基于河道治理不同生态护坡的固土作用及效果分析

季洪波

(本溪市本溪满族自治县水务和移民事务服务中心，辽宁 本溪 117100)

1 概 况

辽宁省地形地貌有“六山一水三分田”之称，境内水系发达，河网密集，大小河流近300余条，各支流纵横交错、蜿蜒曲折，主要有浑河、老哈河、太子河、辽河、饶阳河、太子河等。混凝土、浆砌块石和干砌块石等非生态技术为大多数河道护岸的主要形式，这些传统的河道护岸形式能够达到岸坡稳定性要求，但往往以牺牲河流生态环境为代价[1-5]。近年来，随着人们对河道景观、文化和自然环境要求的不断提升，使得生态治理技术得到了快速的发展，生态护坡作为一种综合考虑水利、水文与景观等多门学科的新型研究对象越来越引起人们的重视。生态治理是指为实现河道行洪排涝、水清岸绿景美、用水安全等目标，通过两岸绿化、岸坡防护、河堤清淤等措施建设生态型河流。目前，关于河道岸坡稳定性和生态治理的研究我国还处于起始阶段，基于多学科、多因素的不同类型生态护坡技术作用效果和固土机理的研究尤为重要，有必要对岸坡稳定性分析方法开展深入研究[6-9]。鉴于此，文章以辽宁省河道生态治理工程为依据，通过调查分析选择石笼、草皮和生态袋护坡为研究对象，探讨不同治理措施的固土作用及效果，利用三维有限元模型和位移等值线、边坡安全系数指标和评价了三种不同护坡技术的固土作用及效果[10-13]。具体而言，选择柳河彰武县河道治理段为生态袋试验区，边坡长为1.2m，坡比为1：1；选取太子河支流细河段作为石笼与草皮生态护坡试验区，大部分为草皮护坡，部分河段为石笼护坡，坡长为4.6m，坡比为1∶2.5。河道生态治理边坡参数，见图1。

Ⅰ石笼、草皮护坡

Ⅱ生态袋护坡图1 河道生态治理边坡参数

2 草皮护坡固土作用与效果

2.1 试验方案

试验表明，土体的固着力和结持力在植草作用下能够显著增强。“根土复合体”抵抗土壤剪切破坏的能力为草皮固土作用效果的主要体现，因此室内重塑试验选择石笼旁边地表下0-30mm带狗牙根的单一草坡护坡土体。配置7%、5%、3%、2%、0%含根密度和16.5%、20.0%含水率的不同土壤试样，直剪试验选用1.566kPa/0.01mm测力系数的ZJ型变硬控制直剪控制仪。为研究抗剪强度与根系分布方式的作用关系，在5%含根密度和16.5%土壤含水率条件下分别设置复合、垂直和水平三种根系布置方式。采用草根和土体所占比例反映土体含根密度，利用量筒排水法确定根的体积，土体质量和体积换算。不同含根密度下的土体质量换算，见表1。

2.2 试验结果

每组土样设置3个试样，在400、300、200、100kPa垂直荷载作用下进行剪切破坏，并取平均值。在含水率为20.0%、16.5%情况下，不同含根密度的根土复合体试验结果。根土复合体的试验结果，见表2。

表1 不同含根密度下的土体质量换算

表2 根土复合体的试验结果

续表2 根土复合体的试验结果

从表2可以看出，根土复合体的黏聚力和内摩擦角在含水率增大至20.0%时呈现出一定的下降趋势；黏聚力和内摩擦角在含根密度由0%增大至7%时均呈增大趋势，相对于内摩擦角而言黏聚力的增大幅度更加明显，由此表明增大土体黏聚力是提高土体抗剪强度的主要因素，而土体内摩擦角受土体含根密度的影响较弱。

在含根密度为5%、含水率为16.5%的条件下，分别设置复合、垂直和水平3种根系分布形式。不同根系分布方式下的根土复合体试验结果，见表3。

表3 不同根系分布方式下的根土复合体试验结果

从表3可以看出，复合、垂直和水平根系相对于无根土而言，黏聚力值分别增大了14.82、18.80、27.38kPa，内摩擦角提升了2.05°、2.21°、3.36°，按由小到大的原则将根土复合体抗剪强度受不同根系分布方式的影响排序，即水平<垂直<复合分布。

3 石笼生态护坡固土作用与效果

3.1 参数设置

以钢丝网包覆石头作为石笼生态护坡技术，将垂向荷载设置在边坡处，草皮种植在裂缝间，其根系发挥对土体加筋的作用，该技术具有施工性强、柔性好等优点[14-15]。单一草皮护坡、无草皮护坡利用ABAQUS三维有限元模型进行对比分析，不同护坡形式下的位移等值线，见图2。分两层处理涉及草皮的土体，即一层土体的草根深度为0-30mm，其他为另一层，在三维有限元模型中将石头作均布荷载处理。土体、根土复合体的内摩擦角分别为17.80°、19.80°，黏聚力分别为26.35、36.50kPa；土体与草根的泊松比分别为0.3、0.25，弹性模量分别为35.20、10MPa。

3.2 结果分析

1)边坡位移与石笼、草皮、无草护坡的作用关系。图2反映了石笼、草皮和无草护坡的等值线变化特征。从图2可以看出，不同生态护坡处理下的边坡位移分层存在较为明显的变化，其中位移分层主要集中在边坡坡脚处；变形较为明显的区域为坡面区，位置等值线在边坡深层区呈均匀梯度变化特征。无草护坡、石笼及草坡生态护坡的最大位移分别为4.197×10-3、3.153×10-3、3.534×10-3m，所对应的坡脚位移变化区间分别为6.982×10-4- 3.148×10-3m、7.881×10-4-1.314×10-3m、5.886×10-4-2.356×10-3m。由此表明，按自小到大的原则将护坡抗滑能力受不同护坡形式的影响排序，即无护坡<草坡护坡<石笼护坡。

Ⅰ无草皮护坡

Ⅱ草皮护坡

图2 不同护坡形式下的位移等值线

2)边坡稳定安全系数与石笼、草皮、无草护坡的作用关系。对石笼、草皮和无草皮护坡的安全系数利用ABAQUS强度折减法进行计算，不同护坡形式的边坡安全系数，见图3。从图3可以看出，在边坡稳定安全系数为3.7时草皮和无草皮护坡逐渐开始破坏，在水平位移相同的条件下无草皮护坡相对于草坡护坡的折减更少一些，可见边坡稳定安全系数在植草皮情况下得到提升；在边坡系数为4.1时石笼生态护坡逐渐发生破坏，可见边坡的安全稳定系数在石笼生态护坡下得到明显的提升。

图3 不同护坡形式的边坡安全系数

4 生态袋护坡固土作用与效果

4.1 参数设置

生态袋护坡对结构渗水压力基本不产生影响，因具有较好水环境适应性可在生态袋内种植植物，不同护坡形式的位移等值线，见图4。生态袋在三维有限元模型中作均布荷载处理，土的内摩擦角和泊松比分别为18.20°、0.3，黏聚力与弹性模量为25.26kPa、10MPa。

4.2 结果分析

1)边坡位移与生态袋、无草护坡的作用关系。图4反映了生态袋、无草护坡的位移等值线。从图4可以看出，无草边坡和生态袋护坡的最大位移分别为1.008×10-3、8.005×10-3m，所对应的坡脚位移变化区间依次为8.835×10-4-9.170×10-4m、4.005×10-4-6.005×10-4m，可见生态袋护坡的抗滑稳定性较高，可依靠其自身减少坡脚处的滑动范围和边坡的最大滑动位移。

Ⅰ无草护坡

Ⅱ生态袋护坡图4 不同护坡形式的位移等值线

2)边坡稳定安全系数与生态袋、无草护坡的作用关系。对生态袋和无草皮护坡的安全系数利用ABAQUS强度折减法进行计算，不同护坡形式的边坡安全系数，见图5。从图5可以看出，在边坡稳定安全系数为4.5时无草皮护坡逐渐开始破坏，而在边坡系数为4.8时生态袋护坡才逐渐发生破坏，可见边坡的安全稳定系数在生态袋护坡治理下得到显著的提升。

图5 不同护坡形式的边坡安全系数

5 结 论

1)草皮根系可显著提升土体的内摩擦角和黏聚力，相对于内摩擦角而言黏聚力的增大幅度更加明显，由此表明增大土体黏聚力是提高土体抗剪强度的主要因素，且土体内摩擦角受土体含根密度的影响较弱。

2)边坡稳定安全系数为3.7时草皮和无草皮护坡逐渐开始破坏，在水平位移相同的条件下无草皮护坡相对于草坡护坡的折减更少一些，边坡安全系数为4.1时石笼生态护坡逐渐发生破坏，由此表明依靠草皮加筋和自重双重作用的石笼生态护坡具有更加明显的护坡效果；边坡稳定安全系数为4.5时无草皮护坡逐渐开始破坏，而边坡系数为4.8时生态袋护坡才逐渐发生破坏，可见边坡的安全稳定系数在生态袋护坡治理下得到一定的提升。