不同土體下鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性研究

劉兵正，劉艷，董桂華，張玉清

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古呼和浩特　010020；2.沈陽標(biāo)準(zhǔn)化研究院，遼寧沈陽　110020；3.阜新市水資源管理辦公室，遼寧阜新　123000；4.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽　110866；5.遼寧省設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境與裝備工程研究中心，遼寧沈陽　110866）

不同土體下鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性研究

劉兵正1，劉艷2，董桂華3，張玉清4，5

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020；2.沈陽標(biāo)準(zhǔn)化研究院，遼寧沈陽110020；3.阜新市水資源管理辦公室，遼寧阜新123000；4.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽110866；5.遼寧省設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境與裝備工程研究中心，遼寧沈陽110866）

護(hù)坡是保護(hù)河岸與堤防安全的重要工程。利用強(qiáng)度折減法和有限差分原理，應(yīng)用FLAC軟件計(jì)算了沈陽市鳥島公園鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了在不同土體狀況下的不同坡度和不同砌塊質(zhì)量時(shí)該護(hù)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，獲得了合理的坡度和砌塊質(zhì)量，為該護(hù)坡設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

護(hù)坡；穩(wěn)定性；不同土體

護(hù)坡是河道治理和堤防安全的重要工程。經(jīng)常使用的護(hù)坡有現(xiàn)場澆筑混凝土、毛石護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡等形式，這類護(hù)坡常常是強(qiáng)調(diào)了護(hù)坡的單一功能，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起到了負(fù)面的影響與作用。因此，在有些護(hù)坡的設(shè)計(jì)過程中，將對環(huán)境有益的影響因素加以考慮，使護(hù)坡的形式就由以往的純工程性護(hù)坡逐漸向生態(tài)環(huán)保型護(hù)坡方向發(fā)展［1-5］，鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡就此開始被使用。

當(dāng)前，針對鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性從理論方面研究還不多見［6-9］，絕大多數(shù)文獻(xiàn)都是施工方法的介紹。為此，本文以沈陽鳥島公園鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡為例，利用強(qiáng)度折減法和有限差分原理，并采用FLAC分析軟件探討該護(hù)坡不同土體狀況下的穩(wěn)定性，從而為該護(hù)坡設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1　工程概況

沈陽鳥島公園位于渾河城區(qū)段上游，河中形成一島嶼，面積約0.8 km2，周邊長約3.5 km，位置如圖1所示。由于2005年發(fā)生大洪水，使島周圍原有干砌石護(hù)坡被沖毀。鳥島公園為2006年沈陽“世園會(huì)”的一部分，工期僅半年，因此本工程要求：提高護(hù)坡抗沖刷能力，護(hù)坡形式須考慮景觀效果，不能減小島的面積，施工進(jìn)度要快［10］。經(jīng)綜合考慮并與其它形式護(hù)坡進(jìn)行比較，最終采用鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡。砌塊形狀和尺寸如圖2所示，坡腳和坡頂?shù)匿佒绞饺鐖D3所示。

圖1　沈陽鳥島公園位置示意

圖2　鉸接式混凝土空心砌塊和實(shí)心砌塊形狀及尺寸

圖3　坡腳和坡頂鋪筑形式

2　強(qiáng)度折減法的基本原理

按照安全系數(shù)的定義，假設(shè)在某個(gè)剪切面上土體中任一點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度可用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則表示為［11］：

式中：τ——作用在剪切面上的切向應(yīng)力，kPa；

c——土的的粘聚力，kPa；

σ——作用在剪切面上的法向應(yīng)力，kPa；

φ——土的內(nèi)摩擦角，（°）。

則該點(diǎn)土體在假設(shè)剪切面上的強(qiáng)度折減系數(shù)F（即安全系數(shù)）為：

式中：τf——土的抗剪強(qiáng)度，kPa。

如果此時(shí)土體未發(fā)生剪切破壞，土的實(shí)際剪應(yīng)力與實(shí)際中得以發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度相同，即：

式中：c'——折減后土的粘聚力，kPa；φ'——折減后土的內(nèi)摩擦角，（°）。折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別為：

式（4）中F可以看作為強(qiáng)度折減系數(shù)。強(qiáng)度折減法的關(guān)鍵是用式（3）和式（4）來調(diào)整土的c和φ，之后對護(hù)坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，循環(huán)計(jì)算，直至折減系數(shù)達(dá)到臨界破壞，此時(shí)的折減系數(shù)即為安全系數(shù)F。

3　FLAC計(jì)算原理

FLAC軟件的基本原理是拉格朗日有限差分法（fast lagrangian finite difference method）。拉格朗日法采用差分方法求解，首先將要求解的區(qū)域劃分成四邊形的網(wǎng)格，在邊界和周圍等不規(guī)則處也可用三角形網(wǎng)格擬合。

采用FLAC進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，有3個(gè)基本部分必須指定：有限差分網(wǎng)格；本構(gòu)關(guān)系和材料特性；邊界和初始條件。網(wǎng)格用來定義分析模型的幾何形狀，本構(gòu)關(guān)系和與之對應(yīng)的材料特性用來表征模型在外力作用下的力學(xué)相應(yīng)特性，邊界和初始條件用來定義模型和初始狀態(tài)。

4　工程實(shí)例分析

沈陽市鳥島公園護(hù)坡工程坡度為29°，采用45 kg砌塊，計(jì)算其穩(wěn)定安全系數(shù)。具體參數(shù)見表1，護(hù)坡的幾何形狀及坡面受力見圖4，網(wǎng)格劃分見圖5。經(jīng)計(jì)算，護(hù)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.79＞1，護(hù)坡安全。

表1　護(hù)坡工程材料的參數(shù)

圖4　采用45 kg砌塊護(hù)坡的幾何形狀及坡面受力

圖5　護(hù)坡網(wǎng)格劃分

5　不同土體的護(hù)坡穩(wěn)定性分析

5.1計(jì)算模型

對于鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡，坡頂有砌塊，并在其上澆筑1 m寬的混凝土壓重，坡底做漿砌石護(hù)腳，因此砌塊不同質(zhì)量時(shí)護(hù)坡不同位置受力不同，如表2所示，荷載均按照均布載荷計(jì)算。不同土體材料參數(shù)如表3所示。

表2　護(hù)坡不同位置作用荷載kN

表3　不同土體材料的性能參數(shù)

5.2穩(wěn)定安全系數(shù)

不同坡度和砌塊質(zhì)量時(shí)，護(hù)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從表3、表4分析可知，隨著土體粘聚力增大和內(nèi)摩擦角減小，護(hù)坡的坡度角隨之增大到一定角度，黏土護(hù)坡穩(wěn)定性更好。不管何種土體，當(dāng)坡度為40°～45°，砌塊質(zhì)量為45～55 kg時(shí)，護(hù)坡的穩(wěn)定性較容易得到保證，并且可以減少砌塊數(shù)量，容易裝運(yùn)，方便施工。

6　結(jié)語

（1）通過工程實(shí)例可以看出，選擇鉸接式混凝土砌塊護(hù)坡能夠滿足安全穩(wěn)定性的要求。

（2）對于同一土體，護(hù)坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡度和砌塊質(zhì)量增加逐漸減小，但是砌塊質(zhì)量對護(hù)坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響不是特別顯著。

（3）隨著土體粘聚力增大和內(nèi)摩擦角減小，護(hù)坡的坡度角隨之增大到一定角度，黏土護(hù)坡穩(wěn)定性更好。不管何種土體，當(dāng)坡度為40°～45°，砌塊質(zhì)量為45～55 kg時(shí)，護(hù)坡的穩(wěn)定性較容易得到保證，并且可以減少砌塊數(shù)量，容易裝運(yùn)，方便施工。

［1］徐海波，宗瑞英.談城市河道生態(tài)護(hù)坡技術(shù)［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2005（1）：57-59.

［2］夏繼紅，嚴(yán)忠民.國內(nèi)外城市河道生態(tài)型護(hù)岸研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國水土保持，2004（3）：20-21.

［3］夏繼紅，嚴(yán)忠民.生態(tài)河岸帶研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32（5）：252-255.

［4］夏繼紅，嚴(yán)忠民.生態(tài)河岸帶的概念及功能［J］.水利水電技術(shù)，2006，37（5）：13-17.

［5］夏繼紅，嚴(yán)忠民，蔣傳豐.河岸帶生態(tài)系統(tǒng)綜合評價(jià)指標(biāo)體系研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2005，16（5）：345-348.

［6］朱勇，吳美安，朱一平.水工護(hù)坡混凝土砌塊的生產(chǎn)實(shí)踐［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2005（6）：32-36.

［7］蘇忖安，張登祥.鑲嵌鉸接混凝土板式護(hù)坡加固長江千堤研究［J］.人民長江，2003（2）：14-16.

［8］潘軍寧，王登婷，吳美安，等.波浪作用下混凝土砌塊護(hù)坡穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33（7）：476-481.

［9］吳美安，孫勇，李啟濤.混凝土砌塊護(hù)坡護(hù)面層穩(wěn)定厚度的計(jì)算方法［J］.人民黃河，2006（1）：19-21.

［10］張玉清，宓永寧，王鐵良，等.綜合評分法在護(hù)坡方案優(yōu)選中的應(yīng)用［J］.中國水土保持，2008（8）：8-10.

［11］趙尚毅，鄭穎人，鄧衛(wèi)東.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，8（4）：102-106.

Study on stability of joint concrete blocks slope for different soil

LIU Bingzheng1，LIU Yan2，DONG Guihua3，ZHANG Yuqing4，5
（1.Hydro and Power Design Institute of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010020，Inner Mongolia，China；2.Shenyang Institute of Standardization，Shenyang 110020，Liaoning，China；3.Water Management Office of Fuxin City，F(xiàn)uxin 123000，Liaoning，China；4.Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，Liaoning，China；5.Engineering＆Technology Research Center of Protected Agricultural Environment and Equipment of Liaoning Province，Shenyang 110866，Liaoning，China）

The slope protection is an important infrastructure to ensuring riverbank and dyke safety.In this paper，the safety factor of stability for the actual project——the Hinge Joint Concrete Block Slope of Shenyang City Park，is calculated by using the principles of strengthen reduction method and finite difference method and software FLAC.On the basis of this，the safety factor of slope stability is further calculated with different slope grade and different blocks quality in different soil.The logical slope grade and block quality is obtained to provide a reference for the slope design and application.

slope protection，stability，different soil

TU528.79

A

1001-702X（2015）09-0051-03

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203002）；“十一五”國家科技支撐計(jì)劃子課題（2011BAD12B03-02）；遼寧省海洋與漁業(yè)廳科研項(xiàng)目

2015-05-28

劉兵正，男，1976年生，內(nèi)蒙古呼和浩特人，高級工程師，主要從事水利水電樞紐設(shè)計(jì)。