石笼加固黄桥中心沟河道边坡稳定性计算

徐小平，高 锐，李 渊

（南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000）

边坡在外荷载、开挖、地下水等内外因作用下，当边坡内部某一面上的滑动力超过土体滑动力，将会发生边坡失稳[1]。边坡一旦发生坍塌，将对其周边的自然坏境产生很大的影响，如若周边存在居民，那么后果将不堪设想。这些年来，为了防止土质边坡失稳，人们采取了很多防护措施，其中石笼护坡作为最常见的护坡形式，由于其整体性及抗冲性较好、施工速度块、生态性好等优点而被广泛应用于中小型河道建设中[2,3]。本文依托南京黄河中心桥河道整治工程，讨论了石笼处理河道边坡的合理性，推导了一种新的石笼处理边坡的稳定性计算方法，有助于今后类似工程设计和参考。

1 工程概况

黄桥中心沟位于南京市江宁区禄口街道联圩内，东西走向，总长5.9 km，分东、西两段，东段长3.9 km，西段长2.0 km，主要承接禄口中心区来水。黄桥中心沟河段河道曲折，沟塘交错，沿线多支流、排口汇集，是北部禄口新城中心区的排水河道，也是目前周边农田、养殖区的排水河道。河道多年未经疏浚，淤积严重，过流能力不足；河道内水脏、水死、水臭，滨河地带荒芜凋敝，影响禄口环境整体提升；沿线无明显提防，建筑物年久失修、河岸巡查道路未贯通，不利于运行管理。为提高恢复河道排水能力，恢复河道生态，改善周边水环境，需对河道进行疏浚，并对两岸提防进行修建。

2 护岸设计

黄桥中心沟水位变幅区在6.3 m～7.3 m，常水位在6.8 m左右。河道岸坡受冲刷、侵蚀影响较大，宜遭受破坏，进而影响岸坡稳定。为提高岸坡稳定性同时考虑防冲刷及景观要求，需选用合适的护坡形式对河道岸坡进行防护。目前常见的抗冲性能较好的护坡形式包括：嵌式连锁砖护坡、生物基制混凝土护坡和石笼护坡[4]。其中连锁砖护坡混凝土制品难以与生态景观融合，综合造价偏高[5]；生物基制混凝土虽然整体性好，施工速度块，景观效果好，但是施工技术要求较高[6]。生态石笼由于整体性及抗冲性较好，施工速度块，石笼空隙较大，有利于植物生长，生态景观效果好，笼内填充的石头间有空隙，有利于坡内土壤中水的排出[7,8],因此选用了石笼护坡。护坡断面见图1，其中石笼尺寸为4 m×1.5 m×0.3 m，网片抗拉强度为30 MPa，网孔为100 mm×120 mm，网内石料尺寸为90 mm～150 mm。

图1 石笼护岸断面设计

3 石笼护坡稳定性计算

石笼护坡发生的滑动形式可分为两种：穿过坡脚的深层滑动和穿过石笼接触面的浅层滑动，见图2。其中发生深层滑动时，边坡稳定性可以直接采用土力学[9]中的瑞典条分法或毕肖普条分法计算。但是当滑裂面沿石笼接触面滑动时，上述方法不能直接使用。下面主要对浅层滑动时的边坡稳定性计算进行讨论。

图2 石笼护坡滑动形式

将石笼放置在边坡上，相当于在边坡上加了一个荷载。将石笼作为压坡体进行考虑，其受力作用图见图3。其中W1为石笼组合体的自重；P1为石笼组合体作用在边坡上的力；N1是作用于石笼底面的垂直力；T1为作用在石笼底面的抗滑力；θ 为边坡坡角；φ1为石笼和边坡土体间的摩擦角。

图3 受力作用示意图

根据石笼的受力平衡条件可得：

假设边坡安全系数为Fs，石笼间的摩擦系数为μ，则：

从式（1）、（2）可以得到石笼组合体荷载P1：

其中边坡安全稳定系数Fs为未知量，需要根据边坡条分法计算公式经过迭代计算得到。假定石笼荷载P1是均布作用在边坡上，那么其大小为P=P1sinθ/H，其中H 为石笼压坡体的高度。

瑞典条分法不考虑条间力作用，那么任一土条的平衡：

利用安全系数定义和Mohr-Coulumb 准则：

整体对圆心O 进行求距：

式中：y 为石笼压坡体作用力P1对圆心O 的力臂，以在圆心O的左侧为正，m。

整理后得：

由于石笼压坡体均布荷载p 中有待求的边坡稳定安全系数Fs，因此式（7）需要进行迭代计算。

黄桥中心沟边坡坡比为1∶1.5，边坡岩体以粉质黏土为主，其平均干重度为19.8 kN/m3，饱和重度为20.3 kN/m3，内摩擦角11°，粘聚力27.2 kPa。堆放的石笼宽度为1.5 m，石笼与边坡接触面间摩擦角为φ1=15°，石笼与边坡底部水平面摩擦系数μ=0.6，石笼内石料摩擦角为44.3°，粘聚力为0，密度为2.67 g/cm3。取边坡厚度为1 m，根据碎石密度可以算出石笼压坡体的自重为1.81×105kN（忽略石笼笼子的质量）。此时石笼组合体荷载p 可表达为：

将滑动土体沿水平向平均分成10 个土条，采用瑞典条分法对边坡滑动圆心进行检索，采用公式（7）迭代计算不同位置的圆心的安全系数，绘制出的圆心安全系数等值线见图4。

图4 黄桥中心沟河道石笼护坡安全系数计算

未经石笼边坡处理的边坡可直接采用瑞典条分法进行计算，其稳定安全系数为1.04；经过石笼处理后的边坡按照深层滑动的安全系数依然采用瑞典条分法进行计算，其稳定安全系数为1.42，按照浅层滑动的安全系数按照上述公式（7）计算，根据图4 可见其安全系数为1.31，取两者较小值，得到石笼处理的边坡稳定系数为1.31。对比石笼护坡发生深层滑动和发生浅层滑动两种滑动方式的稳定性安全系数，可见石笼护坡更容易发生浅层滑动，因此在类似工程计算石笼护坡时，应着重考虑石笼护坡发生浅层滑动时的稳定性安全系数；对比未经石笼处理的边坡和石笼处理后的边坡稳定性安全系数，可见石笼处理后的边坡比未处理前提高了26%，显然，有石笼处理的边坡稳定性安全系数更高。

4 结论

本文采用石笼护坡对黄桥中心沟河道两岸岸坡进行了加固，并推导了一种石笼处理边坡的稳定性计算方法，将该方法应用于黄桥中心沟两岸石笼护坡稳定性分析中，得出以下结论：

1）石笼整体性及抗冲性较好，施工速度块，石笼空隙较大，有利于植物生长，生态景观效果好，笼内填充的石头间有空隙，有利于坡内土壤中水的排出，能够很好的适用于本文黄桥中心沟河道边坡处理；

2）石笼处理后的边坡可能会发生边坡内部的深层滑动或沿石笼底部和原来边坡的浅层滑动破坏，在边坡设计时应考虑两种破坏模式下的边坡稳定性，深层滑动稳定性计算可采用常规瑞典条分法计算，浅层滑动可采用本文提出的计算方法；

3）石笼作为压重作用处理边坡，能够有效提高边坡稳定性。本文黄桥中心沟石笼处理后的边坡安全系数提高达26%。