寒區(qū)襯鋪塑膜防滲渠側(cè)坡穩(wěn)定性的研究探討

(山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250000)

降水、滲流以及凍脹應(yīng)力破壞，給寒區(qū)灌溉渠道側(cè)坡的穩(wěn)定帶來諸多不確定因素。在襯鋪塑膜的寒區(qū)防滲渠道中，由于膜料在渠道側(cè)坡結(jié)構(gòu)中形成“軟弱夾層”，致使渠道側(cè)坡土體的原有力學(xué)狀態(tài)發(fā)生一定程度的改變。由此，寒區(qū)襯鋪塑膜防滲灌溉渠道側(cè)坡穩(wěn)定性的塑造和維護(hù)便成為重要的設(shè)計(jì)和施工控制條件之一。本文圍繞寒區(qū)混凝土襯砌梯形渠道的凍脹破壞的應(yīng)力關(guān)系，對寒區(qū)灌溉渠道發(fā)生凍脹現(xiàn)象的破壞機(jī)理及影響因素，開展科學(xué)計(jì)算和針對性分析，以為寒區(qū)防滲灌溉渠道的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用提供研究參考。

1 襯鋪塑膜寒區(qū)防滲渠道的側(cè)坡穩(wěn)定性分析

1.1 基于塑膜防滲層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全性分析

在襯鋪塑膜的寒區(qū)防滲渠道中，由于膜料在渠道側(cè)坡結(jié)構(gòu)中形成的“軟弱夾層”，使其抗剪應(yīng)力強(qiáng)度相對較低，導(dǎo)致剪切應(yīng)力遭破壞，“軟弱夾層”是形成滑坡的主要部位。塑膜防滲層的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性存在狀態(tài)如圖1所示。

圖1 塑膜防滲層的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性存在狀態(tài)

由于膜土間的摩擦系數(shù)一般都遠(yuǎn)小于原本土體內(nèi)的摩擦系數(shù)，如果再遭遇和疊加凍脹應(yīng)力的破壞，土體與膜料間的黏合力會急速降低，甚至出現(xiàn)零值，因此，對于塑造和維持塑膜防滲渠側(cè)坡穩(wěn)定而言，最危險(xiǎn)的界面便是料膜層的上下界面。

渠側(cè)坡的安全穩(wěn)定性通常以Fs系數(shù)評價(jià)，即

若塑膜下的渠基和墊層產(chǎn)生一定的透水，墊層和塑膜間一般都不會有水滯留，故塑膜與上部保護(hù)層間是發(fā)生滑動的主要區(qū)域。假若塑膜直接襯鋪在如黏土或壤土等具有較小透水性的土體上，或者塑膜墊層的排水性能較低，致使降水滲入，或者塑膜漏水滯留在基土與膜的接觸面，使土體與塑膜間產(chǎn)生孔隙水壓，尤其當(dāng)渠內(nèi)水位下降時(shí)，襯鋪的塑膜有可能發(fā)生滑落或隆起，從而對其抗滑的穩(wěn)定性極其不利。基于降水和水位驟降條件的渠坡穩(wěn)定性狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 基于水位變化的塑膜防滲層抗滑穩(wěn)定性分析

不同滲流狀況下的兩種浸潤面在圖2上有所標(biāo)注，一種是由滲漏水或雨水等引起的滲流狀態(tài)，一種是渠道水位變化對應(yīng)的滲流狀態(tài)。

1.2 基于渠道水位變化的防滲層抗滑穩(wěn)定性

將滑動體按主動滑動和被動滑動兩種狀態(tài)分別進(jìn)行受力分析，圖3中標(biāo)注了各相關(guān)量值及其意義，這里設(shè)定了土/膜摩擦角δ，設(shè)定了保護(hù)層土體內(nèi)摩擦角φ，而且也定義了保護(hù)層土體垂直和水平的淹沒度，它們分別是垂直淹沒度PSR=hw/h和水平淹沒度HSR=Hw/H。

圖3 基于水位變化和主被動滑動的防滲塑膜層應(yīng)力狀態(tài)分析

1.3 降水條件下的保護(hù)層抗滑穩(wěn)定性

降水常常是誘發(fā)塑膜防滲渠發(fā)生滑坡的原因之一，基于雨水滲入條件的塑膜防滲層應(yīng)力狀態(tài)如圖4所示。歸納起來，其作用機(jī)理可以概括為三個(gè)方面：一是表層土體的含水飽和度因?yàn)榻邓蠓忍嵘?，會?dǎo)致土體增大主動性壓力；二是雨水一般是沿著土體原裂縫逐漸下滲，會導(dǎo)致準(zhǔn)滑動面抗滑性能發(fā)生大幅度下降；三是降水令土體含水量發(fā)生大幅增加，同時(shí)降水也令渠道土體的內(nèi)摩擦角以及土體黏聚力均大幅度降低，從而使渠道側(cè)坡土體的抗剪切強(qiáng)度發(fā)生大幅降低。

圖4 基于雨水滲入條件的塑膜防滲層應(yīng)力狀態(tài)分析

2 襯鋪塑膜寒區(qū)防滲渠道的側(cè)坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 計(jì)算的參數(shù)條件

本文基于水位驟降的情況，對特定淹沒率下的寒區(qū)膜防滲渠的側(cè)坡穩(wěn)定安全系數(shù)，進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

土體干重度設(shè)計(jì)取值是γd=18kN/m3，土體飽和重度的設(shè)計(jì)取值是γs=21kN/m3。淹沒率取值：HSR=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0。

其他參數(shù)具體見下表。

特定淹沒率下的膜防滲渠側(cè)坡穩(wěn)定安全計(jì)算參數(shù)表

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

特定淹沒率下的膜防滲渠側(cè)坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖5～圖9。

圖5 坡角β與安全系數(shù)關(guān)系

圖5顯示，隨著渠道坡角β的逐漸增大，安全系數(shù)呈現(xiàn)伴隨降低的趨勢，同時(shí)淹沒度取值越高，膜防滲渠側(cè)坡穩(wěn)定安全系數(shù)越發(fā)降低。

圖6 坡長L與安全系數(shù)關(guān)系

圖6顯示，隨著渠道坡長L的不斷加大，安全系數(shù)呈現(xiàn)伴隨降低的趨勢。當(dāng)渠道的坡長L超過3m時(shí)，各淹沒度的影響基本趨于一致。

圖7 摩擦角δ與安全系數(shù)關(guān)系

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨保護(hù)層和塑膜間摩擦角δ的增大，渠道側(cè)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)加強(qiáng)的趨勢，但淹沒度數(shù)值越大，安全系數(shù)越低。各淹沒度下的摩擦角δ與渠道側(cè)坡安全系數(shù)關(guān)系曲線幾近平行。

圖8顯示，隨土體內(nèi)摩角φ的增加，渠坡安全系數(shù)呈伴隨增大趨勢，而且淹沒度的取值越大，渠坡安全系數(shù)就越發(fā)降低。各淹沒度下的內(nèi)摩角φ與渠道側(cè)坡安全系數(shù)關(guān)系曲線幾近平行。

圖8 內(nèi)摩角φ與安全系數(shù)關(guān)系

圖9 保護(hù)層厚度h與安全系數(shù)關(guān)系

圖9顯示，隨土保護(hù)層厚度h的增加，渠坡安全系數(shù)呈現(xiàn)伴隨增大趨勢，而且保護(hù)土層越厚，淹沒度給安全系數(shù)帶來的影響就越顯著。

在δ=22°、h=5.0m、φ=35°、L=2m、β=30°的參數(shù)條件下，淹沒度與側(cè)坡安全系數(shù)的關(guān)系見圖10。

圖10 淹沒度與安全系數(shù)關(guān)系

圖10顯示，安全系數(shù)總是隨著淹沒度的加大而呈現(xiàn)下降趨勢。

上述分析揭示，隨渠坡長度L、坡角β以及淹沒度PSR、HSR的加大，渠道側(cè)坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs呈現(xiàn)下降趨勢；隨保護(hù)層和塑膜間的摩擦角δ、保護(hù)層厚度h和土體內(nèi)摩角φ的加大，由Fs所表示的防滲渠側(cè)坡的穩(wěn)定安全系數(shù)呈提高趨勢。這為渠道設(shè)計(jì)和施工合理選擇參數(shù)，確保塑膜保護(hù)層渠道的側(cè)坡穩(wěn)定提供了基本的參數(shù)指引。

3 襯鋪塑膜寒區(qū)防滲渠道凍脹應(yīng)力及其破壞性分析

塑膜雖然具有較好的防滲性能，但在寒區(qū)封凍前也容易促使渠床過渡層的含水量超標(biāo)，助長凍脹應(yīng)力破壞加劇，造成混凝土防護(hù)層的凍害破壞。混凝土襯鋪塑膜寒區(qū)防滲渠的基本結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 混凝土襯鋪塑膜防滲渠的基本結(jié)構(gòu)1-混凝土保護(hù)層；2、4-防滲過渡層；3-塑膜防滲膜；5-渠基

3.1 渠道襯砌體凍脹破壞分析

土是一種多相多孔的松散性介質(zhì)，諸如有機(jī)質(zhì)、礦物顆粒、孔隙氣和孔隙水等土質(zhì)成分的組合與排列基本是隨機(jī)性的和無序狀態(tài)的。凍結(jié)應(yīng)力能夠給土體施加外在作用應(yīng)力，會促使渠道土體發(fā)生凍脹過程。冰的密度是0.92t/m3，水的密度是1t/m3，土中的水一旦凍成了冰，則其體積要發(fā)生9%的膨脹，進(jìn)而形成凍脹力推開土體顆粒成分。

土體自由水一般不會受到土顆粒電子的吸引力影響，比較易于凍結(jié)，但孔隙中也存在結(jié)合水。由于結(jié)合水易于受土粒電子較強(qiáng)的吸引力影響，因此，也不易發(fā)生凍結(jié)。一般情況下，土顆粒越細(xì)微，則受電子引力影響越強(qiáng)烈，其凍結(jié)的速度也越緩慢，因此先凍結(jié)的土體自由水，通常為大孔隙中存在的自由水。之后是小孔隙中的水發(fā)生凍結(jié)，使大顆粒繼續(xù)移動退離，這是凍結(jié)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的土顆粒垂直移動現(xiàn)象，學(xué)術(shù)界稱此現(xiàn)象為熱篩效應(yīng)。

在土體凍結(jié)過程中，冷鋒面方向的水分發(fā)生遷移現(xiàn)象。當(dāng)遷移流速增加到一定程度時(shí)，會促生微小土顆粒對流遷移；凍結(jié)會促使土體孔隙及顆粒發(fā)生一定程度的有序組合和排列，原先無序隨機(jī)性的組合排列，逐漸向有序演變。這樣的過程往往在一定程度上使土體基本密度降低，從而產(chǎn)生削弱土體抗剪強(qiáng)度的后果，使渠道側(cè)坡的安全穩(wěn)定性能深受影響。

另外，在暖冰透鏡之底面，直至凍結(jié)鋒面，存在著一個(gè)特殊區(qū)間，這里不但導(dǎo)濕率低而且含水量也低，基本無凍脹發(fā)生，學(xué)術(shù)界把這個(gè)地帶稱凍結(jié)緣。凍結(jié)緣厚度狀態(tài)呈現(xiàn)隨凍結(jié)歷時(shí)而變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在無結(jié)構(gòu)聯(lián)系區(qū)間，最易于出現(xiàn)分凝冰層。分凝冰層的水分，可以說基本上都是經(jīng)凍結(jié)緣于未凍區(qū)域獲取。且隨著溫度在冷鋒面的逐漸降低，分凝處溫度也相伴隨而降低。土體凍結(jié)進(jìn)程中，一般可形成幾個(gè)或多個(gè)的分凝冰層。根據(jù)冰水平衡原理，未凍水在凍結(jié)體系中會不斷從高溫端遷移向低溫端。未凍水終將成冰，其體積必然增大，從而致生凍脹應(yīng)力。而其剪應(yīng)力一旦對材料的抗剪強(qiáng)度有所突破，則剪切破壞隨即發(fā)生。

3.2 襯砌體凍脹破壞形式分析

溫度較低時(shí)，冷凝水把襯砌層及其下凍土層牢牢地凍結(jié)為一體，使兩者構(gòu)成互為約束的一個(gè)整體。當(dāng)凍脹力超過了防護(hù)材料的約束極限時(shí)，渠道防護(hù)層就將遭到凍脹破壞。渠道凍脹破壞的形式一般有以下四種：

a.鼓脹及其裂縫。較大尺寸的現(xiàn)澆筑混凝土板，在順?biāo)鞣较蛏?，易于發(fā)生凍鼓脹和裂縫?？p位經(jīng)常發(fā)生在渠底中部或者側(cè)坡坡腳以上1/4～3/4的坡長范圍內(nèi)。

b.滑移坍塌。由于凍脹架空或者凍脹隆起，致使坡腳支撐遭到損壞，于是襯砌板的墊層也就基本失去了平衡，一旦基土融化，板塊上部向下順坡錯(cuò)位、滑移或互相穿插，形成滑塌。

c.隆起架空。此現(xiàn)象多發(fā)生在地下水位比較高的渠段。渠底中部、水面或坡腳以上0.5～1.5m坡面處，易于發(fā)生隆起架空現(xiàn)象。

d.整體抬升。在凍脹力的作用下，對于混凝土小型U形渠道、弱凍脹地區(qū)以及襯砌的整體性較好渠道，易于發(fā)生混凝土襯砌的整體抬升。

3.3 渠床的凍脹規(guī)律及其影響因素分析

渠深0.2m的渠床土體含水量、凍脹量以及凍脹歷時(shí)的基本規(guī)律見圖12。

圖12 渠深0.2m的渠床土體含水量、凍脹量以及歷時(shí)的關(guān)系曲線

圖12顯示，在含水量不同的狀態(tài)下，渠床內(nèi)的各點(diǎn)其膨脹量是完全不同的。因?yàn)榍椎暮渴冀K相對較高，因此其膨脹量也相對較大，此處混凝土防護(hù)層承受的膨脹應(yīng)力也相對較大。正是因?yàn)榍哺魈幣蛎浟看嬖诘牟煌筒町?，致使渠床混凝土防護(hù)層始終面臨凍脹的考驗(yàn)。

4 結(jié) 論

本文圍繞寒區(qū)混凝土襯砌梯形渠道的凍脹破壞應(yīng)力關(guān)系，對寒區(qū)灌溉渠道發(fā)生的凍脹現(xiàn)象破壞機(jī)理及影響因素，進(jìn)行了科學(xué)計(jì)算和針對性分析，獲得了渠道坡長L、坡角β、土保護(hù)層厚度h、土體內(nèi)摩擦角φ、渠/膜摩擦角δ等因素與襯鋪塑膜防滲渠道的側(cè)坡穩(wěn)定的影響規(guī)律。研究表明，隨渠坡長度L、坡角β以及淹沒度PSR、HSR的增加，渠道側(cè)坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs呈下降趨勢；隨保護(hù)層厚度h、土體內(nèi)摩擦角φ以及膜土摩擦角δ的增加，渠道側(cè)坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs呈加強(qiáng)趨勢。此研究結(jié)果為寒區(qū)襯鋪塑膜防滲渠道的設(shè)計(jì)和施工合理選擇參數(shù)，確保塑膜保護(hù)層渠道的側(cè)坡穩(wěn)定，提供了參數(shù)參考。