涵盖生命周期关键点的边坡生态设计方法研究及应用

丁 培

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

生态工程采用植物与惰性结构相结合的方法来控制土壤侵蚀和滑坡，与传统的土木工程解决方案相比，生态工程解决方案具有更经济、易于施工、低景观影响等优势。生态工程遵循了可持续性的设计理念，使用在工程附近的木材或岩石等材料，在降低生态工程成本的同时，保护岸坡稳定，同时由于根系与土壤的相互作用随着时间的增加越发牢固，从而实现边坡的长期稳定土壤内部重要变化发生在植物开始生长和繁殖新根的时候。此外，作为生态工程技术中使用的惰性结构之一，木材通常不经过处理，其物理性能会随着时间的推移而衰减。因此，对于生态工程边坡设计，必须在整个边坡设计寿命周期内更明确地考虑时间和构件耐久性等问题。

此外，作用在边坡上的载荷或应力的变化也会导致边坡稳定性的变化。因此，往往需要针对不同情况进行稳定性分析，反映边坡生命周期的不同阶段。在边坡设计寿命期间，涉及到生态工程技术稳定性检测的两个主要因素是木材和植物。木材会随着时间的推移而退化，而植物的根部会发育和生长。

本文在木材使用寿命期内结合木材退化和植物的生长过程对工程稳定性进行分析，提出一种新的生态工程设计方法，该方法整合惰性构件和植物之间的应力转移过程，将这两个典型的动态特性和生态工程的演变相结合，并进行案例研究，证明了该方法的可行性。

1 材料特性和研究方法

1.1 材料特性

1.1.1 木材耐久性

木材的自然耐久度因木材种类而异。木材不同部分的耐久度也不同，通常，木材边缘是最不耐腐的部分；而心材不能经过处理，因此其耐久性取决于其自然耐久性等级。地面上未经处理的木材在经过一段时间后，将由外而内地腐烂。木材分区和衰变过程见图1，衰变深度见图2。木材的衰减率r(mm/年)可由下式计算：

r=k木kc

(1)

式中：k木取决于木材的类型；kc取决于当地的气候条件，例如：平均降水量、年平均气温和干燥的月份数。

木材的衰变过程是由外向内进行的，而剩余的木材保持了原始的力学性能。每一层边材衰减的滞后时间t边材滞后(年)可以根据边材衰减率r边材估算：

(2)

如果在t时刻衰减深度为dt，则抗弯强度R可由下式计算：

(3)

式中：D为初始直径，mm；fd为设计强度值，kPa，采用特征强度值和结构设计标准计算，未腐烂木材的特征强度值可以在文献中找到或在实验室中测量。

木材的使用寿命被认为是其剩余强度下降到原始强度70%的时间。对于初始直径为D的圆形木材，在弯曲作用下，其使用寿命下的衰变深度dL可由下式计算：

(4)

使用寿命L(年)可由下式计算：

(5)

图1 木材分区和衰变过程

图2 木材的衰变深度

1.1.2 植物

植物对边坡稳定性既有有利影响，也有不利影响，是生态工程中最具变化性的因素。根系承担荷载并将应力分布到土壤中，因此与植物生长或根系分布深度相关的模型引入生态工程技术设计中具有重要意义。根的大小和长度不同，具有不同的抗拉强度和固结度。因此，在变形的土壤根系中，主要有两种破坏机制：根的拉伸断裂模式和根的拔出模式。初步评估植被加固，一种简单的破坏模型可以假定所有的根在荷载作用下受拉断裂，公式如下：

cr=1.2RAR(z)·Tr

(6)

式中：cr为黏聚力，MPa；RAR(z)为z处的根系横截面积与土体剪切面积之比；Tr为根系抗拉强度，MPa。

由于其简单性，减少了输入参数深度z处的根面积比和根系抗拉强度Tr。需要注意的是，该模型只考虑采用小根(直径小于10mm)来计算增加的黏聚力值(cr)，因为大根仅作为结构锚固物，对边坡稳定有利。

1.1.3 工程内外稳定性

为确保工程稳定性，生态工程须从结构的角度进行检查，检查必须包括衰变和植物效应，以便反映生态工程在使用寿命期间的变化。通过比较素土和植被护坡的边坡安全系数(FoS)来展示使用生态工程护坡的稳定性增强效果。边坡破坏可分为局部破坏、倾覆破坏和整体滑动破坏，因此边坡稳定性主要对以上三种破坏方式进行分析，见图3。

图3 根系作用示意

1.2 研究方法

为了分析生态工程解决方案的实用性，评估其随时间对系统稳定性的影响，需要对不同时期的边坡稳定性进行检查。基于耐久性的考虑，生态工程边坡设计必须包括至少两个阶段：植物生根前和生根后对土力学特性的影响。当使用未经处理的木材时，可以通过使用寿命概念作为基础，在设计阶段引入衰变过程演变。所使用的惰性材料必须在其使用寿命内提供有效的稳定作用，因为随着时间的推移，所有元素相互作用会影响系统的整体安全系数。

将木结构构件的使用寿命假定为设置一个阈值，超过这个阈值，植物和木材之间就没有相互作用。在没有使用木材的情况下，从设计的角度来描述生态工程工作的整体演变，需要一个包含全部植物效果的附加阶段。在使用木材的情况下，根据式(5)计算木材使用寿命L，定义为附加阶段。

2 案例研究

2.1 研究区概况

研究站点位于新疆塔里木河流域，塔里木河干流位于塔里木盆地北缘，起始于阿克苏河、叶尔羌河及和田河的交汇处肖夹克，归宿于台特玛湖，全长1321km。地理位置为北至天山南麓山前倾斜平原的边缘，南抵塔克拉玛干大沙漠，西端为农一师阿拉尔垦区，东与孔雀河及其尾闾罗布泊洼地以西为邻。

2.2 材料特性

考虑到土的类型和渗透性，即粉砂，只考虑排水条件。通过剪切试验得到的土体强度特性：有效黏聚力为7kPa、有效内摩擦角为30°、土壤重度为20.1kN/m3。根据可持续设计理念，生态工程结构的木材取自工程附近的胡杨，胡杨芯材的耐久性K木=1.30，边材的K木值为5.44。对于永久荷载，修正系数为0.5。材料系数为1.3，因此，设计抗弯强度为7.69N/mm2。木材密度插值显示，对于胡杨的含水率为21%特性，木材密度为525.25kg/m3。活枝由长1.80m的怪柳组成，直径10mm。

2.3 建议的生物工程方案

经过对现场地形的分析，决定设计一个1.8m×1.8m×5.0m的木垛墙。回填区的坡度设计为30°并与周围的地形相匹配。每排原木每米使用三根怪柳活枝，见图4。

图4 木垛墙几何形状

内部稳定性检查是针对“地下条件”进行的，即木材被埋在地下的临界情况，见图5。从耐久性和弯曲应力两方面来看，外排的原木都被认为是最关键的。内排的原木将受到全年较低的温度和湿度变化的影响，此深度的氧气水平较低，因此，生物活动将较低。最后，从弯曲分析的角度来看，外排不像内排那样在前面有土来抵消土推力。木垛墙总的单位重量可以通过考虑原木所占体积和土壤所占体积来计算，则木垛墙的重度为61.96kN/m。

图5 木垛墙的自然耐久性情况(地下条件)

3 计算结果与分析

3.1 木材特性

采用的衰减模型显示，r心材为2.04mm/年，r边材为8.52mm/年，t滞后为0.72年，L(使用寿命)为6.22年。基于使用寿命值(L=6.22年)，以及本案例研究的目的，定义了两个额外的设计阶段：一个t=3年，另一个t=6年。

3.2 植物特性

5种被调查植物的抗拔力随株龄增加而增加。3年和6年的最大拉拔力分别为1.90kN和3.87kN。考虑到壁面设计中每米3株，t=3年和t=6年用于倾覆稳定性验算的拔出值分别为5.7kN和11.61kN。由于根在原木墙的外侧发育较好，拉拔力的力臂计算为B/4(其中B为原木墙底部的长度，见图4)。

根抗拉强度的指数规律为Tr=28.7981D-0.87155MPa(R2=0.88)。对于滑动验算，根据式(6)进行，在选定时间情景下，t=3年和t=6年的附加黏聚力值分别为4.6kPa和5.93kPa。

3.3 稳定性检测

外部稳定性检查见表1。内部稳定性检查见表2。

表1为所选时间段(t=0年、t=3年、t=6年)的外部稳定性检验。

表1 不同时间段的FoS值

表2为所选时间段(t=0年、t=3年、t=6年)内稳定性检验。弯曲跨度等于1.6m。M为设计弯矩；抗弯强度R可根据式(3)计算得出。

表2 不同时段的稳定性检验

从表2可以看出，在t=3年验算中，内部稳定性没有得到验证。这意味着，该结构可能会倒塌。在这一阶段，有两种选择：增加木材的直径，或降低弯曲构件的跨度，这将增加材料要求，但将更持久。在这种新设计下，木垛墙能够使用足够的时间，因此植物能够充分发挥其稳定作用。因此，提出的新方法可检测到结构将不稳定的情况，没有给足够的时间让植物生根加固边坡。传统的设计不会发现这种情况，因此在生态工程设计阶段的改进已经被证明。

4 结 语

在设计阶段就必须考虑生态工程的动态特性，以真实地模拟和估算生态工程的演化过程。参数，如木材的衰变过程和变化的植物特性作为稳定因素，必须整合到生态工程的设计方法中。本文提出了一种考虑生态工程特殊性的方法，为了在确定的设计时间范围内覆盖工程的演变，提出了一种分时阶段的设计方案。该方法较好地反映了典型生态工程干预过程中的应力转移现象。与传统工程设计方案不同，该方法能够检测关键设计情况。通过提出的方法，确保了植物生长和繁殖新根的必要时间。

生态工程监测数据的积累将是一个重要的信息来源，既可以更好地定义关键的时间阶段，也可以收集关于木材衰变、根系形态和植物进化等方面的数据。