基于河道治理不同生態(tài)護(hù)坡的固土作用及效果分析

季洪波

(本溪市本溪滿族自治縣水務(wù)和移民事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117100)

1 概 況

遼寧省地形地貌有“六山一水三分田”之稱，境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密集，大小河流近300余條，各支流縱橫交錯、蜿蜒曲折，主要有渾河、老哈河、太子河、遼河、饒陽河、太子河等。混凝土、漿砌塊石和干砌塊石等非生態(tài)技術(shù)為大多數(shù)河道護(hù)岸的主要形式，這些傳統(tǒng)的河道護(hù)岸形式能夠達(dá)到岸坡穩(wěn)定性要求，但往往以犧牲河流生態(tài)環(huán)境為代價[1-5]。近年來，隨著人們對河道景觀、文化和自然環(huán)境要求的不斷提升，使得生態(tài)治理技術(shù)得到了快速的發(fā)展，生態(tài)護(hù)坡作為一種綜合考慮水利、水文與景觀等多門學(xué)科的新型研究對象越來越引起人們的重視。生態(tài)治理是指為實現(xiàn)河道行洪排澇、水清岸綠景美、用水安全等目標(biāo)，通過兩岸綠化、岸坡防護(hù)、河堤清淤等措施建設(shè)生態(tài)型河流。目前，關(guān)于河道岸坡穩(wěn)定性和生態(tài)治理的研究我國還處于起始階段，基于多學(xué)科、多因素的不同類型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)作用效果和固土機(jī)理的研究尤為重要，有必要對岸坡穩(wěn)定性分析方法開展深入研究[6-9]。鑒于此，文章以遼寧省河道生態(tài)治理工程為依據(jù)，通過調(diào)查分析選擇石籠、草皮和生態(tài)袋護(hù)坡為研究對象，探討不同治理措施的固土作用及效果，利用三維有限元模型和位移等值線、邊坡安全系數(shù)指標(biāo)和評價了三種不同護(hù)坡技術(shù)的固土作用及效果[10-13]。具體而言，選擇柳河彰武縣河道治理段為生態(tài)袋試驗區(qū)，邊坡長為1.2m，坡比為1：1；選取太子河支流細(xì)河段作為石籠與草皮生態(tài)護(hù)坡試驗區(qū)，大部分為草皮護(hù)坡，部分河段為石籠護(hù)坡，坡長為4.6m，坡比為1∶2.5。河道生態(tài)治理邊坡參數(shù)，見圖1。

Ⅰ石籠、草皮護(hù)坡

Ⅱ生態(tài)袋護(hù)坡圖1 河道生態(tài)治理邊坡參數(shù)

2 草皮護(hù)坡固土作用與效果

2.1 試驗方案

試驗表明，土體的固著力和結(jié)持力在植草作用下能夠顯著增強(qiáng)?！案翉?fù)合體”抵抗土壤剪切破壞的能力為草皮固土作用效果的主要體現(xiàn)，因此室內(nèi)重塑試驗選擇石籠旁邊地表下0-30mm帶狗牙根的單一草坡護(hù)坡土體。配置7%、5%、3%、2%、0%含根密度和16.5%、20.0%含水率的不同土壤試樣，直剪試驗選用1.566kPa/0.01mm測力系數(shù)的ZJ型變硬控制直剪控制儀。為研究抗剪強(qiáng)度與根系分布方式的作用關(guān)系，在5%含根密度和16.5%土壤含水率條件下分別設(shè)置復(fù)合、垂直和水平三種根系布置方式。采用草根和土體所占比例反映土體含根密度，利用量筒排水法確定根的體積，土體質(zhì)量和體積換算。不同含根密度下的土體質(zhì)量換算，見表1。

2.2 試驗結(jié)果

每組土樣設(shè)置3個試樣，在400、300、200、100kPa垂直荷載作用下進(jìn)行剪切破壞，并取平均值。在含水率為20.0%、16.5%情況下，不同含根密度的根土復(fù)合體試驗結(jié)果。根土復(fù)合體的試驗結(jié)果，見表2。

表1 不同含根密度下的土體質(zhì)量換算

表2 根土復(fù)合體的試驗結(jié)果

續(xù)表2 根土復(fù)合體的試驗結(jié)果

從表2可以看出，根土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角在含水率增大至20.0%時呈現(xiàn)出一定的下降趨勢；黏聚力和內(nèi)摩擦角在含根密度由0%增大至7%時均呈增大趨勢，相對于內(nèi)摩擦角而言黏聚力的增大幅度更加明顯，由此表明增大土體黏聚力是提高土體抗剪強(qiáng)度的主要因素，而土體內(nèi)摩擦角受土體含根密度的影響較弱。

在含根密度為5%、含水率為16.5%的條件下，分別設(shè)置復(fù)合、垂直和水平3種根系分布形式。不同根系分布方式下的根土復(fù)合體試驗結(jié)果，見表3。

表3 不同根系分布方式下的根土復(fù)合體試驗結(jié)果

從表3可以看出，復(fù)合、垂直和水平根系相對于無根土而言，黏聚力值分別增大了14.82、18.80、27.38kPa，內(nèi)摩擦角提升了2.05°、2.21°、3.36°，按由小到大的原則將根土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度受不同根系分布方式的影響排序，即水平<垂直<復(fù)合分布。

3 石籠生態(tài)護(hù)坡固土作用與效果

3.1 參數(shù)設(shè)置

以鋼絲網(wǎng)包覆石頭作為石籠生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，將垂向荷載設(shè)置在邊坡處，草皮種植在裂縫間，其根系發(fā)揮對土體加筋的作用，該技術(shù)具有施工性強(qiáng)、柔性好等優(yōu)點[14-15]。單一草皮護(hù)坡、無草皮護(hù)坡利用ABAQUS三維有限元模型進(jìn)行對比分析，不同護(hù)坡形式下的位移等值線，見圖2。分兩層處理涉及草皮的土體，即一層土體的草根深度為0-30mm，其他為另一層，在三維有限元模型中將石頭作均布荷載處理。土體、根土復(fù)合體的內(nèi)摩擦角分別為17.80°、19.80°，黏聚力分別為26.35、36.50kPa；土體與草根的泊松比分別為0.3、0.25，彈性模量分別為35.20、10MPa。

3.2 結(jié)果分析

1)邊坡位移與石籠、草皮、無草護(hù)坡的作用關(guān)系。圖2反映了石籠、草皮和無草護(hù)坡的等值線變化特征。從圖2可以看出，不同生態(tài)護(hù)坡處理下的邊坡位移分層存在較為明顯的變化，其中位移分層主要集中在邊坡坡腳處；變形較為明顯的區(qū)域為坡面區(qū)，位置等值線在邊坡深層區(qū)呈均勻梯度變化特征。無草護(hù)坡、石籠及草坡生態(tài)護(hù)坡的最大位移分別為4.197×10-3、3.153×10-3、3.534×10-3m，所對應(yīng)的坡腳位移變化區(qū)間分別為6.982×10-4- 3.148×10-3m、7.881×10-4-1.314×10-3m、5.886×10-4-2.356×10-3m。由此表明，按自小到大的原則將護(hù)坡抗滑能力受不同護(hù)坡形式的影響排序，即無護(hù)坡<草坡護(hù)坡<石籠護(hù)坡。

Ⅰ無草皮護(hù)坡

Ⅱ草皮護(hù)坡

圖2 不同護(hù)坡形式下的位移等值線

2)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與石籠、草皮、無草護(hù)坡的作用關(guān)系。對石籠、草皮和無草皮護(hù)坡的安全系數(shù)利用ABAQUS強(qiáng)度折減法進(jìn)行計算，不同護(hù)坡形式的邊坡安全系數(shù)，見圖3。從圖3可以看出，在邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為3.7時草皮和無草皮護(hù)坡逐漸開始破壞，在水平位移相同的條件下無草皮護(hù)坡相對于草坡護(hù)坡的折減更少一些，可見邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在植草皮情況下得到提升；在邊坡系數(shù)為4.1時石籠生態(tài)護(hù)坡逐漸發(fā)生破壞，可見邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)在石籠生態(tài)護(hù)坡下得到明顯的提升。

圖3 不同護(hù)坡形式的邊坡安全系數(shù)

4 生態(tài)袋護(hù)坡固土作用與效果

4.1 參數(shù)設(shè)置

生態(tài)袋護(hù)坡對結(jié)構(gòu)滲水壓力基本不產(chǎn)生影響，因具有較好水環(huán)境適應(yīng)性可在生態(tài)袋內(nèi)種植植物，不同護(hù)坡形式的位移等值線，見圖4。生態(tài)袋在三維有限元模型中作均布荷載處理，土的內(nèi)摩擦角和泊松比分別為18.20°、0.3，黏聚力與彈性模量為25.26kPa、10MPa。

4.2 結(jié)果分析

1)邊坡位移與生態(tài)袋、無草護(hù)坡的作用關(guān)系。圖4反映了生態(tài)袋、無草護(hù)坡的位移等值線。從圖4可以看出，無草邊坡和生態(tài)袋護(hù)坡的最大位移分別為1.008×10-3、8.005×10-3m，所對應(yīng)的坡腳位移變化區(qū)間依次為8.835×10-4-9.170×10-4m、4.005×10-4-6.005×10-4m，可見生態(tài)袋護(hù)坡的抗滑穩(wěn)定性較高，可依靠其自身減少坡腳處的滑動范圍和邊坡的最大滑動位移。

Ⅰ無草護(hù)坡

Ⅱ生態(tài)袋護(hù)坡圖4 不同護(hù)坡形式的位移等值線

2)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與生態(tài)袋、無草護(hù)坡的作用關(guān)系。對生態(tài)袋和無草皮護(hù)坡的安全系數(shù)利用ABAQUS強(qiáng)度折減法進(jìn)行計算，不同護(hù)坡形式的邊坡安全系數(shù)，見圖5。從圖5可以看出，在邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為4.5時無草皮護(hù)坡逐漸開始破壞，而在邊坡系數(shù)為4.8時生態(tài)袋護(hù)坡才逐漸發(fā)生破壞，可見邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)在生態(tài)袋護(hù)坡治理下得到顯著的提升。

圖5 不同護(hù)坡形式的邊坡安全系數(shù)

5 結(jié) 論

1)草皮根系可顯著提升土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力，相對于內(nèi)摩擦角而言黏聚力的增大幅度更加明顯，由此表明增大土體黏聚力是提高土體抗剪強(qiáng)度的主要因素，且土體內(nèi)摩擦角受土體含根密度的影響較弱。

2)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為3.7時草皮和無草皮護(hù)坡逐漸開始破壞，在水平位移相同的條件下無草皮護(hù)坡相對于草坡護(hù)坡的折減更少一些，邊坡安全系數(shù)為4.1時石籠生態(tài)護(hù)坡逐漸發(fā)生破壞，由此表明依靠草皮加筋和自重雙重作用的石籠生態(tài)護(hù)坡具有更加明顯的護(hù)坡效果；邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為4.5時無草皮護(hù)坡逐漸開始破壞，而邊坡系數(shù)為4.8時生態(tài)袋護(hù)坡才逐漸發(fā)生破壞，可見邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)在生態(tài)袋護(hù)坡治理下得到一定的提升。