（地质工程专业论文）苏州苗家河边坡稳定性分析及植草护坡应用研究.pdf

摘噬 摘要 随着科技的发展和人类的进步，人们对生态环境、景观的要求越来越高。课 题要求治理的苗家河边坡为土质土坡，浆砌石护坡，这种护坡形式加剧了生态活 动的恶化。对于这种新的护坡形式，传统的边坡稳定评价必然需要增加新的方法， 传统的护坡形式也需要注入新的内容。本文以苗家河边坡为例，做了以下工作并 取得一定成果： ( 1 ) 植草护坡的作用机理及其对土坡稳定的影响。分别分析了根系密度、 根系深度与边坡安全系数的关系，根系密度越大，根系越深，坡面土的粘聚力越 高，土坡越稳定。详细分析了垂直根与土的相互作用力学模型，提出根系加筋效 应的概化模型及稳定效应分析。根系提高土的抗剪强度主要是通过根土接触面的 摩擦力把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的。植草护坡后边坡抗剪强度增 量f 的获得可以由数理统计的概化模型得到。 ( 2 ) 苗家河土坡稳定分析研究。考虑天然和暴雨两种工况，利用极限平 衡理论对土坡进行稳定分析。两种情况下计算得到的结果均显示边坡发生浅层滑 动的可能性很小。以有限元强度折减系数理论为基础，应用有限元分析软件 a d i n a ，建立了空间模型，分析了土坡的应力场和变形场。数据显示边坡发生 深层滑动的可能性也非常小。土坡坡脚处位移较大，坡顶处剪应力较大。a 剖面 坡角为3 0 。，b 剖面坡角为4 0 0 ，经计算得到的b 剖面坡面结点整体位移和z 向 位移高于a 剖面，与实际情况相符。 ( 3 ) 生态混凝土块的放置可能导致其在土压力作用下的失稳破坏，因此计 算土压力，并进行滑移与倾倒破坏验证，得到生态混凝土基本不会产生水平位移、 基本不会发生倾倒破坏的结论，最后提出了生态混凝土块的处理方案。 关键词：植被护坡生态混凝土概化模型极限平衡理论有限元强度折减法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt h ea d v a n c e m e n to fh u m a nb e i n g s ，t h e d e m a n df o rt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dl a n d s c a p ei si n c r e a s i n g m i a o j i ar i v e r s l o p et h a ti st h ep r o j e c tr e q u i r er e g u l a t e di ss o i ls l o p e ，t h es l o p ep r o t e c t i o no fm a s o n r y , t h i sf o r l o fs l o p ep r o t e c t i o na g g r a v a t e dt 1 1 ed e t e r i o r a t i o no fe c o l o g i c a la c t i v i t y f o r t h en e ws l o p ep r o t e c t i o n ，t h et r a d i t i o n a ls l o p es t a b i l i z a t i o na p p r a i s a li si n d i s p e n s a b l e t oa d dn e ww a y s t h ef o r mo ft r a d i t i o n a ls l o p ep r o t e c t i o ni sa l s oi n d i s p e n s a b l et o a d d i n gn e wc o n t e n t f o re x a m p l eo ft h em i a o j i ar i v e rs l o p e ，t h el o w e rw o r k sw e r e f i n i s h e da n ds o m ea c h i e v e m e n t sw e r eg a i n e d ： ( 1 ) t h em e c h a n i s mo fa c t i o nf o rt h es e e d e ds l o p ep r o t e c t i o na n dt h ei n f l u e n c e t ot h es t a b i l i z a t i o no fs o i ls l o p e t h ei n t e r d e p e n d e n c eb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i o nd e n s i t y a n dd e p t ho fr o o ta n dt h ea s s u r a n c ee o e 伍c i e n to fs l o p ew e r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y w i t l l t h ei n c r e a s eo f r o o td e n s i t ya n dd e p t h t h ec o h e s i v es t r e n g t ho f s l o p i n gs u r f a c ei s i n c r e a s i n g t h es o i ls l o p ei sm o r ea n dm o r es t a b l e 1 1 蛇i n t e r - c o u p l i n go fm e c h a n i c a l m o d e lb e t w e e nt h ev e r t i c a lr o o ta n ds o i lw a sa n a l y z e dp a r t i c u l a r l y 1 1 ”g e n e r a l i z e d m o d e lo fa d d i n g - b a re f f e c ta n ds t a b i l i z i n ge f f e c ta n a l y s i sw e r ea d v a n c e d r o o t s s y s t e mi n c r e a s i n gt h es h e a rs t r e n g t ho fs o i lr e a l i z e db yw h i c hi st h ef i 5 c t i o nf o r e eo f s e a tc o n t a c ts u r f a c ei n v e r t ss o i ls h e a rs t r e s st ot h et e n s i o ns t r e s so fr o o t s 1 1 1 e i n c r e m e n to fs l o p es h e a r i n gs t r e n g t h fa f t e rt h ep r o t e c t i o no fs e e ds l o p ec a nb eg o t b yt h eg e n e r a l i z e dm o d e lo f m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i e s ( 2 ) n e a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fm i a o j i ar i v e rs l o p es t a b i l i t y o ) t h es t a b i l i t y a n a l y s i so fm i a o j i ar i v e rs l o p es h o u l dc a l c u l a t ei nr a i n s t o r ma n dn a t u r e 1 1 1 er e s u l t s d i s p l a y e dt h ep o s s i b i l i t yo fs l o p es u p e r f i c i a ls l i d i n gu n d e rt h et w oc o n d i t i o n si sv e r y s m a l l t h es t a b i l i t ya n a l y s i su s e df e ms o f t - w a r e - a d i n aw h i c hb a s e do ns t r e n g t h r e d u c t i o nt ob u i i ts p a c em o d e l b ya n a l y z i n gt h es t r e s ss t a t ea n dt r a n s f o r m a t i o ns t a t e o ft h es l o p e t h ep o s s i b i l i t yo fs l o p ed e e ps l i d i n gi sv e r ys m a l l 砸他m a x i m u m d i s p l a c e m e n to fs l o p ei si nt h eb o t t o mo fs l o p e ，a n dt h em a x i m u ms h e a rs t r e s si so n t h et o po fs l o p e 耶1 cs e c t i o nao fs l o p ea n g l ei s3 0 0a n ds e c t i o nbo fs l o p ea n g l ei s 4 0 0 t h er e s u l t sd i s p l a y e dt h a tt h ev a l u eo fd i s p l a c e m e n t - m a g n i t u d ea n d z - d i s p l a c e m e n to fs e c t i o nbo fs l o p ea r eg r e a t e rt h a nt h es e c t i o nao ft h es l o p e ， w h i c ha g r e e dt h er e a l i t y ( 3 ) n l el a y - a s i d eo f e c o l o g i c a lc o n c r e t eb l o c km a yl e a dt ob u c k h a gd e s t r o y e d u n d e rt h es o i lp r e s s u r e b yc a l c u l a t i n gs o i lp r e s s u r ea n dt h ec e r t i f i c a t i o no fs l i p p i n g a n dd u m p i n gd e s t r u c t i o n ，t h er e s u l t sd i s p l a y e dt h a te c o l o g i c a lc o n c r e t ec o u l dn o t c r e a t eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to rd u m p i n gd e s t r u c t i o n a tl a s t , t h ed i s p o s a lp r o g r a m o f e c o l o 西c a lc o n c r e t ew a sa d v a n c e d k e y w o r d s ：t h ev e g e t a t i o no fs l o p ep r o t e c t i o ne c o l o g i c a lc o n c r e t e g e n e r a l i z e dm o d e l t h et h e o r yo f l i m i t i n ge q u i l i b r i u m f i n i t ee l e m e n ti n t e n s i t yr e d u c t i o nm e t h o d 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：孟叁2 0 0 6 年1 2 月2 0 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分 内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：越：2 0 0 6 年1 2 月2 0 日 第一章绪论 第一章绪论 随着人民生活水平的提高及气候地理影响，城市河道的污染问题日益突出，在 导师的指导下，通过国内外资料收集，文献阅读，结合本人参加的“苏州市水环境 质量改善与综合示范项目之苗家河河道治理”课题研究的实践，选择“苏州苗家河边 坡稳定分析与植草护坡应用研究”作为硕士论文选题。 科技的发展和人类的进步，人类与自然和谐相处，人类社会对环境、生态、景 观的要求越来越高，城市建设中的城市景观绿地等概念的提出，人们希望建设以人 为本的生态城市的呼声越来越高。苗家河边坡为土质土坡，浆砌石护坡。这种护坡 形式加剧了生态活动的恶化，生态护坡、环境护坡和景观护坡成为必然趋势。对于 这种新的护坡形式，传统的边坡稳定评价必然需要增加新的方法，注入新的内容。 因此，文章首先分析了植草护坡的作用机理，然后选取参数，建立模型分析了土坡 的稳定性。实际工程需要在边坡放置生态混凝土块，以达到净化水质美化边坡的舄 的，文章最后对生态混凝土块放置以后边坡的稳定性进行了验证，提出了合理的处 理方案。 1 1 土坡分析计算的现状及发展趋势 土坡稳定性分析的一般步骤为：实际土坡一力学模型一数学模型一计算方法一 结论。其核心内容是力学模型、数学模型、计算方法的研究，即土坡稳定性分析方 法的研究。土坡稳定分析方法研究一直是土坡稳定性问题的重要研究内容，也是土 坡稳定研究的基础。 土坡的稳定性评价方法大致可以分为两大类：定性分析方法和定量分析方法。 1 1 1 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响土坡稳定性的主要因素、可能 的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进 行分析，从而给出被评价坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解 释。其优点是能综合考虑影响土坡稳定性的多种因素，快速地对土坡的稳定状况及 其发展趋势做出评价。 ( 1 ) 自然( 成因) 历史分析法 该方法主要根据土坡发育的地质环境、土坡发育历史中的各种变形破坏迹象及 其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯土坡演变的全过程，对土坡稳定性的 河海大学硕士学位论文 总体状况、趋势和区域性特征做出评价和预测，对已发生滑坡的土坡，判断其能否 复活或转化。它主要用于天然斜坡的稳定性评价。 ( 2 ) 工程类比法 该方法实质上就是利用已有的自然土坡或人工土坡的稳定性状况及其影响因 素、有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究土坡的稳定性分 析和设计中的一种方法。 1 1 2 定量分析方法 土坡稳定分析的定量方法主要有：极限平衡法、极限分析法、有限元法等等。 ( 1 ) 极限平衡分析法 极限平衡法是土坡稳定分析中最早采用且最为广泛的方法，该方法目前已发展 了多种形式，如：f e l l e n i u s 法、b i s h o p 法、j a u b u 法、m o r g e n s t e m - p r i n c e 法、剩余 推力法、s a r m a 法等，并以条分法最为常用。 条分法是在1 9 1 6 年瑞典人p e t e r s e n 提出的。以后经过f e u e n i u s ，t a y l o r s 等人 的不断改进。他们假定土坡稳定问题是个平面应变问题，滑裂面是个圆柱面，计算 中不考虑土条之间的作用力，土坡稳定的安全系数是用滑裂面上全部抗滑力矩与滑 动力矩之比来定义的。上世纪四十年代以后，随着土力学学科的不断发展，也有不 少学者致力于条分法的改进工作。他们努力大致有两个方面：其一是着重探索最危 险滑弧位置的规律，制作数表，曲线，以减少计算工作量：其二是对基本假定作些 修改和补充，提出新的计算方法，使之更加符合实际情况。其中b i s h o p 等提出的关 于安全系数定义的改变，对条分法的发展起了非常重要的作用 由于该方法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考 虑各种加载形式的优点，因此得到广泛的应用。 极限平衡法也有不足之处：各种极限平衡法有一个共同假定，那就是假定士 体是理想塑性材料。这一假定显然不符合土是弹塑性材料的事实。把土体作为一 个刚体，按极限平衡的原则进行力的分析，假设土体破坏是一个瞬间过程，而不是 连续过程。没有考虑土体本身的应力一应变关系，假设土体破坏时各个部分同时破 坏。研究表明土体破坏是先局部破坏，而后才达到整体破坏，所以这一假定也不符 合土体的破坏模式。计算土坡稳定性的安全系数时，假定一个特定的滑动面。由 于这一假定导致安全系数是否可靠取决于假定的滑动面是否与真实破坏滑动面相 符合。 ( 2 ) 塑性极限分析方法 1 9 5 2 年d r u c k e r 和p r a g e r 提出塑性极限分析法【饥，其最大优点是考虑了材料应 力一应变关系，并利用极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗 的功为条件，结合塑性极限分析的上下限定理求得土坡极限荷载与安全系数。由于 塑性极限分析所得解答为波动于某范围的模糊极值解【1 0 1 ，孙君实提出滑动机构的 第一章绪论 概念，并证明了给定滑动机构的耗散功能定理，即滑坡极限分析的极大值定理，将 该定理“模糊化”得到给定滑裂面安全系数的模糊极大值定理，再把极大的概念模糊 化为滑体内力状态的模糊状态条件并构造模糊函数和模糊约束条件，提出安全系数 的模糊解集和最小模糊解集概念，从而建立土坡稳定分析“极大中极小”问题的模糊 极值理论，使长期以来条分法研究在假定多余未知函数方面存在的随机性问题得到 较好的解决。 ( 3 ) 有限元( f e m ) 法 该方法在边坡土体的稳定性分析中得到最早( 1 9 6 7 ) 应用，1 9 7 4 年s m i t h & h o b b s 用弹塑性模型得出了伊。= 0 土坡的分析结果，而且其分析所得的安全系数与t a y l o r s ( 1 9 3 7 ) 图表方法确定的安全系数相当符合。z i e n k i c w i e z , e t ，a 1 ( 1 9 7 5 ) 在考虑了c t 、 的情况下对土坡进行分析，分析结果与条分法所得的结果对比相当一致【l “。 d v g r i f f i t h s ( 1 9 8 0 ) 把有限元法扩展到了土体几何大变形领域，且扩展到了各 种类型不同的土质中。国内学者中龚晓南，谢康和，雷晓燕等也都编制了弹塑性有 限元程序，对有限元在岩土工程中的应用做出了一定贡献。有限元法是现在最广泛 使用的一种数值分析方法。目前，已经开发了多个二维及三维有限元分析程序，可 以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。 有限元法有以下优点： 有限元法是把土坡当成变形体，按照土体的弹塑性变形特性，计算土坡内的 应力分布，能算出土坡内的应力场和位移场分布，计算土体的整体抗滑稳定性。如 果进行逐步非线性分析，还可了解土坡的逐步破坏机理，跟踪土坡内塑性区的开展 情况。且有限元法可以确定破坏区的位置和破坏区的扩展情况。由此可以得到临界 滑裂面的位置。可见有限元不需要极限平衡分析方法中的各项力学假定和滑裂面假 定。 由于土体是不均匀材料，有限元法可以通过划分网格把土体离散化，然后根 据具体情况确定每个单元体的物理力学指标。从而更加真实的反映土体的真实情 况。 但有限元分析不能直接与稳定性评价指标建立关系，需要定义合适的安全系 数，使之在计算时能方便的利用有限元分析的结果。d u n c a n ( 1 9 9 6 ) 指出土坡安全 系数可以定义为使土坡刚好达到临界破坏状态时，对土的剪切强度进行折减的程 度，即定义安全系数是土的实际剪切强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值。 国内外许多学者，如u g a i ( 1 9 8 9 ) 、u g a i & l e s h c h i n s k y ( 1 9 9 5 ) 、g r i f f i t h s & l a n e ( 1 9 9 9 ) 、d a w s o n & r o t h ( 1 9 9 9 ) 、m a n z a r i & n o u r ( 2 0 0 0 ) 、宋二祥都对此做了进 一步的研究。但有限元强度折减法只考虑了强度指标，没有考虑其它土体参数，参 数折减并不等于强度折减，折减后的应力场并非实际的应力场。 河海大学硕士学位论文 有限元分析方法已得到广泛应用，但有限元计算结果不能直接与稳定性评价指 标建立联系，需要根据应力场、位移场和材料的破坏准则，制定合理的安全系数。 1 1 3 土坡分析方法的发展趋势 ( 1 ) 可靠性分析法 理论与实践均证明，影响土坡工程稳定性的诸多因素常常都具有一定的随机 性，它们多是具有一定概率分布的随机变量。 随机分析方法不同于确定性分析方法，其认为影响土坡稳定性的各种因素是随 机变量，运用概率论和数理统计知识来研究土坡稳定性。随机分析中常将土坡材料 性能，如弹性模量、泊松比等；土坡几何尺寸，如土坡边界尺寸；土坡外部荷载， 如地震力、重力场、渗流场等视为随机变量，再利用某种可靠性分析方法，如 m o n t e - c a r l o 法、可靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求解边坡土体的破坏 概率即可靠度。 近年来，该方法在工程中的研究与应用发展很快，为土坡稳定性评价指明了一 个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难于获取，各因素的 概率模型及其数字特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决。另外，其计算通 常也较一般的极限平衡方法显得困难和复杂。 ( 2 ) 模糊分级评判方法 影响土坡稳定性的诸因素除了具有前述的随机不确定性外，还具有一定的模糊 不确定性。采用模糊分级评判或模糊聚类方法对土坡的稳定性做出分级评判，通常 是先找出影响土坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值，然后根据最大隶属 度原则来判定土坡的稳定性。实践证明，模糊分级评判方法为多变量、多因素影响 的土坡稳定性分析提供了一种手段。这一方法主要应用于大型土坡的整体稳定性评 价。 目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、灰色系 统理论方法、突变理论方法、神经元方法、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理论等 也在土坡稳定性方向上得到了不同程度的应用。 ( 3 ) 物理模型方法 物理模型方法是一种发展较早、应用广泛、形象直观的土坡稳定性分析方法。 它主要包括光弹模型、底摩擦试验、地质力学模型试验、离心模型试验等。这些方 法通常能够形象地模拟边坡土体中的应力大小及其分布，土体的变形破坏机制及其 发展过程、加固措施的加固效果等。 ( 4 ) 现场监测分析法 边坡土体的变形破坏是个过程。坡体由稳定状态向不稳定状态的突变也必然具 有某种前兆。捕捉这些前兆信息并对其进行分析和解释，将可更好地认识边坡土体 变形的发展过程和失稳的征兆及其判据。人们认识到这个问题，在发展其它土坡稳 第一章绪论 定性分析理论与方法的同时，又开展了现场监测技术方法、监测结果分析方法等的 研究，力图通过现场监测所获得的信息如位移、位移速度、应力、声发射率、氡气 2 旺、脉冲频率、地下水等有关特征，对边坡土体稳定性做出评价和预测，为加固处 理设计提供服务，同时，又能对加固措施的加固效果进行检验，为施工的安全保护 等提供信息。由于现场监测结果直观可靠，因而利用监测结果对土坡过程的稳定性 进行分析，已成为目前土坡工程中稳定性评价极其重要的方法。 以上简要介绍了目前主要的土坡稳定性分析评价方法及其发展趋势。从中可以 看到，各种方法的原理不同，分析结果表示方式不一，各有其优缺点。建立于复杂 地质体中的土坡工程，有极其复杂多变的特性，同时又有较强的隐蔽性。因而，在 实际工程中，应根据土坡工程的具体特点及使用目的，最好能同时利用多种分析方 法进行综合分析验证，力求得出一个更加客观、可靠、合理的评价结果。 1 2 植被护坡技术和生态混凝土方法的提出 1 2 1 植被护坡技术 植被护坡的历史源远流长。最早记载的植被护坡应用出现在1 5 9 1 年的中国。 在如此久远的年代，柳树等已用于河岸土坡的加固与保护。在1 7 世纪，中国就利 用植被护坡技术保护黄河河岸。1 6 3 3 年，日本人采用铺草皮、栽树苗的方法治理荒 坡，成为日本植被护坡的起源。到了2 0 世纪3 0 年代，这种生物途径首次引入中欧， 得到迅速发展并在欧湘盛行，主导着世界植被护坡的研究与应用。2 0 世纪6 0 年代 以后，植被护坡技术已推广到世界许多国家。在英国，这个方法用于陆地景观的稳 定、堤岸和交通线路土坡的稳定等脚】。欧美国家主要是围绕着防止坡面遭受雨水侵 蚀的目的而进行，主要应用于公路土坡的植被防护及河堤防护。 植被护坡技术在现代中国始于2 0 世纪5 0 年代，主要用于水土保持和防风固沙。 尽管中国的应用目的与其它地区的不完全相同，但采取的植被护坡原理与方法却是 基木相同的。现在植被护坡技术越来越多的应用到工程领域中，在景观生态理论飞 跃发展的今天，人们越来越注重“人与自然”的和谐统一，生态护坡中的植被护坡将 得到更大发挥空间。 植物生态固坡的主要途径是利用植被进行坡面保护和侵蚀控制。根系对边坡土 层的加固作用与根的分布形态、根在土中的含量和根的强度等因素有关。根的直径 越粗，其抗拉强度越高，若不考虑根系之间的强度和尺寸差异，根土相互作用可看 成纤维加筋土的模式。植被的加筋作用能提高边坡表面抗剪强度，对边坡稳定是十 分有利的。 河海大学硕士学位论文 1 2 2 生态混凝土方法处理城市径流污染 ( 1 ) 苏州城区水质环境简介 苏州是我国东南部著名旅游城市，人口密集，属亚热带季风气候。苏州市地处 太湖为中心的浅碟形平原的底部，以平缓的平原地形为主，全市地势低平，自西向 东缓慢倾斜，东南部低洼。苏州城市河道纵横交织成网，各条河流均属太湖水系， 境内湖泊、河道众多，河湖串通，是典型的江南水网地区。其河网水流流向受自然 和人为因素的影响，既受地形的支配，又受长江、东海及内部闸门人为控制，因而 水流流向顺逆不定，水情相当复杂。古城区内河道呈“三横三纵”的格局，总长 3 5 2 8 k i n 。正常水位情况下，苏州的航道主干河道水深为2 3 5 m ，非航道的其它河 道水深在1 2 m 之间。市区河道宽窄悬殊，运河河宽在5 0 m 以上，内城河河宽一 般l o r e 左右，环城河最宽断面达1 3 5 m ，最窄断面只有9 m 。古城区内河流坡降平缓， 仅为十万分之一，滞流时间较长，水流十分缓慢，一般在0 o l m s 以下，有时甚至 滞流，局部河道往往死水一潭。在自然情况下，内城河大多呈滞流状态。 近十年来苏州发展迅速，吸引外商投资，建立工业园区等等。工业的突飞猛进 发展对城市环境的影响无疑是消极的。经有关部门检测，苏州城区河道的水质恶化 非常严重，均为劣v 类水质，以有机污染为主，其中氨氮、总氮和总磷的最大超标 倍数分别达1 4 5 、6 5 4 和4 5 5 倍，属重污染，部分河段时有黑臭现象发生。城市河 道环境亟待接治。下面对径流污染作一下简单介绍。 ( 2 ) 城市径流污染的来源 城市径流污染主要是降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地表时，聚集一 系列污染物质( 如氮、磷、重金属、有机物等) 通过下水道直接排入水体而造成的 水体污染。一般来说，径流污染物主要来自于三个方面：降水、下垫面地表和下水 道系统。 降水。即降雨和降雪产生的污染物负荷贡献，其中包括降水淋洗污染物。国 外某工业城市对其13 场暴雨径流研究表明：在建筑物屋顶产生的径流污染物负荷 中，约有1 0 2 5 的氮，2 5 的硫和将近5 的磷都来自降雨。而在街道、商场、 停车场、商业区和交通繁忙道路所产生的径流污染负荷里，几乎所有的氮，1 6 4 0 的硫和1 3 的磷来自降雨。由此可见，雨水径流中有一部分污染物是由降雨本身带 来的。 下垫面地表。被认定是雨水径流污染物来源的主要部分。其物源有： a 来自外界的灰尘，城区街道地表污染物中，有相当一部分微粒物质会对受纳 水体产生污染影响，部分微粒由低空气流输送后降落在街道地表面，绝大多数微粒 粉尘则是由本地产生的：b 城区的各种废物，如来自城市和天然地表侵蚀产生的灰 尘及落叶；c 建筑物表面的腐蚀物、鞋底及轮胎磨损物、植物枯叶及不同城市土地 利用区域所产生的各类废物垃圾等。这些污染物，平时或悬浮在大气中，或散布在 6 第一章绪论 城区建筑物屋顶和街道地表，降雨时随着径流运动汇入受纳水体造成水质污染。 下水道系统。对雨水径流水质造成影响的主要是下水道的沉积物和排水系统 漫流溢出的污水。有关研究表明，前次降雨径流过程中残留在下水道中的水体极易 腐败，其中的固体物也表现为腐败或厌氧的淤泥性质，而本次降雨形成的径流则将 替换这部分积存的污水。 ( 3 ) 城市径流污染的污染特征 城市径流污染的特征包括以下三个方面： 具有面源和点源的双重性。污染物晴天时在城市地表累积，降雨时则随径流 而排放，具有面源问歇式排放特征。污染物自城市地表经由排水系统进入受纳水体， 又具有集中排放的特征。 随机性。影响城市径流污染的因素很多，且许多为随机性因素，在地表污染 物的累积和冲刷两个主要环节中都有随机性因素起作用，如两场降雨之间的间隔时 间、降雨历时、降雨强度等。 污染负荷时空变化幅度大。由于随机性的存在，城市径流的污染负荷并不是 稳定不变的。不同的城市功能区，人类活动的方式与强弱不同，相应的地表沉积物 的数量和性质也不同，产生的径流污染负荷差异较大。污染负荷在时间上也存在一 个明显的初期效应，即在一场降雨过程中，占总径流2 0 或2 5 的初期径流，冲刷 排放了径流排污量的5 0 污染物。 ( 4 ) 城市径流污染控制治理途径 城市径流污染具有污染源类别多、数量大和随机性强的特点。控制径流污染的 措施很多，根据径流污染形成过程可分为以下三种方法： 源头污染物控制 污染物源头的分散控制，就是在各污染源发生的地点采取措施将污染物质截留 下来，避免污染物在降雨径流输送过程中的溶解和扩散，使污染物的活性得到激活。 通过污染物的源头分散控制措施可减少污染物的产出量，降低水流的流动速度，延 长水流的流动时间，减少后续处理系统的负荷量和波动。 主要措施有：a 清除地表累积物。扩大城市街道面的清扫范围，增加清扫频率， 改进清扫方式是减少地表累积物的主要手段；b 防止城市水土流失。在新城建设和 老城改造时，制定严格的土地使用规划，严禁大规模的盲目裸露开发建设，建立科 学的管理办法和制度。同时城市透水区域要加大绿化地建设，美化环境，保护土壤， 防止侵蚀；c 控制大气污染物浓度。严格执行烟尘控制规定，防止大气降尘经降雨 产生一次污染。此外，控制汽车尾气排放，降低由此产生的酸雨危害。 道路降雨径流控制 城市中混凝土和沥青路丽等不透水表面的径流系数一般为0 ，9 ，即一场降雨中 有9 0 的雨水将形成径流。道路面积的增加导致路面径流量的增加，后果是一方面 河海大学硕士学位论文 所需雨水管道、雨水泵站等设施的容量、输送能力必将随之增大，对于城市建设是 一个沉重的负担；另一方面路面径流携带着大量的污染物排入河道，给环境带来严 重的污染。 因此，采用透水材料建设道路，加大径流的入渗量是控制路面径流污染的一个 很有效的措施。此外，在不影响道路使用功能和力学结构的前提下，新建道路时， 适当降低道路中间或两旁绿化带地地面标高，使其低于两侧路面，以便道路上的降 雨径流能顺利流入绿化带，并把绿化带改造成能处理降雨径流的渗滤系统，其底部 建有排水管道。 污染物流出下水道前控制 该项措旌旨在利用现有排水系统减少地表污染物直接排入受纳水体的数量。可 采取的污染控制措施主要有：雨水截留井和线内贮存。它们对分流制系统和合流制 系统的污染控制都适用。 j l 雨水截留井 指设在街道边将地面雨水引入下水道或雨水管的池子或井。它不同于普通的雨 水入口，其出水口水位以下有一个沉积固体物的水坑，表而漂浮物由挡板刮除。水 坑可截留大量的可沉固体和漂浮物，需定期清理。 b 线内贮存 指利用管线中的未被充分利用的容量贮存径流，降雨停止后再将径流缓慢排 放。由于流速的减缓，径流中的许多悬浮物沉积在阴井中，及时清理阴井中这部分 污染物，可减少径流对水体的污染。 末端集中控制 不论采取何种控制措旌，地表径流最终仍然会汇流成一股，集中进入水体，因 此，需要在汇流口实施径流污染的末端集中控制，进一步减少进入城市水体的污染 物量。目前，末端控制技术主要以人土湿地为主。人士湿地具有建设费用少，运行 管理简单，处理效果稳定可靠，抗冲击负荷能力强，美化环境等优点，在国内外降 雨径流处理中应用比较广泛。 ( 5 ) 生态混凝土方法及其作用机理 日本混凝土工学协会1 9 9 5 年提出了生态混凝+ ( e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y c o n c r e t e e c o c o n c r e t e ) 的概念。所谓生态混凝土是一类特种混凝土，具有特殊的结 构与特性，能减少环境负荷，与生态环境相协调，并能为环保做出贡献。日前研究 开发的生态混凝土的功能有污水处理、降低噪音、防菌杀菌、吸收并去除n 0 3 - - n 、 阻挡电磁波以及植草固砂等。 作用机理 由于在混凝土内具有大量的连通孔，因此有良好的透水性。通过生态混凝土上 的物理化学、物化以及生化作用来净化污水。 第一章绪论 a 物理与物化净化 大孔混凝土的孔隙率为5 3 5 ，并且连通孔占1 5 3 0 。如使用5 1 3 r a m 的碎石为骨料，其平均孑l 隙直径为1 8 2 m m ；使用2 5 5 m m 的碎石为骨料，其平均 孑l 隙直径为o 7 m m ，因此它可以成为很好的过滤材料。 b 化学净化 化学净化是向污水中投放化学药品，发生化学反应或产生混凝作用从而形成沉 淀的处理过程。 c 生化净化 考虑到生化处理是目前最常用的污水处理方法，因此众多的研究者将大孑l 混凝 土作为生物载体，依靠形成的生物膜可以去除水中的污染物质。 存在问题 a 污水中的固体物质沉积在混凝土上，很快堵塞了大孔混凝的孔隙使其失去了 净水功能。 b 没有设计出合理使用生态混凝土的实际工程应用方法和如何来确定其净水效 果的技术。 c 提高混凝土的耐久性和污水处理的有效寿命。众所周知，水泥混凝土在水中 会不断溶出c a ( 0 h ) 2 ，c a ( o h ) 2 的大量溶出会导致水泥水化产物的分解，严重 影响了混凝土的耐久性。另一方面，污水中的微生物也会造成混凝土的腐蚀。 目前相对有效的方式是侧滤方法。首先对污水进行处理，去除固体悬浮物质， 再经过推流式生态混凝土水处理装置，达到污水处理的日的。另外，通过在生态混 凝土中掺加缓释性净水材料，提高了生态混凝土的净水效果和耐久性能。 苗家河是苏州市主河道南园河的一支分流，为了达到改善河道污染状况净化水 质、美化环境的效果，在苗家河岸边两侧的浆砌石上布置型号为4 0 0 x 4 0 0 x 8 0 0r l i l l ， 重量为1 2 0 k g 的生态混凝土块。如图1 1 。 图1 1 生态混凝土块 生态混凝土块的放置可能导致其在土压力作用下的失稳破坏，文章最后计算了 土压力，并进行滑移与倾倒破坏验证，提出了生态混凝土块的处理方案。 河海大学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 针对“苏州市水环境质量改善与综合示范项目之苗家河河道治理”课题研究的实 践，做了以下工作： ( 1 ) 详细分析了植草护坡的作用机理和力学效应。根系对边坡土层的加固作 用与根的分布形态、根在土中的含量、根的分布密度和根系深度等因素有关。详细 分析了根系密度、根系深度与边坡安全系数的关系。仔细分析了垂直根与土的相互 作用力学模型，提出根系加筋效应的概化模型及稳定效应分析。简单介绍了侧根的 作用。结合苗家河边坡实际，分析了植草对边坡稳定的影响。 ( 2 ) 结合苗家河边坡的工程地质条件，在参考大量文献、类比众多工程实例 的基础上进行参数选取。考虑天然和暴雨两种工况，利用极限平衡理论计算土坡安 全系数。 ( 3 ) 以有限元强度折减系数理论为基础，应用有限元分析软件a d i n a ，建立 了空间模型，分析了土坡的应力场和变形场，对土坡的稳定性进行验证。 ( 4 ) 结合工程实际，生态混凝土块的放置可能导致其在土压力作用下的失稳 破坏，因此计算土压力，并进行滑移与倾倒破坏验证，提出了生态混凝土块的处理 方案。 1 0 第二章基奉原理 第二章基本原理 对苗家河边坡的稳定分析评价，主要采用了传统的边坡稳定分析评价方法：极 限平衡理论条分法和基于有限元强度折减系数法的通用分析软件a d i n a 。下面介 绍各种方法的基本原理。 2 1 莫尔一库仑强度理论 2 1 1 莫尔应力圆 土体内部的滑动可沿任何一个面发生，只要该面上的剪应力达到其抗剪强度。 对于复杂应力状态，土体内任一单元体的中各个截面上的应力是相关的，对于平面 问题，只要已知任意两个相互垂直的截面上的应力，其它截面的应力可以用这两个 相互垂直的截面上的应力描述。 土体受力后，土体内任一单元体所有截面上，都有法向应力( 正应力) 盯和切 向应力( 剪应力) r 两个分量。如果该单元体的某一平面上只有法向应力，没有切 向应力，则该平面称为主应力面，作用在主应力面上的法向应力就称为主应力。对 于平面问题，通过任一单元体只有两个主应力面，且他们是正交的。 图2 - l 土单元体的应力状态 设某一土单元体如图2 - 1 ，作用在该单元上的大主应力q 和小主应力盯、的大小 和方向都为已知时，与大主应力面成0 角的任一平面上的法向应力盯和剪应力r 可 直接应用材料力学的结果表达如下。 口：! ! ! 1 2 + ! ! 二1 2c o s 2 0( 2 1 ) 22 f ：! ! 二堡s i n 2 6 ( 2 2 ) 2 式中：盯、r 分别为与大主应力面成口角的斜面上的法向应力和剪应力； 盯、盯，分 坷海大学硕士学位论文 别为单元体的大主应力和小主应力。士力学中以压应力为正，因此盯，为最大的压应 力，其定义刚好与材料力学规定相反，因为土体不能承受拉应力。 由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可知，若给定仉和盯、，则通过该单元体任一平面上的 法向应力和剪应力将随着它与大主应力面的夹角占而异。 将式( 2 1 ) 改写为口一! ! 鱼：鱼二墨c o s 2 臼( 2 3 ) 22 式( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 的两边平方并相加，可得到： 卜学j 十r z2 ( 孚j 可见，在r l r r 坐标平面内，土单元体的任意斜面上的应力状态轨迹将是一个 圆，圆心落在仃轴上，与坐标原点的距离为( 吼+ 0 3 ) 2 ，半径为( q 一0 , ) 2 ，该圆 就称为莫尔应力圆。土体单元的莫尔应力圆确定后，该单元体任意斜面上的应力状 态可由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 计算。 2 1 2 莫尔一库仑强度理论 根据土在不同应力状态下的剪切试验，发现土体达到剪切破坏时，在不同的大 小主应力组合下，土体单元均达到极限平衡状态，这样绘出的所有莫尔圆均称为极 限莫尔圆，见图2 - 2 。一种土体的所有极限莫尔圆具有公共切线，称作强度包线。 因此，处于稳定状态的莫尔圆均在包线内，而处于极限平衡状态的极限莫尔圆均与 包线相切。 o ， 余 弋4 图2 - 2 士的极限状态和极限莫尔圆 土体的极限莫尔圆的包线为一条直线，其与极限莫尔圆的切点即为土体的破坏 面上的应力状态，见图2 - 3 。由图中的几何关系，破坏面与大主应力面的夹角为口， 得到破坏面上的应力状态如下： 盯：! ! ! + ! ! 二1 2c o s 2 0 ，( 2 5 ) 22 。 f ，：f ：盟s i n2 8r ( 2 6 ) 粥事j 止奉蟓脞 悉 卜。吨r 卜 c ”n r 卜+ c “嘞叫 c a ) 极限平衡状态( b ) 剪破面 图2 1 3土的极限平衡条件 口，为破坏面与大主应力面间的夹角，称作破坏角。由图2 3 的几何关系，破坏 角的大小为： 臼，：4 5 。+ 里( 2 7 ) 7 2 其中伊为土的内摩擦角。即剪切面与大主应力面的理论夹角为( 4 5 。+ 妒2 ) ，一对剪 破面的夹角为( 9 0 妨 同时满足上述三条规律的士的抗剪强度理论称作莫尔一库仑强度理论，公式 ( 2 - 5 ) 、( 2 ，6 ) 和( 2 - 7 ) 称作莫尔一库仑破坏准则。 1 9 7 6 年，库仑根据砂土的摩擦试验，把抗剪强度表达为滑动面上的法向总应力 的线性函数，即 f ，= 盯t a n 妒 这表明砂土的强度特性类似于固体间的摩擦。 件，把上式改为更普遍的形式： ( 2 8 ) 后来为适应不通土类和试验条 7 ，= c + 仃t a n t p ( 2 9 ) 式中，r f 土的抗剪强度，k p a ；口滑动面上的法向总应力，k p a ；c - - 粘聚力， 即在f o 坐标平面内抗剪强度线与坐标纵轴的截距，k p a ；妒一内摩擦角，即抗剪 强度线的倾角( o ) 。 2 2 极限平衡理论基本原理 土力学中，边