大型輸水渠道遇險(xiǎn)邊坡穩(wěn)定分析

張帥，陳妍，劉吉永

(1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450000；2.河南黃河水文勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000)

0 引言

2016年7月9日，新鄉(xiāng)、鶴壁等地突降特大暴雨，某大型輸水渠道局部渠段9 h降雨量達(dá)到429.60 mm。此次汛情來勢(shì)迅猛、破壞力強(qiáng)，強(qiáng)降水過后，7月11日，現(xiàn)場(chǎng)工程巡查人員發(fā)現(xiàn)某渠段左岸一級(jí)馬道出現(xiàn)裂縫，隨后進(jìn)一步發(fā)展至一級(jí)馬道瀝青混凝土路面塌陷，渠道襯砌板隆起破壞等險(xiǎn)情。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員初步判斷，疑似馬道下部換填土體滑移，且有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。渠道邊坡面臨重大險(xiǎn)情，運(yùn)管單位成立現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急搶險(xiǎn)小組進(jìn)行應(yīng)急處置。文章擬對(duì)險(xiǎn)情渠段進(jìn)行完建期、正常運(yùn)行期及遇險(xiǎn)后的邊坡穩(wěn)定系統(tǒng)分析，以達(dá)到真實(shí)還原遇險(xiǎn)邊坡狀態(tài)，為應(yīng)急處理措施提供參考的目的。

1 概況

1.1 地質(zhì)概況

渠道位于太行山山前沖洪積傾斜平原上，地形較為寬闊平緩，略傾向東南。渠坡土巖性主要由黃土狀重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土、卵石和粘土巖組成。為上粘性土為主、下堅(jiān)硬灰?guī)r雙層結(jié)構(gòu)，渠坡巖性上部主要為黃土狀重粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土和卵石；下部為上第三系潞王墳組粘土巖、泥灰?guī)r、礫巖和奧陶系灰?guī)r。險(xiǎn)情渠段為土巖雙層結(jié)構(gòu)段，渠底板主要位于第四系卵石層的底部或粘土巖的頂部。渠坡巖性主要為黃土狀重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土和卵石，局部為上第三系粘土巖。渠段地下水可劃分為第四系松散巖類孔隙潛水含水層組和可溶巖巖溶裂隙含水層組共2個(gè)含水層組。渠底板主要位于卵石層底部或粘土巖頂部，地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水含水層組，含水層組主要由沖洪積礫卵石夾薄層(黃土狀)粉質(zhì)壤土組成。

1.2 設(shè)計(jì)概況

險(xiǎn)情發(fā)生的渠段為全挖方渠段，局部最大挖深26 m，設(shè)計(jì)底寬14.50 m，渠道內(nèi)邊坡自上而下依次為1∶1.50、1∶1.75、1∶2.00，過水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)坡比1∶2.25，險(xiǎn)情處渠道設(shè)計(jì)水位99.75 m，加大水位100.30 m，渠底高程92.75 m，一級(jí)馬道高程101.81 m，過水?dāng)嗝鏋樵O(shè)置現(xiàn)澆混凝土襯砌，渠底厚8 cm，渠坡厚10 cm，混凝土標(biāo)號(hào)C20F150W6。渠道縱、橫間隔4 m設(shè)置一道襯砌分縫，縫寬2 cm，分縫臨水側(cè)2 cm采用聚硫密封膠，下部填充閉孔塑料泡沫板。過水?dāng)嗝娌捎玫姆纼龃胧殇佋O(shè)保溫板，防滲措施為鋪設(shè)規(guī)格為600 g/m2的土工膜。設(shè)計(jì)采用過水?dāng)嗝鎿Q填粘性土進(jìn)行處理，砂卵石地層換填粘土垂直厚度3.70 m，粘土巖膨脹巖土層渠坡?lián)Q填厚度為1.40 m，渠底換填厚度1.00 m。換填處理斷面見圖1。

圖1 渠道換填處理斷面圖

2 渠段險(xiǎn)情發(fā)展情況

強(qiáng)降水過后在輸水渠道某公路橋上游發(fā)現(xiàn)左岸一級(jí)馬道出現(xiàn)縱向裂縫，后迅速發(fā)展為靠近路沿石側(cè)一級(jí)馬道部分瀝青路面塌陷，瀝青路面與原換填土體頂部結(jié)合面脫空，現(xiàn)場(chǎng)地下水沿脫空面進(jìn)入襯砌板下部，二級(jí)邊坡坡體滲水通過一級(jí)馬道縱向排水溝縫隙大量流入排水溝，進(jìn)而路沿石向馬道內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)塌陷部位的渠道混凝土襯砌出現(xiàn)滑塌、隆起，運(yùn)管人員隨后組織潛水員進(jìn)行水下排查，發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)域水下渠坡襯砌板嚴(yán)重變形、隆起，最高隆起高度將近50 cm。險(xiǎn)情段現(xiàn)場(chǎng)照片見圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)照片圖

3 險(xiǎn)情產(chǎn)生原因初步分析

初步判斷邊坡產(chǎn)生險(xiǎn)情的原因?yàn)檫B續(xù)強(qiáng)降雨后地下水位上升且高于一級(jí)馬道，同時(shí)換填土體可能存在局部缺陷，導(dǎo)致填筑土體與路面脫空，致使地下水通過脫空處進(jìn)入換填層導(dǎo)致?lián)Q填層局部失穩(wěn)。

4 遇險(xiǎn)邊坡穩(wěn)定分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)險(xiǎn)情情況，初步分析渠道整體邊坡未產(chǎn)生滑移，換填土體邊坡未整體產(chǎn)生滑移，疑似換填土體局部破壞，為進(jìn)一步摸清險(xiǎn)情狀況，為搶險(xiǎn)措施提供理論依據(jù)，文章利用多種計(jì)算的方法對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行綜合分析，計(jì)算遇險(xiǎn)邊坡所處穩(wěn)定狀態(tài)，為下一步處理措施提供理論支撐。

4.1 整體邊坡穩(wěn)定分析

險(xiǎn)情出現(xiàn)的原因很大程度上是因?yàn)閺?qiáng)降雨致使地下水位的上升，所以針對(duì)該段渠道整體邊坡考慮不同的地下水位高程進(jìn)行穩(wěn)定分析，計(jì)算工況如下。

工況Ⅰ：渠內(nèi)設(shè)計(jì)水位，地下水位分別采用完建期水位、正常運(yùn)行期水位、險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)最高水位等3種。

工況Ⅱ：渠內(nèi)設(shè)計(jì)水位，換填土體壓重失效的極限狀態(tài)，地下水位分別采用完建期水位、正常運(yùn)行期水位、險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)最高水位等3種。

采用中國(guó)水利水電科學(xué)院編制的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序》來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算。浸潤(rùn)線計(jì)算采用有限元數(shù)值分析方法計(jì)算，采用河海大學(xué)軟件《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》程序。

計(jì)算參數(shù)見表1，地下水位選取見表2，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 邊坡穩(wěn)定復(fù)核成果圖

表1 計(jì)算參數(shù)采用值表

邊坡計(jì)算成果見表2，邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果圖見圖5。

表2 邊坡穩(wěn)定復(fù)核成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，險(xiǎn)情渠段整體邊坡穩(wěn)定除在考慮險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)最高水位(104.75m)的邊界條件下，計(jì)算安全穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范要求，其余工況均滿足規(guī)范要求，即使考慮搶險(xiǎn)期最高的地下水位且換填土體完全失效時(shí)，計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)>1。

基于以上分析，險(xiǎn)情渠段整體邊坡是穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.2 換填層整體穩(wěn)定分析

進(jìn)行換填層整體穩(wěn)定性分析，將換填層概化為剛性體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定敏感性計(jì)算，剛體分為水上、水下2部分，采用極限平衡法的力平衡法進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算斷面圖1所示斷面，平均垂直換填厚度3.70 m，參數(shù)同4.1邊坡穩(wěn)定計(jì)算章節(jié)，分如下3種工況進(jìn)行計(jì)算。

工況Ⅰ：完建期，渠內(nèi)無(wú)水，換填層后地下水深5 m(施工期預(yù)測(cè)地下水位97.75 m)。

工況Ⅱ：運(yùn)行期，渠內(nèi)設(shè)計(jì)水深7 m，換填層后地下水深12 m(險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)最高水位)。

工況Ⅲ：運(yùn)行期，渠內(nèi)設(shè)計(jì)水深6 m，換填層后地下水深12 m(險(xiǎn)情出現(xiàn)時(shí)最高水位)。

典型計(jì)算模型及受力分析見圖4。

圖4 換填層計(jì)算模型及受力分析圖

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 換填層抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

由換填層整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著地下水位的升高，換填層的穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；工況1、工況2的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于允許值1.30；工況3安全系數(shù)>1.20，即使渠坡在最高水位104.75 m時(shí)，渠內(nèi)水位6 m時(shí)，換填層整體抗滑仍是穩(wěn)定的。

4.3 換填層淺層滑動(dòng)穩(wěn)定分析

換填粘土層淺層滑動(dòng)穩(wěn)定分析，主要考慮如下工況：渠外高地下水位104.75 m，渠內(nèi)運(yùn)行水位98.75 m，假定若干滑裂面計(jì)算，滑裂面計(jì)算參數(shù)摩擦角17°，凝聚力23 kPa。淺層滑動(dòng)滑裂面選取邊界條件：上部滑裂面位置為距離路沿石0～4 m，下部滑裂面距離渠底高程8 m和6 m(沿坡面斜長(zhǎng))，詳見圖5，共擬10處計(jì)算滑裂面。

圖5 下部滑裂面距離渠底8 m圖

經(jīng)計(jì)算，換填粘土層淺層滑動(dòng)安全穩(wěn)定系數(shù)均>2.00，大于設(shè)計(jì)要求。根據(jù)換填層淺層滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，序號(hào)5和序號(hào)為10的滑裂面安全系數(shù)相對(duì)較小，經(jīng)反算，該處位置土層參數(shù)為摩擦角9°，凝聚力為9 kPa時(shí)，換填層安全穩(wěn)定系數(shù)為1。

4.4 遇險(xiǎn)邊坡穩(wěn)定分析

通過上述對(duì)整體邊坡穩(wěn)定、換填層整體穩(wěn)定和換填層淺層滑動(dòng)穩(wěn)定的分析可以看出，遇險(xiǎn)處邊坡及換填土穩(wěn)定同渠段地下水位密切相關(guān)，已采用的邊坡設(shè)計(jì)及換填方案即使在渠道地下水位104.75 m的狀態(tài)下，仍是處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在此水位關(guān)系下，如換填土層存在薄弱夾層，土體物理力學(xué)參數(shù)凝聚力及摩擦角的數(shù)值有所降低的情況下，會(huì)產(chǎn)生局部的滑裂破壞，進(jìn)而引起襯砌及路面塌陷。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上邊坡穩(wěn)定分析，發(fā)生險(xiǎn)情渠段整體邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均>1，渠道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但如換填土層存在薄弱夾層，土體物理力學(xué)參數(shù)凝聚力及摩擦角的數(shù)值有所降低的情況下，會(huì)產(chǎn)生局部的滑裂破壞，進(jìn)而引起襯砌及路面塌陷，分析的結(jié)論同險(xiǎn)情產(chǎn)生的破壞情況相符。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析，設(shè)計(jì)人員向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急搶險(xiǎn)小組提出了控制渠段地下水位，加強(qiáng)坡體排水能力，增強(qiáng)換填土體強(qiáng)度等應(yīng)急搶險(xiǎn)處理措施。