基于GEO5的河道階梯式生態(tài)護(hù)岸穩(wěn)定分析

邢 健

(北京東方利禾景觀設(shè)計(jì)有限公司，北京 100015)

1 概 述

河流是城市重要的環(huán)境資源和空間載體，關(guān)系到城市生存，制約著城市發(fā)展，是塑造城市風(fēng)貌和美化城市環(huán)境的重要景觀因素。在遵循流域規(guī)劃前提下，保證河道天然使用功能的基礎(chǔ)上，充分考慮河流的生態(tài)功能、水質(zhì)凈化、生態(tài)景觀等功能的需要，同時(shí)兼顧親水活動(dòng)的安全。本著創(chuàng)造高質(zhì)量的河道水景觀，建設(shè)具有當(dāng)?shù)靥厣⒆匀皇嬲沟暮恿鳎I造一幅景觀優(yōu)美、生態(tài)平衡、人水和諧共生的魅力畫卷，以此提升城市形象與品位，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

河道除承擔(dān)防洪排水任務(wù)外，還應(yīng)起到美化城市環(huán)境、豐富城市景觀，為人們提供休憩娛樂場所的作用。進(jìn)行河道治理時(shí)，要貫徹生態(tài)治河的理念，把生態(tài)環(huán)境放在重要位置，充分重視治理工程的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境影響和景觀要求，注重人水和諧相處。對于流經(jīng)建設(shè)區(qū)段的河道，要結(jié)合環(huán)境景觀綜合治理，利用地形及綠化，設(shè)置適量景觀節(jié)點(diǎn)與園林小品，將沿河兩岸建設(shè)成綠色親水長廊，建立水域與陸地的和諧過渡帶，為人們創(chuàng)造親水的休閑空間。河道治理還應(yīng)維系水生態(tài)系統(tǒng)，減少對環(huán)境的不利影響，大力推廣生態(tài)環(huán)保型河道治理技術(shù)方案。

傳統(tǒng)的河道治理，一貫采用硬質(zhì)擋墻或護(hù)坡形式，對邊坡的處理主要是強(qiáng)調(diào)其強(qiáng)度功效，卻往往忽視了其對環(huán)境的破壞，已不能滿足現(xiàn)在需要。生態(tài)護(hù)坡作為巖土工程與環(huán)境工程相結(jié)合的產(chǎn)物，它兼顧了防護(hù)與環(huán)境兩方面的功效，是一種很有效的護(hù)坡、固坡手段。但生態(tài)護(hù)坡形式新穎，種類多樣，現(xiàn)有護(hù)坡抗滑穩(wěn)定、傾覆等計(jì)算工具等不能有效適用，不能為設(shè)計(jì)方案提供有效設(shè)計(jì)參數(shù)，致使工程存在安全隱患。本文以唐山市環(huán)城水系提升改造綜合治理工程中青龍河河道治理為例，采用GEO5軟件中混凝土砌塊護(hù)坡計(jì)算模塊，對階梯式生態(tài)框護(hù)岸進(jìn)行相應(yīng)穩(wěn)定計(jì)算，為設(shè)計(jì)提供合理的參數(shù)指標(biāo)，指導(dǎo)工程有效實(shí)施。

2 工程概況

唐山市城區(qū)有陡河、青龍河、李各莊河及龍王廟河4條主要河道，在城區(qū)南部有開灤煤礦采煤沉陷形成的南湖濕地，青龍河下游匯入南湖。東部陡河，西部青龍河，新開挖人工排澇河道——西北排水渠12.3 km，將陡河和青龍河上游連通。同時(shí)，在陡河下游新建南湖引水渠6.4 km，將陡河下游與南湖連通，形成了40.2 km的環(huán)城水系。青龍河位于環(huán)城水系西側(cè)，承擔(dān)唐山市區(qū)西北部澇水；而且青龍河位于唐山市區(qū)，兩岸遍布居住小區(qū)，對青龍河景觀功能需求較高，因此青龍河功能定位以排水為主，兼具生態(tài)景觀功能。

青龍河方案設(shè)計(jì)河道采用生態(tài)護(hù)坡，因兩岸用地限制，綜合考慮后選用階梯式生態(tài)框護(hù)岸，既可滿足河道在用地空間內(nèi)行洪需求，又可結(jié)合水生、陸生植物設(shè)計(jì)滿足生態(tài)景觀需求。兩岸護(hù)坡采用階梯式生態(tài)框護(hù)砌，尺寸2×1×0.5，邊坡坡比1∶0.5，共6層，背側(cè)厚300 mm碎石墊層反濾，生態(tài)框下設(shè)高0.8 m的C20鋼筋混凝土基礎(chǔ)。為滿足生態(tài)景觀需求，生態(tài)框內(nèi)包350 g/m2無紡布，回填土，用于種植水生植物。岸頂外側(cè)為寬4 m人行步道。護(hù)岸設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 青龍河護(hù)岸典型斷面

3 GEO5分析計(jì)算

青龍河護(hù)岸邊坡坡比1∶0.5，較陡，需對其進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，確保工程安全。本文采用GEO5混凝土砌塊擋墻設(shè)計(jì)模塊，建立河道斷面模型，對岸坡抗滑、抗傾穩(wěn)定及基底應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 模型建立

本文要確定階梯式生態(tài)框的安全穩(wěn)定性，對其進(jìn)行抗滑穩(wěn)定及抗傾覆驗(yàn)算。在建立河道斷面模型時(shí)，需要定義的屬性有：墻身斷面尺寸、墻背側(cè)剖面圖層、巖土材料、砌塊基礎(chǔ)、背后回填土、墻后坡面、地下水等影響因素。根據(jù)設(shè)計(jì)斷面及地層情況，輸入相應(yīng)參數(shù)建立河道斷面模型。青龍河河道工程等別為3等，主要建筑物級別為3級。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)，本次岸坡分析按以下4個(gè)工況進(jìn)行。

工況一：迎水側(cè)設(shè)計(jì)洪水位12.75 m，背水側(cè)相應(yīng)水位

工況二：迎水側(cè)水位驟降0.5 m，背水側(cè)相應(yīng)水位

工況三：施工完建期，迎水側(cè)無水

工況四：迎水側(cè)正常水位11.80 m，遭遇8級地震

安全系數(shù)允許值見表1。河道模型斷面見圖2。

表1 護(hù)岸穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)表

圖2 河道模型斷面圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

預(yù)制階梯式生態(tài)框內(nèi)填土料，綜合考慮重度按23 kN/m3，鋼筋混凝土底板重度25 kN/m3。

階梯式生態(tài)框底板基礎(chǔ)坐落于粉質(zhì)黏土層，地質(zhì)勘察相應(yīng)參數(shù)見表2。

生態(tài)框混凝土之間摩擦系數(shù)取0.6，考慮地層生態(tài)框與底板前設(shè)置抗滑鍵，生態(tài)框與底板混凝土綜合摩擦系數(shù)取0.7。

頂面荷載：施工完建期荷載取為20 kPa，正常運(yùn)行工況及地震工況荷載取3.5 kPa。

表2 各土層物理性質(zhì)表

3.3 分析成果

根據(jù)不同工況基本參數(shù)，調(diào)整水位、荷載，對階梯式生態(tài)框護(hù)岸進(jìn)行傾覆滑移驗(yàn)算、承載力驗(yàn)算、截面強(qiáng)度驗(yàn)算及外部穩(wěn)定性驗(yàn)算，計(jì)算成果見表3-表6，岸坡滑移圓弧見圖3-圖6。

表3 階梯式生態(tài)框抗滑抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算成果表

表4 階梯式生態(tài)框承載力驗(yàn)算成果表

表5 階梯式生態(tài)框截面強(qiáng)度驗(yàn)算成果表

表6 邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

圖3 設(shè)計(jì)水位工況岸坡滑動(dòng)圓弧

圖4 水位驟降工況岸坡滑動(dòng)圓弧

圖5 完建無水工況岸坡滑動(dòng)圓弧

圖6 地震工況岸坡滑動(dòng)圓弧

經(jīng)驗(yàn)算，各種組合下階梯式生態(tài)框護(hù)岸傾覆滑移驗(yàn)算、承載力驗(yàn)算、截面強(qiáng)度驗(yàn)算及外部穩(wěn)定性驗(yàn)算成果均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

1) 采用階梯式生態(tài)框護(hù)岸，并配合植物種植，使河水與土壤相互滲透，增強(qiáng)河道自凈能力，弱化了工程結(jié)構(gòu)對河流生態(tài)系統(tǒng)的沖擊。在保證河道天然使用功能的基礎(chǔ)上，充分考慮河流的生態(tài)、水質(zhì)凈化、景觀等功能的需要，加強(qiáng)河道生態(tài)廊道功能，滿足人們營造整潔、舒適、美好生活空間的強(qiáng)烈愿望。

2) 采用GEO5軟件建立混凝土生態(tài)砌塊模型，驗(yàn)算階梯式生態(tài)框護(hù)岸傾覆滑移、基底承載力、生態(tài)框截面強(qiáng)度及岸坡穩(wěn)定性的成果，可為設(shè)計(jì)方案提供基本設(shè)計(jì)依據(jù)，使設(shè)計(jì)成果更趨合理、經(jīng)濟(jì)，在設(shè)計(jì)方案滿足工程生態(tài)景觀需要的同時(shí)，可確保工程安全性。