新型生态护坡稳定性数值分析_匡义.pdf

第 卷第期 年 月浙江水利水电学院学报 ：新型生态护坡稳定性数值分析匡义，李雁，潘国勇，丁春梅（杭州市富阳区林业水利局，浙江 杭州 ；浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 ）摘要：富阳区新登镇鼍江彩虹堰下游左岸河道应用了绳网式护坡和复合树脂板护坡两种新型生态护坡形式。采用有限元强度参数折减法，分析传统混凝土护坡与两种新型生态护坡形式下的边坡稳定性。计算结果表明：护坡形式对边坡稳定性有一定程度的影响，传统混凝土护坡形式下的边坡安全系数最小，复合树脂板护坡的边坡安全系数居中，绳网式护坡形式下的边坡安全系数最大；复合树脂板与绳网式护坡形式下的护坡结构底面剪应力比传统混凝土护坡下的护坡结构底面剪应力要小，有利于边坡局部稳定。因此，新型生态护坡在保持边坡稳定方面具有优势。关键词：生态护坡；绳网式护坡；复合树脂板护坡；有限元强度参数折减法中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：年浙江省重点水利科技项目（）；富阳区社会发展科技项目（）；年度浙江省水利厅科技计划项目（）作者简介：匡义（），男，湖北汉川人，高级工程师，研究方向为水利建设管理，：。通信作者：丁春梅（），女，浙江平湖人，副教授，研究方向为水利工程建设、农业水利工程，：。目前，我国的河湖滩地治理工程大多采用浆砌石、干砌石、现浇或者预制混凝土等刚性材料作为其护坡，然而这些传统的护坡结构均具有施工工作量大、运行维护成本高、对原有河流滩地生态系统有破坏等缺点。随着“尊重自然、顺应自然、保护自然”理念深入人心，生态护坡的理念越来越受到关注，对传统河湖滩地进行生态护坡的提升改造亦迫在眉睫。生态护坡作为一种新型的环保护坡形式，其基本思路是在满足河道正常行洪排涝和水土保持功能的基础上，融入景观、文化、生态等多方面内容，进而实现“人水和谐”的生态水利环境。因此，生态化改造传统的硬质护岸，以改善原位河道水生态环境具有重要的研究意义。近年来，随着美丽河湖、幸福河湖理念的提出，人们对河道护坡的生态性越来越重视，越来越多的学者投入到相关研究中，提出了许多全新的生态护岸技术。等在生物护坡工程中利用木质碎片和木材等材料，既能使边坡保持稳定，又能使水流冲刷强度降低。等依据加拿大渥太华河流边坡的现状以及水力条件，选择合理的透水性材料，使河流岸坡稳定，又使水力侵蚀降低。付融冰等利用建筑垃圾生产固化桩，该桩具有强度高并有一定孔隙率，将木桩代替为固化桩，打入河岸两侧，提高边坡稳定。金德钢等将石材填充到由铝合金钢丝做成的箱笼中，以构建柔性护岸结构。韦余广介绍了一种改进型河道松木桩护岸形式，并将其应用到杭州西溪湿地公园三期河道护岸工程中。唐定丹等提出采用复合锚垫生态修复技术可以大幅度降低水流冲刷，从而保护消落带土壤，实现植被快速修复。为满足富阳区美丽河湖创建需求，课题组研发了绳网式护坡和复合树脂板生态护坡。两种新型生态护坡在富阳区新登镇鼍江得到了应用。拟采用新型生态护坡的河道位于富阳区新登镇鼍江彩虹堰下游左岸（长 ），护坡布置如图所示，其中区为绳网式生态护坡，区为复合树脂板生态护坡，区为传统混凝土护坡。笔者运用 有限元强度参数折减法，分析传统混凝土护坡、绳网式护坡以及复合树脂板护坡形式下的边坡稳定性，为新型生态护坡的应用提供了理论和技术支撑。有限元强度参数折减法有限元强度参数折减法的基本原理是对土体进行有限元分析，利用不断降低土体的黏聚力与内摩擦角，直到计算不收敛。其表达式为（）（）（）式（）式（）中：为黏聚力，；为折减后的内摩擦角，（）；为摩擦黏聚力，；为内摩擦角，（）；为强度折减系数，土体的屈服准则采用摩尔库 伦准则，边坡失稳破坏的安全系数为有限元计图新登镇鼍江彩虹堰护坡分区布置图算不收敛时对应的强度折减系数。计算模型与参数 计算模型数值计算采用有限元工具 建立生态护坡结构整体有限元模型，考虑土体与护坡结构之间的相互作用。生态护坡结构整体有限元计算模型见图。图生态护坡结构整体有限元计算模型图所示为生态护坡结构整体模型有限元网格划分，采用平面应变四节点单元，整体计算模型共有 个结点，个单元。模型底部边界施加固定约束，左右边界给予法向约束。第期匡义，等：新型生态护坡稳定性数值分析图生态护坡结构整体有限元网格划分 本构模型及材料参数护坡结构的位置见图，护坡结构采用三种护坡结构形式，分别为传统 混凝土 护 坡 结构、绳网式护坡 结构（图）以及 复 合 树 脂 板 护 坡 结 构（图），图，图，图中未 标出 的 数 字 单 位 为。图绳网式护坡结构图复合树脂板护坡结构传统混凝土护坡结构、复合树脂板护坡结构以及挡土墙可作为各向同性弹性体，复合树脂板护坡结构物理 力 学 指 标 如 下：弹 性 模 量 ，密 度 ，泊松比 。传统护坡结构与挡土墙均采用混凝土材料，混凝土的物理力学指标如下：弹性模量 ，密度 ，泊松比 。绳网式护坡结构中护坡网空间结构较复杂，在有限元分析中较难以模拟，因此为便于计算将其看作浅层加筋材料，类似于土工格栅加筋土机理，在土体重增强土体的强度，提高土体的抗剪强度。绳网式护坡结构材料力学参数见表。表绳网式护坡结构物理力学指标材料类型密度（）弹性模量 内摩擦角（）泊松比黏聚力 粗砂层 护坡网 边坡土体自上而下地层组成依次为杂填土、碎石混粉质黏土、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩。将塑性摩尔 库伦本构模型作为边坡土体本构模型，表所示为土体物理力学指标。表土体物理力学参数土的类型土层底高程密度（）弹性模量 内摩擦角（）泊松比黏聚力 杂填土 粉质黏土 粉砂 卵石 施工加载顺序边坡施工加载顺序如下：首先是保持边坡土体初始地应力平衡，再依次进行挡墙结构和护坡结构施工，最后是边坡土方填筑。浙江水利水电学院学报第 卷不同护坡形式的对比分析利用有限元强度参数折减法对生态护坡结构整体稳定性进行分析，其中强度折减系数的终止值设为，初始值设为，场变量增量步取为 。护坡网平铺于边坡坡面浅层，且以平行于坡面的形式展开，并假设护坡网周围土体完全压实，无任何间隙。护坡结构分别采用传统混凝土护坡、绳网式护坡以及复合树脂板护坡，笔者对上述三种护坡结构形式下的边坡稳定性进行分析。图为三种护坡形式下的护坡结构表面位移曲线。从图中可以看出，施工工况下的混凝土、复合树脂板以及绳网式护坡结构表面的位移变化规律相同，最大水平位移都发生在护坡结构底部位置，最大竖直位移都发生在护坡结构顶部位置。复合树脂板与绳网式护坡形式下的护坡结构表面变形比传统混凝土护坡下的护坡结构表面变形要小。图不同护坡形式下的护坡结构表面位移曲线图为三种护坡形式下的护坡结构底面应力曲线。从图中可以看出，施工工况下的混凝土、复合树脂板以及绳网式护坡结构底面的应力变化规律相同，第一主应力、剪应力最大值都发生在挡土墙与生态护坡结构交界位置。复合树脂板与绳网式护坡形式下的护坡结构底面剪应力比传统混凝土护坡下的护坡结构底面剪应力要小，有利于边坡局部稳定。图不同护坡形式下的护坡结构底面应力曲线第期匡义，等：新型生态护坡稳定性数值分析图为三种护坡形式下的边坡安全系数。从图中可以看出，护坡形式对边坡稳定性有一定程度的影响，传统混凝土护坡形式下的边坡安全系数最小，复合树脂板护坡的边坡安全系数居中，绳网式护坡形式下的边坡安全系数最大。图不同护坡形式下的边坡安全系数结论笔者在富阳区新登镇鼍江彩虹堰下游左岸应用了两种新型生态护坡，并将传统护坡作为对比。采用有限元强度参数折减法，分析传统混凝土护坡、绳网式护坡以及复合树脂板护坡形式下的边坡稳定性，得到结论如下：）绳网式、复合树脂板两种生态护坡结构表面变形比传统混凝土护坡下的护坡结构表面变形要小，复合树脂板与绳网式护坡形式下的护坡结构底面剪应力比传统混凝土护坡下的护坡结构底面剪应力要小，有利于边坡局部稳定。）护坡形式对边坡稳定性有一定程度的影响，传统混凝土护坡形式下的边坡安全系数最小，复合树脂板护坡的边坡安全系数居中，绳网式护坡形式下的边坡安全系数最大。）开发的两种新型生态护坡，在保持边坡稳定方面对比传统护坡具有一定优势，具备良好的推广价值。参考文献：，（）：，（）：付融冰，陈小华，罗启仕，等固化技术在农村河道生态护岸中的应用 应用生态学报，（）：金德钢，顾唯星 软性 铝锌合金网箱在宁波市河道生态护岸中的应用中国水土保持，（）：韦余广基于船行波冲刷影响的改进型生态护岸研究浙江水利水电学院学报，（）：唐定丹，董光辉，付旭辉，等 水库消落带复合锚垫生态修复技术及其应用浙江水利水电学院学报，（）：（上接第 页）张嵩云，毛卉洪水过程的菲律宾 电站围堤渗流及边坡稳定分析水运工程，（）：胡晓明，翁浩轩，詹敏杰背水坡地基处理对桩基框架结构堤防的影响人民长江，（）：董志良，刘嘉，朱幸科，等大面积围海造陆围堰工程关键技术研究及应用 水运工程，（）：贺新星，王瑞骏，闫菲 厚层淤泥质地基高土石围堰边坡抗滑稳定敏感 性 分 析 水 资 源 与 水 工 程 学 报，（）：赵彦准，江维，农好瑾，等邕宁水利枢纽一期临时土石围堰数值模拟研究水利与建筑工程学报，（）：张益多，周亚运，张国云，等大型桥梁承台双壁钢围堰施工三维有限元分析 江苏科技大学学报（自然科学版），（）：浙江水利水电学院学报第 卷