加筋土輕質(zhì)擋墻護(hù)岸結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性研究

李欣欣，李登華，汪璋淳，張桂榮

(1．哈爾濱市磨盤山水庫管理處,黑龍江 哈爾濱 150076；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

河道岸坡的崩塌和失穩(wěn)屬于流固耦合作用下水土結(jié)合面的穩(wěn)定性問題，其形成條件和過程受到人為荷載、水流沖刷、地表侵蝕、凍融等多因素的影響。目前，拋石護(hù)岸、土工織物砂枕護(hù)岸、鉸鏈沉排護(hù)岸、重力式擋墻駁岸、現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土空心擋墻駁岸、板式或模袋混凝土護(hù)岸等傳統(tǒng)防護(hù)技術(shù)在大量水利工程中得到了應(yīng)用，取得了較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。但其中很多方法都柔性不足，不能很好地適應(yīng)岸坡及河床的變形，因此有必要在汲取這些方法的優(yōu)點(diǎn)和不足的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)新的岸坡防治技術(shù)。岸坡生態(tài)柔性防治技術(shù)就是當(dāng)前河流岸坡防護(hù)的研究方向。

岸坡生態(tài)防護(hù)理念歷史悠久，早在1633年日本展開了生態(tài)護(hù)岸技術(shù)的初探；20世紀(jì)30年代生態(tài)護(hù)岸技術(shù)在中歐得到了極大的發(fā)展；接下來30年里，世界上很多國家開始廣泛應(yīng)用該技術(shù)[1]。國內(nèi)的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)起步相對較晚，但是隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們綠色環(huán)保意識的增強(qiáng)，河流生態(tài)護(hù)岸理念開始備受關(guān)注[2]。從中國知網(wǎng)權(quán)威統(tǒng)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)“生態(tài)護(hù)坡”的學(xué)術(shù)關(guān)注度從1997～2017年呈現(xiàn)逐年攀升迅速提高的趨勢。隨著我國水生態(tài)文明建設(shè)現(xiàn)代治水治河理念的提出，將迎來河流生態(tài)柔性防護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步。

1 生態(tài)河道護(hù)岸特點(diǎn)及機(jī)理

1.1 生態(tài)岸坡特點(diǎn)

基于對傳統(tǒng)硬質(zhì)岸坡缺點(diǎn)的認(rèn)識，國內(nèi)外學(xué)者提出了生態(tài)護(hù)岸或生態(tài)岸坡的概念[3-5]。生態(tài)護(hù)岸是指能在防止河岸坍方之外，還具備使河水與土體相互滲透，增強(qiáng)河道自凈能力，有一定自然景觀效果的河道護(hù)坡形式。河流生態(tài)岸坡首先需滿足防洪抗沖標(biāo)準(zhǔn)要求，構(gòu)建能透水、透氣、適合植被生長的防護(hù)平臺；其次需滿足岸坡生態(tài)平衡要求，即要建立良性的河岸生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)岸坡因設(shè)置了多孔性構(gòu)造，對生物的生長和水質(zhì)改善起到了保護(hù)作用，同時(shí)也滿足了人們的親水要求。另外，從工程維護(hù)角度分析，生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)中的植被一般在栽種后的一年內(nèi)要進(jìn)行一定補(bǔ)栽(一般為10%左右) ，在植物成活前要進(jìn)行一定養(yǎng)護(hù)，而后植物主要是依靠自身能力進(jìn)行自然更新，通常情況下無需維護(hù)，所以維護(hù)工作量較小，可大大改善岸坡生態(tài)環(huán)境。

1.2 生態(tài)柔性岸坡護(hù)坡固土機(jī)理

植被根系具有固土護(hù)坡作用，其機(jī)制之一是根系的存在改變了土的力學(xué)性能，提高了土體抗剪強(qiáng)度[6-8]。植物根系在土體中相互交織成根網(wǎng)，根網(wǎng)與土體的摩擦黏結(jié)作用可以擴(kuò)散或轉(zhuǎn)移土體中的部分剪應(yīng)力，能夠承受更大的形變(見圖1)，從而提高根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。

由于植草護(hù)岸技術(shù)固土能力的局限性，經(jīng)過不斷的嘗試與研究，土工合成材料與植草護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合的生態(tài)加筋擋墻(護(hù)坡)結(jié)構(gòu)能夠解決生態(tài)要求和強(qiáng)度要求的矛盾?，F(xiàn)有的生態(tài)加筋結(jié)構(gòu)普遍采用的是在坡面或岸坡土體中鋪設(shè)土工網(wǎng)墊、土工格柵與種植植被相結(jié)合的加筋方式[9-10]，或采用石籠網(wǎng)墊與植被相結(jié)合的生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過植物生長達(dá)到根系加筋、莖葉防沖蝕的目的，在坡面形成茂密的植被覆蓋，在岸坡淺表層形成盤根錯(cuò)節(jié)的根系，增加淺表層土體的抗剪強(qiáng)度，有效抑制暴雨徑流或船行波等對岸坡的侵蝕，從而大幅度提高岸坡穩(wěn)定性和抗沖刷能力。

總而言之，土工合成材料與植草護(hù)坡技術(shù)等相結(jié)合的生態(tài)柔性岸坡利用柔性網(wǎng)絡(luò)及植被根系和枝莖的生態(tài)自適應(yīng)性，形成了一體化的變形自適應(yīng)的柔性防護(hù)體系，能增強(qiáng)岸坡的整體抗剪切、抗凍融、抗沖刷能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境的綠化美化[11]。

圖1 斜交根系固土模型

2 加筋土輕質(zhì)柔性擋墻設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

研究區(qū)河道按三級航道通航標(biāo)準(zhǔn)整治，設(shè)計(jì)常水位為2.50 m，設(shè)計(jì)水深為3.20 m，設(shè)計(jì)河底高程為-2.36 m，設(shè)計(jì)最高通航水位高程為4.38 m，設(shè)計(jì)最低通航水位為0.84 m。受水流沖刷、風(fēng)浪、船行波及暴雨等的綜合影響，研究區(qū)內(nèi)抗沖刷能力較差河段的岸坡均存在不同程度的沖刷甚至坍塌的情況。

2.2 河道岸坡地基處理設(shè)計(jì)方案

研究河段岸坡主要控制性軟弱地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。據(jù)詳勘報(bào)告，該土層孔隙比為1.03，壓縮模量3.8 MPa，快剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值c=13 kPa，φ=2°，地基承載力基本容許值85 kPa。該處岸坡處于非主航道段，對工后沉降要求低于主航道段?？紤]造價(jià)經(jīng)濟(jì)、因地制宜、生態(tài)等岸坡設(shè)計(jì)原則，研究提出了換填碎石+土工格柵的加筋土橫向復(fù)合地基處理方案。該方案針對河道水下軟弱地基，自下而上地依次設(shè)底層土工格柵、碎石墊層、若干層碾壓填土層與頂層土工格柵或分層土工格柵，交替形成“土工格柵加筋土層”。該結(jié)構(gòu)具有柔韌性好、透水性強(qiáng)、生態(tài)性、耐久性好、施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性好等多重優(yōu)勢。

2.3 非主航道段生態(tài)擋墻設(shè)計(jì)

在土工格柵加筋土層的上面與外側(cè)面(朝向河道的一面)，從坡腳往上在土工格柵上灌砌石作為擋墻護(hù)面。土工格柵可以作為灌砌石的柔性支撐面，防止其錯(cuò)動開裂。在灌砌石擋墻護(hù)面上，按照錯(cuò)縫疊砌的方式從坡腳往上階梯式鋪設(shè)空心砌塊，并在砌塊空心處填入開挖棄土或其他營養(yǎng)土體，種植香根草等具有較強(qiáng)固土能力的耐淹耐旱耐寒植物，形成擋墻的生態(tài)防護(hù)植被覆蓋層。在柔性擋墻外側(cè)河道種植蘆葦、菖蒲等水陸兩棲植被，與擋墻共同作用抵抗水流沖刷、船行波侵蝕及可能的船舶撞擊等。在灌砌石擋墻頂部鋪土種植常青藤、迎春花等藤蔓植物，增強(qiáng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的景觀效果(見圖2)。

在0～2.50 m高度范圍水流和船行波作用強(qiáng)烈地段，加筋橫向復(fù)合地基聯(lián)合生態(tài)擋墻基本解決了水流和船行波對岸坡的沖刷和侵蝕影響，并實(shí)現(xiàn)了護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性與生態(tài)性的有機(jī)結(jié)合。

1—地基土體；2—土工格柵；2—1—土工格柵加筋土；3—碎石墊層； 4—回填土體； 5—灌砌石；6—錨定板；7—空心磚砌塊； 8—香根草；9—蘆葦圖2 加筋土輕質(zhì)柔性擋墻斷面圖

3 加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)與計(jì)算工況

表1為加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性的計(jì)算參數(shù)，包括重度γ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、變形模量E。

表1 加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

擋墻設(shè)計(jì)主要考慮墻前設(shè)計(jì)常水位和最低通航水位工況下的護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況。該河道設(shè)計(jì)常水位高程為2.50 m，設(shè)計(jì)最低通航水位為0.84 m，一般護(hù)岸結(jié)構(gòu)的安全等級為三級。結(jié)合現(xiàn)場軟弱地基情況，加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)考慮如下幾種工況：

(1)天然軟弱地基，不考慮堆載后固結(jié)效果，按照詳勘報(bào)告中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，c=13 kPa，φ=2°。

(2)考慮堆載固結(jié)后內(nèi)摩擦角的增加，天然軟弱地基按照c=13 kPa，φ=4°取值。

(3)考慮堆載固結(jié)后黏聚力的增加，天然軟弱地基按照c=15 kPa，φ=2°取值。

上述三種工況均分別針對設(shè)計(jì)常水位2.50 m和設(shè)計(jì)最低通航水位0.84 m兩種情況分別進(jìn)行了擋墻穩(wěn)定性分析。

鑒于(2)和(3)兩種計(jì)算結(jié)果滿足要求，c和φ都提高的取值不考慮，以偏安全。為確認(rèn)參數(shù)，可在現(xiàn)場補(bǔ)做天然軟基的十字板剪切試驗(yàn)，以現(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)復(fù)核。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

表2為加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表2 加筋土輕質(zhì)柔性擋墻滑移計(jì)算結(jié)果

加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖3～圖5所示。最危險(xiǎn)滑動面表現(xiàn)為原岸坡土體可能的剪出破壞，即以可能的整體破壞為主。計(jì)算結(jié)果表明，加筋土輕質(zhì)柔性擋墻結(jié)構(gòu)體發(fā)生破壞的概率很小，岸坡穩(wěn)定性滿足工程要求。

(天然的淤泥質(zhì)黏土軟弱地基，不考慮預(yù)壓固結(jié)，按照c=13 kPa，φ=2°詳勘標(biāo)準(zhǔn)值取值)圖3 加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性分析結(jié)果

(考慮預(yù)壓固結(jié)后，按照c=13 kPa，φ=4°取值)圖4 加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性分析結(jié)果

(考慮預(yù)壓固結(jié)后，按照c=15 kPa，φ=2°取值)圖5 加筋土輕質(zhì)柔性擋墻穩(wěn)定性分析結(jié)果

4 結(jié) 語

本文提出了一種新型的生態(tài)柔性擋墻護(hù)岸結(jié)構(gòu)，并針對某河道利用商業(yè)軟件進(jìn)行了典型防護(hù)岸坡的穩(wěn)定性分析。穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，文中提出的加筋土輕質(zhì)柔性擋墻設(shè)計(jì)方案適用于崩岸嚴(yán)重、軟土地基的航道或河岸，滿足地基及岸坡穩(wěn)定性要求。該新型護(hù)岸技術(shù)克服了傳統(tǒng)硬質(zhì)護(hù)岸重力式擋墻自重大需要地基處理的弊端，基本解決了崩岸、水流和船行波對岸坡的沖刷以及航行船只對護(hù)岸結(jié)構(gòu)的可能撞擊的問題，實(shí)現(xiàn)了護(hù)岸結(jié)構(gòu)耐久性與生態(tài)性的有機(jī)結(jié)合。需要結(jié)合理論試驗(yàn)和現(xiàn)場模型試驗(yàn)及試驗(yàn)段來開發(fā)推廣應(yīng)用本文中提出的生態(tài)河道護(hù)岸新技術(shù)。