铰接式混凝土砌块护坡稳定性研究.pdf

2 0 1 5 年 第 2期 (总 第 3 0 4 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 5【 T o t a l N o 3 0 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CoNCRET E P RODUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 2 0 3 3 铰接式混凝土砌块护坡稳定性研究 刘兵正 ， 崔刚 ，张玉清 ( 1 内蒙占自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 2 0 ； 2 沈阳农业大学 水利学院，辽宁 沈阳 1 1 0 8 6 6 ) 摘要： 护坡是河道工程中量大面广 、 保证堤防安全的重要基础设施。 以实际工程沈 阳市鸟岛公 园铰接式混凝土砌块护坡 为例， 利用毕 肖普条分法和强度折减法计算了2 9 。 坡度角、 作用于4 5 砌块时该护坡的稳定安全系数。 基于这两种方法 ， 进一步 详细讨论了砌块质量与坡度角发生变化时护坡的稳定系数， 随着坡度和砌块质量增加， 护坡稳定安全系数逐渐减小 ， 但强度折减 法结果准确度更好。 关键词 ： 护坡 ； 稳定性 ； 毕肖普条分法 ； 强度折减法 中图分类号： T U 5 2 8 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 1 1 8 一 O 4 S t u d y o n s t a b i l i t y o f j o i n t c o n c r e t e b l o c k s s l o p e LI U Bi n g z h e n g ， CUIGa n g ， ZHAN G Yu qi n g ( 1 Hy d r o a n d P o we r De s i g n I n s t i t u t e o f I n n e r Mo n g o l i a Au t o n o mo u s R e g i o n， Hu h e h a o t e 0 1 0 0 2 0， C h i n a； 2 C o l l e g e o f Wa t e r Co n s e r v a n c y ， S h e n y s a n g Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 0 8 6 6 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s l o p e p r o t e c t i o n i s a n i mp o r t a n t i n fra s t r u c tur e o f t h e e n o r mo u s q u a n t i t y a n d e n s u r e the s a f e t y T a k e the a c t u a l p r 0 j e c t Sh e n y a n g Ci t y P a r k Hi n g e t h e J o i n t Co n c r e t e Bl o c k Sl o p e， a s a n e x a mp l e， u s e o f Bi s h o p Sl i c e me t h o d a n d St r e n g the n r e d u c t i o n me t h o d ， c a l c u l a t e d b y 2 9 d e g r e e s l o p e a n g l e， 4 5 k g b l o c k t h e e f f e c t s l o p e s t a bi l i t y f a c t o r o f s a f e t y Ba s e d o n t wo m e t h o d s， f u r t h e r c a l c u l a t e d s l o p e s t a b i l i t y a nd s a f e t y c o e f fi c i e n t wi t h di f f e r e n t s l op e an g l e a n d c o n c r e t e bl o c k we i g h t ， i t i s s ho we d tha t the s t a b i l i t y o f s l o p e i s r e d u c e d wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e d i f f e r e n t s l o p e ang l e and b l o c k s Mo r e a c c u r a t e r e s u l t s c a ll b e o b t a i n e d b y s t r e n g t h e n r e d u c t i o n me t h od Key wor ds： s l o p e p r o t e c t i o n； s t a b i l i t y； b i s ho p s l i c e me tho d； s t r e ng the n r e d u c t i on me tho d 护坡历来都是治河工程 的重要组成部分 ， 对堤防 出险 加 固有举足轻重的作用。 传统的护坡应用 比较广泛 的有现 浇混凝土 、 沥青混凝土 、 浆砌块石 、 泥灰土等做成 的防侵蚀 护面等 。 这些形式 的护坡往往 片面强调河道 的防洪 、 引水 、 排涝 、 蓄水和航运等功能 ， 一定程度上改变 了生态环 境 ， 对人居环境有一定 的负面作用 。 。 因此 ， 在有些堤防 和护坡结构设计 中， 开始考虑环境的 因素。 为了适应这种 新形势 的需要 ， 铰接式混凝土护坡就是 由原来的纯工程性 措施逐步 向生态型护坡技术发展 。 当前 ， 针对铰接式混凝土砌块护坡稳定性方面研究成 果所见报道还比较少 一 。 本研究 以沈 阳鸟岛公园河 道铰 接式7 昆 凝土砌块护坡实际工程为例 ， 对该护坡的稳定性进 行了较为全面系统的研究和分析 ， 为此种护坡的使用 与推 广提供依据。 1 铰接式混凝土砌块护坡的稳 定性 原理 1 1 毕 肖普条分法 毕 肖普条分法公式为： + t a F = 一 ( 1 ) W s i n a 式中 ： 第 i 土条 的内摩擦角 ， 。 ； C i 第 i 土条的黏聚力 ， k P a ； “ 第 f 土条的底面倾角 ， 。 ； z 第 f 土条 的底边弧长 ， m； mf c o s +( t g X s i n F ) 。 1 2强度折减法_ 1 1 【 在基 于强度折减概念 的弹塑性数值分析中， 对于域 内 某一点 ， 假定在某个剪切面上土体 中正应力与剪应力分别 为 和 r ， 则按照安全 系数 的一般定义 ， 同时考虑到该 点 的抗剪强度 ， 可用 Mo h r C o u l o m b破坏准则表示为 ： =C+ t a n ( 2 ) 则该点土体在这个预定剪切面上 的安全系数为： F： ： ( 3) 丁 假如此时土体没有发生剪切破坏 ， 土体 中的实际剪应 力与实际中得 以发挥 的抗剪强度相同， 即 ： 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 2 7 基 金项 目： 农 业部公益件行 业( 农业) 科研 专项 ( 2 0 1 2 0 3 0 0 2 ) ； “ 十一五 ” 国家科技 支撑计划子课 题( 2 0 1 1 B A DI 2 B 0 3 0 2 ) ； 辽 宁省教育厅科学 研究 般项 日( L 2 0 1 1 1 0 6 ) 1l 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m r： r m ： ：C t +t a nC t a n ，( 4 ) = fm = 一= + 斗 ， 由此可知实际 中得 以发挥 的抗 剪强度相 当于折减后 抗剪强度的指标 。 折减后 的抗剪强度指标分别为 ： C p= C = a r c ta n f ) ( 5 ) 从 这个 意义 上 F可 以看 作 为 强 度 折 减 系数 ， 而 从 式 ( 5 ) 可以认为 F为强度储备 系数 ， 或者实际强度发挥程 度系数。 有限元强度折减法 的要 点是利用式 ( 3 ) 和 ( 4 ) 来 调整土体 的强度指标 c 和 ， 式 ( 5 ) 中， C 为折减后 的黏聚 力 ， 为折减后 的摩擦 角 ， F为折减 系数 ) ， 然后对 护坡稳 定性进行数值分析 ， 不断地增加折减 系数 ， 反复计算 ， 直至 其达到临界破坏 ， 此时得到的折减系数即为安全系数 ， 。 2 工程 概 况 沈阳鸟岛公园位于棋盘山开发 区浑河段 ， 沈 阳市浑河 城区段上游 ， 北岸与浑北坝相接 ， 南岸与干河子坝相接 ， 浑 北坝与干河子坝问为河心岛 ， 岛面积约 0 8 k m ， 周边长约 3 5 0 0 m， 岛上有鱼塘 和部分建筑物 ， 是 2 0 0 6年沈 阳“ 世园 会 ” 的重要组成部分 。 鸟岛位置如图 1 所示 。 图 1 马 岛位 置 图 由于 2 0 0 5年发 大水 ， 致使鸟 岛北岸与浑北 坝相接部 位近 1 0 0万 m 的土方随浑北 坝一起 被冲毁 ， 同时 岛周 围 原； 干砌 石护 坡纷 纷脱 落 ， 岛上 面积 大大 缩减 。 此 时距 2 0 0 6年沈阳“ 世园会 ” 开园 的时间仅有半年 多的时 间， 根 据棋盘山开发 区管委会 的要 求 ： 为保护鸟 岛环境 ， 提高鸟 岛护坡抗 冲刷能力 ， 需对 鸟岛护坡重新进行设 计 ， 并且护 坡： 程 四周 的护坡形式须考虑景观效益 ， 护坡形式不得减 少j 见 有岛上面积 ， 施工工期不能太长 ， 进度要快 。 基于以上 因素和与其他护坡方式 比较 ， 最终选定使用铰接式混凝土 砌块护坡 。 砌块及铺筑方式如图 2 、 3所示。 莩 L露 【 Q J， 【 J， 【 Q 【 Q J 顶面 底面 顶面 底 面 ( a ) 铰 接 式混 凝 土 砌块 空 心 形状 图 ( b ) 铰 接 式混 凝 土 砌块 实 心 形状 图 图 2空心砌块尺寸和实心砌块尺寸( 单位： mm) ( a ) 铺面底部连接示意图 f b ) 铺 面顶 部连 接示意 图 图3坡脚和坡顶铺筑形式I 单位： m m) 3铰接 式 混凝 土砌 块 护 坡 稳 定 性 工 程 实例 分析 护坡材料参数如表 1 所示 。 表 1 材料 参数 3 1 毕 肖普条分法稳定性分析 计算步骤与方法、 最危险滑动面圆心 O以及土条划分 如图 4所示 ， 各土条 的相关结果列于表 2 。 图 4护坡 示意 图 l1 9 广 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通过以上两种方法计算获得 的坡 度角 2 9 。 、 作用于砌 块4 5 k g 时该护坡稳定安全系数 ， 毕 肖普条分法未 1 8 6 ， 强 度折减法 1 7 9 ， 二者相差未超过 4 ， 对 于该工程来说是满 足稳定性要求 。 4 坡度 角和砌块质量变化 时护坡的稳 定性分析 利用毕 肖普条分法 和强 度折减法分别对 铰接式 混凝土砌 块护坡的稳定安全系数进行计算 ， 如表 3 、 4 。 利用两种方法针对不 同坡度在不 同砌块质量 的护坡 稳定安全 系数 ， 从表 3 、 4计算 的结果精度有较 大的差别 ： 在坡度角 4 9 。 砌块 质量 3 5 时 ， 强度 折减法护坡稳 定安 全系数达到极限 ， 超过 3 5 时护坡稳定性就已不安全 ； 而 在表 1中， 除坡度 角和砌块质 量外 ， 其 他参数不 变的 利用毕 肖普条分法此 时接 近 1 4 9 ， 计算结果 明显偏高 。 因 情况下 ， 针对不 同的坡度 角和作用于不 同的砌块质 量时 ， 此强度折减法结果准确度会高。 表 3毕肖普条分法时不同坡度角和砌块质量的护坡稳定安全系数 5 结 论 ( 1 ) 利用毕 肖普条 分法和 强度折 减法计 算护坡 稳定 安全 系数 ， 结果 是一致 的 ： 随着坡度 和砌块 质量增 加 ， 护 坡稳 定 安 全 系数 逐 渐 减 小 ， 但 强 度折 减 法 结 果 准确 度 更好 。 ( 2 ) 对于计算结果要求严格时， 利用毕 肖普条分法计 算后要用其他方法进行校核 。 ( 3 ) 从算得结 果来分 析 ， 选择坡 角 4 5 。 以下 、 3 5 。 以上 的护坡坡 度 ， 砌块 质量 3 5 5 5 之 间， 护坡 的稳定 性很 容易得 到保证 ， 还可 节约砌 块数量 ， 同时 容易搬运 ， 施工 方便 。 参 考 文献 ： 1 徐海波， 宗瑞英 谈城市河道生态护坡技术 J 工程建设与设 计， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 5 7 5 9 2 何蘅 ， 陈德春 ， 魏文 白 生态护坡及其在城市河道整治中的应 用 J 水资源保护， 2 0 0 5 ， 1 1 ( 6 ) ： 5 6 5 8 3 钱德琳 生态 治河理念与设计思路探讨 J 中国水利 ， 2 0 0 4 ( 1 1 ) ： 4 3 4 4 1- 4 夏继红 ， 严忠民 国内外城市河道生态型护岸研究现状及发展 趋势 J 中国水土保持， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 2 O 一 2 1 5 夏继红， 严忠民 生态河岸带研究进展与发展趋势 J 河海大 学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 5 ) ： 2 5 2 2 5 5 1- 6 夏继红 ， 严忠民 生态河岸带的概念及功能 J 水利水电技术 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 5 ) ： 1 31 7 1- 7 夏继红 ， 严忠民 ， 蒋传丰 河岸带生态系统综合评价指标体 系 研究I- J 水科学进展， 2 0 0 5 ， 1 6 ( 5 ) ： 3 4 5 3 4 8 8 K L E I N B R E T E L E R M ， B E Z U I J E N A S i m p l i fi e d d e s i g n me t h o d f o r b l o c k r e v e t me n t s C P r o c e e d i n g s I C E C o n f e r e n c e o n C o a s t - a l St r u c t u r e s a n d Br e a k wa t e r s Lo n d o n： Th o ma s Te l f o r d，1 9 91： 4 2 3 4 3 6 9 潘军宁， 王登婷， 吴美安， 等 波浪作用下混凝土砌块护坡稳定 性试验研究r J - 河海大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 7 ) ： 4 7 6 48 1 1 0 B I S H O P A W T h e u s e o f th e s l i p c i r c l e i n th e s t a b i l i t y a n a l y s i s o f s l o p e s l- J G e o t e c h n i q u e ， 1 9 5 5 ( 5 ) 1 1 连镇营 ， 韩国城 ， 孔宪京 强度折减有限元法研究开挖边坡的 稳定性I- J 岩土工程学报 ， 2 0 0 1 ， 1 2 ( 2 ) ： 1 2 0 1 2 3 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 刘兵正( 1 9 7 6一) ， 男， 高级工程师， 现从事水利水电工 程设计。 通讯作者： 张玉清。 内蒙古自治区水利水电勘测设计院( 0 1 0 0 2 0 ) 1 5 0 4 0 21 3 6 7 4 1 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m