石籠加固黃橋中心溝河道邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

徐小平，高 銳，李 淵

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000）

邊坡在外荷載、開(kāi)挖、地下水等內(nèi)外因作用下，當(dāng)邊坡內(nèi)部某一面上的滑動(dòng)力超過(guò)土體滑動(dòng)力，將會(huì)發(fā)生邊坡失穩(wěn)[1]。邊坡一旦發(fā)生坍塌，將對(duì)其周邊的自然壞境產(chǎn)生很大的影響，如若周邊存在居民，那么后果將不堪設(shè)想。這些年來(lái)，為了防止土質(zhì)邊坡失穩(wěn)，人們采取了很多防護(hù)措施，其中石籠護(hù)坡作為最常見(jiàn)的護(hù)坡形式，由于其整體性及抗沖性較好、施工速度塊、生態(tài)性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于中小型河道建設(shè)中[2,3]。本文依托南京黃河中心橋河道整治工程，討論了石籠處理河道邊坡的合理性，推導(dǎo)了一種新的石籠處理邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算方法，有助于今后類似工程設(shè)計(jì)和參考。

1 工程概況

黃橋中心溝位于南京市江寧區(qū)祿口街道聯(lián)圩內(nèi)，東西走向，總長(zhǎng)5.9 km，分東、西兩段，東段長(zhǎng)3.9 km，西段長(zhǎng)2.0 km，主要承接祿口中心區(qū)來(lái)水。黃橋中心溝河段河道曲折，溝塘交錯(cuò)，沿線多支流、排口匯集，是北部祿口新城中心區(qū)的排水河道，也是目前周邊農(nóng)田、養(yǎng)殖區(qū)的排水河道。河道多年未經(jīng)疏浚，淤積嚴(yán)重，過(guò)流能力不足；河道內(nèi)水臟、水死、水臭，濱河地帶荒蕪凋敝，影響祿口環(huán)境整體提升；沿線無(wú)明顯提防，建筑物年久失修、河岸巡查道路未貫通，不利于運(yùn)行管理。為提高恢復(fù)河道排水能力，恢復(fù)河道生態(tài)，改善周邊水環(huán)境，需對(duì)河道進(jìn)行疏浚，并對(duì)兩岸提防進(jìn)行修建。

2 護(hù)岸設(shè)計(jì)

黃橋中心溝水位變幅區(qū)在6.3 m～7.3 m，常水位在6.8 m左右。河道岸坡受沖刷、侵蝕影響較大，宜遭受破壞，進(jìn)而影響岸坡穩(wěn)定。為提高岸坡穩(wěn)定性同時(shí)考慮防沖刷及景觀要求，需選用合適的護(hù)坡形式對(duì)河道岸坡進(jìn)行防護(hù)。目前常見(jiàn)的抗沖性能較好的護(hù)坡形式包括：嵌式連鎖磚護(hù)坡、生物基制混凝土護(hù)坡和石籠護(hù)坡[4]。其中連鎖磚護(hù)坡混凝土制品難以與生態(tài)景觀融合，綜合造價(jià)偏高[5]；生物基制混凝土雖然整體性好，施工速度塊，景觀效果好，但是施工技術(shù)要求較高[6]。生態(tài)石籠由于整體性及抗沖性較好，施工速度塊，石籠空隙較大，有利于植物生長(zhǎng)，生態(tài)景觀效果好，籠內(nèi)填充的石頭間有空隙，有利于坡內(nèi)土壤中水的排出[7,8],因此選用了石籠護(hù)坡。護(hù)坡斷面見(jiàn)圖1，其中石籠尺寸為4 m×1.5 m×0.3 m，網(wǎng)片抗拉強(qiáng)度為30 MPa，網(wǎng)孔為100 mm×120 mm，網(wǎng)內(nèi)石料尺寸為90 mm～150 mm。

圖1 石籠護(hù)岸斷面設(shè)計(jì)

3 石籠護(hù)坡穩(wěn)定性計(jì)算

石籠護(hù)坡發(fā)生的滑動(dòng)形式可分為兩種：穿過(guò)坡腳的深層滑動(dòng)和穿過(guò)石籠接觸面的淺層滑動(dòng)，見(jiàn)圖2。其中發(fā)生深層滑動(dòng)時(shí)，邊坡穩(wěn)定性可以直接采用土力學(xué)[9]中的瑞典條分法或畢肖普條分法計(jì)算。但是當(dāng)滑裂面沿石籠接觸面滑動(dòng)時(shí)，上述方法不能直接使用。下面主要對(duì)淺層滑動(dòng)時(shí)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算進(jìn)行討論。

圖2 石籠護(hù)坡滑動(dòng)形式

將石籠放置在邊坡上，相當(dāng)于在邊坡上加了一個(gè)荷載。將石籠作為壓坡體進(jìn)行考慮，其受力作用圖見(jiàn)圖3。其中W1為石籠組合體的自重；P1為石籠組合體作用在邊坡上的力；N1是作用于石籠底面的垂直力；T1為作用在石籠底面的抗滑力；θ 為邊坡坡角；φ1為石籠和邊坡土體間的摩擦角。

圖3 受力作用示意圖

根據(jù)石籠的受力平衡條件可得：

假設(shè)邊坡安全系數(shù)為Fs，石籠間的摩擦系數(shù)為μ，則：

從式（1）、（2）可以得到石籠組合體荷載P1：

其中邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)Fs為未知量，需要根據(jù)邊坡條分法計(jì)算公式經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算得到。假定石籠荷載P1是均布作用在邊坡上，那么其大小為P=P1sinθ/H，其中H 為石籠壓坡體的高度。

瑞典條分法不考慮條間力作用，那么任一土條的平衡：

利用安全系數(shù)定義和Mohr-Coulumb 準(zhǔn)則：

整體對(duì)圓心O 進(jìn)行求距：

式中：y 為石籠壓坡體作用力P1對(duì)圓心O 的力臂，以在圓心O的左側(cè)為正，m。

整理后得：

由于石籠壓坡體均布荷載p 中有待求的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs，因此式（7）需要進(jìn)行迭代計(jì)算。

黃橋中心溝邊坡坡比為1∶1.5，邊坡巖體以粉質(zhì)黏土為主，其平均干重度為19.8 kN/m3，飽和重度為20.3 kN/m3，內(nèi)摩擦角11°，粘聚力27.2 kPa。堆放的石籠寬度為1.5 m，石籠與邊坡接觸面間摩擦角為φ1=15°，石籠與邊坡底部水平面摩擦系數(shù)μ=0.6，石籠內(nèi)石料摩擦角為44.3°，粘聚力為0，密度為2.67 g/cm3。取邊坡厚度為1 m，根據(jù)碎石密度可以算出石籠壓坡體的自重為1.81×105kN（忽略石籠籠子的質(zhì)量）。此時(shí)石籠組合體荷載p 可表達(dá)為：

將滑動(dòng)土體沿水平向平均分成10 個(gè)土條，采用瑞典條分法對(duì)邊坡滑動(dòng)圓心進(jìn)行檢索，采用公式（7）迭代計(jì)算不同位置的圓心的安全系數(shù)，繪制出的圓心安全系數(shù)等值線見(jiàn)圖4。

圖4 黃橋中心溝河道石籠護(hù)坡安全系數(shù)計(jì)算

未經(jīng)石籠邊坡處理的邊坡可直接采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算，其穩(wěn)定安全系數(shù)為1.04；經(jīng)過(guò)石籠處理后的邊坡按照深層滑動(dòng)的安全系數(shù)依然采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算，其穩(wěn)定安全系數(shù)為1.42，按照淺層滑動(dòng)的安全系數(shù)按照上述公式（7）計(jì)算，根據(jù)圖4 可見(jiàn)其安全系數(shù)為1.31，取兩者較小值，得到石籠處理的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.31。對(duì)比石籠護(hù)坡發(fā)生深層滑動(dòng)和發(fā)生淺層滑動(dòng)兩種滑動(dòng)方式的穩(wěn)定性安全系數(shù)，可見(jiàn)石籠護(hù)坡更容易發(fā)生淺層滑動(dòng)，因此在類似工程計(jì)算石籠護(hù)坡時(shí)，應(yīng)著重考慮石籠護(hù)坡發(fā)生淺層滑動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性安全系數(shù)；對(duì)比未經(jīng)石籠處理的邊坡和石籠處理后的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，可見(jiàn)石籠處理后的邊坡比未處理前提高了26%，顯然，有石籠處理的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)更高。

4 結(jié)論

本文采用石籠護(hù)坡對(duì)黃橋中心溝河道兩岸岸坡進(jìn)行了加固，并推導(dǎo)了一種石籠處理邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算方法，將該方法應(yīng)用于黃橋中心溝兩岸石籠護(hù)坡穩(wěn)定性分析中，得出以下結(jié)論：

1）石籠整體性及抗沖性較好，施工速度塊，石籠空隙較大，有利于植物生長(zhǎng)，生態(tài)景觀效果好，籠內(nèi)填充的石頭間有空隙，有利于坡內(nèi)土壤中水的排出，能夠很好的適用于本文黃橋中心溝河道邊坡處理；

2）石籠處理后的邊坡可能會(huì)發(fā)生邊坡內(nèi)部的深層滑動(dòng)或沿石籠底部和原來(lái)邊坡的淺層滑動(dòng)破壞，在邊坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩種破壞模式下的邊坡穩(wěn)定性，深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算可采用常規(guī)瑞典條分法計(jì)算，淺層滑動(dòng)可采用本文提出的計(jì)算方法；

3）石籠作為壓重作用處理邊坡，能夠有效提高邊坡穩(wěn)定性。本文黃橋中心溝石籠處理后的邊坡安全系數(shù)提高達(dá)26%。