生态格栅护坡在河道工程中应用研究

2020-07-01茆福文

水利规划与设计 2020年7期

雷宁，杨涛，李卉，茆福文，张巍

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安 223000)

在河道治理工程中，岸坡防护是其中重要子项目，研究护坡技术对推动河道治理工程具有重要意义。岸坡防护有土体硬化措施，即钻孔灌浆土体，增强土体稳定性，或人工硬化坡面，减少土体受冲刷影响[1- 2]；另还有利用人工新型材料，制作岸坡防护网，强化坡体稳定性[3- 4]。随着生态理念逐步在各行各业深层次践行，岸坡防护中逐渐应用生态体系建设来强化岸坡稳定性，岸坡生态体系的建设，不仅工程成本大大降低，且对河道水生态以是重要调节作用[5- 7]，但限于河道工程多样性，本文将针对具体工程开展岸坡防护措施研究，并借助有限元数值软件FLAC开展岸坡防护与坡体稳定性影响参数分析。

1 工程概况及FLAC软件介绍

1.1 工程概况

东部某城市河道由于年久淤泥积累过多，河流水质污染愈来愈重，航道亦逐渐失去承载能力，鱼类生态破坏较严重，为此需对该河道开展疏浚治理。在河道桩号2+106处存在一岸坡，该岸坡稳定性与河道安全治理息息相关，故针对该岸坡开展稳定性护坡研究很有必要。根据现场地质踏勘表明，该河道为支流流经城市必要通道，河面宽6m，岸坡所在地层为第四系更新统冲积土，颗粒较为松散，以淡黄色粉质壤土为主，可塑状态，内夹有磨圆度较高的砂砾石，含水量达62%；岸坡区域内还存在第四系全新统坡积土，覆盖在基岩层上，密实度较高，土体孔隙率较低，厚度约为4～6m，室内试验知该土层属中等渗透土质。现场钻孔资料得出基岩层为强风化石英岩石，但风化层厚度较薄，仅有3～5m，下覆灰岩与之不整合接触，部分区域出路表层，块状构造，属中元古界发育岩石群，其表层出露部位均已全风化，颗粒碎屑可见，抗风化能力较差。岸坡高约5m，坡度为30°，岸坡顶存在有宽4m的道路，坡面已在前期进行平整处理。

1.2 FLAC介绍

FLAC软件基础理论即拉格朗日有限差分法，针对连续介质力学运动，引入时间变化与物理运动变化一致性，进而获得流体运动方程解，表征介质运动状态[8]。其具体操作是利用Fish语言，将所有需求指令进行编译，计算机程序自行进行计算拉格朗日多次迭代方程的解，每个离散解作为微单元体，借助边界条件方程一直迭代出收敛解。

其求解计算步骤不同于其他ANSYS、ABAQUS数值软件交互界面，FLAC软件需首先利用Fish语言编译指令，建立数值模型，并生成网格单元体，后基于本构模型方程定义单元体，施加边界条件参数后，设置求解精度，计算机进行多次迭代计算，获得最优解[9- 10]。

2 土质护坡稳定性分析

2.1 模型建立

在上述分析基础上，基于FLAC软件建立几何模型，如图1所示，其中该模型由460个八节点等四边形微单元体、980个节点构成，以M-C本构模型作为基本变形准则，土层物理参数参考室内土工试验报告。

图2 各坡度下岸坡位移云图

图1 简化岸坡几何模型

2.2 稳定性分析

根据所建立模型，分别计算不同坡度(25°、30°、35°、40°、45°)岸坡土体位移云图与安全稳定系数，如图2所示。坡度的定义参考文献[11- 12]定义，衡量河道中该岸坡临空面倾斜程度。

从图2可看出，坡度25°、30°、35°、45°最大位移分别为0.0291、0.0311、0.0269、0.0253，安全稳定系数计算分别为1.61、1.44、1.28、1.06，块体滑移量表征了土层侧向土压力在岩土层中发育状况，安全稳定系数综合表征该坡度模型下岸坡失稳可能性，根据设计规范，岸坡安全系数临界值为1.1，故45°条件下岸坡处于危险状态，其他坡度岸坡均处于安全区间，由此亦可发现，该河道工程中岸坡稳定性与模型中计算出最大位移量关联性并不显著，通常状态下，愈危险边坡其最大位移量较大，且分布面积较广，分析由于计算模型进行简化影响范围时，岸坡模型限制了土体侧向土压力分布范围。

坡度30°模型下岸坡内不平衡应力分布如图3所示。不平衡应力指某封闭系统内外应力差，表征了系统应力平衡状态，FLAC软件中采用的四边形网格对应着四个角度上应力值，根据网格作用力可知，当不平衡应力为0时，实质上并不表明系统处于真正的平衡状态，其仍然可能处于塑性，而不平衡应力可认为单元网格各个节点均为0，通过多次迭代步次，将最大不平衡应力划归到该模型下求解精度中，利用HISTUNBAL计算得到多步次下最大不平衡应力。

图3 坡度30°模型下岸坡内不平衡应力分布

图4 坡度30°下岸坡垂向应力分布云图

坡度30°模型下岸坡内垂直向应力分布云图如图4所示。从图4可看出，迭代步次依次增长，岸坡内最大不平衡应力值逐渐收敛于0，此表明岸坡内应力平衡逐渐趋于各个单元网格节点处为0，即内部应力集中区域搜索出为0。从图4中还可看出，最大应力值为1.72MPa，随垂直向深度增加，应力值逐渐递增，但岸坡表层出露区域面应力基本接近0，坡身内应分布有负应力值，表明岸坡内应力拉应力区域基本值处于可控范围，安全稳定性较高，与稳定系数1.44的求解相对应。

有无护脚参数下不同坡度模型安全稳定系数对比图如图5所示。从图5中可看出，有护脚下各坡度岸坡模型安全稳定系数亦是随坡度增加，安全稳定系数逐渐降低，但各坡度下岸坡模型稳定系数均超过1.1，即有护脚状态下45°以下坡度岸坡均处于安全状态。对比有无护脚模型安全稳定系数可知，有护脚模型安全稳定系数最大提升量为25°坡度模型，提升量达0.22，平均各坡度安全稳定系数提升幅度达16%。

图5 有无护脚下安全稳定系数对比

3 生态格栅护坡稳定性分析

3.1 生态格栅护坡稳定性

传统护坡施工工艺主要利用土体加固或减少坡度等手段，此类混凝土硬化等强硬手段一定程度会伤害河流生态体系，减少生态多样性，且美观性较差[13]。对某一岸坡进行加固，本质上是防止土体发生滑移等状况，故而生态护坡在较多河道治理工程中应用较多，为此本工程中利用FLAC软件模拟计算生态格栅护坡稳定系数。

生态格栅护坡下25°坡度模型位移云图如图6所示，从图6中可看出，最大位移分布区域显著减少，表层位移量得到降低，安全稳定系数计算得1.74。根据计算所得到应力云图亦可得知，垂直方向上应力值分布较为均匀，各应力区域段均处于相等状态，减少由于某一处应力集中造成的块体滑移，如图7所示。对比生态格栅护坡与土质护坡安全稳定系数，如图8所示，最大增长量为坡度25°，增长了0.13，且连坡度45°安全稳定系数亦超过1.1，处于安全范围，五个坡度模型安全稳定系数增长幅度在6.9%～11.3%。

图6 生态格栅护坡下25°坡度模型位移云图

图7 生态格栅护坡下25°坡度模型垂向应力云图

图8 生态格栅护坡与土质护坡安全稳定系数对比

为分析岸坡内不同参数影响安全稳定系数，本文以坡度25°、30°、35°作为对照组，改变土体粘聚力参数，其他物理力学参数均保持相同，获得不同坡度不同粘聚力模型下岸坡稳定系数，如图9所示。从图9中可看出，同一坡度下随粘聚力增大，岸坡稳定系数逐渐增大，在坡度30°下，粘聚力30kPa相比20kPa下安全稳定系数增长了20.9%，即粘聚力与岸坡安全稳定性呈正比；同一粘聚力参数下，坡度增大，安全稳定系数减小，即安全稳定系数与坡度成反比。

图9 不同坡度不同粘聚力模型下岸坡稳定系数

同理，改变土体内摩擦角参数，保持其他参数一致，利用FLAC数值平台研究坡度25°、30°、35°岸坡稳定系数，如图10所示，内摩擦角与安全稳定系数成正比，随内摩擦角正大，安全稳定系数逐渐增大，且坡度愈小，内摩擦角促进稳定系数增长幅度愈显著，坡度25°下内摩擦角35°相比25°下安全稳定系数增大了31.1%，而坡度35°下增长了26.5%。

图10 不同坡度不同内摩擦角模型下岸坡稳定系数

3.2 渗流作用下生态格栅护坡稳定性

在封闭各向异性系统中，渗流稳定方程为[14- 16]

(1)

当保证该系统中含水层为各向同性时，渗流方程可演变成

(2)

式中，Ω—值渗流场；Г1、Г2—一类、二类边界。

式(2)在差分方程解下，拉普拉斯转换为

(3)

渗流场进行非等间隔划分单元体，式(3)展开为

(4)

(5)

式中，其他参数表达式如下

(6)

FLAC解决渗流作用亦是采用有限差分，将渗流场与固体场划分单元体理论方程结合，其中FLAC渗流稳定差分方程如下，最后分步次迭代求解出多场耦合作用下岸坡稳定系数。

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

(7)

渗流场存在势必会影响土体中含水量，引起局部土体饱和，降低土体间摩擦系数，增大土体滑移能力，导致岸坡失稳破坏[17]。河道中水位2m时，坡度30°下岸坡位移云图如图11所示，其中安全稳定系数为1.06，相比生态格栅护坡下降低了31.2%，且岸坡处于危险状态。

为研究河道水位对岸坡稳定性影响，改变河道中水位参数，保证其他参数均处于不变，获得不同水位下岸坡位移云图与稳定系数，如图12—13所示。随着河道水位变化，岸坡内土体最大位移量先增大后减小，以水位1、2.5m下最大位移区域分布面积较广，最大位移值为水位1m下，达2.669mm，安全稳定系数如图13所示，渗流作用下，岸坡安全稳定系数显著降低，随水位增大，安全系数先减小后增大，变化临界水位为2m，水位0m至2m安全系数降低了24.3%，水位2m至4m安全系数又增大了17.9%，表明岸坡稳定性受河道水位影响特性具有分界点水位。