基于河道治理不同生態護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和移民事務服務中心，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，境內水系發達，河網密集，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技術為大多數河道護岸的主要形式，這些傳統的河道護岸形式能夠達到岸坡穩定性要求，但往往以犧牲河流生態環境為代價[1-5]。近年來，隨著人們對河道景觀、文化和自然環境要求的不斷提升，使得生態治理技術得到了快速的發展，生態護坡作為一種綜合考慮水利、水文與景觀等多門學科的新型研究對象越來越引起人們的重視。生態治理是指為實現河道行洪排澇、水清岸綠景美、用水安全等目標，通過兩岸綠化、岸坡防護、河堤清淤等措施建設生態型河流。目前，關于河道岸坡穩定性和生態治理的研究我國還處于起始階段，基于多學科、多因素的不同類型生態護坡技術作用效果和固土機理的研究尤為重要，有必要對岸坡穩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治理工程為依據，通過調查分析選擇石籠、草皮和生態袋護坡為研究對象，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、邊坡安全系數指標和評價了三種不同護坡技術的固土作用及效果[10-13]。具體而言，選擇柳河彰武縣河道治理段為生態袋試驗區，邊坡長為1.2m，坡比為1：1；選取太子河支流細河段作為石籠與草皮生態護坡試驗區，大部分為草皮護坡，部分河段為石籠護坡，坡長為4.6m，坡比為1∶2.5。河道生態治理邊坡參數，見圖1。

Ⅰ石籠、草皮護坡

Ⅱ生態袋護坡圖1 河道生態治理邊坡參數

2 草皮護坡固土作用與效果

2.1 試驗方案

試驗表明，土體的固著力和結持力在植草作用下能夠顯著增強。“根土復合體”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，因此室內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測力系數的ZJ型變硬控制直剪控制儀。為研究抗剪強度與根系分布方式的作用關系，在5%含根密度和16.5%土壤含水率條件下分別設置復合、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，土體質量和體積換算。不同含根密度下的土體質量換算，見表1。

2.2 試驗結果

每組土樣設置3個試樣，在400、300、200、100kPa垂直荷載作用下進行剪切破壞，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合體試驗結果。根土復合體的試驗結果，見表2。

表1 不同含根密度下的土體質量換算

表2 根土復合體的試驗結果

續表2 根土復合體的試驗結果

從表2可以看出，根土復合體的黏聚力和內摩擦角在含水率增大至20.0%時呈現出一定的下降趨勢；黏聚力和內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度的主要因素，而土體內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，分別設置復合、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合體試驗結果，見表3。

表3 不同根系分布方式下的根土復合體試驗結果

從表3可以看出，復合、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，內摩擦角提升了2.05°、2.21°、3.36°，按由小到大的原則將根土復合體抗剪強度受不同根系分布方式的影響排序，即水平<垂直<復合分布。

3 石籠生態護坡固土作用與效果

3.1 參數設置

以鋼絲網包覆石頭作為石籠生態護坡技術，將垂向荷載設置在邊坡處，草皮種植在裂縫間，其根系發揮對土體加筋的作用，該技術具有施工性強、柔性好等優點[14-15]。單一草皮護坡、無草皮護坡利用ABAQUS三維有限元模型進行對比分析，不同護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、根土復合體的內摩擦角分別為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 結果分析

1)邊坡位移與石籠、草皮、無草護坡的作用關系。圖2反映了石籠、草皮和無草護坡的等值線變化特征。從圖2可以看出，不同生態護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；變形較為明顯的區域為坡面區，位置等值線在邊坡深層區呈均勻梯度變化特征。無草護坡、石籠及草坡生態護坡的最大位移分別為4.197×10-3、3.153×10-3、3.534×10-3m，所對應的坡腳位移變化區間分別為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坡抗滑能力受不同護坡形式的影響排序，即無護坡<草坡護坡<石籠護坡。

Ⅰ無草皮護坡

Ⅱ草皮護坡

圖2 不同護坡形式下的位移等值線

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

圖3 不同護坡形式的邊坡安全系數

4 生態袋護坡固土作用與效果

4.1 參數設置

生態袋護坡對結構滲水壓力基本不產生影響，因具有較好水環境適應性可在生態袋內種植植物，不同護坡形式的位移等值線，見圖4。生態袋在三維有限元模型中作均布荷載處理，土的內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 結果分析

1)邊坡位移與生態袋、無草護坡的作用關系。圖4反映了生態袋、無草護坡的位移等值線。從圖4可以看出，無草邊坡和生態袋護坡的最大位移分別為1.008×10-3、8.005×10-3m，所對應的坡腳位移變化區間依次為8.835×10-4-9.170×10-4m、4.005×10-4-6.005×10-4m，可見生態袋護坡的抗滑穩定性較高，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無草護坡

Ⅱ生態袋護坡圖4 不同護坡形式的位移等值線

2)邊坡穩定安全系數與生態袋、無草護坡的作用關系。對生態袋和無草皮護坡的安全系數利用ABAQUS強度折減法進行計算，不同護坡形式的邊坡安全系數，見圖5。從圖5可以看出，在邊坡穩定安全系數為4.5時無草皮護坡逐漸開始破壞，而在邊坡系數為4.8時生態袋護坡才逐漸發生破壞，可見邊坡的安全穩定系數在生態袋護坡治理下得到顯著的提升。

圖5 不同護坡形式的邊坡安全系數

5 結 論

1)草皮根系可顯著提升土體的內摩擦角和黏聚力，相對于內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度的主要因素，且土體內摩擦角受土體含根密度的影響較弱。

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