基于數值分析的邊坡生態擋墻的設計優化

王秋炎 易紅仔

收稿日期：2023-09-21

基金項目：2022年度江西省住房城鄉建設領域科技項目（贛建科設[2022]5號）。

作者簡介：王秋炎（1983-），男，碩士，高級工程師，主要從事生態修復與地質環境綜合治理方面的研究。

摘 要：通過分析傳統漿砌石邊坡擋墻在項目應用中的不足，設計改良一種適用范圍廣、生態效益好、經濟環保、兼具安全輔助功能的自嵌式生態復合擋土墻。采用plaxis有限元軟件，對生態擋墻加筋體的布設位置、間距、長度及抗拉強度等進行分析優化，確定最佳的生態擋墻設計方案，推廣應用到工程項目中，使邊坡的治理成為可持續發展的綠色、生態、安全工程。

關鍵詞：邊坡；生態擋墻；數值分析；設計優化

中圖分類號：X171.4 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）03-00-07

0 引言

邊坡防護和修復工程作為礦山、河湖、公路等工程的重要組成部分，其安全功能、觀賞功能及生態功能等與百姓生活息息相關。邊坡土體一般具有較強的抗壓性，而其抗拉和抗剪性能較差，實際工程中多以擋墻支護[1]。傳統擋墻除其安全功能外，已不滿足現在低碳、綠色的發展要求，生態擋墻正被大力推廣應用[2-6]。

隨著科技的發展，生態擋墻的材料、樣式種類繁多，具有特定功能的砌筑材料和加筋材料被廣泛應用于邊坡的加固防護和生態修復中[7-11]。ANSYS、Plaxis、GeoStudio等數值分析軟件，為邊坡擋墻方案的可行性分析提供重要數據支撐[12-14]。本文通過分析實際工程中的漿砌塊石邊坡擋土墻存在的問題，針對性地設計出自嵌式生態復合式擋墻，并利用Plaxis數值分析軟件對自嵌式生態復合式擋墻設計方案進行優化分析，確定最佳的設計方案。

1 項目方案分析

1.1 漿砌石邊坡擋墻的設計

根據項目設計單位提供的方案，龍南縣足洞河流域廢棄稀土礦山地質環境綜合治理工程中邊坡擋墻為漿砌塊石擋墻，是傳統的重力式擋土墻，結構樣式如圖1所示。擋土墻采用座漿法砌筑，塊石強度等級為20 Mpa以上；水泥砂漿強度等級為M7.5，中粗砂；砌筑時分層臥砌，且上下錯縫，內外搭接。石塊間豎向縫隙應灌漿飽滿，灰縫厚度為30 mm；墻頂采用1：2水泥砂漿抹面，厚50 mm；墻面采用M10水泥砂漿勾縫；墻體內采用PVC管作泄水孔，泄水孔設置兩排，上排距墻頂1.0 m、距地面2.0 m，下排距墻頂2.0 m、距地面1.0 m，傾斜13°，其水平間距為2.4 m，墻內每隔15 m或轉折處設置一條寬30 mm沉降縫，并采用瀝青木板填縫。

圖1 漿砌石擋墻結構樣式圖

1.2 邊坡生態擋墻設計

針對傳統的漿砌石邊坡擋墻，結合項目邊坡的現狀，設計變更采用一種互嵌式生態砌塊作為擋墻主要砌體材料，其采用高強透水的生態混凝土預制，由后面下部的引導阻滑埂、中部的錨固孔、頂部的種植槽及錨固鋼筋等組成[15]，其結構樣式如圖2所示。砌塊后部主要起支護擋土作用，前部則兼具景觀復綠、動物微生物棲息和攀爬救援等功能?；デ妒缴鷳B砌塊與土工格柵、土工布等加筋材料組合設計出一種自嵌式生態復合擋土墻，結構樣式如圖3所示。

圖2 互嵌式生態砌塊結構樣式圖

圖3 自嵌式生態復合擋土墻結構樣式圖

自嵌式生態復合擋土墻中的引導阻滑埂不僅能使引導上次砌塊快速準確疊砌，而且使兩塊砌塊疊加后更加牢固，整體性更好，且引導體阻滑坎的獨特設計，使擋墻在安砌時可形成65°（引導體阻滑坎厚薄不同，坡度不同）左右的自然斜坡，可使擋墻重心向墻內偏斜，增強了擋墻的抗傾覆能力，提高了擋墻的安全穩定性；錨固孔和錨固鋼筋加強砌體、土工格柵和土工布間連接整體性。利用土工格柵在泥土端與砌塊一端由于摩擦力的關系形成了一種強大的拉力，可以牢牢拉住擋墻。泥土壓得越高則土工格柵就壓得越牢固，摩擦力越大。土工布不僅可以有效調節土體內水力分布，截留沙土流失，還可以保證土工格柵均勻受力，同時大大增加了向內的拉應力。生態砌塊后部的楔形側面能使砌塊間形成互鎖結構，增加水平橫向整體性。種植槽可以種植邊坡復綠植物，增加邊坡的美觀度，改善邊坡生態微環境。

1.3 兩方案對比分析

依據上述兩方案的描述，經綜合分析測算，漿砌石邊坡擋墻和自嵌式生態復合擋墻在實際工程應用中的主要經濟技術指標對比如表1所示。其優劣主要體現在以下幾方面：

（1）體量小，造價低：擋墻每米工程量降低42.86%，每米造價降低38.78%。

（2）節約資源，保護環境：開挖廢棄余土利用率提高80%，提高廢棄資源利用，減少對環境污染破壞。

（3）施工速度快，工期短：以機械施工為主、人工為輔，施工速度提高71.43%。

（4）應用范圍廣，適應性強：柔性墻體適應變形能力強，不易損壞，排水性好。

（5）生境好，利于生物多樣性恢復：植生槽不僅可種植各適宜的植物，還為其他生物和微生物提供了棲息空間。

（6）具景觀美化和安全輔助功能：植生槽配置美化亮化的植物，具有較好的景觀效果。用于河湖岸坡時，可成為落水者攀爬踩踏的安全救援輔助設施。

（7）墻面較抗沖刷：前部種植槽土體易受水流沖刷，較漿砌石剛性墻面抗沖刷性能差。

2 邊坡生態擋墻的設計優化

自嵌式生態復合擋土墻的施工是分層填筑、分層鋪設、分層壓實的循環過程，其工序一般為：首層生態砌塊面板砌筑，再回填土體、鋪設土工格柵等首層加筋材料，然后砌筑第二層生態砌塊面板，并回填土體、壓實，如此循環施工至擋墻頂。Plaxis是一款可以自動進行塑性分析、強度折減計算，并單獨含有土工格柵模擬本構模型的有限元分析軟件。用plaxis軟件可以模擬擋墻逐層壓填的過程，把每個工序的填土視為一次荷載，計算分析該施工邊界內面板砌塊、筋帶土工格柵和回填土等部位的變形和應力，上一工序導致的變形和應力會分別迭加到先前值中，直至所有工序完成，最后得出更加切合實際的墻體受力和變形數據。

用plaxis進行有限元極限分析，對自嵌式生態復合擋土墻優化設計的流程如圖4所示[16]。

圖4 有限元極限分析流程圖

2.1 建立有限元模型

設計模擬分析的對象是自嵌式生態復合擋土墻，墻高為3 m，墻背為回填土。根據項目勘察設計報告及實驗分析，有限元模型各材料特性參數詳見表2～表4。

假定土工格柵僅受拉應力，不考慮壓應力，其為一維的結構單元；生態砌塊間連接穩固，析出應力視為面板結構單元；土工格柵與面板單元的連接定義為剛性的；土工格柵網格尺寸挺大，土工格柵與填土間通過網格與土層的相互咬合、摩擦嵌固形成完整統一的結構單元，視二者間無滑移。不分析孔隙水壓力以及各邊界的滲透情況，不考慮擋墻實施分析過程中的外部荷載作用，只對擋墻土體自重荷載情況下的分析計算。通過Plaxis軟件建立平面應變建模，并在材料組輸入以上材料特性參數，生成如圖5所示的有限元計算模型。

2.2 無筋擋墻的穩定性分析

（1）當邊坡無生態砌塊砌筑，也無土工格柵鋪設，直接按設計坡度填筑，通過plaxis強度折減phi/c 計算，坡體的安全穩定性系數為1.071。其水平增量位移（dux）和剪切破壞滑動面分別如

圖6、圖7所示。

（2）當邊坡只進行生態砌塊砌筑，而不鋪設土工格柵，直接按設計坡度填筑，通過plaxis強度折減phi/c 計算，坡體的安全穩定性系數為1.196。其水平增量位移（dux）和剪切破壞滑動面分別如圖8、圖9所示。

依據規范，邊坡防護后的穩定性系數應符合

表5的要求[17]，若低于該標準時應對邊坡加固處理。

由上可知素土填筑坡體，穩定性差，滑動破裂面大。只有生態砌塊砌筑而不加筋直接填筑坡體的穩定性有所提高，滑動破裂面也有所減少，但安全穩定性系數仍不滿足規范設計要求，所以應在生態砌塊擋墻填筑的土體中加設土工格柵，以提高擋土墻的安全穩定性。

2.3 初步方案的穩定性分析

自嵌式生態復合擋土墻初步方案設計土工格柵從上到下每層的長度為：3.0 m、3.3 m、3.6 m、3.9 m和4.2 m，鋪設于每層從下到上1/3厚的部位，格柵間距設為0.6 m。通過plaxis強度折減phi/c 計算，初步方案墻體的安全穩定性系數為1.326，其水平增量位移（dux）和剪切破壞滑動面分別如

圖10、圖11所示。

圖10 初步方案水平增量位移圖

圖11 初步方案剪切破壞滑動面圖

由上可知初步設計方案的擋墻穩定性能滿足規范設計要求。筋帶的布設需繼續優化。

2.4 筋帶布設位置的優化

初步方案的土工格柵鋪設每層從下到上1/3厚的部位，設計一對比方案，將土工格柵鋪設的部位調整為每層從下到上2/3厚處，其他參數不變。通過plaxis強度折減phi/c 計算，對比方案墻體的安全穩定性系數為1.292，其水平增量位移（dux）和剪切破壞滑動面分別如圖12、圖13所示。

通過兩方案的對比，可知土工格柵鋪設部位靠近每層的下半部分，墻體更加安全穩定。這是因為每層土工格柵越靠近下部，其所受的土體自重荷載加大，其抗拉出強度增大。

2.5 筋帶布設間距的優化

將有限元模型中各層的土工格柵長度定為

3 m，在分析計算時保持不變，通過plaxis強度折減phi/c 計算，分析土工格柵間距分別為0.4 m、

0.5 m、0.6 m、0.7 m時擋墻的安全穩定性。計算分析結果詳見表6。

從計算分析結果可知，擋土墻的安全穩定性系數若要達到1.3，則土工格柵的鋪設間距取值為0.6 m較經濟合理。

2.6 筋帶布設長度的優化

將有限元模型中土工格柵的鋪設間距設定為0.6 m，并在此條件上分析確定各層土工格柵的最優鋪設長度。通過plaxis強度折減phi/c 計算，進行土工格柵各層不同鋪設長度擋墻安全穩定性計算分析。計算分析結果詳見表7。

從計算分析結果可知，擋土墻的安全穩定性系數若要達到1.3，只有方案一、初步方案和方案三的土工格柵設計長度滿足設計穩定性要求。方案一和方案三的剪切破壞滑動面分別如圖14、

圖15所示。

2.7 筋帶拉力驗算

土工格柵的設計拉力可按公式（1）計算得到[18]。

（1）

式中：TD—土工格柵的設計拉力；TM—土工格柵的極限拉力；γf—分項系數，一般取值1.25；—調節系數，一般取值1.8～2.5；γ0—結構體的重要性系數，一般取值1.0～1.1。

本模型土工格柵的設計拉力 =16 kN/m。

當擋墻中的土工格柵最大拉力T小于設計拉力TD時，土工格柵滿足設計要求。通過plaxis計算分析，輸出查詢每根土工格柵的拉力情況，確定土工格柵的最大拉力。

初步方案的土工格柵最大拉力T=10.67 kN/m，方案一的土工格柵最大拉力T=10.99 kN/m，方案三的土工格柵最大拉力T=10.77 kN/m，三個方案的土工格柵最大拉力都小于土工格柵的設計拉力16 kN/m，

均滿足設計要求。

2.8 確定最佳設計方案

通過表8的對比分析可知，方案三使擋墻達到的安全穩定性和使用的土工格柵總長度最合理經濟。

綜上，本項目自嵌式生態復合擋土墻的最佳設計方案如圖16所示。

3 結語

傳統的重力式擋墻護坡，費工、耗料、造價高，且不利于邊坡的植被恢復，對坡面生物多樣性恢復收效甚微。綠色生態的擋墻護坡是綠色低碳發展的重要組成部分，其對邊坡的安全穩定、植被恢復、生態修復、水土保持等具有積極的防護作用，是修復“綠水青山”的重要舉措，實現綠色發展的必然選擇。

數值分析軟件可對生態擋墻設計的各參數進行優化分析，以輔助確定最佳的生態擋墻設計方案。

在礦山、河湖、公路等邊坡工程應用中，自嵌式生態復合擋土墻相對于傳統的漿砌塊石擋墻，具有適用范圍廣、施工快、造價低、適應變形、易復綠、景觀效果好、節約資源、攀爬自救安全輔助等功能優點。在低碳減排、生態環保的發展理念中，生態復合擋土墻更值得推廣。

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Design Optimization of Slope Ecological Retaining Wall Based on Numerical Analysis

WANG Qiu-yan1，3， YI Hong-zi2

（1. Ecological Geology Brigade of Jiangxi Provincial Geological Bureau， Nanchang Jiangxi 330002，China）

Abstract： By analyzing the shortcomings of the traditional masonry slope retaining wall in the project application， a self-embedded ecological composite retaining wall with wide application range， good ecological benefits， economic and environmental protection， and safety auxiliary function was designed and improved. PLAXIS finite element software was used to analyze and optimize the layout position， spacing， length and tensile strength of the geo-grid of the ecological retaining wall， determine the best design scheme of the ecological retaining wall， and popularize it into engineering projects， so as to make the slope treatment a green， ecological and safe project with sustainable development.

Key words： slope; ecological retaining wall; numerical analysis; design optimization