石籠加固黃橋中心溝河道邊坡穩定性計算

徐小平，高 銳，李 淵

（南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000）

邊坡在外荷載、開挖、地下水等內外因作用下，當邊坡內部某一面上的滑動力超過土體滑動力，將會發生邊坡失穩[1]。邊坡一旦發生坍塌，將對其周邊的自然壞境產生很大的影響，如若周邊存在居民，那么后果將不堪設想。這些年來，為了防止土質邊坡失穩，人們采取了很多防護措施，其中石籠護坡作為最常見的護坡形式，由于其整體性及抗沖性較好、施工速度塊、生態性好等優點而被廣泛應用于中小型河道建設中[2,3]。本文依托南京黃河中心橋河道整治工程，討論了石籠處理河道邊坡的合理性，推導了一種新的石籠處理邊坡的穩定性計算方法，有助于今后類似工程設計和參考。

1 工程概況

黃橋中心溝位于南京市江寧區祿口街道聯圩內，東西走向，總長5.9 km，分東、西兩段，東段長3.9 km，西段長2.0 km，主要承接祿口中心區來水。黃橋中心溝河段河道曲折，溝塘交錯，沿線多支流、排口匯集，是北部祿口新城中心區的排水河道，也是目前周邊農田、養殖區的排水河道。河道多年未經疏浚，淤積嚴重，過流能力不足；河道內水臟、水死、水臭，濱河地帶荒蕪凋敝，影響祿口環境整體提升；沿線無明顯提防，建筑物年久失修、河岸巡查道路未貫通，不利于運行管理。為提高恢復河道排水能力，恢復河道生態，改善周邊水環境，需對河道進行疏浚，并對兩岸提防進行修建。

2 護岸設計

黃橋中心溝水位變幅區在6.3 m～7.3 m，常水位在6.8 m左右。河道岸坡受沖刷、侵蝕影響較大，宜遭受破壞，進而影響岸坡穩定。為提高岸坡穩定性同時考慮防沖刷及景觀要求，需選用合適的護坡形式對河道岸坡進行防護。目前常見的抗沖性能較好的護坡形式包括：嵌式連鎖磚護坡、生物基制混凝土護坡和石籠護坡[4]。其中連鎖磚護坡混凝土制品難以與生態景觀融合，綜合造價偏高[5]；生物基制混凝土雖然整體性好，施工速度塊，景觀效果好，但是施工技術要求較高[6]。生態石籠由于整體性及抗沖性較好，施工速度塊，石籠空隙較大，有利于植物生長，生態景觀效果好，籠內填充的石頭間有空隙，有利于坡內土壤中水的排出[7,8],因此選用了石籠護坡。護坡斷面見圖1，其中石籠尺寸為4 m×1.5 m×0.3 m，網片抗拉強度為30 MPa，網孔為100 mm×120 mm，網內石料尺寸為90 mm～150 mm。

圖1 石籠護岸斷面設計

3 石籠護坡穩定性計算

石籠護坡發生的滑動形式可分為兩種：穿過坡腳的深層滑動和穿過石籠接觸面的淺層滑動，見圖2。其中發生深層滑動時，邊坡穩定性可以直接采用土力學[9]中的瑞典條分法或畢肖普條分法計算。但是當滑裂面沿石籠接觸面滑動時，上述方法不能直接使用。下面主要對淺層滑動時的邊坡穩定性計算進行討論。

圖2 石籠護坡滑動形式

將石籠放置在邊坡上，相當于在邊坡上加了一個荷載。將石籠作為壓坡體進行考慮，其受力作用圖見圖3。其中W1為石籠組合體的自重；P1為石籠組合體作用在邊坡上的力；N1是作用于石籠底面的垂直力；T1為作用在石籠底面的抗滑力；θ 為邊坡坡角；φ1為石籠和邊坡土體間的摩擦角。

圖3 受力作用示意圖

根據石籠的受力平衡條件可得：

假設邊坡安全系數為Fs，石籠間的摩擦系數為μ，則：

從式（1）、（2）可以得到石籠組合體荷載P1：

其中邊坡安全穩定系數Fs為未知量，需要根據邊坡條分法計算公式經過迭代計算得到。假定石籠荷載P1是均布作用在邊坡上，那么其大小為P=P1sinθ/H，其中H 為石籠壓坡體的高度。

瑞典條分法不考慮條間力作用，那么任一土條的平衡：

利用安全系數定義和Mohr-Coulumb 準則：

整體對圓心O 進行求距：

式中：y 為石籠壓坡體作用力P1對圓心O 的力臂，以在圓心O的左側為正，m。

整理后得：

由于石籠壓坡體均布荷載p 中有待求的邊坡穩定安全系數Fs，因此式（7）需要進行迭代計算。

黃橋中心溝邊坡坡比為1∶1.5，邊坡巖體以粉質黏土為主，其平均干重度為19.8 kN/m3，飽和重度為20.3 kN/m3，內摩擦角11°，粘聚力27.2 kPa。堆放的石籠寬度為1.5 m，石籠與邊坡接觸面間摩擦角為φ1=15°，石籠與邊坡底部水平面摩擦系數μ=0.6，石籠內石料摩擦角為44.3°，粘聚力為0，密度為2.67 g/cm3。取邊坡厚度為1 m，根據碎石密度可以算出石籠壓坡體的自重為1.81×105kN（忽略石籠籠子的質量）。此時石籠組合體荷載p 可表達為：

將滑動土體沿水平向平均分成10 個土條，采用瑞典條分法對邊坡滑動圓心進行檢索，采用公式（7）迭代計算不同位置的圓心的安全系數，繪制出的圓心安全系數等值線見圖4。

圖4 黃橋中心溝河道石籠護坡安全系數計算

未經石籠邊坡處理的邊坡可直接采用瑞典條分法進行計算，其穩定安全系數為1.04；經過石籠處理后的邊坡按照深層滑動的安全系數依然采用瑞典條分法進行計算，其穩定安全系數為1.42，按照淺層滑動的安全系數按照上述公式（7）計算，根據圖4 可見其安全系數為1.31，取兩者較小值，得到石籠處理的邊坡穩定系數為1.31。對比石籠護坡發生深層滑動和發生淺層滑動兩種滑動方式的穩定性安全系數，可見石籠護坡更容易發生淺層滑動，因此在類似工程計算石籠護坡時，應著重考慮石籠護坡發生淺層滑動時的穩定性安全系數；對比未經石籠處理的邊坡和石籠處理后的邊坡穩定性安全系數，可見石籠處理后的邊坡比未處理前提高了26%，顯然，有石籠處理的邊坡穩定性安全系數更高。

4 結論

本文采用石籠護坡對黃橋中心溝河道兩岸岸坡進行了加固，并推導了一種石籠處理邊坡的穩定性計算方法，將該方法應用于黃橋中心溝兩岸石籠護坡穩定性分析中，得出以下結論：

1）石籠整體性及抗沖性較好，施工速度塊，石籠空隙較大，有利于植物生長，生態景觀效果好，籠內填充的石頭間有空隙，有利于坡內土壤中水的排出，能夠很好的適用于本文黃橋中心溝河道邊坡處理；

2）石籠處理后的邊坡可能會發生邊坡內部的深層滑動或沿石籠底部和原來邊坡的淺層滑動破壞，在邊坡設計時應考慮兩種破壞模式下的邊坡穩定性，深層滑動穩定性計算可采用常規瑞典條分法計算，淺層滑動可采用本文提出的計算方法；

3）石籠作為壓重作用處理邊坡，能夠有效提高邊坡穩定性。本文黃橋中心溝石籠處理后的邊坡安全系數提高達26%。