基于数值分析的边坡生态挡墙的设计优化

王秋炎 易红仔

收稿日期：2023-09-21

基金项目：2022年度江西省住房城乡建设领域科技项目（赣建科设[2022]5号）。

作者简介：王秋炎（1983-），男，硕士，高级工程师，主要从事生态修复与地质环境综合治理方面的研究。

摘 要：通过分析传统浆砌石边坡挡墙在项目应用中的不足，设计改良一种适用范围广、生态效益好、经济环保、兼具安全辅助功能的自嵌式生态复合挡土墙。采用plaxis有限元软件，对生态挡墙加筋体的布设位置、间距、长度及抗拉强度等进行分析优化，确定最佳的生态挡墙设计方案，推广应用到工程项目中，使边坡的治理成为可持续发展的绿色、生态、安全工程。

关键词：边坡；生态挡墙；数值分析；设计优化

中图分类号：X171.4 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）03-00-07

0 引言

边坡防护和修复工程作为矿山、河湖、公路等工程的重要组成部分，其安全功能、观赏功能及生态功能等与百姓生活息息相关。边坡土体一般具有较强的抗压性，而其抗拉和抗剪性能较差，实际工程中多以挡墙支护[1]。传统挡墙除其安全功能外，已不满足现在低碳、绿色的发展要求，生态挡墙正被大力推广应用[2-6]。

随着科技的发展，生态挡墙的材料、样式种类繁多，具有特定功能的砌筑材料和加筋材料被广泛应用于边坡的加固防护和生态修复中[7-11]。ANSYS、Plaxis、GeoStudio等数值分析软件，为边坡挡墙方案的可行性分析提供重要数据支撑[12-14]。本文通过分析实际工程中的浆砌块石边坡挡土墙存在的问题，针对性地设计出自嵌式生态复合式挡墙，并利用Plaxis数值分析软件对自嵌式生态复合式挡墙设计方案进行优化分析，确定最佳的设计方案。

1 项目方案分析

1.1 浆砌石边坡挡墙的设计

根据项目设计单位提供的方案，龙南县足洞河流域废弃稀土矿山地质环境综合治理工程中边坡挡墙为浆砌块石挡墙，是传统的重力式挡土墙，结构样式如图1所示。挡土墙采用座浆法砌筑，块石强度等级为20 Mpa以上；水泥砂浆强度等级为M7.5，中粗砂；砌筑时分层卧砌，且上下错缝，内外搭接。石块间竖向缝隙应灌浆饱满，灰缝厚度为30 mm；墙顶采用1：2水泥砂浆抹面，厚50 mm；墙面采用M10水泥砂浆勾缝；墙体内采用PVC管作泄水孔，泄水孔设置两排，上排距墙顶1.0 m、距地面2.0 m，下排距墙顶2.0 m、距地面1.0 m，倾斜13°，其水平间距为2.4 m，墙内每隔15 m或转折处设置一条宽30 mm沉降缝，并采用沥青木板填缝。

图1 浆砌石挡墙结构样式图

1.2 边坡生态挡墙设计

针对传统的浆砌石边坡挡墙，结合项目边坡的现状，设计变更采用一种互嵌式生态砌块作为挡墙主要砌体材料，其采用高强透水的生态混凝土预制，由后面下部的引导阻滑埂、中部的锚固孔、顶部的种植槽及锚固钢筋等组成[15]，其结构样式如图2所示。砌块后部主要起支护挡土作用，前部则兼具景观复绿、动物微生物栖息和攀爬救援等功能。互嵌式生态砌块与土工格栅、土工布等加筋材料组合设计出一种自嵌式生态复合挡土墙，结构样式如图3所示。

图2 互嵌式生态砌块结构样式图

图3 自嵌式生态复合挡土墙结构样式图

自嵌式生态复合挡土墙中的引导阻滑埂不仅能使引导上次砌块快速准确叠砌，而且使两块砌块叠加后更加牢固，整体性更好，且引导体阻滑坎的独特设计，使挡墙在安砌时可形成65°（引导体阻滑坎厚薄不同，坡度不同）左右的自然斜坡，可使挡墙重心向墙内偏斜，增强了挡墙的抗倾覆能力，提高了挡墙的安全稳定性；锚固孔和锚固钢筋加强砌体、土工格栅和土工布间连接整体性。利用土工格栅在泥土端与砌块一端由于摩擦力的关系形成了一种强大的拉力，可以牢牢拉住挡墙。泥土压得越高则土工格栅就压得越牢固，摩擦力越大。土工布不仅可以有效调节土体内水力分布，截留沙土流失，还可以保证土工格栅均匀受力，同时大大增加了向内的拉应力。生态砌块后部的楔形侧面能使砌块间形成互锁结构，增加水平横向整体性。种植槽可以种植边坡复绿植物，增加边坡的美观度，改善边坡生态微环境。

1.3 两方案对比分析

依据上述两方案的描述，经综合分析测算，浆砌石边坡挡墙和自嵌式生态复合挡墙在实际工程应用中的主要经济技术指标对比如表1所示。其优劣主要体现在以下几方面：

（1）体量小，造价低：挡墙每米工程量降低42.86%，每米造价降低38.78%。

（2）节约资源，保护环境：开挖废弃余土利用率提高80%，提高废弃资源利用，减少对环境污染破坏。

（3）施工速度快，工期短：以机械施工为主、人工为辅，施工速度提高71.43%。

（4）应用范围广，适应性强：柔性墙体适应变形能力强，不易损坏，排水性好。

（5）生境好，利于生物多样性恢复：植生槽不仅可种植各适宜的植物，还为其他生物和微生物提供了栖息空间。

（6）具景观美化和安全辅助功能：植生槽配置美化亮化的植物，具有较好的景观效果。用于河湖岸坡时，可成为落水者攀爬踩踏的安全救援辅助设施。

（7）墙面较抗冲刷：前部种植槽土体易受水流冲刷，较浆砌石刚性墙面抗冲刷性能差。

2 边坡生态挡墙的设计优化

自嵌式生态复合挡土墙的施工是分层填筑、分层铺设、分层压实的循环过程，其工序一般为：首层生态砌块面板砌筑，再回填土体、铺设土工格栅等首层加筋材料，然后砌筑第二层生态砌块面板，并回填土体、压实，如此循环施工至挡墙顶。Plaxis是一款可以自动进行塑性分析、强度折减计算，并单独含有土工格栅模拟本构模型的有限元分析软件。用plaxis软件可以模拟挡墙逐层压填的过程，把每个工序的填土视为一次荷载，计算分析该施工边界内面板砌块、筋带土工格栅和回填土等部位的变形和应力，上一工序导致的变形和应力会分别迭加到先前值中，直至所有工序完成，最后得出更加切合实际的墙体受力和变形数据。

用plaxis进行有限元极限分析，对自嵌式生态复合挡土墙优化设计的流程如图4所示[16]。

图4 有限元极限分析流程图

2.1 建立有限元模型

设计模拟分析的对象是自嵌式生态复合挡土墙，墙高为3 m，墙背为回填土。根据项目勘察设计报告及实验分析，有限元模型各材料特性参数详见表2～表4。

假定土工格栅仅受拉应力，不考虑压应力，其为一维的结构单元；生态砌块间连接稳固，析出应力视为面板结构单元；土工格栅与面板单元的连接定义为刚性的；土工格栅网格尺寸挺大，土工格栅与填土间通过网格与土层的相互咬合、摩擦嵌固形成完整统一的结构单元，视二者间无滑移。不分析孔隙水压力以及各边界的渗透情况，不考虑挡墙实施分析过程中的外部荷载作用，只对挡墙土体自重荷载情况下的分析计算。通过Plaxis软件建立平面应变建模，并在材料组输入以上材料特性参数，生成如图5所示的有限元计算模型。

2.2 无筋挡墙的稳定性分析

（1）当边坡无生态砌块砌筑，也无土工格栅铺设，直接按设计坡度填筑，通过plaxis强度折减phi/c 计算，坡体的安全稳定性系数为1.071。其水平增量位移（dux）和剪切破坏滑动面分别如

图6、图7所示。

（2）当边坡只进行生态砌块砌筑，而不铺设土工格栅，直接按设计坡度填筑，通过plaxis强度折减phi/c 计算，坡体的安全稳定性系数为1.196。其水平增量位移（dux）和剪切破坏滑动面分别如图8、图9所示。

依据规范，边坡防护后的稳定性系数应符合

表5的要求[17]，若低于该标准时应对边坡加固处理。

由上可知素土填筑坡体，稳定性差，滑动破裂面大。只有生态砌块砌筑而不加筋直接填筑坡体的稳定性有所提高，滑动破裂面也有所减少，但安全稳定性系数仍不满足规范设计要求，所以应在生态砌块挡墙填筑的土体中加设土工格栅，以提高挡土墙的安全稳定性。

2.3 初步方案的稳定性分析

自嵌式生态复合挡土墙初步方案设计土工格栅从上到下每层的长度为：3.0 m、3.3 m、3.6 m、3.9 m和4.2 m，铺设于每层从下到上1/3厚的部位，格栅间距设为0.6 m。通过plaxis强度折减phi/c 计算，初步方案墙体的安全稳定性系数为1.326，其水平增量位移（dux）和剪切破坏滑动面分别如

图10、图11所示。

图10 初步方案水平增量位移图

图11 初步方案剪切破坏滑动面图

由上可知初步设计方案的挡墙稳定性能满足规范设计要求。筋带的布设需继续优化。

2.4 筋带布设位置的优化

初步方案的土工格栅铺设每层从下到上1/3厚的部位，设计一对比方案，将土工格栅铺设的部位调整为每层从下到上2/3厚处，其他参数不变。通过plaxis强度折减phi/c 计算，对比方案墙体的安全稳定性系数为1.292，其水平增量位移（dux）和剪切破坏滑动面分别如图12、图13所示。

通过两方案的对比，可知土工格栅铺设部位靠近每层的下半部分，墙体更加安全稳定。这是因为每层土工格栅越靠近下部，其所受的土体自重荷载加大，其抗拉出强度增大。

2.5 筋带布设间距的优化

将有限元模型中各层的土工格栅长度定为

3 m，在分析计算时保持不变，通过plaxis强度折减phi/c 计算，分析土工格栅间距分别为0.4 m、

0.5 m、0.6 m、0.7 m时挡墙的安全稳定性。计算分析结果详见表6。

从计算分析结果可知，挡土墙的安全稳定性系数若要达到1.3，则土工格栅的铺设间距取值为0.6 m较经济合理。

2.6 筋带布设长度的优化

将有限元模型中土工格栅的铺设间距设定为0.6 m，并在此条件上分析确定各层土工格栅的最优铺设长度。通过plaxis强度折减phi/c 计算，进行土工格栅各层不同铺设长度挡墙安全稳定性计算分析。计算分析结果详见表7。

从计算分析结果可知，挡土墙的安全稳定性系数若要达到1.3，只有方案一、初步方案和方案三的土工格栅设计长度满足设计稳定性要求。方案一和方案三的剪切破坏滑动面分别如图14、

图15所示。

2.7 筋带拉力验算

土工格栅的设计拉力可按公式（1）计算得到[18]。

（1）

式中：TD—土工格栅的设计拉力；TM—土工格栅的极限拉力；γf—分项系数，一般取值1.25；—调节系数，一般取值1.8～2.5；γ0—结构体的重要性系数，一般取值1.0～1.1。

本模型土工格栅的设计拉力 =16 kN/m。

当挡墙中的土工格栅最大拉力T小于设计拉力TD时，土工格栅满足设计要求。通过plaxis计算分析，输出查询每根土工格栅的拉力情况，确定土工格栅的最大拉力。

初步方案的土工格栅最大拉力T=10.67 kN/m，方案一的土工格栅最大拉力T=10.99 kN/m，方案三的土工格栅最大拉力T=10.77 kN/m，三个方案的土工格栅最大拉力都小于土工格栅的设计拉力16 kN/m，

均满足设计要求。

2.8 确定最佳设计方案

通过表8的对比分析可知，方案三使挡墙达到的安全稳定性和使用的土工格栅总长度最合理经济。

综上，本项目自嵌式生态复合挡土墙的最佳设计方案如图16所示。

3 结语

传统的重力式挡墙护坡，费工、耗料、造价高，且不利于边坡的植被恢复，对坡面生物多样性恢复收效甚微。绿色生态的挡墙护坡是绿色低碳发展的重要组成部分，其对边坡的安全稳定、植被恢复、生态修复、水土保持等具有积极的防护作用，是修复“绿水青山”的重要举措，实现绿色发展的必然选择。

数值分析软件可对生态挡墙设计的各参数进行优化分析，以辅助确定最佳的生态挡墙设计方案。

在矿山、河湖、公路等边坡工程应用中，自嵌式生态复合挡土墙相对于传统的浆砌块石挡墙，具有适用范围广、施工快、造价低、适应变形、易复绿、景观效果好、节约资源、攀爬自救安全辅助等功能优点。在低碳减排、生态环保的发展理念中，生态复合挡土墙更值得推广。

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Design Optimization of Slope Ecological Retaining Wall Based on Numerical Analysis

WANG Qiu-yan1，3， YI Hong-zi2

（1. Ecological Geology Brigade of Jiangxi Provincial Geological Bureau， Nanchang Jiangxi 330002，China）

Abstract： By analyzing the shortcomings of the traditional masonry slope retaining wall in the project application， a self-embedded ecological composite retaining wall with wide application range， good ecological benefits， economic and environmental protection， and safety auxiliary function was designed and improved. PLAXIS finite element software was used to analyze and optimize the layout position， spacing， length and tensile strength of the geo-grid of the ecological retaining wall， determine the best design scheme of the ecological retaining wall， and popularize it into engineering projects， so as to make the slope treatment a green， ecological and safe project with sustainable development.

Key words： slope; ecological retaining wall; numerical analysis; design optimization