渠道抗径流网垫护坡抗滑稳定对比分析及优化研究

1. 引言

护坡作为渠道的关键构成部分，提高了输配水能力或安全性，却忽视了生态功能，因此越来越多的生态护岸结构形式在生态渠道工程建设中得到了广泛应用^[1]，抗径流网垫护坡采用锚杆、土工合成材料与生态基材构成边坡防护体系，具有柔性、透水性好、施工简便、环保、经济等特点，近年来迅速兴起，已成功应用于灌区渠道。唐庆瑜等^[2]通过直剪试验发现，三维网垫与植物根系相结合时，对土体强度的提升效果远大于单一因素，且根系主要通过提高土体黏聚力的方式增强抗剪强度，为生态护坡的加筋机理提供了试验依据。在此基础上，Huang 等^[3]通过模型试验进一步揭示了复合生态格点锚固系统（CELAS）在降雨与径流作用下的多层协同抗冲刷机制，其冲刷体积较裸露坡地减少 90.6%，沉积物浓度降低超过 50%，为柔性护坡的结构优化提供了量化依据。与此同时，Sun等^[4]针对锚杆加固顺层岩质边坡的稳定性分析表明，锚杆角度与直径对边坡安全系数的提升存在最优匹配关系，其提出的极限平衡分析方法可为锚钉系统设计提供理论支撑。

随着柔性生态护坡技术推广应用，大量学者进行研究。肖成志等^[5]通过试验研究三维网植草护坡性能的主要影响因素，并分析了其稳定性；嵇晓雷^[6]通过将数值模拟与试验研究相结合的方法，研究了植物根系与边坡土体位移场的关系；王艳坤^[7]建立锚杆-土工格室复合结构防护边坡三维有限元模型并进行边坡稳定性影响分析。刘英朴^[8]等通过直剪试验获取了含根量和含水率与根土复合体抗剪强度的关系，发现抗剪强度随含水率增大而降低，降雨强度越大边坡安全系数降低幅度越大。李洋等^[9]研究表明，不同降雨类型对库岸边坡孔压响应和稳定性影响存在差异，后峰型降雨对安全系数影响最大，且下部滑坡因库水位与降雨联合作用，安全系数明显小于上部滑坡。上述研究均针对稳定性和适用性进行分析，但采用的计算方法需要大量的现场实测数据，不利于工程设计和安全评价，本文在前人研究基础上，采用简单分析方法基于较少的地基数据可将复杂工程问题简化为结构优化问题，为长距离输水渠道提供设计理论依据。

2. 计算方法

根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386-2007）^[10]，对渠道断面渠坡抗滑稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普（Simplified Bishop）法。该方法在水利工程边坡稳定性分析中应用广泛，高瑞^[11]采用 Autobank 软件对五曲湾水库进行渗流与结构安全复核，结果表明简化毕肖普法在稳定渗流期与水位降落期的坝坡稳定计算中，最小安全系数均满足规范要求。汤飞雄等^[12]对理正岩土边坡稳定分析系统中简化毕肖普法的计算原理进行了分析，并与剩余下滑力法进行了对比验证。秦永才^[13]运用简化毕肖普法对边坡天然工况及暴雨工况下的稳定性进行分析，证明了该方法在工程安全评价中的适用性。计算公式如下:

式中:

W——土条重量，kN；

V——垂直地震惯性力(向上为负，向下为正) ，kN；

u——作用于土条底面的孔隙压力，kN/m；

α——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，(°)；

b——土条宽度，m；

c′——有效应力抗剪强度指标，土条底面的凝聚力，kPa；

${\phi }^{\prime }$ ——有效应力抗剪强度指标，土条底面的内摩擦角，(°)；

$M_C$ 水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；

R—— 圆弧半径，m。

3. 分析计算

为进行渠道边坡稳定分析，采用 autobank 建立河道断面模型，对岸坡抗滑进行验算。

3.1. 工程概况

本文以典型某灌区 5 级渠道为例进行分析，现状渠道采用梯形断面衬砌，渠底宽度 2.0m，坡比 1:1.5，衬砌改造全段采用 C25 混凝土板梯形断面，渠坡坡脚设素混凝土脚槽。排水孔下铺设 10cm 粗砂垫层，粗砂垫层底部设一层 400g/m²无纺布反滤层。粗砂垫层与无砂透水混凝土排水孔底部连接，构成排水体系。渠道断面图见图 1。

图 1 渠道断面图

为了改善生态环境，改造工程采用抗径流网垫衬砌结构，坡脚采用矩形格宾石笼基础，宽 1.2m、高 1.0m。渠底按设计比降进行清淤整平，每隔 10m 设置 1 道无锈熔接网石笼格梁，格梁宽 0.5m，高 1.0m。两侧渠坡每隔 10m 设置 1 道无锈熔接网石笼格条。抗径流网垫为成品采购，坡脚、坡中、坡顶打入 0.8m 的 T 型锚固钉，地锚拉钉纵、横向间距 1m，梅花形布置。

3.2 计算模型及工况

本文要对比两种护坡结构的安全稳定性，对其进行抗滑稳定验算。在建立河道断面模型时，取坡脚到右边界的距离约为坡高的 1.0 倍，坡顶到左边界距离约为坡高的 1.0 倍，且上下边界总高约为坡高的 2 倍，可以确保较为可靠的计算精度。需要定义的属性有:衬砌、回填土、地下水等影响因素。抗径流网垫护坡看作浅加筋材料，计算范围为锚钉深度 0.8m，提高土体的抗剪强度。根据设计断面及地层情况，输入相应参数建立河道断面模型。

根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386-2007），并结合渠道具体运行情况，分析渠坡在稳定渗流期的边坡抗滑稳定性。按正常运用和非常运用条件，确定计算工况如表 1。另考虑到持续降雨可能造成地下水位抬升，故设置水位抬升情况，确定计算工况如表 1。

表 1 典型算断面抗滑稳定计算工况

计算工况		潜水位/m	渠道水位/m
正常运用条件	正常水位骤降期	45.13	水位由44.46骤降到无水43.76
非常运用条件I	施工期	45.13	43.76
非常运用条件II	地震情况	45.13	44.46

3.3 计算参数

本次稳定复核，各种土料的物理力学性计算参数，采用勘察实验成果表 2 所示。

表 2 各土层物理力学性参数建议值表

层号	岩性	含水率 w (%)	干密度 ρ (g/cm³)	孔隙比 e	饱和快剪：粘聚力 c (kPa)	饱和快剪：内摩擦角 Φ (°)	渗透系数 k (cm/s)	承载力 (kPa)
①	轻粉质壤土	26.7	1.46	0.851	11.8	10.0	4.0×10-5	120
②	中粉质壤土	22.5	1.46	0.855	13.8	9.3	3.9×10-6	80
③	重粉质壤土	30.5	1.46	0.872	11.0	15.5	3.0×10-6	100
/	锚钉固化土体	26.7	1.46	0.87	10	20	3.9×10-6	120

赵绍恒^[14]针对植物根系加固软土地基开展的室内剪切试验研究表明，不同植物根系加固下的复合土体表现出不同的剪切性能参数，为锚钉固化土体参数的确定提供了方法参考。陈攀等^[15]通过根-土复合体直剪试验发现，干土质量对抗剪强度的影响程度大于水质量和干根质量，根-土复合体的黏聚力较素土增加16.71%~34.74%，而内摩擦角变化较小，这与本研究中锚钉固化土体参数（粘聚力 10kPa、内摩擦角 20°）的设定逻辑一致，即加筋材料主要通过提高黏聚力来增强土体抗剪强度。在生态基材改良方面，Liu 等^[16]研究表明，稻壳生物炭等改良剂可显著改善黄河沉积物的持水能力与孔隙结构，从而提升植被生长性能与坡面抗蚀能力，为生态护坡基材的配比优化提供了可行路径。

3.4 计算结果

本次稳定复核，各种土料的物理力学性计算参数，采用勘察成果，渠坡抗滑稳定计算结果如表 3 和图2～7 所示。

表 3 边坡抗滑稳定性计算成果

	计算工况	原衬砌安全系数	生态护坡安全系数	规范值
正常运用条件	地下水位45.13m,渠道水位由44.46m骤降到43.76m	1.15	1.69	1.05
非常运用条件I	渠道水位43.76m(无水),地下水位45.13m	1.08	1.23	1.05
非常运用条件II	渠道水位44.46m,地下水位45.13m,考虑地震作用	1.01	1.01	1.00

根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386-2007），采用简化毕肖普法计算时，正常运用条件下边坡抗滑稳定安全系数应不小于 1.05；非常运用Ⅰ条件下应不小于 1.05，非常运用 II条件下应不小于 1.00。由表 3 可以看出，原混凝土衬砌护坡和抗径流网垫护坡在正常运用条件和非常运用条件Ⅰ、II下抗滑稳定计算，计算结果均满足规范要求。

图 7 非常运用条件 II 抗径流网垫渠坡抗滑稳定性

对比原混凝土衬砌护坡和抗径流网垫护坡滑动面知，圆弧滑动面均处于两侧渠坡之上，由于锚钉的固定作用，完建期和水位骤降情况下抗径流网垫护坡滑动面较大，安全系数增大。由于抗径流网垫护坡不改变渠坡土的离散型，故地震情况下二者安全系数一致，均临近规范值。

4. 讨论

本研究采用 Autobank 软件构建简化抗滑稳定模型，相较于三维有限元等方法，参数需求少、建模简便，更适用于工程前期快速安全评价，与高瑞^[11]、刘婧^[17]等研究结论一致。结果表明，抗径流网垫护坡在正常运用及非常运用Ⅰ条件下安全系数较混凝土衬砌护坡显著提高，与唐庆瑜等^[2]关于三维网垫加筋可有效提升土体强度的结论相吻合。然而，在地震工况下两种护坡安全系数相同，与嵇晓雷等^[6]关于植物根系可改善边坡抗震性能的研究存在差异，原因可能在于本研究仅考虑锚钉浅层加筋作用，未计入根系-土体动态相互作用。此外，本研究未涉及锚钉锈蚀、土工材料老化等长期耐久性问题，熊豪创^[18]关于干湿循环下土体参数弱化对边坡稳定性影响的研究，为本研究后续开展长期耐久性分析提供了参考方向。

针对长期服役性能，Bao 等^[19]对聚丙烯纤维与瓜尔胶改良黄土边坡的时效劣化过程进行了系统监测，发现其抗冲刷能力随干湿循环次数增加呈阶梯式衰减，且不同改良材料的劣化机制存在差异。Mao 等^[20]进一步建立了根-土复合体在干湿循环条件下的剪切强度预测模型，揭示了有效凝聚力随干湿循环次数增加而持续衰减的规律。上述研究成果为本研究后续开展锚钉-土体系统长期稳定性评价提供了理论工具。

5. 结论

为进行渠道渠坡稳定分析，采用 autobank 建立河道断面模型，对混凝土渠坡和抗径流网垫护坡抗滑进行对比分析，结论如下:

1) 采用 autobank 软件建立渠道抗滑稳定模型并进行计算，模型简单，参数易获取，相比其他有限元法更适用于工程前期的设计或安全评价。

2) 原混凝土衬砌护坡和抗径流网垫护坡均可满足规范抗滑稳定要求，其中抗径流网垫护坡由于锚钉的固定作用，在满足工程安全要求的同时，进一步提高了安全余量。

后续研究可进一步考虑锚钉锈蚀、土工材料老化等长期耐久性问题，以及根系-土体动态相互作用对抗震性能的影响，同时结合干湿循环下土体参数弱化的研究成果，开展长期水文变化对边坡稳定性的时效性研究。

参考文献

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