渠道襯砌邊坡破壞機理研究與對策

李肖男，馬永林，楊 波，王躍濱

(1.山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心東營分中心，山東 東營 257300；2.濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250101)

引黃濟青工程是山東省骨干水網(wǎng)工程，也是南水北調(diào)東線工程的重要組成部分[1]。該工程自博興縣打漁張引黃閘引取黃河水、城南節(jié)制閘調(diào)引長江水，途經(jīng)濱州、東營、濰坊、青島4市、10個縣(市區(qū))，至青島白沙水廠，全長290km。該工程自1989年11月建成通水以來，累計調(diào)水110.36億m3，有效緩解了膠東地區(qū)的水資源供需矛盾，為膠東地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展提供了安全可靠的供水支撐和保障。近年來，受極端氣候因素和防汛調(diào)度影響，部分渠段出現(xiàn)襯砌隆起、勾縫開裂、渠面凹陷、邊坡坍塌甚至滑坡等破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程運行安全。其中，以該工程東營段渠道破壞較為典型。本文在對該工程典型渠段地質(zhì)勘察、現(xiàn)場檢查、現(xiàn)場檢測和滲壓監(jiān)測的基礎(chǔ)上，針對典型斷面臺風(fēng)過境前后的不同工況建立有限元模型進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析，明晰水位驟變情況下渠道襯砌邊坡破壞機理，對渠道損毀維修與破壞預(yù)防提供技術(shù)指導(dǎo)與借鑒。

1 現(xiàn)狀渠道典型斷面

引黃濟青東營段輸水干渠位于東營市廣饒縣境內(nèi)，渠道襯砌型式為全斷面襯砌+全斷面鋪設(shè)復(fù)合土工膜，即邊坡采用厚6cm預(yù)制混凝土板+復(fù)合土工膜+聚苯乙烯保溫板(陽坡側(cè)厚2cm、陰坡側(cè)厚3cm)，渠底采用厚8cm現(xiàn)澆混凝土板(部分渠段為預(yù)制混凝土板)+復(fù)合土工膜+厚10cm中粗砂，現(xiàn)狀渠道典型斷面如圖1所示。

圖1中渠底寬14.2m，邊坡1∶2，左岸堤頂寬4m，右岸堤頂寬8m。排水器及排水器出水管間隔為12m，如圖2所示。

圖1 現(xiàn)狀渠道典型斷面(單位：mm)

圖2 現(xiàn)狀渠道排水細(xì)部結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2 渠道襯砌損毀情況

2019年8月10日9時—12日11時，受“利奇馬”臺風(fēng)的影響，東營全市平均降水量322mm，其中東營區(qū)351.3mm、廣饒367.2mm。整個降雨過程，降水量折合水量超過5億m3，相當(dāng)于黃河利津段6d的流量，為東營市有氣象記錄以來的最強降雨。按照防汛調(diào)度指令，該段工程承擔(dān)應(yīng)急泄水任務(wù)。泄水期間渠道水位驟升驟降，渠道內(nèi)外水位差大幅頻繁變化，使得襯砌渠道普遍遭到不同程度破壞，破壞形式主要表現(xiàn)為為襯砌板隆起、砌筑縫開裂、渠坡塌陷、滑坡及渠底隆起等，如圖3—6所示。

圖3 襯砌板隆起

3 典型渠段現(xiàn)場檢查與檢測

3.1 現(xiàn)場檢查

為了檢查混凝土襯砌板的損毀面以及渠道排水系統(tǒng)的有效性，在渠道左右堤選擇了10個檢查點進(jìn)行現(xiàn)場檢查。

(1)襯砌損壞部位及土層檢查。在10個檢查點均掀開損壞的混凝土襯砌板，觀察邊緣，從上到下依次是混凝土板、土工膜、保溫板和下部土層，結(jié)構(gòu)完整且接合較為緊密；除了局部位置周邊混凝土板間縫隙較大之外，周邊混凝襯砌土板絕大部分沒有明顯錯臺，比較完好。

圖4 砌筑縫開裂

(2)排水盲溝開挖檢查。在10個檢查點對為排水減壓而設(shè)置的40cm×40cm排水盲溝進(jìn)行開挖檢查。檢查結(jié)果表明：盲溝內(nèi)回填的中粗砂較完整，包裹排水盲管的土工布均完好，打開土工布后可以看到塑料排水盲管沒有明顯堵塞情況發(fā)生。盲溝排水結(jié)構(gòu)基本完好，排水功能基本正常。

3.2 脫空檢測

為了檢測原渠道襯砌損壞區(qū)域及其附近的混凝土襯砌板與渠坡的脫空情況，在渠道左右堤選取了15處檢測區(qū)域，采用美國GISS公司生產(chǎn)的SIR-4000地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場檢測。檢測結(jié)果表明，渠道基本不存在明顯的混凝土襯砌板與渠坡脫空現(xiàn)象。

圖5 渠坡塌陷

圖6 滑坡

4 滲流穩(wěn)定分析

因渠道在經(jīng)歷強降雨后普遍出現(xiàn)襯砌隆起等損壞問題，需要重點對渠道襯砌的抗浮穩(wěn)定進(jìn)行研判。當(dāng)渠道襯砌板的厚度和材料性能一定時，保證渠道襯砌層抗浮穩(wěn)定的關(guān)鍵在于控制其兩側(cè)壓力水頭差的大小，也就是說抗浮穩(wěn)定性的關(guān)鍵就是通過滲流場的有效控制，將壓力水頭差限制在合理范圍內(nèi)[2]。因此，對渠道的復(fù)核計算分析需重點針對渠道的滲流穩(wěn)定。

4.1 復(fù)核計算工況

為深入探究渠道襯砌損壞的原因，需對典型斷面(60+500)進(jìn)行有限元復(fù)核計算分析。本次復(fù)核計算主要針對“利奇馬”臺風(fēng)過境前(正常運行，工況2、4、6)、“利奇馬”臺風(fēng)剛結(jié)束后(工況1、3、5)，這2種具有代表性的時間點進(jìn)行，具體見表1。

表1 復(fù)核計算工況 單位：m

4.2 有限元模型介紹

計算采用Geostudio的SEEP/W模塊，分析方式采用穩(wěn)態(tài)分析。

4.2.1滲流計算理論

滲流分析基本方法式采用達(dá)西定律，達(dá)西定律在非飽和和飽和區(qū)的應(yīng)用是一樣的[3]。計算時，使用平面二維滲流方程：

(1)

式中，h—水頭，m；kx—x方向的滲透系數(shù)，m/s；ky—y方向的滲透系數(shù)，m/s；Q—應(yīng)用邊界滲流量；θ—土體儲水量；t—時間，s。

等式右端為土體儲水變化率，該方式適用于瞬態(tài)分析。[4]如果等式右端等于0，即土體儲水不變時，即為穩(wěn)態(tài)分析。[5]

4.2.2滲流分析建模

滲流分析以竣工圖典型標(biāo)準(zhǔn)橫剖面作為計算剖面。由圖1可知，斷面樁號60+500。

滲流分析計算參數(shù)取值準(zhǔn)確與否，直接影響到計算結(jié)果以及對渠道方案優(yōu)化設(shè)計的評價。因此，本文參數(shù)的選取是在對工程地質(zhì)作勘察及土工試驗成果仔細(xì)分析的基礎(chǔ)上[6]，為了更合理地反映工程實際，復(fù)核計算參數(shù)將針對地勘報告的建議值、對應(yīng)樁號的鉆孔試驗值以及最不利的參數(shù)組合值進(jìn)行分別計算，具體計算參數(shù)見表2。

表2 參數(shù)取值 單位：cm/s

滲流計算建模的主要步驟如下。

(1)建立坐標(biāo)軸及柵格點。坐標(biāo)軸x方向為距離，y方向為高程；柵格大小根據(jù)需要進(jìn)行修改，本次計算最先設(shè)定柵格點大小為1m×1m。

(2)依據(jù)前步的設(shè)置，建立基于點線面的幾何模型。建模時，地層劃分嚴(yán)格按照地勘情況。從堤頂往下依次為填筑土(層底平均標(biāo)高1.43m)，壤土(層底平均標(biāo)高-2.07m)，黏土(10.00m范圍內(nèi)未穿透)。

(3)給渠道斷面賦予材料屬性。具體參數(shù)取值見表2。

(4)網(wǎng)格劃分。針對典型斷面(樁號60+500)進(jìn)行相關(guān)有限元計算。有限元幾何模型完全按照竣工圖進(jìn)行，對逆止閥等細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確構(gòu)建。有限元模型采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格平均尺寸為0.3m左右。斷面樁號60+500具有5643個單元，5841個節(jié)點。網(wǎng)格剖分完成后的有限元模型如圖7所示。

圖7 斷面60+500有限元模型(單位：mm)

(5)邊界條件。本次復(fù)核計算主要針對“利奇馬”臺風(fēng)過境前(正常運行)、“利奇馬”臺風(fēng)剛結(jié)束后，這2種具有代表性的時間點進(jìn)行。見表3。這里需要指出當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇纼?nèi)部水位時[7]，逆止閥開始排水，此時將逆止閥頂部邊界設(shè)置為渠道水頭。當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇纼?nèi)部水位時，逆止閥關(guān)閉[8]，此時需將逆止閥頂部設(shè)置為不透水。

表3 邊界條件 單位：m

4.3 滲流穩(wěn)定分析結(jié)果

詳細(xì)的工況介紹見表1。具體的計算結(jié)果見表4，如圖8—13 所示。

圖8 工況1滲流總水頭等值線分布(單位：mm)

表4 有限元計算結(jié)果統(tǒng)計 單位：m

5 襯砌損壞原因分析

5.1 襯砌損壞主要原因

從渠道滲流穩(wěn)定角度來看，維持渠道襯砌抗浮穩(wěn)定的力主要有渠道內(nèi)水的壓力和襯砌板自身的重力。在集中降雨入滲時，渠堤內(nèi)部地下水位顯著升高，渠道襯砌層下的水壓力增大。當(dāng)渠堤內(nèi)部地下水不能有效排出，且渠堤內(nèi)部水壓力明顯高于渠內(nèi)水壓力時，在地下水的浮托作用下，將可能使得渠道襯砌板向上浮動，進(jìn)而引發(fā)渠道襯砌損壞。具體分析如下。

圖9 工況2滲流總水頭等值線分布(單位：m)

圖10 工況3滲流總水頭等值線分布(單位：m)

圖11 工況4滲流總水頭等值線分布(單位：m)

圖12 工況5滲流總水頭等值線分布(單位：m)

圖13 工況6滲流總水頭等值線分布(單位：m)

5.1.1襯砌板抗浮要求

襯砌板抗浮穩(wěn)定系數(shù)計算公式為：

(1)

經(jīng)計算可得，①運行期：襯砌板處于水中，取Kf≥1.1，襯砌板的厚度0.06m，混凝土襯砌板浮容重取15kN/m3時，則要求Δh≤0.08m；②檢修期：假設(shè)襯砌頂面水壓力為零，水壓力直接作用于土工膜下，此時分析則采用混凝土襯砌板的飽和容重25 kN/m3，厚度0.06m，當(dāng)安全系數(shù)Kf≥1.05時，則要求Δh≤0.15m。即運行期必須滿足襯砌板底部最大水頭不能高于渠道內(nèi)水頭8cm，檢修期間襯砌板底部最大水頭不能高于渠道內(nèi)水頭15cm。

5.1.2臺風(fēng)期間渠道設(shè)計運行情況

2019年8月10日9時至12日11時，在“利奇馬”臺風(fēng)的影響下，渠道周圍地下水位上漲了約1.67m，地下水位高出渠道內(nèi)部水位約0.8m。高水頭差導(dǎo)致土工膜底部揚壓力過大，抗浮穩(wěn)定不達(dá)標(biāo)。

根據(jù)“利奇馬”臺風(fēng)過境前、過境后時段的襯砌板最大水頭差，渠道襯砌抗浮穩(wěn)定計算結(jié)果見表5。

表5 有限元計算結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)計算分析可知，①在“利奇馬”臺風(fēng)過境前即渠道正常運行時(工況2、4、6)，因渠內(nèi)水頭大于襯砌板底部最大水頭，不會導(dǎo)致襯砌破壞。②“利奇馬”臺風(fēng)過境導(dǎo)致地下水位逐漸抬升，襯砌板底部最大水頭減去渠內(nèi)水頭已經(jīng)遠(yuǎn)超過8cm(工況1、3、5)，各工況的抗浮安全系數(shù)均小于1.0。臺風(fēng)過境帶來的渠道內(nèi)外高水頭差作用可導(dǎo)致渠道襯砌發(fā)生隆起破壞。

從渠道實際運行情況也可以看出，工程采用的1排逆止閥不能滿足“利奇馬”臺風(fēng)降雨條件下充分排出渠外地下水、降低襯砌底板下水頭的要求。

5.2 其他可能原因

5.2.1排水系統(tǒng)失效

前述復(fù)核計算基于排水系統(tǒng)性能正常的基礎(chǔ)進(jìn)行。其中盲溝作為堤身排水體系有效性的重要組成部分，其滲透性對渠道襯砌層抗浮穩(wěn)定性影響顯著。逆止閥的啟閉對逆止式排水系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮起關(guān)鍵作用，若逆止閥不能正常開啟，或排水能力不強，則渠道襯砌層可能因受到的水壓力差過大而浮動破壞。

現(xiàn)場對排水盲溝的開挖檢查結(jié)果表明，盲溝內(nèi)回填的中粗砂較完整；包裹排水盲管的土工布均完好[10]；排水盲管沒有明顯堵塞情況發(fā)生。由此認(rèn)為盲溝排水功能基本正常，與渠道襯砌損壞原因相關(guān)性較小。

5.2.2凍脹凍融破壞

一般高地下水位在冬季易出現(xiàn)土體凍脹和凍融破壞問題[11]。渠道改擴建設(shè)計已考慮凍脹和凍融破壞。如陽坡采用厚度為2cm，陰坡采用厚度為3cm的聚苯乙烯保溫板的防凍脹工程措施。

根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場查勘情況來看，因渠道所在區(qū)域冬季少雨干旱，發(fā)生凍脹和凍融破壞問題的可能性較小。此外，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研和資料分析認(rèn)為，冬季引黃濟青渠道正常輸水，此時渠道內(nèi)水位相對較高，結(jié)合渠道襯砌損壞主要發(fā)生在渠坡底部的現(xiàn)狀，可以認(rèn)為采取防凍脹工程措施后，渠道襯砌損壞與凍脹或凍融的相關(guān)性較小。

6 建議與對策

當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇赘叱袒蚯?nèi)水位時，剛性渠道襯砌層將可能因底面水壓力過大而產(chǎn)生浮動破壞[12]。為增加渠道襯砌結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定性，必須因地制宜，根據(jù)地質(zhì)條件的不同做好工程措施的“加減法”?！凹臃ā笔侵竿ㄟ^增強襯砌結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，包括增加配重、異形結(jié)構(gòu)、錨固抗浮等；“減法”是指通過完善降排水系統(tǒng)，消減作用在襯砌結(jié)構(gòu)下的水壓力。根據(jù)引黃濟青改擴建工程實際情況，為減少渠道運行期間滲漏量，且能應(yīng)對極端降雨條件，主要建議方案如下。

6.1 “加法”措施

(1)使用異形襯砌塊，利用板與板之間的咬合力增加襯砌層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(2)為抵抗過大的揚壓力，可以適當(dāng)增加混凝土襯砌板厚度。

(3)將渠道襯砌中保溫板+復(fù)合土工膜(自下而上)結(jié)構(gòu)調(diào)整為復(fù)合土工膜+保溫板(自下而上)結(jié)構(gòu)，消減高地下水位下保溫板的一部分浮托力。

6.2 “減法”措施

(1)在渠坡防滲結(jié)構(gòu)底部設(shè)置排水墊層。排水墊層由砂礫料或中粗砂等強透水性材料組成。此時，可形成排水墊層與既有逆止閥的聯(lián)合工作，提高排水效率。

(2)可增加逆止閥的排數(shù)，即在斷面上設(shè)置多層逆止閥，以促進(jìn)排水。

(3)加大匯水盲溝斷面面積和集水暗管的截面面積，提高排水系統(tǒng)的出流量。

7 結(jié)語

綜合上述分析，連續(xù)強降雨造成地下水位顯著升高，渠內(nèi)水位驟升驟降，且堤身內(nèi)部地下水位顯著高于渠內(nèi)水位是渠道襯砌損壞的主要原因。同時，無論是“加法”還是“減法”，都是增強渠道襯砌層穩(wěn)定性、降低內(nèi)外水頭差破壞的重要舉措。本文對類似渠道工程的損毀原因調(diào)查與水毀修復(fù)具有重要的技術(shù)指導(dǎo)與借鑒意義。但渠道襯砌邊坡破壞是一個復(fù)雜而多變的問題，文中滲流模型未考慮逆止閥失效情況，仍有不足，在實際工程運用中，還應(yīng)具體情況具體分析。