不同土体下铰接式混凝土砌块护坡稳定性研究

刘兵正，刘艳，董桂华，张玉清

（1.内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古呼和浩特　010020；2.沈阳标准化研究院，辽宁沈阳　110020；3.阜新市水资源管理办公室，辽宁阜新　123000；4.沈阳农业大学，辽宁沈阳　110866；5.辽宁省设施农业环境与装备工程研究中心，辽宁沈阳　110866）

不同土体下铰接式混凝土砌块护坡稳定性研究

刘兵正1，刘艳2，董桂华3，张玉清4，5

（1.内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古呼和浩特010020；2.沈阳标准化研究院，辽宁沈阳110020；3.阜新市水资源管理办公室，辽宁阜新123000；4.沈阳农业大学，辽宁沈阳110866；5.辽宁省设施农业环境与装备工程研究中心，辽宁沈阳110866）

护坡是保护河岸与堤防安全的重要工程。利用强度折减法和有限差分原理，应用FLAC软件计算了沈阳市鸟岛公园铰接式混凝土砌块护坡的稳定安全系数。在此基础上，进一步探讨了在不同土体状况下的不同坡度和不同砌块质量时该护坡的稳定安全系数，获得了合理的坡度和砌块质量，为该护坡设计和应用提供了参考依据。

护坡；稳定性；不同土体

护坡是河道治理和堤防安全的重要工程。经常使用的护坡有现场浇筑混凝土、毛石护坡、浆砌石护坡等形式，这类护坡常常是强调了护坡的单一功能，对生态环境的保护起到了负面的影响与作用。因此，在有些护坡的设计过程中，将对环境有益的影响因素加以考虑，使护坡的形式就由以往的纯工程性护坡逐渐向生态环保型护坡方向发展［1-5］，铰接式混凝土砌块护坡就此开始被使用。

当前，针对铰接式混凝土砌块护坡稳定性从理论方面研究还不多见［6-9］，绝大多数文献都是施工方法的介绍。为此，本文以沈阳鸟岛公园铰接式混凝土砌块护坡为例，利用强度折减法和有限差分原理，并采用FLAC分析软件探讨该护坡不同土体状况下的稳定性，从而为该护坡设计和应用提供参考依据。

1　工程概况

沈阳鸟岛公园位于浑河城区段上游，河中形成一岛屿，面积约0.8 km2，周边长约3.5 km，位置如图1所示。由于2005年发生大洪水，使岛周围原有干砌石护坡被冲毁。鸟岛公园为2006年沈阳“世园会”的一部分，工期仅半年，因此本工程要求：提高护坡抗冲刷能力，护坡形式须考虑景观效果，不能减小岛的面积，施工进度要快［10］。经综合考虑并与其它形式护坡进行比较，最终采用铰接式混凝土砌块护坡。砌块形状和尺寸如图2所示，坡脚和坡顶的铺筑方式如图3所示。

图1　沈阳鸟岛公园位置示意

图2　铰接式混凝土空心砌块和实心砌块形状及尺寸

图3　坡脚和坡顶铺筑形式

2　强度折减法的基本原理

按照安全系数的定义，假设在某个剪切面上土体中任一点的抗剪强度可用Mohr-Coulomb破坏准则表示为［11］：

式中：τ——作用在剪切面上的切向应力，kPa；

c——土的的粘聚力，kPa；

σ——作用在剪切面上的法向应力，kPa；

φ——土的内摩擦角，（°）。

则该点土体在假设剪切面上的强度折减系数F（即安全系数）为：

式中：τf——土的抗剪强度，kPa。

如果此时土体未发生剪切破坏，土的实际剪应力与实际中得以发挥的抗剪强度相同，即：

式中：c'——折减后土的粘聚力，kPa；φ'——折减后土的内摩擦角，（°）。折减后的抗剪强度指标分别为：

式（4）中F可以看作为强度折减系数。强度折减法的关键是用式（3）和式（4）来调整土的c和φ，之后对护坡稳定性进行数值计算，循环计算，直至折减系数达到临界破坏，此时的折减系数即为安全系数F。

3　FLAC计算原理

FLAC软件的基本原理是拉格朗日有限差分法（fast lagrangian finite difference method）。拉格朗日法采用差分方法求解，首先将要求解的区域划分成四边形的网格，在边界和周围等不规则处也可用三角形网格拟合。

采用FLAC进行数值模拟时，有3个基本部分必须指定：有限差分网格；本构关系和材料特性；边界和初始条件。网格用来定义分析模型的几何形状，本构关系和与之对应的材料特性用来表征模型在外力作用下的力学相应特性，边界和初始条件用来定义模型和初始状态。

4　工程实例分析

沈阳市鸟岛公园护坡工程坡度为29°，采用45 kg砌块，计算其稳定安全系数。具体参数见表1，护坡的几何形状及坡面受力见图4，网格划分见图5。经计算，护坡的稳定安全系数为1.79＞1，护坡安全。

表1　护坡工程材料的参数

图4　采用45 kg砌块护坡的几何形状及坡面受力

图5　护坡网格划分

5　不同土体的护坡稳定性分析

5.1计算模型

对于铰接式混凝土砌块护坡，坡顶有砌块，并在其上浇筑1 m宽的混凝土压重，坡底做浆砌石护脚，因此砌块不同质量时护坡不同位置受力不同，如表2所示，荷载均按照均布载荷计算。不同土体材料参数如表3所示。

表2　护坡不同位置作用荷载kN

表3　不同土体材料的性能参数

5.2稳定安全系数

不同坡度和砌块质量时，护坡的稳定安全系数计算结果如表4所示。

从表3、表4分析可知，随着土体粘聚力增大和内摩擦角减小，护坡的坡度角随之增大到一定角度，黏土护坡稳定性更好。不管何种土体，当坡度为40°～45°，砌块质量为45～55 kg时，护坡的稳定性较容易得到保证，并且可以减少砌块数量，容易装运，方便施工。

6　结语

（1）通过工程实例可以看出，选择铰接式混凝土砌块护坡能够满足安全稳定性的要求。

（2）对于同一土体，护坡稳定安全系数随着坡度和砌块质量增加逐渐减小，但是砌块质量对护坡稳定安全系数影响不是特别显著。

（3）随着土体粘聚力增大和内摩擦角减小，护坡的坡度角随之增大到一定角度，黏土护坡稳定性更好。不管何种土体，当坡度为40°～45°，砌块质量为45～55 kg时，护坡的稳定性较容易得到保证，并且可以减少砌块数量，容易装运，方便施工。

［1］徐海波，宗瑞英.谈城市河道生态护坡技术［J］.工程建设与设计，2005（1）：57-59.

［2］夏继红，严忠民.国内外城市河道生态型护岸研究现状及发展趋势［J］.中国水土保持，2004（3）：20-21.

［3］夏继红，严忠民.生态河岸带研究进展与发展趋势［J］.河海大学学报：自然科学版，2004，32（5）：252-255.

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［5］夏继红，严忠民，蒋传丰.河岸带生态系统综合评价指标体系研究［J］.水科学进展，2005，16（5）：345-348.

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［7］苏忖安，张登祥.镶嵌铰接混凝土板式护坡加固长江千堤研究［J］.人民长江，2003（2）：14-16.

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Study on stability of joint concrete blocks slope for different soil

LIU Bingzheng1，LIU Yan2，DONG Guihua3，ZHANG Yuqing4，5
（1.Hydro and Power Design Institute of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010020，Inner Mongolia，China；2.Shenyang Institute of Standardization，Shenyang 110020，Liaoning，China；3.Water Management Office of Fuxin City，Fuxin 123000，Liaoning，China；4.Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，Liaoning，China；5.Engineering＆Technology Research Center of Protected Agricultural Environment and Equipment of Liaoning Province，Shenyang 110866，Liaoning，China）

The slope protection is an important infrastructure to ensuring riverbank and dyke safety.In this paper，the safety factor of stability for the actual project——the Hinge Joint Concrete Block Slope of Shenyang City Park，is calculated by using the principles of strengthen reduction method and finite difference method and software FLAC.On the basis of this，the safety factor of slope stability is further calculated with different slope grade and different blocks quality in different soil.The logical slope grade and block quality is obtained to provide a reference for the slope design and application.

slope protection，stability，different soil

TU528.79

A

1001-702X（2015）09-0051-03

农业部公益性行业（农业）科研专项（201203002）；“十一五”国家科技支撑计划子课题（2011BAD12B03-02）；辽宁省海洋与渔业厅科研项目

2015-05-28

刘兵正，男，1976年生，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，主要从事水利水电枢纽设计。