膜袋混凝土護(hù)坡在渠道中的應(yīng)用

曾麗萍，郭建新，高 奔

（湖北振東宏廈建筑有限公司，湖北 荊門 448000）

在內(nèi)河航道的建設(shè)中，護(hù)坡工程在內(nèi)河航道建設(shè)中扮演著重要角色，在防洪、排澇、水土保持等方面起到了極其重要的作用。現(xiàn)階段的護(hù)坡方案有漿砌塊石重力式護(hù)坡、漿砌塊石斜坡式護(hù)岸等。但都因需要消耗大量的石料資源，施工質(zhì)量較難控制等原因無法在實際工程中得到有效運用[1-4]。

我國在20世紀(jì)80年代從日本引進(jìn)了膜袋混凝土護(hù)坡技術(shù)，是一項現(xiàn)澆混凝土的護(hù)坡新技術(shù)，利用混凝土泵將混凝土沖灌進(jìn)膜袋并快速成型，能夠起到護(hù)坡、護(hù)底、防滲等作用。但是該護(hù)坡形式在實際工程運用中仍然存在著諸多問題，設(shè)計參數(shù)的選取是否合適，混凝土的和易性能否滿足要求等都將影響膜袋混凝土護(hù)坡的穩(wěn)定性，因此需要將膜袋混凝土護(hù)坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[5-7]。

本文以漳河灌區(qū)護(hù)坡為工程實例，利用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法對膜袋混凝土護(hù)坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析膜袋混凝土和土坡的受力特點，并對膜袋混凝土進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性分析。

1 膜袋混凝土護(hù)坡破壞形式和機(jī)理

1.1 崩塌型破壞

膜袋混凝土護(hù)坡的崩塌型破壞形式有兩種，一種是護(hù)坡混凝土裂縫與局部隆起造成岸坡在膜袋下被掏空；另一種是由于滲流等因素造成的坡腳處被掏空，進(jìn)而造成坡體被掏空。

當(dāng)膜袋混凝土護(hù)坡形成了裂縫或局部隆起時，兩者會相互作用，由于膜袋混凝土護(hù)坡破壞過程是個緩慢的過程，膜袋混凝土的局部隆起會造成混凝土板的擾度不斷增大，混凝土裂縫的不斷發(fā)展，最終發(fā)生混凝土塊體的斷裂，而混凝土裂縫又能使土體更易發(fā)生部分的堆積，增發(fā)混凝土的隆起面積與高度，如圖1，膜袋下方塊體形成凹洞，當(dāng)凹洞形成以后，混凝土形成懸空狀態(tài)，沒有土坡對混凝土支撐力，只有重力作用于混凝土，當(dāng)垂直向下的拉應(yīng)力較大時，造成混凝土的破壞，此時護(hù)坡形成崩塌。

圖1 模袋混凝土崩塌滑移破壞示意圖

1.2 整體滑移型破壞

是指從膜袋護(hù)坡的坡頂一直貫穿到坡角的整體性滑坡，造成該破壞形式的主要原因是降雨因素和和河道水位與地下水位高差較大。圖2為膜袋混凝土整體滑移型破壞示意圖。

圖2 模袋混凝土整體滑移破壞示意圖

當(dāng)河道水位與地下水位高差較大時，尤其在河岸土中孔隙水壓力高的情況下，枯水期和退水期河道水位回落，河道水位急降后，將會減小河岸土壤中的有效應(yīng)力，而岸坡內(nèi)部的孔隙水壓力會形成滲透力，從而可能引起整體滑移破壞。

2 膜袋混凝土護(hù)坡膜型

2.1 工程實例

漳河灌區(qū)位于湖北省中部，地跨荊州、宜昌、荊門3個省級市6個縣級市（區(qū)）。四干渠東干在荊門市東寶區(qū)曾廟村四干東北干分水閘，向東經(jīng)鄧廟村、溫家巷，最后注入鐘祥市銅錢山水庫。東干渠總長28.5km，設(shè)計流量16.8m3/s，擔(dān)負(fù)著在干旱季節(jié)為銅錢山水庫輸水及區(qū)間灌溉任務(wù)，包括銅錢山灌區(qū)在內(nèi)總灌溉面積912.28km2。

根據(jù)施工單位所提供的護(hù)坡地質(zhì)資料，選取該護(hù)坡典型橫斷面進(jìn)行分析。

圖3為該護(hù)坡橫斷面圖。

圖3 護(hù)坡橫斷面圖

該護(hù)坡為二級護(hù)坡。一級護(hù)坡為膜袋混凝土護(hù)坡，坡比為1∶3；二級護(hù)坡為草皮護(hù)坡，草皮護(hù)坡的坡頂外側(cè)是道路。根據(jù)鉆孔資料和現(xiàn)場試驗，將該土層分為10層，如圖3。土質(zhì)資料如表1。

表1 護(hù)坡土質(zhì)資料

續(xù)表1

根據(jù)相關(guān)資料，選用C25混凝土的密度為24kN/m3，彈性膜量28GPa，泊松比0.2，膜袋的厚度200mm，膜袋與土坡之間的摩擦系數(shù)0.5。

2.2 膜袋混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)受力分析

膜袋混凝土護(hù)坡分為2個部分，分別為膜袋混凝土部分A和原岸坡部分B。如圖4，圖5。

圖4 模袋混凝土護(hù)坡受力圖

圖5 土坡部分土條受力分析圖

3 坡體穩(wěn)定性分析

根據(jù)膜袋混凝土護(hù)坡的受力特點，利用Rocscience公司的極限平衡法軟件Slide和有限元強(qiáng)度折減法Phase分別對自然岸坡和膜袋混凝土護(hù)坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3.1 自然岸坡下穩(wěn)定性分析

圖6為利用極限平衡法計算自然岸坡的穩(wěn)定性，圖7為利用有限元強(qiáng)度折減法計算自然岸坡穩(wěn)定性。

圖6 極限平衡法計算自然岸坡穩(wěn)定性

圖7 有限元強(qiáng)度折減法計算自然岸坡穩(wěn)定性

極限平衡法計算自然岸坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.777，有限元強(qiáng)度折減法計算自然岸坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.79，兩者計算結(jié)果誤差很小，并且極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法搜索得到的滑動面位置基本一致。則極限平衡法軟件Slide和有限元強(qiáng)度折減軟件Phase能夠在此類土質(zhì)邊坡中有效應(yīng)用。

3.2 膜袋混凝土護(hù)坡的穩(wěn)定性分析

圖8為利用極限平衡法計算膜袋混凝土岸坡的穩(wěn)定性，圖9為利用有限元強(qiáng)度折減法計算膜袋混凝土岸坡穩(wěn)定性。

圖8 極限平衡法計算模袋混凝土岸坡穩(wěn)定性

圖9 有限元強(qiáng)度折減法計算模袋混凝土岸坡穩(wěn)定性

極限平衡法計算膜袋混凝土岸坡穩(wěn)定性系數(shù)1.801，有限元強(qiáng)度折減法計算膜袋混凝土岸坡穩(wěn)定性系數(shù)1.91，兩者計算結(jié)果相比于計算自然岸坡時誤差偏大，但是極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法搜索得到的滑動面位置基本一致。由此可見，當(dāng)運用膜袋混凝土鋪設(shè)岸坡時，不能采用單一的條分法，因土坡部分土體的受力狀況與膜袋混凝土的受力狀況是不同的。膜袋混凝土與土坡之間具有耦合的接觸性，因此必須首先考慮膜袋混凝土護(hù)坡的抗滑移穩(wěn)定性。

4 膜袋混凝土護(hù)坡抗滑穩(wěn)定性分析

膜袋混凝土與土坡的表面土是兩種不同的材料，而其彼此之間界面的黏聚性并不強(qiáng)，如果界面之間的摩擦角不足，則膜袋混凝土?xí)a(chǎn)生滑移，這將會造成膜袋混凝土護(hù)坡的整體性破壞，在此將建立膜袋混凝土的抗滑穩(wěn)定性膜型，分析其抗滑性能。

如果膜袋混凝土的抗滑力大于下滑力，則膜袋混凝土滿足抗滑穩(wěn)定性，而抗滑力有兩部分組成，分別為護(hù)坡壓頂與坡頂土的摩擦力和膜袋混凝土與坡面土的摩擦力，兩者之和即為膜袋混凝土的抗滑力。

圖10為膜袋混凝土的抗滑穩(wěn)定性受力分析圖。

圖10 模袋混凝土抗滑受力

對圖10中的膜袋混凝土進(jìn)行受力分析，建立極限平衡方程，則坡體的切向平衡方程為：

式中θ為坡度；μ為膜袋混凝土與土體間的摩擦系數(shù)。

其中，μ滿足關(guān)系：

參照相關(guān)資料，C25混凝土的密度為24kN/m3，圖10的受力分析膜型中，每延米壓頂混凝土的體積為0.375m3。

將數(shù)據(jù)值帶入式（2）可得：

要想膜袋混凝土滿足抗滑要求，則其摩擦系數(shù)需要大于0.31，而膜袋混凝土與土坡之間的摩擦系數(shù)為0.5，此時實際膜袋混凝土與土坡之間的摩擦系數(shù)大于臨界摩擦系數(shù)，滿足膜袋混凝土的抗滑穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)語

（1）通過對漳河灌區(qū)護(hù)岸工程的研究，分析膜袋混凝土護(hù)坡結(jié)構(gòu)的受力情況，利用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法分析自然岸坡和膜袋混凝土岸坡穩(wěn)定性，并對膜袋混凝土進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定性分析。

（2）由于膜袋混凝土與土坡的受力情況不同，計算結(jié)果表明，當(dāng)采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法計算膜袋混凝土護(hù)坡穩(wěn)定性時產(chǎn)生的誤差很大，必須考慮膜袋混凝土的抗滑穩(wěn)定性。

（3）通過建立膜袋混凝土護(hù)坡抗滑膜型，對膜袋混凝土抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明實際膜袋與土坡的摩擦系數(shù)大于計算得到的臨界摩擦系數(shù)，滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

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