淺析土工格室生態護坡抗沖刷性能

結合簡陽空港大道路塹邊坡綠化工程，用土工格室生態護坡原材料開展降雨沖刷試驗。通過模擬降雨環境下土工格室拉線位移傳感器的反饋數據研究，對比三種工況下的位移分析后提出，減小土工格室焊距與格室內植被土填充厚度可有效提高土工格室的承載力。經實施，該工藝對邊坡抗沖刷性能有一定提升作用。

土工格室； 焊距； 植被土； 填充厚度； 抗沖刷性能

U417.1+2B

［定稿日期］2024-08-23

［基金項目］四川華西集團科技項目課題（項目編號：HXKX2021025）

［作者簡介］趙兵（1976—），男，本科，高級工程師，主要從事工程管理工作。

0 引言

目前關于土工格室護坡的穩定性分析主要分為極限平衡法與數值仿真分析方法。張季如等［1］提出了格室穩定分析的計算方法，分析了邊坡坡度、鉚釘間距、格室深度以及土工格柵加筋對格室穩定性的影響。李忠臣［2］基于張季如提出的土工格室穩定分析模型，將其應用于京張高鐵坡率為1∶0.3的高陡巖質邊坡工程中，計算分析了不同坡率和固土深度工況下對土工格室材料強度的要求，并對邊坡土工格室表面監測數據進行分析。任敏松［3］基于強度系數折減法和流固耦合理論，利用有限元分析軟件ABAQUS對選取的工程邊坡進行了三維有限元模擬，通過比較不同降雨強度條件下邊坡的安全系數以及72 h的降雨過程中坡體內部的各項參數變化情況得到降雨對工程邊坡的整體穩定性的影響情況。左政等［4］通過對焊接、插接、鉚接3種結點連接方式的土工格室進行單軸拉伸試驗，研究了結點連接方式對土工格室條帶性能的影響，比較了在不同受力狀態下結點的失效模式及抗拉強度。

本文在前人工作的基礎上采用模擬實驗研究土工格室護坡在降雨過程中的破壞機理，然后在此基礎上，采用數值分析的方式研究土工格室規格與格室深度對護坡抗沖刷性能的影響規律及其程度。

1 工程概況

簡陽空港大道K0+000～K8+715.509段綠化工程路線兩側路塹邊坡采用土工格室生態護坡防護，該地區為四川盆地中亞熱帶濕潤氣候，年總降水量平均值 895.6 mm。

應用項目生態護坡采用的土工格室高度為100 mm，焊接間距為1 000 mm，片材厚度為1.3 mm。錨桿采用Q23520 mm鋼筋，坡面錨桿布置見圖1。

生態護坡的施工順序為：坡面整理—排水設施施工—坡面錨桿施工—掛土工格室—格室內充填植被土—噴播生態基質—蓋無紡布養護。其中植被土與生態基質的基本物理指標見表1。

2 降雨沖刷試驗

為研究土工格室護坡與其表層生態基質層在降雨時的破壞機理，本文取一個錨桿間距的土工格室區域邊坡開展降雨模擬試驗，依次安裝錨桿、土工格室、填充填料層、噴播生態基質層，生態基質層養護3天后進行降雨沖刷試驗。以土工格室發生斷裂或格室內土壤流失能見基巖時為土工格室生態護坡破壞條件。

2.1 試驗過程

2.1.1 安裝邊坡模型

在降雨箱內安裝1∶1坡率的2.2 m×2.2 m×15 cm（長×寬×高）邊坡模型，在模型邊坡的四角與中心位置安裝一根U性螺桿模擬U型錨桿，螺桿斜距為1.5 m。

2.1.2 安裝土工格室

先固定螺桿處土工格室，然后用鐵絲固定坡頂、坡度、兩個順坡邊界，使模型內土工格室處于安全拉伸狀態。

2.1.3 粘貼應變片

選擇邊坡中間上、中、下土工格室連接處，沿連接點四邊分別粘貼一個單軸應變片，共計12個應變片。

2.1.4 填充植被土并安裝位移傳感器

當植被土填充厚度5 cm時，埋置拉線位移傳感器的活動端，在水平固定拉線位移傳感器的固定端，然后繼續填充植被土直至10 cm厚度。

2.1.5 噴播基質層

基質噴播厚度為5 cm，基質噴播后養護3天進行降雨沖刷試驗。

2.2 試驗結果

以10 mm/min雨強持續降雨10 min時，對應降雨量為100 mm（大暴雨天氣），土工格室未出現斷裂現象，也未出現格式內植被土明顯流失現象，邊坡整體無滑動趨勢，坡面無嚴重沖蝕現象，即在大暴雨天氣下，該土工格室與基質邊坡處于基本穩定狀態。

當繼續降雨時，坡面沖蝕情況逐漸較嚴重，土工格室單元格內土體含水率快速上升，土體由軟塑狀態逐步過渡到流塑狀態，在自重作用下基質層沿邊坡逐漸流失，填料層沿邊坡向下緩慢滑動，導致單元格內土體與土工格室上側邊界逐漸脫離形成空隙，雨水流入土工格室內且不能及時排出，進一步增加單元格內土體自重。隨著降雨量增大，土工格室內土體自重快速增大，土工格室的內力逐漸增大，直至內力超過土工格室焊接點抗拉強度，土工格室發生破壞，內部土體隨之發生整體滑移破壞。土工格室斷裂后破壞過程見圖2。

3 抗沖刷性能分析

針對降雨時土工格室生態護坡的破壞模式，可采用降低格室內填料厚度減輕自重或減小土工格室焊距的方式提高土工格室的承載力，進而提升生態護坡的抗沖刷性能。因此，本文設計表2中3種工況，采用ABAQUS有限元軟件數值分析土工格室邊生態護坡降雨入滲過程。

3.1 建模流程

工況1～工況3建模流程一致，僅需改變土工格室的焊距及其內部填料的厚度即可分析對應工況。

3.2 計算結果

數值仿真計算內容包括土工格室生態護坡的整體位移，錨桿的位移與應力，土工格室的位移與應力。

3.2.1 工況1計算結果

本工況的邊坡最大位移為1.74 mm；錨桿最大應力為111.2 MPa，最大位移為0.64 mm；土工格室最大應力為0.89 MPa，最大位移為1.65 mm，節點最大應力為0.504 MPa，計算結果見圖3。

3.2.2 工況2計算分析

本工況的邊坡最大位移為1.47 mm；錨桿最大應力為176.1 MPa，最大位移為0.76 mm；土工格室最大應力為0.62 MPa，最大位移為1.38 mm，節點最大應力為0.612 MPa，總體計算結果見圖4。

3.2.3 工況3計算分析

本工況的邊坡最大位移為0.99 mm；錨桿最大應力為118.5 MPa，最大位移為0.51 mm；土工格室最大應力為0.42 MPa，最大位移為0.92 mm，節點最大應力為0.309 MPa，總體計算結果見圖5。

3.3 結果分析

對比工況1與工況3計算結果，在相同條件下，當土工格室的焊距由1 000 mm減小為330 mm時，工況3除錨桿最大應力較工況1略有增大，但仍小于錨桿抗拉強度205 MPa，其余各項計算內容的結果均較工況1明顯降低，其中土工格室最大節點應力為控制項，工況3較工況1的最大節點應力降低22.62%，即在相同條件下承載力提升22.62%，各項內容計算結果及對比見表3。

對比工況2與工況3計算結果，在相同條件下，當土工格室內填料層厚度由10 cm減小為5 cm時，工況3各項計算內容的結果均較工況2有明顯降低，其中土工格室的最大節點應力為控制項，工況3較工況2的最大節點應力降低36.27%，即在相同條件下承載力提升36.27%，各項計算內容結果及對比見表4。

4 項目應用

基于以上實驗結果，簡陽空港大道項目采用了高陡邊坡土工格室防護應用實驗，對土工格室焊距與格室內植被土填充厚度進行了適當調整。在基材噴播3～20天后，植物種子開始發芽，在30～60天時形成草坪，植被的覆蓋率在70%以上，如圖6所示。施工過程中的滑坡情況得到了一定程度的改善，在強降雨天氣下表現出較好的抗沖刷性。

5 結論

本文降雨沖刷試驗所述土工格室生態護坡所能承受的極限降雨量為100 mm，對應極端條件為大暴雨天氣。在相同條件下，當土工格室焊距由1 000 mm減小為330 mm時，土工格室承載力提升22.62%；當土工格室內種植土厚度由10 cm減小為5 cm時，土工格室承載力提升36.27%；即減小土工格室焊距與格室內植被土填充厚度可有效提高土工格室的承載力，故綜合建議施工時合理選擇采土工格室的焊距與植被土厚度，進而提高土工格室生態護坡在極端惡劣天氣下的抗沖刷性能。

土工格室系統分層疊砌時，可形成一個滿足項目特定的所有結構要求的經濟的擋土墻。該系統結構靈活，并通過完全植被化墻面給人以審美享受。外層土工格室露出填土所形成的水平露臺，使植被能蓬勃生長。該系統能擷取雨水并控制地下水蒸發，為植被創造一個更自然的環境。

參考文獻

［1］ 張季如，朱瑞賡，程序橋.土工格室用于巖石邊坡植被侵蝕防護的穩定性分析［J］.巖土力學，2003（3）：359-362.

［2］ 李忠臣.土工格室在高陡巖質邊坡防護體系中的應用［J］.路基工程，2021（1）：179-182.

［3］ 任敏松. 基于ABAQUS的土工格室生態邊坡穩定性數值模擬研究［D］.濟南：山東大學，2015.

［4］ 左政，楊廣慶，劉英，等.土工格室不同結點連接方式失效機制試驗研究［J］.巖土工程學報，2021，43（9）：1682-1690.

［5］ 何文斌.土工格室護坡的施工工藝［J］.交通世界（建養.機械），2013（7）：166-167.

［6］ 李秀蘭.淺談高速公路植物防護的施工工藝［J］.青海交通科技，2011（6）：45+47.

［7］ 王廣月，王云.土工格室生態邊坡穩定性數值模擬分析［J］.應用基礎與工程科學學報，2016，24（5）：924-933.