生態(tài)格柵護(hù)坡在河道工程中應(yīng)用研究

雷 寧，楊 濤，李 卉，茆福文，張 巍

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223000)

在河道治理工程中，岸坡防護(hù)是其中重要子項(xiàng)目，研究護(hù)坡技術(shù)對推動河道治理工程具有重要意義。岸坡防護(hù)有土體硬化措施，即鉆孔灌漿土體，增強(qiáng)土體穩(wěn)定性，或人工硬化坡面，減少土體受沖刷影響[1- 2]；另還有利用人工新型材料，制作岸坡防護(hù)網(wǎng)，強(qiáng)化坡體穩(wěn)定性[3- 4]。隨著生態(tài)理念逐步在各行各業(yè)深層次踐行，岸坡防護(hù)中逐漸應(yīng)用生態(tài)體系建設(shè)來強(qiáng)化岸坡穩(wěn)定性，岸坡生態(tài)體系的建設(shè)，不僅工程成本大大降低，且對河道水生態(tài)以是重要調(diào)節(jié)作用[5- 7]，但限于河道工程多樣性，本文將針對具體工程開展岸坡防護(hù)措施研究，并借助有限元數(shù)值軟件FLAC開展岸坡防護(hù)與坡體穩(wěn)定性影響參數(shù)分析。

1 工程概況及FLAC軟件介紹

1.1 工程概況

東部某城市河道由于年久淤泥積累過多，河流水質(zhì)污染愈來愈重，航道亦逐漸失去承載能力，魚類生態(tài)破壞較嚴(yán)重，為此需對該河道開展疏浚治理。在河道樁號2+106處存在一岸坡，該岸坡穩(wěn)定性與河道安全治理息息相關(guān)，故針對該岸坡開展穩(wěn)定性護(hù)坡研究很有必要。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)踏勘表明，該河道為支流流經(jīng)城市必要通道，河面寬6m，岸坡所在地層為第四系更新統(tǒng)沖積土，顆粒較為松散，以淡黃色粉質(zhì)壤土為主，可塑狀態(tài)，內(nèi)夾有磨圓度較高的砂礫石，含水量達(dá)62%；岸坡區(qū)域內(nèi)還存在第四系全新統(tǒng)坡積土，覆蓋在基巖層上，密實(shí)度較高，土體孔隙率較低，厚度約為4～6m，室內(nèi)試驗(yàn)知該土層屬中等滲透土質(zhì)?，F(xiàn)場鉆孔資料得出基巖層為強(qiáng)風(fēng)化石英巖石，但風(fēng)化層厚度較薄，僅有3～5m，下覆灰?guī)r與之不整合接觸，部分區(qū)域出路表層，塊狀構(gòu)造，屬中元古界發(fā)育巖石群，其表層出露部位均已全風(fēng)化，顆粒碎屑可見，抗風(fēng)化能力較差。岸坡高約5m，坡度為30°，岸坡頂存在有寬4m的道路，坡面已在前期進(jìn)行平整處理。

1.2 FLAC介紹

FLAC軟件基礎(chǔ)理論即拉格朗日有限差分法，針對連續(xù)介質(zhì)力學(xué)運(yùn)動，引入時間變化與物理運(yùn)動變化一致性，進(jìn)而獲得流體運(yùn)動方程解，表征介質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)[8]。其具體操作是利用Fish語言，將所有需求指令進(jìn)行編譯，計算機(jī)程序自行進(jìn)行計算拉格朗日多次迭代方程的解，每個離散解作為微單元體，借助邊界條件方程一直迭代出收斂解。

其求解計算步驟不同于其他ANSYS、ABAQUS數(shù)值軟件交互界面，F(xiàn)LAC軟件需首先利用Fish語言編譯指令，建立數(shù)值模型，并生成網(wǎng)格單元體，后基于本構(gòu)模型方程定義單元體，施加邊界條件參數(shù)后，設(shè)置求解精度，計算機(jī)進(jìn)行多次迭代計算，獲得最優(yōu)解[9- 10]。

2 土質(zhì)護(hù)坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型建立

在上述分析基礎(chǔ)上，基于FLAC軟件建立幾何模型，如圖1所示，其中該模型由460個八節(jié)點(diǎn)等四邊形微單元體、980個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，以M-C本構(gòu)模型作為基本變形準(zhǔn)則，土層物理參數(shù)參考室內(nèi)土工試驗(yàn)報告。

圖2 各坡度下岸坡位移云圖

圖1 簡化岸坡幾何模型

2.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)所建立模型，分別計算不同坡度(25°、30°、35°、40°、45°)岸坡土體位移云圖與安全穩(wěn)定系數(shù)，如圖2所示。坡度的定義參考文獻(xiàn)[11- 12]定義，衡量河道中該岸坡臨空面傾斜程度。

從圖2可看出，坡度25°、30°、35°、45°最大位移分別為0.0291、0.0311、0.0269、0.0253，安全穩(wěn)定系數(shù)計算分別為1.61、1.44、1.28、1.06，塊體滑移量表征了土層側(cè)向土壓力在巖土層中發(fā)育狀況，安全穩(wěn)定系數(shù)綜合表征該坡度模型下岸坡失穩(wěn)可能性，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，岸坡安全系數(shù)臨界值為1.1，故45°條件下岸坡處于危險狀態(tài)，其他坡度岸坡均處于安全區(qū)間，由此亦可發(fā)現(xiàn)，該河道工程中岸坡穩(wěn)定性與模型中計算出最大位移量關(guān)聯(lián)性并不顯著，通常狀態(tài)下，愈危險邊坡其最大位移量較大，且分布面積較廣，分析由于計算模型進(jìn)行簡化影響范圍時，岸坡模型限制了土體側(cè)向土壓力分布范圍。

坡度30°模型下岸坡內(nèi)不平衡應(yīng)力分布如圖3所示。不平衡應(yīng)力指某封閉系統(tǒng)內(nèi)外應(yīng)力差，表征了系統(tǒng)應(yīng)力平衡狀態(tài)，F(xiàn)LAC軟件中采用的四邊形網(wǎng)格對應(yīng)著四個角度上應(yīng)力值，根據(jù)網(wǎng)格作用力可知，當(dāng)不平衡應(yīng)力為0時，實(shí)質(zhì)上并不表明系統(tǒng)處于真正的平衡狀態(tài)，其仍然可能處于塑性，而不平衡應(yīng)力可認(rèn)為單元網(wǎng)格各個節(jié)點(diǎn)均為0，通過多次迭代步次，將最大不平衡應(yīng)力劃歸到該模型下求解精度中，利用HISTUNBAL計算得到多步次下最大不平衡應(yīng)力。

圖3 坡度30°模型下岸坡內(nèi)不平衡應(yīng)力分布

圖4 坡度30°下岸坡垂向應(yīng)力分布云圖

坡度30°模型下岸坡內(nèi)垂直向應(yīng)力分布云圖如圖4所示。從圖4可看出，迭代步次依次增長，岸坡內(nèi)最大不平衡應(yīng)力值逐漸收斂于0，此表明岸坡內(nèi)應(yīng)力平衡逐漸趨于各個單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處為0，即內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域搜索出為0。從圖4中還可看出，最大應(yīng)力值為1.72MPa，隨垂直向深度增加，應(yīng)力值逐漸遞增，但岸坡表層出露區(qū)域面應(yīng)力基本接近0，坡身內(nèi)應(yīng)分布有負(fù)應(yīng)力值，表明岸坡內(nèi)應(yīng)力拉應(yīng)力區(qū)域基本值處于可控范圍，安全穩(wěn)定性較高，與穩(wěn)定系數(shù)1.44的求解相對應(yīng)。

有無護(hù)腳參數(shù)下不同坡度模型安全穩(wěn)定系數(shù)對比圖如圖5所示。從圖5中可看出，有護(hù)腳下各坡度岸坡模型安全穩(wěn)定系數(shù)亦是隨坡度增加，安全穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，但各坡度下岸坡模型穩(wěn)定系數(shù)均超過1.1，即有護(hù)腳狀態(tài)下45°以下坡度岸坡均處于安全狀態(tài)。對比有無護(hù)腳模型安全穩(wěn)定系數(shù)可知，有護(hù)腳模型安全穩(wěn)定系數(shù)最大提升量為25°坡度模型，提升量達(dá)0.22，平均各坡度安全穩(wěn)定系數(shù)提升幅度達(dá)16%。

圖5 有無護(hù)腳下安全穩(wěn)定系數(shù)對比

3 生態(tài)格柵護(hù)坡穩(wěn)定性分析

3.1 生態(tài)格柵護(hù)坡穩(wěn)定性

傳統(tǒng)護(hù)坡施工工藝主要利用土體加固或減少坡度等手段，此類混凝土硬化等強(qiáng)硬手段一定程度會傷害河流生態(tài)體系，減少生態(tài)多樣性，且美觀性較差[13]。對某一岸坡進(jìn)行加固，本質(zhì)上是防止土體發(fā)生滑移等狀況，故而生態(tài)護(hù)坡在較多河道治理工程中應(yīng)用較多，為此本工程中利用FLAC軟件模擬計算生態(tài)格柵護(hù)坡穩(wěn)定系數(shù)。

生態(tài)格柵護(hù)坡下25°坡度模型位移云圖如圖6所示，從圖6中可看出，最大位移分布區(qū)域顯著減少，表層位移量得到降低，安全穩(wěn)定系數(shù)計算得1.74。根據(jù)計算所得到應(yīng)力云圖亦可得知，垂直方向上應(yīng)力值分布較為均勻，各應(yīng)力區(qū)域段均處于相等狀態(tài)，減少由于某一處應(yīng)力集中造成的塊體滑移，如圖7所示。對比生態(tài)格柵護(hù)坡與土質(zhì)護(hù)坡安全穩(wěn)定系數(shù)，如圖8所示，最大增長量為坡度25°，增長了0.13，且連坡度45°安全穩(wěn)定系數(shù)亦超過1.1，處于安全范圍，五個坡度模型安全穩(wěn)定系數(shù)增長幅度在6.9%～11.3%。

圖6 生態(tài)格柵護(hù)坡下25°坡度模型位移云圖

圖7 生態(tài)格柵護(hù)坡下25°坡度模型垂向應(yīng)力云圖

圖8 生態(tài)格柵護(hù)坡與土質(zhì)護(hù)坡安全穩(wěn)定系數(shù)對比

為分析岸坡內(nèi)不同參數(shù)影響安全穩(wěn)定系數(shù)，本文以坡度25°、30°、35°作為對照組，改變土體粘聚力參數(shù)，其他物理力學(xué)參數(shù)均保持相同，獲得不同坡度不同粘聚力模型下岸坡穩(wěn)定系數(shù)，如圖9所示。從圖9中可看出，同一坡度下隨粘聚力增大，岸坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，在坡度30°下，粘聚力30kPa相比20kPa下安全穩(wěn)定系數(shù)增長了20.9%，即粘聚力與岸坡安全穩(wěn)定性呈正比；同一粘聚力參數(shù)下，坡度增大，安全穩(wěn)定系數(shù)減小，即安全穩(wěn)定系數(shù)與坡度成反比。

圖9 不同坡度不同粘聚力模型下岸坡穩(wěn)定系數(shù)

同理，改變土體內(nèi)摩擦角參數(shù)，保持其他參數(shù)一致，利用FLAC數(shù)值平臺研究坡度25°、30°、35°岸坡穩(wěn)定系數(shù)，如圖10所示，內(nèi)摩擦角與安全穩(wěn)定系數(shù)成正比，隨內(nèi)摩擦角正大，安全穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，且坡度愈小，內(nèi)摩擦角促進(jìn)穩(wěn)定系數(shù)增長幅度愈顯著，坡度25°下內(nèi)摩擦角35°相比25°下安全穩(wěn)定系數(shù)增大了31.1%，而坡度35°下增長了26.5%。

圖10 不同坡度不同內(nèi)摩擦角模型下岸坡穩(wěn)定系數(shù)

3.2 滲流作用下生態(tài)格柵護(hù)坡穩(wěn)定性

在封閉各向異性系統(tǒng)中，滲流穩(wěn)定方程為[14- 16]

(1)

當(dāng)保證該系統(tǒng)中含水層為各向同性時，滲流方程可演變成

(2)

式中，Ω—值滲流場；Г1、Г2—一類、二類邊界。

式(2)在差分方程解下，拉普拉斯轉(zhuǎn)換為

(3)

滲流場進(jìn)行非等間隔劃分單元體，式(3)展開為

(4)

(5)

式中，其他參數(shù)表達(dá)式如下

(6)

FLAC解決滲流作用亦是采用有限差分，將滲流場與固體場劃分單元體理論方程結(jié)合，其中FLAC滲流穩(wěn)定差分方程如下，最后分步次迭代求解出多場耦合作用下岸坡穩(wěn)定系數(shù)。

(Ai+Bi+Cj+Dj)Hi，j=AiHi+1，j+BiHi-1，j+
CjHi，j+1+DjHi，j-1

(7)

滲流場存在勢必會影響土體中含水量，引起局部土體飽和，降低土體間摩擦系數(shù)，增大土體滑移能力，導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)破壞[17]。河道中水位2m時，坡度30°下岸坡位移云圖如圖11所示，其中安全穩(wěn)定系數(shù)為1.06，相比生態(tài)格柵護(hù)坡下降低了31.2%，且岸坡處于危險狀態(tài)。

為研究河道水位對岸坡穩(wěn)定性影響，改變河道中水位參數(shù)，保證其他參數(shù)均處于不變，獲得不同水位下岸坡位移云圖與穩(wěn)定系數(shù)，如圖12—13所示。隨著河道水位變化，岸坡內(nèi)土體最大位移量先增大后減小，以水位1、2.5m下最大位移區(qū)域分布面積較廣，最大位移值為水位1m下，達(dá)2.669mm，安全穩(wěn)定系數(shù)如圖13所示，滲流作用下，岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)顯著降低，隨水位增大，安全系數(shù)先減小后增大，變化臨界水位為2m，水位0m至2m安全系數(shù)降低了24.3%，水位2m至4m安全系數(shù)又增大了17.9%，表明岸坡穩(wěn)定性受河道水位影響特性具有分界點(diǎn)水位。

圖11 水位2m、坡度30°位移云圖

圖12 不同水位岸坡位移云圖

圖13 不同水位岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)

4 結(jié)論

針對某河道工程岸坡，利用FLAC有限元軟件，分析了岸坡穩(wěn)定性與生態(tài)格柵對岸坡安全穩(wěn)定提升作用，并基于有限元滲流理論，研究了滲流作用下岸坡穩(wěn)定性，得到了以下結(jié)論。

(1)獲得了岸坡隨坡度增大安全穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，但最大位移量與穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)性并不顯著；岸坡表層應(yīng)力為0，坡身內(nèi)部存在負(fù)應(yīng)力值，隨深度增大應(yīng)力值遞增；有護(hù)腳模型安全穩(wěn)定系數(shù)最大提升量達(dá)0.22，穩(wěn)定系數(shù)平均提升達(dá)16%。

(2)生態(tài)格柵護(hù)坡能提升岸坡穩(wěn)定性，最大提升幅度為13.3%；岸坡土體內(nèi)摩擦角與粘結(jié)力參數(shù)與安全穩(wěn)定系數(shù)呈正比，坡度30°下，粘聚力30kPa相比20kPa下安全穩(wěn)定系數(shù)增長了20.9%，內(nèi)摩擦角35°相比25°下安全穩(wěn)定系數(shù)增大了31.8%。

(3)研究了滲流作用降低了岸坡穩(wěn)定性，隨河道水位增大，岸坡穩(wěn)定系數(shù)先減小后增大，變化臨界點(diǎn)水位為2m。