阶梯型石笼护岸结构及岸坡稳定性分析

刘 佳，平 凡

（赣州市水利电力勘测设计研究院，江西赣州341000）

0 引言

现代城市河流的治理，除防洪外，就是沿堤岸形成园林化景观以及河流的水质环保问题。因此，合理科学地建设城市堤防工程对保护河岸生态、控制生态破坏是十分必要的[1-3]。

生态型护岸型式能够增进河岸与河水的渗透性能，创造良好的生物的生存环境，进而促进河道生物的多样性，加强河水的自净能力，同时也可创造出漂亮的天然景观[4-8]。

采用有限元数值模拟软件，建立石笼挡土结构的数值模拟，考虑3种填土压实度、石笼高度、基础延伸长度等因素，对石笼护岸结构进行应力变形分析及岸坡稳定性分析，并对各因素进行敏感性分析。

1 生态型石笼挡土结构特点

石笼护岸结构，也称格宾结构，早在古代就出现过，古人采用藤条编成的竹笼框里面填筑石块，用于封堵河道缺口，比如在都江堰修建时，石笼结构被大量运用于水利工程的建设中。

在国内，石笼结构用于河道护岸结构的工程较多，大体上可以分为重力式挡墙结构和加筋土挡墙结构，其中重力式挡墙结构又分为直背型和阶梯型。石笼结构是由六边形钢线组成的方形笼子，具有六角形的网孔，内部填筑块石，块石适用当地山体石料。按高度分类，石笼网箱有3种型号，即1.0，0.5，0.4 m。

2 石笼护岸结构有限元模型建立

2.1 有限元几何程序的确定

MIDAS-GTS是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，不仅支持线性/非线性静力分析、线性/非线性动态分析、渗流和固结分析、边坡稳定分析、施工阶段分析等多种分析类型，而且可以进行渗流-应力耦合、应力-边坡耦合、渗流-边坡耦合、非线性动力分析-边坡耦合分析。广泛运用于地铁隧道、边坡、基坑、桩基、水利工程、矿山工程等各种工程的建模分析。采用此软件对石笼挡土结构进行应力变形、边坡稳定性分析。

2.2 石笼护岸结构的几何模型

采用有限元数值计算软件，针对阶梯型的石笼挡土结构进行建模，同时考虑了石笼高度（7，6，5 m）、基础延伸长度（0，1，2 m）。每层石笼高度为1 m，具体结构尺寸和材料如图1所示。

图1 阶梯型石笼（高度为7 m）挡土结构计算工况简图

2.3 计算假定及材料参数

为了探讨石笼挡土结构在施工过程中岸坡的力学响应以及岸坡的稳定性，采用了有限元数值计算软件进行分析。在实际工程中，石笼网结构由石笼和块石填料所组成，但工程中关注的是石笼挡土结构整体稳定性以及其对岸坡的固坡效应。因此，在数值模拟之前，提出以下假定：①假设石笼网与块石填料之间无相关作用，将两者视为整体进行考虑，其材料参数综合考虑了两者的共同作用，材料采用理想弹塑性本构模型，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则；②将石笼块石填料考虑成连续介质。

在有限元计算分析中，根据以下步骤进行操作：①建立几何模型；②对材料进行分区，设置材料参数；③划分有限元网格；④对模型施加重力和模型边界条件，其中模型两侧施加水平约束，底部施加固定约束；⑤对原始地基进行初始地应力分析；⑥对基础进行换填；⑦分层施工石笼、填土，先施工石笼结构，然后再填土，逐步施工至结束；⑧回填土体上部加工作荷载；⑨执行计算，并分析。计算采用的材料力学参数如表1所示。

表1 计算材料参数

2.4 计算工况

针对石笼挡土护岸结构进行数值模拟，主要分析其在施工过程中的应力变形情况，以及不同因素对护岸结构稳定性的影响，具体计算工况如表2所示。

表2 计算工况

方案1～3探讨填料压实度的影响，方案3～5探讨石笼结构高度的影响，方案3，6，7探讨石笼结构基础换填延伸长度的影响。

为方便计算，将填筑顺序进行以下处理。以方案1为例，当基础换填后，其分层填筑过程如下：①石笼第1～2层填筑；②填筑第1～2层回填土；③石笼第3～4层填筑；④填筑第3～4层回填土；⑤石笼第5层填筑；⑥填筑第5层回填土；⑦石笼第6层填筑；⑧填筑第6层回填土；⑨石笼第7层填筑；⑩填筑第7层回填土。

为监测施工过程中结构的应力、变形数据，监测点设置如图2所示，其中1～7点为监测施工过程中的变形情况，A点为监测水平、竖向应力情况。

图2 监测点示意图

3 施工过程应力变形分析

3.1 不同填土压实度

通过提取工况1—7的模型中监测点1—7和A点的监测数据，得到石笼挡墙墙背底部测点A的水平土压力变化趋，以及石笼挡墙前端变形数据如图3（a）所示。

从图3（a）可以看出，随着填筑过程的进行，测点A的水平土压力逐渐增大，每次填筑回填土后，土压力有一定幅度的增加，填筑石笼结构后，土压力有一定幅度的衰减，从增长规律来看，每层施工引起的土压力增长比较均匀（第2步和第4步填筑了2层）。回填土压实度对土压力的影响较小，基本可忽略不计。

图3 施工过程中石笼挡土结构A点水平土压力变化趋势

图4(（a）为施工结束后不同填土压实度情况下阶梯型石笼挡土结构墙背水平位移变化趋势。从水平位移规律分布情况来看，在高程3～5 m之间，其水平位移达到最大。随着填土压实度的增大，水平位移明显得到了降低，说明提高回填土的压实度，即增加了回填土的粘结强度和摩擦强度，能减小石笼挡墙的变形。

3.2 不同石笼高度

从图3（b）可观察到，石笼高度对施工过程中墙背底部测点A的水平土压力略有影响，在填筑第6步后，即填筑完第5层回填土后，石笼高度越低，其水平土压力增长速率越大，施工结束后，石笼高度越低，测点A的水平土压力越小。

从图4（b）发现，对于阶梯型石笼挡土结构，石笼高度越低，其墙外侧的水平位移越小，当石笼高度从7 m降至5 m后，其最大变形减小幅度达到近10 mm。

3.3 不同延伸长度

图3（c）为探讨不同基础延伸长度对阶梯型石笼挡土结构应力变形的影响，对比发现，基础延伸至2 m后，墙背底部测点A的水平土压力较基础未延伸时增加了10 kPa左右，延伸1 m和延伸2 m增加的土压力基本一致。

从图4（c）可说明，不同延伸长度对阶梯型挡土结构的变形影响，发现基础延伸长度越大，反而增大了石笼墙体表面的水平位移，不过延伸长度为1 m和2 m时的位移值相差不大。

图4 施工结束后石笼挡土结构水平位移变化趋势

4 挡土结构对岸坡稳定性影响

采用有限元强度折减法对各方案的岸坡模型进行稳定性分析，计算结果如表3。

从表3发现，回填土上方加荷后的稳定性系数较填筑结束时的稳定性系数略有下降，降幅在6.25%～8.06%之间。为进行因素敏感性分析，对数据进行整理见图5。

表3 不同计算工况下岸坡稳定性计算结果

4.1 不同填土压实度

从图5（a）可知，对于阶梯型石笼挡土结构，当回填土压实度为90%，93%，95%时，岸坡稳定性系数分别为2.11，2.15，2.18，总增幅为3.32%。

4.2 不同石笼高度

从图5（b）可发现，对于阶梯型石笼挡土结构，当石笼高度为5，6，7 m时，岸坡的稳定性系数分别为2.92，2.48，2.18，总降幅为25.34%。

图5 挡土结构对石笼岸坡稳定性系数的影响

显然，岸坡越高，稳定性系数越小，在实际施工时，应合理控制石笼挡土结构的高度。

4.3 不同基础延伸长度

从图5（c）中可得到，基础延伸长度对岸坡的稳定性影响几乎可忽略不计，分析其原因，主要是因为本文建立的岸坡模型中最危险滑弧并不是深层滑动形式，此外，原地基土体强度参数并未远小于石笼的参数，因此基础延伸长度的加大对岸坡整体稳定性的影响并不是很明显，其目的主要是为了增强地基承载能力。

5 结论

针对阶梯型石笼护岸结构，采用有限元数值模拟手段，考虑回填土压实度、石笼高度、基础延伸长度，对石笼挡土结构的应力变形及岸坡的稳定性进行敏感性分析。

结果表明，提高回填土的压实度，有利于减小石笼挡墙的变形，同时有利于提高岸坡整体的稳定性；石笼挡墙高度越低，其自身稳定性及岸坡稳定性越高；基础延伸长度对阶梯型石笼挡墙的影响较小，但延伸长度超过1 m后对结构的影响甚微，因此在工程中对基础延伸长度适当控制即可。此外，由于模型的几何结构和材料参数的原因，其最危险滑裂面并不是深层滑动，因此增加基础延伸长度对岸坡整体稳定性基本无影响。