箱式绿化混凝土挡墙稳定及变形分析

甘 磊 龙一飞 沈振中 张宏伟

(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京

210098)

城市河道以往仅注重行洪排涝功能，很大程度上忽略了河道作为自然景观的存在，河道的硬化处理严重影响着河道中生物、微生物的生存，河道自净能力遭到破坏，河道作为生态廊道的功能消失殆尽.2015年国务院办公厅明确提出“加强对河湖等水体的保护和恢复，禁止河道硬化等破坏水生态环境的建设行为，要加强河道系统整治，实施生态修复，营造多样性生物共存环境”.如何安全有效地解决河道功能与生态形式的矛盾问题迫在眉睫.绿化混凝土[1-3]一般由粗骨料、胶凝材料以及各种添加剂按比例混合而成，除了具备抵御河水对河岸的冲刷作用的能力，还具有高透水性，有优越的生态功能.依据种类不同，绿化混凝土可分为敷设式、孔洞型以及随机多孔型[4].箱式绿化混凝土挡墙采用合适粒径碎石制成复合随机多孔型混凝土，是一种防护、生态、自净、景观功能为一体的新式生态混凝土挡墙[5-6].近年来，由于工期短、造价底、透水性好、生态功能强等优点[7]，得到迅速推广，但河道生态挡墙的稳定计算相关成果较少[8].

南方某城市河道岸坡整治工程采用箱式绿化混凝土挡墙方案进行了岸坡生态改造.本文基于该整治工程，采用刚体极限平衡法，考虑坡顶人群荷载与河内水位，计算治理后河岸边坡的整体稳定安全系数，分析治理后河岸边坡的变形及箱式绿化混凝土挡墙结构的应力分布情况；从安全角度分析箱式绿化混凝土挡墙方案的合理性.

1 计算原理

渗流计算采用多孔介质饱和-非饱和渗流理论[9].忽略毛细现象、非饱和部分和蒸发的影响，将渗流达西定律代入渗流连续性方程，按不可压缩流体在不可压缩多孔介质中的稳定渗流基本微分方程求解.采用有自由面渗流问题的变分不等方程，求解区域包括渗流饱和区和非饱和区.河岸边坡渗流计算模型边界分布如图1所示.

图1 边坡渗流边界条件示意图

边坡稳定计算采用刚体极限平衡法中的简化毕肖普法[10].其安全系数计算公式为

式中，W为土条重量(g)；P为水压力(N)；E和X为土条间相互作用的法向和切向力(Pa)；N和T为土条底部的总法向和总切向力(Pa)；u为孔隙水压力(Pa)；b为土条厚度(m)；R为圆弧 半径(m)；α为 土条底滑面与水平面的夹角(°)；β为边坡与水平面的夹角(°)；e为水压力作用点与滑弧圆心的竖直距离(m)；φ为堆石的内摩擦角(°).

由于等式两端均含有Fs，故需要迭代求解.经过若干次迭代即可满足精度要求.

假定各土体条底部滑动面具有相同抗滑安全系数，该数值为整个滑动面的平均安全系数，分析中考虑孔隙水压力.河岸边坡应力变形计算采用GEOSIGMA 软件进行有限元计算.静力有限元法支配方程为

式中，[K]为整体劲度矩阵，{R}是等效节点荷载列阵，{δ}为待求解节点位移列阵，由此可以计算得到各单元内的位移和应力.其中，[K]和{R}是由相应的单元矩阵组装而成的

式中，[x]为单元选择矩阵；[D]为弹塑性矩阵；[B]为应变矩阵.

边坡稳定计算模型取边坡挡墙及其下部分地基土体，其模型位移边界条件如下：左、右两侧地基边界施加y向约束，地基底部边界施加x、y两向约束.

2 模型概况

2.1 计算模型

将治理后的河岸边坡分为箱式生态混凝土砌块、砌石挡墙、加筋土层、边坡土层4个区域.治理后边坡工程材料分区有限元网格如图2所示.

图2 计算模型网格

计算域选取如下：坡顶水平向坡后方延伸约2倍边坡高度；坡脚水平向坡外延伸约1倍边坡高度，坡底向下延伸约1倍边坡高度.模型坐标系如下：取x轴指向坡内侧，y轴为垂直方向，向上为正.其中有限元节点8306个，单元8152个.有限元计算结果中应力符号：压为正，拉为负.

2.2 计算参数

结合工程实测参数及类似工程经验，确定各分区材料计算参数值，具体计算参数见表1，表中渗透参数是参照类似工程经验进行选定的，其他参数由设计单位提供.

表1 边坡各材料参数表

2.3 计算工况

考虑到施工及河内过水、坡顶人群荷载等情况，确定计算工况，具体见表2.边坡稳定及应力变形计算的工况一致.其中6.9m 水深为设计水位.工况1至工况6分别为不同水位与人群荷载的不同组合的正常运行下计算工况，偏保守考虑设定河内水位由6.9m 骤降至0m 的工况7.人群荷载根据公路工程技术标准(JTG-B01 2014)中关于该荷载的规定，取3.5kN/m2(即3.5kPa).

表2 计算工况表

3 计算结果

3.1 渗流分析

渗流计算主要是为分析边坡安全系数与应力变形计算提供孔隙水压力，河内水深6.9m 时，治理后边坡孔隙水压力分布及浸润线位置如图3所示.

图3 河内水深6.9 m 时边坡孔隙水压力分布(kPa)

从图3可知，当河内满水时，河内水向坡内补给.同时，浸润线在混凝土砌块中下降较大，在坡内变化较缓.

3.2 稳定性分析

工况1至工况4及工况7边坡安全系数计算值见表3.

表3 稳定计算结果表

各工况边坡均为深层滑动.河内满水时，浸润线以下由天然容重变为浮容重，重力产生的下滑力减小.同时，水由坡外侧向坡内侧流动，形成指向坡内的渗流体积力.两种因素导致蓄水时边坡稳定性系数有所提高.坡顶施加人群荷载后，其增大了边坡下滑力，导致边坡安全系数减小约0.9%～3.2%，但安全系数均大于1.3.工况7水位骤降情况下，安全系数较设计水位及无水工况下低，但仍然大于1.3，能够保证边坡的安全运行.部分典型工况的边坡稳定安全系数及滑弧位置图如图4所示.

图4 边坡稳定安全系数及滑弧位置图

3.3 应力变形分析

边坡在人群荷载作用下的应力变形计算结果见表4.河内有水与无水情况，人群荷载引起的沉降水平位移规律一致，沉降最大值位移坡顶后方，最大沉降值均小于1.0mm；水平位移指向坡外侧，位于边坡1/3高处混凝土砌块附近，最大水平位移值均小于0.2mm.工况6的边坡位移分布如图5所示.

表4 边坡位移计算结果表

图5 工况6边坡位移分布图(m)

砌石挡墙应力计算结果见表5，箱式绿化混凝土砌石挡墙存在一定应力集中现象.砌石挡墙在河内满水时存在拉应力，拉应力最大值为60kPa；在河内无水情况下砌石挡墙压应力最大值约为300kPa.工况6的砌石挡墙应力分布图如图6所示.

表5 砌石挡墙应力计算结果表

图6 工况6砌石挡墙应力分布图(kPa)

由图7可见混凝土砌块也存在一定应力集中现象，但混凝土砌块在河内满水和无水时均存在拉应力，其大小约为77kPa.工况5和工况6的混凝土砌块应力计算结果见表6.

图7 工况6混凝土砌块应力分布图(kPa)

表6 混凝土砌块应力计算结果表

4 结 论

结合某治理后的高陡边坡，考虑河内水位及坡顶人群荷载对岸坡稳定及应力变形的影响，从安全角度论证箱式绿化混凝土挡墙治理方案的合理性.主要结论如下：

1)经过箱式绿化混凝土挡墙边坡治理后，河岸边坡稳定安全系数均大于规范要求的1.30，且均为深层滑动.治理后的边坡稳定性仍能满足整体稳定要求.

2)砌石挡墙拉应力最大值约为60kPa，混凝土砌块的拉应力最大值约为77kPa；边坡沉降量与水平位移量均小于1mm，治理后边坡整体变形不大，应力也能满足结构强度要求.

3)综合治理后边坡的稳定及应力变形计算结果，表明治理后的边坡是安全的，治理措施是合理的.