CN108090286A - 一种生态护坡稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明的生态护坡稳定性分析方法，通过植物根系力学性能与有限元方法的结合，在河道水位、降雨、温度、护坡自重等因素计算条件下，分析河道生态护坡的稳定性，将植物与工程结构相结合，科学地分析出生态护坡的稳定性，具有很好的实用性。

Description

一种生态护坡稳定性分析方法

技术领域

本发明涉及水利工程应用技术领域，特别是涉及一种生态护坡稳定性分析方法。

背景技术

河岸护坡是河道的重要组成部分，对城市的景观规划和生态环境建设具有直接影响。早在公元前28世纪，我国在渠道修整工程中已经使用了柳枝、竹子等编织而成的篮筐，在其内装入石块，以达到河岸和渠道的稳定效果。我国早在春秋时期，已经有生态护坡相关理念的工程记载。管子在《管子·度地》中讲道“树以荆棘，以固其地，杂之以柏杨，以备决水”。我国进入工业社会后，护坡技术开始普遍推广“硬质”护岸——驳坎、砌石护岸、喷浆护坡、混凝土护岸等，这些类型的护坡更加坚固耐用，稳定性好，行洪能力也较强，故而逐渐取代了原始的植物护岸。

到20世纪中期，“硬质”类型的护岸的负面作用逐渐突显出来。传统的护坡一般以水泥、石料、混凝土等硬性材料为主要建材，通常以安全、经济为优先，忽略了生态修复，使护坡的生态环境恢复更加困难，为了保证护坡的稳定和保护生态坏境，人们采用了生态护坡。生态护坡不仅考虑护坡周边的生态环境的恢复，还要兼顾护坡的稳定性。

护坡时时刻刻影响着我们的生产、生活，其一旦失稳发生破坏，容易造成严重的人员伤亡、经济损失和社会危害，而且护坡工程的治理所需的花费也是非常巨大的，如何能及时对护坡进行安全性分析，进而对可能破坏的护坡进行合理的加固处理可以有效避免或减少护坡失稳、破坏，从而保证了社会的正常运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种生态护坡稳定性分析方法，基于有限元模型，根据护坡的植被力学性能，通过加载不同气候条件下生态护坡所承受的应力，分析生态护坡的稳定性。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种生态护坡稳定性分析方法，包括：

获取所述生态护坡所在地区不同气候对应的环境数据；

采样所述生态护坡的植物根系并进行抗拉拔试验得到所述植物根系的弹性模量；

制作所述生态护坡的根土复合体试样并对所述根土复合体试样进行三轴试验获得土抗剪强度数据；

建立有限元模型将所述弹性模量、所述环境数据以及土抗剪强度数据确定所述生态护坡的位移变化与塑性应变数据；

根据所述位移变化与塑性应变数据确定所述生态护坡的稳定性类型。

本发明的生态护坡稳定性分析方法，通过植物根系力学性能与有限元方法的结合，在河道水位、降雨、温度、护坡自重等因素计算条件下，分析河道生态护坡的稳定性，将植物与工程结构相结合，科学地分析出生态护坡的稳定性，具有很好的实用性。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例中的生态护坡稳定性分析方法的流程示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

生态护坡是综合工程力学、土壤学、生态学和植物学等学科的基本知识对斜坡或护坡进行支护，形成由植物或工程和植物组成的综合护坡系统的护坡技术。开挖护坡形成以后，通过种植植物，利用植物与岩、土体的相互作用(根系锚固作用)对护坡表层进行防护、加固，使之既能满足对护坡表层稳定的要求，又能恢复被破坏的自然生态环境的护坡方式，是一种有效的护坡、固坡手段。

生态护坡的植被有深根锚固、浅根加筋的作用，防止水土流失：能降低坡体孔隙水压力、截留降雨、削弱溅蚀、控制土粒流失，改善环境功能：植被能恢复被破坏的生态环境，促进有机污染物的降解，净化空气，调节小气候。

结合图1所示，本发明实施例中提供的生态护坡稳定性分析方法，包括：

S101、获取所述生态护坡所在地区不同气候对应的环境数据；

获取所述生态护坡所在地区河道在不同气候的水位变化、温度变化以及降水情况的环境数据，还可以包括生态护坡的结构类型，对于这些环境数据可以通过查找相应的文献记载获得，也可以通过布置仪器进行实地检测，对此不做限定。

S102、采样所述生态护坡的植物根系并进行抗拉拔试验得到所述植物根系的弹性模量。

获取所述生态护坡的植物根系试样，记录所述植物根系试样直径，将所述植物根系试样安装在抗拉拔仪器，启动所述抗拉拔仪器将所述植物根系试样拉断，利用位移传感器周期记录所述植物根系试样在拉伸过程中位移随时间增长变化曲线，根据拉伸过程中采集不同时间点的应变确定所述植物根系试样的应力应变曲线，根据所述应力应变曲线计算所述植物根系试样的弹性模量，具体地，将处理好的根丝置入拉力仪安装在两端的夹头，拧紧拉力机固定螺丝，将激光位移传感器红外线射线安装对准拉力仪一端夹头，调整自动化采集数据软件，利用自动化采集数据软件采集试验数据，启动抗拉拔仪器将根丝拉断，为了精确测量根丝断裂行程，位移传感器每秒钟采集50个数据，记录根丝拉伸过程中位移随时间的增长变化曲线。试验完成后，使用螺旋测微器在根系断裂处测量直径并记录，对试验数据和曲线进行拟合分析，得出多项式拟合公式，得出植物根系的弹性模量。

S103、制作所述生态护坡的根土复合体试样并对所述根土复合体试样进行三轴试验获得土抗剪强度数据。

采集所述生态护坡的植物生长区域内的土体，利用原状土进行天然密度和含水率试验，再用重塑土试验得出土体常规物理与力学性质指标数值，通过干密度与含水率确定土体的质量，将所述土体和所述植物根系试样进行混合后击实制成根土复合体试样，采集土体可以采用直径为39.1mm，高度80mm的圆柱形环刀进行，对此不做限定。

S104、建立有限元模型将所述弹性模量、所述环境数据以及土抗剪强度数据确定所述生态护坡的位移变化与塑性应变数据。

计算模式采用考虑界面单元的方法，有限元计算使用ANSYS。在定义单元类型时，选取8结点的PLANE82单元，材料的本构模型使用Drucker-Prager模型定义，护坡的稳定性采用强度折减系数法来计算：定义强度折减系数分别为F＝1.2、F＝1.3、F＝1.4、F＝1.5、F＝1.6、F＝1.7、F＝1.8、F＝1.9、F＝2.0。取Y方向的重力加速度为9.8，求解控制时采用牛顿-拉普森迭代。在有限元模型上加载自重、水位、温度荷载、降雨因素产生的应力，施加随时间变化的温度荷载，把环境温度作为体载荷施加，如果温度变化是曲线，首先定义温度函数，然后再施加到体上；如果温度变化可以用折线表示，则先定义时间，定义时间步长，然后定义该时间点的载荷，重复直至定义所有时刻的载荷值，然后求解，通过计算得到护坡的位移变化与塑性应变数据。

需要说明的是，有限元分析(FEA)是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等问题，有限元方法已经应用于水工、土建等领域，基于有限元分析(FEA)算法编制的软件，常见通用有限元软件包括LUSAS，MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NXNastran、Hypermesh、COMSOL Multiphysics、FEPG等等，本领域普通技术人员应当了解可以灵活选择，对此不做限定。

S105、根据所述位移变化与塑性应变数据确定所述生态护坡的稳定性类型。

根据ANSYS运算得出的结果，查看护坡计算云图，结合计算结果曲线、位移与塑性变量，判断护坡的稳定性。

对于三轴试验即三轴压缩试验，三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法，三轴压缩试验采用的三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。三轴压缩仪的突出优点是能较为严格地控制排水条件以及可以量测试件中孔隙水压力的变化，试件中的应力状态也比较明确，破裂面是在最弱处。常规试验方法的主要步骤如下：将土切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各个方向受到周围压力，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的三个主应力都相等，因此不发生剪应力。然后再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏。设剪切破坏时由传力杆加在试件上的竖向压应力为Δσ1，则试件上的大主应力为σ1＝σ3+Δσ1，而小主应力为σ3，以(σ1-σ3)为直径可画出一个极限应力圆，用同一种土样的若干个试件(三个上)按以上所述方法分别进行试验，每个试件施加不同的周围压力σ3，可分别得出剪切破坏时的大主应力σ1，将这些结果绘成一组极限应力圆，如图中的圆I、II和III。由于这些试件都剪切至破坏，根据莫尔-库伦理论，作一组极限应力圆的公共切线，即为土的抗剪强度包线，通常可近似取为一条直线，该直线与横坐标的夹角即为土的内摩擦角中，直线与纵坐标的截距即为土的内聚力c。

对应于直接剪切试验的快剪、固结快剪和慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，分为以下三种试验方法，1、不固结不排水试验试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排水，试验自始至终关闭排水阀门。2、固结不排水试验试样在施加周围压力σ3打开排水阀门，允许排水固结，待固结稳定后关闭排水阀门，再施加竖向压力，使试样在不排水的条件下剪切破坏。3、固结排水试验试样在施加周围压力σ3时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏。

对于进行三轴试验的根土复合体试样制备，可以用环刀采集生态护坡的植物生长区域内的土体，利用原状土进行天然密度和含水率试验，再用重塑土试验得出土体常规物理与力学性质指标数值，通过干密度与含水率确定土体的质量，将所述土体和所述植物根系试样进行混合后击实制成根土复合体试样，将所述根土复合体试样放入三轴试验仪器进行三轴试验获得土抗剪强度数据。

对于环刀取样的步骤，包括1.先在护坡上选择挖掘土壤剖面的位置，然后挖掘土壤剖面，按剖面层次，分层采样，每层重复3次。如只测定耕作层土壤容重，则可不必挖土壤剖面。2.将环刀托放在已知重量的环刀上，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满样品为止，环刀压入平稳，用力一致。3.用削土刀切开环刀周围的土壤，取出已装满土的环刀，细心削去环刀两端多余的土，并擦净环刀外面的土。环刀两端立即加盖，以免水分蒸发。随即称重(精确到0.01g)并记录。4.同时在同层采样处，用铝盒采样，测定土壤自然含水量。或者直接从环刀筒中取出样品，测定土壤含水量。

对于取样后的土壤进行土壤容重计算，按公式计算土壤容重，公式为d＝g·100/[V·(100+W)]，式中：d表示土壤容重(g/cm3)，g表示环刀内湿土重(g)，V表示环刀容积(cm3)，W表示样品含水量(％)，本领域普通技术人员应当了解对此不做限定。

本实施例中，所述抗拉拔仪器采用最小分度值为0.001N的抗拉拔仪器；所述植物根系试样直径采用精确度至少为0.001mm的螺旋测微器，所述位移传感器采用激光位移传感器，本领域普通技术可以灵活选择对此不做限定。

本实施例中，根据所述位移变化与塑性应变数据确定所述生态护坡的稳定系数，根据所述稳定系数确定所述生态护坡的稳定类型。对于生态护坡的稳定类型可以通过计算确定稳定系数，稳定系数的定义有多种，如强度储备安全系数、超载安全储备系数以及下滑力超载储备安全系数，所述稳定类型包括不稳定、欠稳定、基本稳定或稳定，其中，所述不稳定用于表示相当于生态护坡处于流动和大流动阶段，所述欠稳定表示蠕动挤压变形阶段，所述基本稳定表示生态护坡的坡体未出现破坏迹象或变形破坏迹象不明显，所述稳定表示稳定系数大于安全系数的稳定状态，当稳定系数Fs＜1.00，可以确定为不稳定；1.00小于Fs小于1.10，可以确定为欠稳定；1.10小于Fs小于1.20，可以确定为基本稳定；Fs大于1.20，可以确定为稳定，根据护稳定系数的大小确定护坡所处的稳定类型，可以对护坡的维修具有实用意义。

建立与稳定类型对应的预警方案，当生态护坡的稳定类型达到相应级别，则可以进行预警，可以及时对生态护坡进行加固。

对于护坡的加固方案，本发明中提供几种实施例，本领域普通技术人员可以灵活选用，对此不做限定。

注浆加固，具体为当护坡坡体较破碎、节理裂隙较发育时，可采用压力注浆这一手段，对护坡坡体进行加固。灌浆液在压力的作用下，通过钻孔壁周围切割的节理裂隙向四周渗透，对破碎护坡岩土体起到胶结作用，形成整体；此外，砂浆柱对破碎护坡岩土体起到螺栓连接作用，达到提高坡体整体性及稳定性的目的，注浆加固可对护坡进行深层加固。

锚杆加固，当护坡坡体破碎或护坡地层软弱时，可打入一定数量的锚杆，对护坡进行加固。

土钉加固，具体为对于软质岩石护坡或土质护坡，可向坡体内打人足够数量的土钉，对护坡起到加固作用。

预应力锚索加固，具体是当护坡较高、坡体可能的潜在破裂面位置较深时预应力锚索，在高护坡加固工程中，采用预应力锚索具有受力可靠，作用力可均匀分布于需加固的护坡上，对地形、地质条件适应力强，施工条件易满足，并且主动受力，无须放炮开挖，对坡体不产生扰动和破坏，能维持坡体本身的力学性能不变，施工速度快。

对于土质与岩质的护坡应采用不同的加固方法，对于土质护坡，其稳定性对地下水较为敏感，特别是坡体处于水位较高、水力梯度较大的渗流条件下，渗透压力对坡体产生的附加的致滑力以及渗透不稳定，往往是土质护坡失稳的主要原因。疏干工程对于土质护坡不仅能有效的消除或降低渗透压力，而且同时使饱和土体转化成非饱和土体，增加了土体的强度，在改善坡体受力条件和增加自身的强度均起到积极作用。此法因其效果显著而常被采用。土质护坡加固也可应用土体内部的锚固工程，对不高的土坡还常采用外部整体性的支挡设施诸如挡土墙或反压平台等维持稳定。对于岩质护坡，因其岩性、构造及水文地质条件较为复杂，破坏模式各异，采用的加固措施是多种多样的，也可能采用综合措施加固。如中国大冶铁矿1号滑体的加固：上部作削坡减载、喷浆护面及预应力锚杆锚固，中下部以深孔抗滑桩、水平孔疏干等综合治理的加固措施。岩质护坡使用挡墙非常少，对坡脚过陡可能导致失稳时，常以反压平台使之稳定。

对于本实施例中提到的生态护坡的结构，生态护坡的形式常用的生态护坡形式有植物型护坡、土工材料复合种植基护坡、生态石笼护坡、植被型生态混凝土护坡、生态袋护坡、多孔结构护坡、自嵌式挡土墙护坡等，下面进行相应介绍。

植物型护坡：通过在岸坡种植植被，利用植物发达根系的力学效应(深根锚固和浅根加筋)和水文效应(降低孔压、削弱溅蚀和控制径流)进行护坡固土、防止水土流失，在满足生态环境的需要的同时进行景观造景。优点：主要应用于水流条件平缓的中小河流和湖泊港湾处。固土植物一般应选择耐酸碱性、耐高温干旱，同时应具有根系发达、生长快、绿期长、成活率高、价格经济、管理粗放、抗病虫害的特点缺点：抗冲刷能力较弱。

土工网垫固土种植基护坡：主要由网垫、种植土和草籽3部分组成。优点：1.固土效果好；2.抗冲刷能力强；3.经济环保。

土工单元固土种植基护坡：土工单元种植基，是利用聚丙烯等片状材料经热熔粘连成蜂窝状的网片，在蜂窝状单元中填土植草，起到固土护坡作用。优点：1.材料轻、耐磨损、抗老化、韧性好、抗冲击力强、运输方便。2.施工方法方便，并可多次利用。

土工格栅固土种植基护坡：格栅是由聚丙烯、聚录乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅，在土木工程中被称为土工格栅。土工格栅分为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃土工格栅和玻纤聚酯土工格栅4大类。优点：1.具有较强抗冲刷能力，能有效防止河岸垮塌；2.造价较低，运输方便，施工简单，工期短；3.土工格栅耐老化，抗高低温。

生态石笼护坡：石笼网是由高抗腐蚀、高强度、有一定延展性的低碳钢丝包裹上PVC材料后使用机械编织而成的箱型结构。根据材质外形可分为格宾护坡、雷诺护坡、合金网兜等。优点：1.具有较强的整体性、透水性、抗冲刷性、生态适宜性；2.应用面广；3.有利于自然植物的生长，使岸坡环境得到改善；4.造价低、经济实惠，运输方便。

植被型生态混凝土护坡：生态混凝土是一种性能介于普通混凝土和耕植土之间的新型材料，由多孔混凝土、保水材料、缓释肥料和表层土组成。优点：1.可为植物生长提供基质；2.抗冲刷性能好；3.护坡孔隙率高，为动物及微生物提供繁殖场所；4.材料的高透气性在很大程度上保证了被保护土与空气间的湿热交换能力。

生态袋护坡：生态袋是采用专用机械设备，依据特定的生产工艺，把肥料、草种和保水剂按一定密度定植在可自然降解的无纺布或其他材料上，并经机器的滚压和针刺等工序而形成的产品。优点：稳定性较强；2.具有透水不透土的过滤功能；3.利于生态系统的快速恢复；4.施工简单快捷。

多孔结构护坡：多孔结构护坡是利用多孔砖进行植草的一类护坡，常见的多孔砖有八字砖、六棱护坡网格砖等。这种具有连续贯穿的多孔结构，为动植物提供了良好的生存空间和栖息场所，可在水陆之间进行能量交换，是一种具有′呼吸功能′的护岸。同时，异株植物根系的盘根交织与坡体有机融为一体，形成了对基础坡体的锚固作用，也起到了透气、透水、保土、固坡的效果，优点：1.形式多样，可以根据不同的需求选择不同外形的多孔砖；2.多孔砖的孔隙既可以用来种草，水下部分还可以作为鱼虾的栖息地；3.具有较强的水循环能力和抗冲刷能力。

自嵌式挡土墙护坡：自嵌式挡土墙的核心材料为自嵌块。这种护坡型式是一种重力结构，主要依靠自嵌块块体的自重来抵抗动静荷载，使岸坡稳固；同时该种挡土墙无需砂浆砌筑，主要依靠带有后缘的自嵌块的锁定功能和自身重量来防止滑动倾覆；另外，在墙体较高、地基土质较差或有活载的情况下，可通过增加玻璃纤维土工格栅的方法来提高整个墙体的稳定性。该类护岸孔隙间可以人工种植一些植物，增加其美感。优点：1.防洪能力强；2.孔隙为鱼虾等动物提供良好的栖息地；3.节约材料；4.造型多变，主要为曲面型、直面型、景观型和植生型，满足不同河岸形态的需求；5.对地基要求低；6.抗震性能好；7.施工简便，施工无噪音，后期拆除方便。

本发明的生态护坡稳定性分析方法，通过植物根系力学性能与有限元方法的结合，在河道水位、降雨、温度、护坡自重等因素计算条件下，分析河道生态护坡的稳定性，将植物与工程结构相结合，科学地分析出生态护坡的稳定性，具有很好的实用性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，包括：

获取所述生态护坡所在地区不同气候对应的环境数据；

采样所述生态护坡的植物根系并进行抗拉拔试验得到所述植物根系的弹性模量；

制作所述生态护坡的根土复合体试样并对所述根土复合体试样进行三轴试验获得土抗剪强度数据；

建立有限元模型将所述弹性模量、所述环境数据以及土抗剪强度数据确定所述生态护坡的位移变化与塑性应变数据；

根据所述位移变化与塑性应变数据确定所述生态护坡的稳定性类型。

2.根据权利要求1所述的生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，所述获取所述生态护坡所在地区不同气候对应的环境数据，包括：

获取所述生态护坡所在地区河道在不同气候的水位变化、温度变化以及降水情况的环境数据。

3.根据权利要求2所述的生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，所述采样所述生态护坡的植物根系并进行抗拉拔试验，包括：

获取所述生态护坡的植物根系试样，记录所述植物根系试样直径；

将所述植物根系试样安装在抗拉拔仪器，启动所述抗拉拔仪器将所述植物根系试样拉断；

利用位移传感器周期记录所述植物根系试样在拉伸过程中位移随时间增长变化曲线；

根据拉伸过程中采集不同时间点的应变确定所述植物根系试样的应力应变曲线，根据所述应力应变曲线计算所述植物根系试样的弹性模量。

4.根据权利要求3所述的生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，所述制作所述生态护坡的根土复合体试样并对所述根土复合体试样进行三轴试验获得土抗剪强度数据，包括：

采集所述生态护坡的植物生长区域内的土体，利用原状土进行天然密度和含水率试验，再用重塑土试验得出土体常规物理与力学性质指标数值；

通过干密度与含水率确定土体的质量，将所述土体和所述植物根系试样进行混合后击实制成根土复合体试样；

将所述根土复合体试样放入三轴试验仪器进行三轴试验获得土抗剪强度数据。

5.根据权利要求1所述的生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，所述周期采用每秒钟采集50次的方式。

6.根据权利要求1所述的生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，所述建立有限元模型采用ANSYS有限元分析软件进行。

7.根据权利要求4所述的生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，所述抗拉拔仪器采用最小分度值为0.001N的抗拉拔仪器；所述植物根系试样直径采用精确度至少为0.001mm的螺旋测微器，所述位移传感器采用激光位移传感器。

8.根据权利要求1所述的生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，根据所述位移变化与塑性应变数据确定所述生态护坡的稳定性类型，包括：

根据所述位移变化与塑性应变数据确定所述生态护坡的稳定系数；

根据所述稳定系数确定所述生态护坡的稳定类型。

9.根据权利要求1或8所述的生态护坡稳定性分析方法，其特征在于，所述稳定类型包括不稳定、欠稳定、基本稳定或稳定，其中，所述不稳定用于表示相当于生态护坡处于流动和大流动阶段，所述欠稳定表示蠕动挤压变形阶段，所述基本稳定表示生态护坡的坡体未出现破坏迹象或变形破坏迹象不明显，所述稳定表示稳定系数大于安全系数的稳定状态。