膨脹土渠坡混凝土斜墻防護的穩(wěn)定及變形分析

耿運生 李聚興 周玉濤 王俊奇 李闖

（1.河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021；2.華北電力大學可再生能源學院水利水電工程教研室 北京 102206）

膨脹土渠坡混凝土斜墻防護的穩(wěn)定及變形分析

耿運生1李聚興1周玉濤1王俊奇2李闖2

（1.河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021；2.華北電力大學可再生能源學院水利水電工程教研室 北京 102206）

針對南水北調中線一期工程總干渠邯邢段膨脹土渠坡的滑坡問題，對采用混凝土斜墻防護方案進行了探討。采用幾何非線性有限元法，對膨脹土渠段某典型斷面斜墻的穩(wěn)定、膨脹變形進行模擬，計算分級施工、運行的3種工況。計算結果表明，強度折減有限元法算得渠坡安全系數大于規(guī)范規(guī)定，斜墻膨脹量不致影響渠道安全。

膨脹土 渠道邊坡 斜墻 強度折減法 南水北調中線工程

1 概述

南水北調中線一期工程總干渠邯邢段總長172km，其中膨脹土（巖）渠段42.01km。挖方渠段41.59km，挖深10m之內的25.46km，挖深10～15m渠段11.8km，挖深15m以上的4.35km。過水斷面處于強膨脹性巖土渠段3.65km，中膨脹性20.71km，弱膨脹性17.65km。地下水高于渠底的渠段21.3km，其中高于一級馬道的渠段長12km。邯邢渠段的膨脹土（巖）主要分布在邯鄲（樁號10+650～68+315）和邢臺（樁號109+798～123+049）的部分渠段。

膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮、快速崩解、超固結、多裂隙等特性。裂隙不僅破壞膨脹土的整體性，而且為雨水的滲入提供了快速通道，水分進入土體后導致土體迅速軟化，大大降低了土體的抗剪強度，從而誘發(fā)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

對膨脹土渠段的處理，處理原則是以封閉土體減小含水量變化和利用換填層吸收膨脹變形的思路進行處理，對應于強、中、弱膨脹土換填厚度分別取為2.5、2.0和1.0m。

對于膨脹土的膨脹量和膨脹力，許多學者作了大量工作，對于不同的礦物組成，膨脹特性不同，同時膨脹力與膨脹量的相關性也有差異。如果單純以膨脹力來進行建筑物的加固設計或者防護是不合理的，當土體有了一定的膨脹量，膨脹力就大幅降低。引江總干渠，對于分塊接縫處產生一定的錯動，對于護坡而言是容許的?；诖?，作者提出了利用斜墻進行膨脹土渠坡的處理，一是利用斜墻的壓重控制一部分變形，二是容許斜墻存在一定的變形但不致破壞，三是在斜墻與膨脹土基面之間設置排水墊層使裂隙水順利排出。

2 基本條件和設計方案

（1）初步設計階段批復方案

南水北調中線總干渠某渠段地層巖性上層為強膨脹壤土，下層為弱膨脹性粘土巖，渠道為全挖方，一級馬道高程基本同地面。

批復設計方案為，渠底寬度17.5m，迎水面坡度1:3.5，膨脹土表層進行粘性土換填，換填厚度2.5m，換填層上設置反濾料（厚150mm）、保溫板（厚30mm）、土工膜和混凝土襯砌板（厚100mm）。

（2）斜墻方案

防護結構采用鋼筋混凝土斜墻，迎水面坡

度1:1.5，頂部厚度0.6m，底部厚度2m。斜墻沿渠道方向每8m設一道變形縫，設橡膠止水帶。斜墻表層和底層設置鋼筋網。

混凝土斜墻抗滑穩(wěn)定不滿足要求，剩余推力由橫向支撐梁承擔，經計算，為達到允許安全系數，每延米斜墻剩余推力60kN。根據斜墻分塊尺寸，支撐梁間距取4m。根據支撐梁承受的最大推力，考慮施工和受壓穩(wěn)定的要求，確定尺寸為0.5×1.0m（寬×高），鋼筋混凝土結構。

強膨脹土渠段，實測及預計地下水位皆高于渠底，為及時排除膨脹土裂隙內的地下水，在斜墻和膨脹土接觸面設置0.5m厚砂礫排水層，坡面排水層與渠底換填土下的排水層連通。排水層粒徑0.5～5mm，d15取0.7mm，不均勻系數大于10。

斜墻結構圖見圖1。

圖1 渠坡防護結構圖

3 斜墻穩(wěn)定及變形有限元分析

3.1 計算域選取

本次計算選取代表性斷面，各斷面均按照三種工況計算，根據各項計算成果，分析評價渠坡的安全系數，確定其應力場，計算膨脹變形量。

有限元法是目前邊坡穩(wěn)定分析中廣泛應用的方法,可以仿真模擬分步施工運行過程，確定各階段應力場，研究不同工況渠道工作性態(tài)，確定渠道護坡穩(wěn)定性，計算膨脹變形量。

使用ABAQUS軟件，采用二維非線性有限元分析。以渠道中線為界，取結構的一半進行模擬。結構對稱面為法向約束，地基底面法向約束。地基垂直和水平方向分別延伸開挖深度和寬度的3倍。平面應變4結點減縮積分單元（CPE4R）。

3.2 分析步

根據計算目的和要求，計算工況如下：

工況1：開挖渠道，墊層、護坡施工完畢；

工況2：正常運行，受渠道水壓力和岸坡中浮力；

工況3：檢修，渠道無水，岸坡作用滲透力。

根據計算工況，按照實際施工順序，模擬基坑開挖形成初始應力場、墊層和結構施工、強度參數折減等過程，設置分析步，如表1。直到土層中塑性區(qū)發(fā)展導致最后計算不收斂中斷為止。此時的折減幅度即對應折減安全系數Fs。對強度參數c和φ進行折減，關系如下：

計算檢修工況時，考慮滲透力作用。為簡化計算，靠近坡面處，假設水流滲透方向與坡面平行，施加滲透力的水平和垂直分力。參數折減過程中，部分區(qū)域變形較大，而且材料剛度相差懸殊，采用幾何非線性分析。

表1 分析步設置

3.3 材料參數

計算斷面材料參數如表2，除混凝土用彈性模型外，其他材料用Mohr-Coulomb模型。

表2 材料參數

3.4 計算結果

3.4.1 塑性區(qū)

圖中peeq表示等效塑性應變。工況1時，馬道下部與上部換填和護坡施工完畢后的塑性區(qū)分布見圖2(a)。等效塑性應變較大的地方出現(xiàn)在護坡下的墊層。工況2，正常蓄水，等效塑性應變較大的地方出現(xiàn)在渠底與混凝土護坡臨近的墊層（圖2(b)）。

圖2（a） 工況1

圖2（b） 工況2

3.4.2 應力分布和膨脹量計算

取圖3所示的剖面為計算膨脹量剖面。

圖3 膨脹量計算斷面

按照勘察資料，確定計算的膨脹力為50kPa，即認為各剖面豎向應力小于50kPa的土體產生膨脹，按照膨脹率2%與土層厚度相乘求膨脹量?？紤]到各點最小主應力要小于豎向應力，計算時直接取最小主應力作為膨脹量計算應力，求得的膨脹量應該是各剖面極限。

根據各工況應力場求得膨脹量，如表3。

以強度參數折減時，計算不收斂對應的折減系數作為安全系數，各工況安全系數如表4。

表3 膨脹量計算結果

表4 安全系數計算結果

4 結論

（1）渠道開挖形成及后期換填粘土、砂墊層及混凝土護坡和襯砌的施工，施工過程荷載不是一次整體增加的，而是分級增加，可以更好地確定結構應力狀態(tài)。采用幾何非線性有限元模擬分部模擬實際施工順序。

（2）以某斷面為分析對象，分別按照竣工、正常蓄水運行和檢修三種工況計算分析，應用強度折減方法計算膨脹土渠坡的穩(wěn)定安全系數。結果表明按照目前采用的渠坡設計方案，渠坡安全系數均大于1.5，滿足規(guī)范要求。

（3）膨脹變形是依據各種工況下的最大主應力場按照分層方法計算膨脹量，而后總和得到的，計算膨脹力取值為50kPa，膨脹率為2%，實際膨脹變形應小于計算值，通過結構設計優(yōu)化，膨脹量可以得到控制。

（4）對于南水北調中線總干渠，渠坡襯砌分縫之間變形計算最大值20mm，應該屬可容許范圍，護坡仰墻方案作為膨脹土渠段處理方案應該是可行的。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.008

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1672-2469(2014)12-0019-03

耿運生（1973年—），男，教授級高級工程師。