1 引言(Introduction)

小流域是指地表水及地下水分水线所包围的集水单元, 一般面积不超过50 km².北京市地方标准《DB11/T 548—2008生态清洁小流域技术规范》将生态清洁小流域定义为：流域内水土资源得到有效保护、合理配置和高效利用, 沟道基本保持自然生态状态, 行洪安全, 人类活动对自然的扰动在生态系统承载能力之内, 生态系统良性循环, 人与自然和谐, 人口、资源、环境协调发展的小流域(杨进怀, 2008).生态清洁小流域是推进生态文明建设的重要途径.在生态清洁小流域常用的修复、治理、保护三大生态措施划分出的拦护、护坡、污水处理、湿地恢复等共21项具体措施中, 生态护坡措施因其既能够减少水力侵蚀和边坡塌陷, 也能够发挥部分水质净化功能, 已成为建设生态清洁小流域的重要措施之一(郭索彦, 2013; 周宝佳等, 2009; 王新军等, 2006; 戴尔米勒等, 2000; 朱继业等, 1999).

目前, 根据护坡材料与护坡方法的不同, 我国主要的生态护坡技术有植物型护坡、土工材料种植基护坡、网石笼结构生态护坡、植被型生态混凝土护坡、多孔式结构护坡、水泥生态种植基护坡等(马继侠等, 2015；季永兴等, 2001).相较于浆砌石等传统护坡技术, 生态护坡技术能够大幅减少对周边环境的影响和破坏, 有助于构建人与自然和谐共处的生态环境.但因生态护坡技术在安全、经济等方面研究的缺乏, 以及技术本身存在较高的初期维护成本, 所以其发展仍受到制约(刘滨谊等, 2004; 马继侠等, 2015).现有的生态护坡技术分析主要通过对护坡后边坡的生态性、经济性、稳定性、适用性等指标进行相应评估.其中, 生态性分析主要通过分析护坡后的生态环境效益, 对生态护坡技术进行评价和建议(Tang et al., 2018; Uchida et al., 2015; 蔡婧等, 2008; 左华, 2005; 陈小华等, 2007；Li et al., 2016)；经济性分析主要通过对比不同护坡技术的工程造价(孙德强等, 2014), 从经济性的角度优化整体布置和细部设计；稳定性分析是以力学性能为研究核心, 通过护坡砖与坡改平生态砖的侧向压力对比试验(候旭峰, 2011)、根系生态护坡的机理及试验研究(肖本林等, 2011; Nghiem, 2007; Schwarz et al., 2010)等类似研究手段, 分析边坡安全并提出针对性建议；适用性分析主要通过研究生态护坡技术应用于实际工程后出现的现象或问题, 对不同护坡技术的适用条件进行经验总结与归纳(马继侠等, 2015; 黄奕龙, 2009；夏继红等, 2004).总的来说, 现有研究对实际工程中生态护坡后边坡的综合效益的系统性分析较少.

因此, 本文针对北京市昌平区生态清洁小流域示范项目中所采用的4种生态护坡技术, 包括生态多孔砖、铅丝石笼、生态框和坡改平生态砖等护坡技术, 分别研究了它们的稳定性、经济性、生态性与适用性等指标, 并依据4个指标的分析对比结果, 利用层次分析法对不同护坡技术进行综合效益分析, 最终得出可以指导生态清洁小流域护坡技术工程建设的普适性结论.

2 工程概况(Project profile) 2.1 示范工程概况

本文所依托示范工程属于北京市昌平区京津风沙源治理工程, 包括山区、城乡结合部及平原区3类共8条小流域(表 1), 治理面积135.53 km².示范工程基于功能优先、兼顾景观的思想筛选技术手段, 并依据分区治理、因害设防的原则布设工程措施.示范工程于2019年6月开工, 施工一年后完成项目建设.示范工程围绕水土保持、村庄美化、沟道生态修复、水资源高效利用、水质提升等治理核心, 实现“山水林田湖”系统的一体化治理.其中, 生态护坡是实现水土保持、沟道生态修复的重要措施, 也是示范区内各小流域广泛采用的技术手段.

2.2 生态护坡整体规划

近年来北京干旱少雨, 示范区内大部分沟道无常流水, 仅在汛期有短时雨水蓄集.现有沟道的入村沟段通常建设护坡工程, 但其他沟段多为原生土坡, 沟段内存在边坡塌陷、水力侵蚀等现象.同时由于沟道长期缺乏维护, 沟内长满杂草, 加上生活垃圾的随意倾倒, 部分沟段已成为潜在污染源.因此, 生态清洁小流域示范区亟需开展沟道边坡整治.根据各小流域的边坡现状和治理目标, 示范区选取4种典型护坡技术进行生态护坡技术示范, 其地理位置如图 1及表 2所示.

2.3 生态护坡实施现状 2.3.1 生态多孔砖护坡技术示范

生态多孔砖护坡的结构简图见图 2a, 图中已标明示范工程边坡结构的尺寸、护坡所选取的材料及其规格.实际工程应用中, 生态多孔砖的形状、大小等均可按需进行挑选或定制, 护砌前应使用混凝土进行护底以避免多孔砖滑落等不利现象的出现而导致结构整体失稳.生态多孔砖护坡技术适用于坡度不大于1:1的河(沟)道治理.

生态多孔砖护坡技术利用多孔砖的孔洞结构进行植草, 在植物的根系发挥其锚固作用的同时, 实现透气、透水、保土、固坡的效果.但采用生态多孔砖护坡技术的边坡坡度不能过大, 否则多孔砖易滑落.同时边坡原位土需压实处理, 否则水流不断冲刷易导致边坡凹陷, 也因此, 生态多孔砖一般不适合砂质土与弯曲较多的河(沟)道(杨进怀, 2008; 马继侠, 2015).

生态多孔砖护坡技术示范工程位于北小营小流域的西马坊村阳马路, 原有边坡被杂草覆盖, 部分边坡裸露, 存在水土流失现象.采用混凝土护底的生态多孔砖护坡技术后, 边坡稳定性提高, 透水性增强, 水力冲刷带来的水土流失减少.图 2b为生态多孔砖护坡效果图.

2.3.2 铅丝石笼护坡技术示范

铅丝石笼护坡的结构简图见图 3a, 图中已标明示范工程边坡结构的尺寸、护坡所选取的材料及其规格.实际工程应用中, 铅丝石笼网应根据边坡的坡形与坡度等调整其尺寸以适应坡面, 每层笼体应使用连接筋进行焊接加固以增强结构的整体性.铅丝石笼护坡技术常用于河(沟)道整治、水库消落带生态防护等, 适用坡度一般不超过1:1.25(坡度超过1:1.0时谨慎使用), 且分级时每级坡面高度不超过10 m.

铅丝石笼护坡技术是指在镀锌钢丝网里填充大小不一的石块后, 将其组合固定于河岸处并辅以生态措施的护坡技术.铅丝石笼护坡不仅具有较强的整体性、透水性、抗冲刷性和生态性, 其柔性结构还能适应地基的高程变化.同时, 铅丝石笼网笼结构的透水性对地下水的过滤作用具有良好的包容性, 可以使水中的悬浮物和淤泥沉积于石块间的缝隙, 为植物生长提供有利环境.但使用铅丝石笼护坡技术需要大量石材.此外, 铅丝石笼的破损后钢丝易锈蚀, 如不及时补救, 会造成石材泄露；铅丝石笼钢丝网易钩挂树枝、塑料袋等杂物, 如不及时清理, 会造成沟道淤塞(杨进怀, 2018; 马继侠等, 2015).

铅丝石笼护坡技术示范工程位于北小营小流域的四家庄村土西路, 主要负责土西路及周围排水, 原始边坡裸露, 水土流失严重.在对土质边坡采用铅丝石笼护坡技术后, 边坡稳定性提高, 工程结构与生态环境良好的结合, 起到了保护河床、治理滑坡的作用.图 3b为铅丝石笼护坡效果图.

2.3.3 生态框护坡技术示范

生态框护坡的结构简图见图 4a, 图中已标明示范工程边坡结构的尺寸、护坡所选取的材料及其规格.实际工程应用中, 生态框的尺寸及其框内基质可按需选择或预制, 坡底混凝土基础等加固措施用来防止出现生态框垮塌滑落导致结构整体失稳.该生态护坡技术适用于较为平直, 坡度较大的河道, 建议适用坡度范围为1:1~1:0.3.

生态框护坡是一种重力式护坡, 生态框一般为预制的钢筋混凝土装配式结构, 其内部以碎石为填充物.立式生态框层层错位码放, 利用其自重防止土坡滑移, 无砂浆砌筑也使水流可以快速进出以提高其防洪能力.同时, 其多变的造型与层次感的结构既美观又具有生态价值.但生态框内积存的泥土与框体后侧的边坡土层易被水冲走, 从而在水流湍急时容易引起坡体垮塌.因此, 生态框护坡一般不适用于弯度较大的河道(马继侠等, 2015).

生态框护坡技术示范工程位于西峰山小流域的柏峪沟土质陡坡, 原边坡为土质边坡, 坡度为1:0.5, 存在坡体垮塌、水土流失等现象.在采用生态框护坡技术后, 边坡稳定性显著提高, 水土流失现象的出现频率减少.图 4b为生态框护坡效果图.

2.3.4 坡改平生态砖护坡技术示范

坡改平生态砖护坡的结构简图见图 5a, 图中已标明示范工程边坡结构的尺寸、护坡所选取的材料及其规格.实际工程应用中, 坡改平生态砖的尺寸及其材质可按需进行选择或预制, 坡底处设浆砌块石护脚防止生态多孔砖出现被水冲刷等不利现象导致结构整体失稳.坡改平生态砖护坡技术适用于河道流速较低的土质或岩质稳定边坡, 适用坡度范围为1:3~1:0.75.

坡改平生态砖护坡技术使用的主要施工材料是坡改平砖.坡改平砖“下面斜、上面平”的独特结构设计能将沟道坡面由原来的单一斜坡面转换为若干小的水平面, 从而使坡面更加稳定.并且, 坡改平砖块内留有孔槽可拦蓄雨水、保持水土, 相比普通生态砖可提高水土保持效果.但坡改平生态砖用砖量大, 且在弯曲沟道不易排砖(杨进怀, 2018).

坡改平生态砖护坡示范工程位于响潭小流域的南口镇, 原边坡被杂草与植株所覆盖, 存在水土流失现象.在对沟道采用坡改平生态砖护坡技术后, 河道水土保持的生态功能以及边坡的安全稳定性得以加强.图 5b为坡改平生态砖护坡效果图.

3 经济性分析(Analysis of economy) 3.1 工程施工项目分析

工程施工项目分析主要依据4种生态护坡示范工程的主要定额项目, 对不同生态护坡的造价具体构成以及护坡材料具体用途加以归纳与总结.结果表明, 4种护坡工程均存在除主要铺砌材料护坡外的其他护坡措施, 其中, 生态多孔砖护坡示范工程采用混凝土护底与帽石压顶的双重加固技术, 相较于其余3种护坡示范工程的单一护脚或压顶, 其护坡技术更为全面.并且, 除坡改平生态护坡外其余3种护坡示范工程均铺设无纺布, 其原因在于, 坡改平生态护坡工程使用的坡改平生态砖本身在保土蓄水等生态方面的独特优势而无需额外的辅助生态措施.4种护坡的具体工程措施及工程量等内容详见表 3.

3.2 工程造价分析

基于护坡技术示范工程的概算文件, 本文开展各护坡工程的造价分析, 从而比较经济性.根据3.1节各护坡工程量清单(表 3), 结合工程实际, 可以得出各生态护坡技术工程的单位面积造价如表 4所示.总体来说, 考虑到生态框平均每平米的价格远高于其他护坡材料, 因此就工程造价而言, 采用生态框护坡技术时相对较高, 其次是铅丝石笼护坡技术, 而生态多孔砖护坡与坡改生态砖护坡技术较为便宜.

4 稳定性分析(Analysis of stability) 4.1 评价指标与屈服准则

目前, 边坡稳定性通常使用边坡安全系数进行评价, 而安全系数则可通过强度折减法求得.强度折减法是指利用有限元软件计算, 计算时不断对土体的抗剪强度参数进行折减, 最终求得土体破坏时的折减系数, 并以此作为边坡安全系数的方法(Zienkiewicz et al., 1975; 赵尚毅等, 2002).其中, 土体的抗剪强度参数包括粘聚力、内摩擦角与膨胀角, 强度折减主要针对土体的粘聚力和内摩擦角进行.相较于传统的极限平衡法, 强度折减法无需进行滑动面的假设且适用于更复杂的地质边坡.利用有限元软件分析时, 土体破坏可通过滑面塑性区贯通、无限制的塑性流动以及有限元计算不收敛等方法判断.本文采用滑面塑性区贯通时的折减系数与有限元计算收敛极限下的折减系数来分析并评价边坡的稳定性(郑颖人等, 2004; 栾茂田, 2003).

工程中常用的土体屈服准则为莫尔-库仑准则(简称M-C准则), 即当剪切面上的剪应力与正应力之比达到最大时, 材料发生屈服破坏.但M-C准则的屈服面为六棱锥面, 锥面上存在的奇异点会使导数计算困难甚至导致计算不收敛, 故在有限元分析时采用对其修正后的模型.本文采用基于M-C准则修正后的Drucker-Prager屈服准则(简称D-P准则), 因为D-P准则的屈服面光滑, 且其本构模型为理想的弹塑性, 适用于边坡稳定性分析(时卫民等, 2002).

4.2 利用ANSYS分析边坡稳定性 4.2.1 各护坡模型及其尺寸

4种护坡示范工程的模型及尺寸详见2.3节的结构简图.坡度方面, 生态多孔砖、铅丝石笼护坡坡度均为1:1.5, 生态框护坡的坡度分别为1:0.5和1:3, 坡改平护坡坡度为1:3.3.坡高方面, 生态多孔砖护坡坡高为1.45 m, 铅丝石笼护坡坡高0.74 m, 生态框护坡坡高为3.3 m, 坡改平护坡坡高为1.19 m.

4.2.2 单元选择、材料参数与边界条件

边坡土体选用支持D-P准则分析的4节点PLANE42单元, 设置为平面应变问题, 节点之间完全耦合.材料的应力应变关系为边坡稳定分析常用的等面积D-P圆模型, 需要输入的土体各参数分别为土的密度ρ、粘聚力c、内摩擦角φ、剪胀角(设置为0, 即土体不发生剪膨)、变形模量E与泊松比ν.沟道护坡的荷载主要考虑重力荷载, 边界条件采用底部完全约束, 侧边约束横向位移(赵尚毅等, 2006).

4.2.3 安全系数的计算与比较

为比较4种不同生态护坡的稳定性, 本文使用有限元分析软件计算边坡安全系数.基于黄褐土具有一定的工程代表性, 其粘聚力和内摩擦角随含水率增加而减小, 而含水率22%可模拟边坡处于危险时的饱水状态, 故土体均假定成含水率为22%的黄褐土(季宪军等, 2017).土体相关参数见表 5.

通过ANSYS进行模拟分析后, 可以得出不同边坡在护坡前和护坡后处于极限状态下的等效塑性应变云图与对应的折减系数, 如图 6及表 6所示.

分析结果表明, 应用4种生态护坡技术后边坡的稳定性均得到提高.具体地, 采用生态多孔砖护坡技术后, 边坡在收敛极限内不再出现弧形的塑性贯通区且其对应的折减系数提高了66.3%, 进而验证了采用混凝土护底的生态多孔砖护坡技术的边坡稳定性很高；采用铅丝石笼护坡技术后, 边坡的安全系数仅提高了5.7%, 相较而言提高幅度不大, 究其原因, 混凝土板压顶技术可能会引起边坡顶部出现局部失稳；采用生态框护坡技术后, 立式生态框对边坡土体起到了很好的位移限制作用, 等效塑性应变集中在坡顶立式生态框与平式生态框交接的碎石区域, 虽然根据收敛极限得到的折减系数较护坡前提高率不大, 但对于坡度为1:0.5的陡峭坡体, 护坡后边坡稳定性的提高还是较为明显；采用坡改平生态砖技术护坡后, 处于收敛极限的边坡接近破坏, 表明其护坡后边坡安全系数的增幅在14.4%以上, 边坡稳定性显著提高.综上所述, 生态多孔砖护坡技术对边坡稳定性的增强最为显著, 生态框与坡改平生态砖护坡次之, 铅丝石笼对稳定性的提升则较为有限.

5 护坡综合评价(Comprehensive assessment of slope protection)

在工程实际中, 选用不同护坡方式时会考虑稳定性、经济性、生态性、适用性等因素.其中, 本文研究的适用性指标主要考虑由于不同护坡技术适用的边坡坡度差异而导致护坡占地方面上的区别, 以此比较出不同护坡技术关于适用性指标的优劣.本文设计采用层次分析法(图 7)对不同生态护坡技术的上述4个方面进行综合评价(表 7), 从而筛选出最优护坡方案(汤旻烨等, 2020; 时迪迪, 2020).

根据4个因素的重要性, 使用数量化的相对权重构造成对比较矩阵A=(a_ij)_n×n, 其中a_ij按因素的重要程度进行赋值(表 8).

选用护坡方案的四个因素可以标记为：稳定性x₁、经济性x₂、生态性x₃、适用性x₄, 根据工程经验和实际需求进而得到成对比较矩阵如下(常志朋等, 2011; 马利军, 2019)：(例：a₂₃表示生态性比经济性稍微重要).

(1)

为检验矩阵A的一致性, 首先计算衡量一个成对比较矩阵不一致程度的指标CI：

(2)

对于n=4的方阵, 平均随机一致性指标RI：

(3)

由式(2)(3)可得,

(4)

故成对比较矩阵A的不一致程度可以被接受, 计算得出权向量为：

(5)

类似地, 为量化四种护坡方式的横向对比, 可以构造单方面性能的不同护坡度较的成对比较矩阵, 记作B₁、B₂、B₃、B₄ (对应x₁, x₂, x₃, x₄), 不同工程方案可以标记为：生态多孔砖y₁、铅丝石笼y₂、生态框y₃、坡改平生态砖y₄, 得到矩阵分别为：

(6)

经过一致性检验后, 最终可得到相应地权向量：

(7)

由此可以计算各护坡方案的综合得分(表 9).计算结果表明, 生态多孔砖护坡方案为4种生态护坡工程的综合最优方案.

6 结论(Conclusions)

本文针对北京市昌平区生态清洁小流域示范工程中所采用的4种生态护坡技术, 包括生态多孔砖、铅丝石笼、生态框和坡改平生态砖等护坡技术, 利用层次分析法进行经济性、生态性、安全性和适用性的综合效益分析, 主要结论如下：

1) 混凝土护底的生态多孔砖、铅丝石笼、生态框和坡改平生态砖等4种护坡技术均能够在满足防止水土流失、净化水质等生态功能的条件下, 不同程度提升边坡稳定性, 但均有一定的坡度适用范围.

2) 概算分析表明, 生态多孔砖护坡技术工程造价最低(400~550元·m^-2), 坡改平生态砖护坡技术(450~600元·m^-2)和铅丝石笼护坡技术(550~700元·m^-2)的工程造价也相对较低, 但生态框护坡技术的工程造价相对较高(1500~2500元·m^-2),

3) 有限元分析表明, 4种护坡工程护砌后的边坡稳定性都得到了提高.其中, 混凝土护底的生态多孔砖护坡对边坡安全性的提升最为显著, 生态框护坡与坡改平护坡技术也能有效提升边坡稳定性, 但铅丝石笼护坡的安全性提升效益较低.

4) 层次分析法结果表明, 混凝土护底的生态多孔砖护坡是经济、稳定、生态性良好、便于施工的生态护坡最优方案.