石笼网垫与植被相结合的生态防护结构，通过植物生长达到根系加筋、茎叶防冲蚀的目的，在坡面形成茂密的植被覆盖，在岸坡浅表层形成盘根错节的根系，增加浅表层土体的抗剪强度，有效抑制暴雨径流或船行波等对岸坡的侵蚀，从而大幅度提高岸坡稳定性和抗冲刷能力。

总而言之，土工合成材料与植草护坡技术等相结合的生态柔性岸坡利用柔性网络及植被根系和枝茎的生态自适应性，形成了一体化的变形自适应的柔性防护体系，能增强岸坡的整体抗剪切、抗冻融、抗冲刷能力，同时实现环境的绿化美化[11]。

图1 斜交根系固土模型

2 加筋土轻质柔性挡墙设计

2.1 工程概况

研究区河道按三级航道通航标准整治，设计常水位为2.50 m，设计水深为3.20 m，设计河底高程为-2.36 m，设计最高通航水位高程为4.38 m，设计最低通航水位为0.84 m。受水流冲刷、风浪、船行波及暴雨等的综合影响，研究区内抗冲刷能力较差河段的岸坡均存在不同程度的冲刷甚至坍塌的情况。

2.2 河道岸坡地基处理设计方案

研究河段岸坡主要控制性软弱地层为淤泥质粉质黏土。据详勘报告，该土层孔隙比为1.03，压缩模量3.8 MPa，快剪强度标准值c=13 kPa，φ=2°，地基承载力基本容许值85 kPa。该处岸坡处于非主航道段，对工后沉降要求低于主航道段。考虑造价经济、因地制宜、生态等岸坡设计原则，研究提出了换填碎石+土工格栅的加筋土横向复合地基处理方案。该方案针对河道水下软弱地基，自下而上地依次设底层土工格栅、碎石垫层、若干层碾压填土层与顶层土工格栅或分层土工格栅，交替形成“土工格栅加筋土层”。该结构具有柔韧性好、透水性强、生态性、耐久性好、施工便捷性、经济性好等多重优势。

2.3 非主航道段生态挡墙设计

在土工格栅加筋土层的上面与外侧面(朝向河道的一面)，从坡脚往上在土工格栅上灌砌石作为挡墙护面。土工格栅可以作为灌砌石的柔性支撑面，防止其错动开裂。在灌砌石挡墙护面上，按照错缝叠砌的方式从坡脚往上阶梯式铺设空心砌块，并在砌块空心处填入开挖弃土或其他营养土体，种植香根草等具有较强固土能力的耐淹耐旱耐寒植物，形成挡墙的生态防护植被覆盖层。在柔性挡墙外侧河道种植芦苇、菖蒲等水陆两栖植被，与挡墙共同作用抵抗水流冲刷、船行波侵蚀及可能的船舶撞击等。在灌砌石挡墙顶部铺土种植常青藤、迎春花等藤蔓植物，增强护岸结构的景观效果(见图2)。

在0～2.50 m高度范围水流和船行波作用强烈地段，加筋横向复合地基联合生态挡墙基本解决了水流和船行波对岸坡的冲刷和侵蚀影响，并实现了护岸结构稳定性、耐久性与生态性的有机结合。

1—地基土体；2—土工格栅；2—1—土工格栅加筋土；3—碎石垫层； 4—回填土体； 5—灌砌石；6—锚定板；7—空心砖砌块； 8—香根草；9—芦苇图2 加筋土轻质柔性挡墙断面图

3 加筋土轻质柔性挡墙稳定性计算

3.1 计算参数与计算工况

表1为加筋土轻质柔性挡墙稳定性的计算参数，包括重度γ、黏聚力c、内摩擦角φ、变形模量E。

表1 加筋土轻质柔性挡墙稳定性计算参数

挡墙设计主要考虑墙前设计常水位和最低通航水位工况下的护岸结构稳定性情况。该河道设计常水位高程为2.50 m，设计最低通航水位为0.84 m，一般护岸结构的安全等级为三级。结合现场软弱地基情况，加筋土轻质柔性挡墙稳定性计算时考虑如下几种工况：

(1)天然软弱地基，不考虑堆载后固结效果，按照详勘报告中淤泥质粉质黏土强度参数标准值计算，c=13 kPa，φ=2°。

(2)考虑堆载固结后内摩擦角的增加，天然软弱地基按照c=13 kPa，φ=4°取值。

(3)考虑堆载固结后黏聚力的增加，天然软弱地基按照c=15 kPa，φ=2°取值。

上述三种工况均分别针对设计常水位2.50 m和设计最低通航水位0.84 m两种情况分别进行了挡墙稳定性分析。

鉴于(2)和(3)两种计算结果满足要求，c和φ都提高的取值不考虑，以偏安全。为确认参数，可在现场补做天然软基的十字板剪切试验，以现场试验参数复核。

3.2 稳定性计算结果分析

表2为加筋土轻质柔性挡墙稳定性系数计算结果。

表2 加筋土轻质柔性挡墙滑移计算结果

加筋土轻质柔性挡墙稳定性分析结果如图3～图5所示。最危险滑动面表现为原岸坡土体可能的剪出破坏，即以可能的整体破坏为主。计算结果表明，加筋土轻质柔性挡墙结构体发生破坏的概率很小，岸坡稳定性满足工程要求。

(天然的淤泥质黏土软弱地基，不考虑预压固结，按照c=13 kPa，φ=2°详勘标准值取值)图3 加筋土轻质柔性挡墙稳定性分析结果

(考虑预压固结后，按照c=13 kPa，φ=4°取值)图4 加筋土轻质柔性挡墙稳定性分析结果

(考虑预压固结后，按照c=15 kPa，φ=2°取值)图5 加筋土轻质柔性挡墙稳定性分析结果

4 结 语

本文提出了一种新型的生态柔性挡墙护岸结构，并针对某河道利用商业软件进行了典型防护岸坡的稳定性分析。稳定性分析结果表明，文中提出的加筋土轻质柔性挡墙设计方案适用于崩岸严重、软土地基的航道或河岸，满足地基及岸坡稳定性要求。该新型护岸技术克服了传统硬质护岸重力式挡墙自重大需要地基处理的弊端，基本解决了崩岸、水流和船行波对岸坡的冲刷以及航行船只对护岸结构的可能撞击的问题，实现了护岸结构耐久性与生态性的有机结合。需要结合理论试验和现场模型试验及试验段来开发推广应用本文中提出的生态河道护岸新技术。