李肖男，楊 波，陳 盟

(山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心東營分中心，山東 廣饒 257300)

0 引 言

2018年和2019年汛期，受強臺風(fēng)影響，引黃濟(jì)青東營段輸水干渠沿線地區(qū)持續(xù)發(fā)生特大暴雨，引起大面積洪澇災(zāi)害。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)外地下水位差大幅頻繁變化，造成渠道襯砌發(fā)生不同程度的破壞，嚴(yán)重影響渠道正常運行。

目前，對于渠道穩(wěn)定計算，一般采用SL 386-2016《水利水電邊坡設(shè)計規(guī)范》中的簡化畢肖普法和有限元軟件Geostudio的SEEP/W模塊。但簡化畢肖普法只考慮了力的平衡，而忽略了力矩的平衡條件，只適用于圓弧滑裂面[1]；而有限元法受建模水平、邊界條件以及荷載工況的影響，其模擬的還原度不能保證，精確度浮動比較大[2]。此外，以上方法大都從1～2個指標(biāo)出發(fā)來分析破壞機理，較少綜合考慮多個指標(biāo)[3]。為此，本文在對引黃濟(jì)青東營渠段損毀情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，從滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定、排水能力及臺風(fēng)期間運行工況等方面，綜合分析了渠道損毀原因，并針對不同破壞形式提出了相應(yīng)處理措施。

1 典型渠段情況

1.1 設(shè)計概況

在渠道初步設(shè)計中，襯砌型式為半斷面襯砌+全斷面鋪設(shè)復(fù)合土工膜，即邊坡采用6 cm厚預(yù)制混凝土板+復(fù)合土工膜+聚苯乙烯保溫板，渠底只防滲不襯砌，采用0.5 m厚當(dāng)?shù)赝粮采w渠底土工膜并壓實[4]。后期施工中，渠底設(shè)計變更為采用6 cm厚預(yù)制混凝土板+0.5 m厚當(dāng)?shù)赝?復(fù)合土工膜的設(shè)計斷面，渠道邊坡襯砌型式不變(圖1)。

圖1 渠道(一期)典型斷面(尺寸單位：mm)Fig.1 Typical section of the channel (Phase I)

排水減壓采用40 cm×40 cm管溝回填中粗砂埋設(shè)直徑15 cm塑料排水盲管方式，排水盲管用300 g/m2的土工布包裹，間隔54 m安裝逆止式排水器和出水管。

1.2 水毀情況

受2018年“溫比亞”、2019年“利奇馬”強臺風(fēng)影響，引黃濟(jì)青東營段輸水干渠沿線地區(qū)普降特大暴雨，發(fā)生大面積洪澇災(zāi)害，造成沿線襯砌渠道發(fā)生不同程度破壞(圖2，3)。破壞形式主要為：

圖2 襯砌板隆起Fig.2 Lining slab uplift

圖3 坡面塌陷Fig.3 Slope collapses

(1) 渠坡襯砌板隆起。渠坡齒墻以上幾層板普遍出現(xiàn)不同程度的鼓脹、隆起，襯砌板缺失的地方土工膜鼓包、內(nèi)水壓力大。

(2) 襯砌板勾縫開裂。渠坡上部襯砌板普遍滑移，嚴(yán)重渠段勾縫開裂寬度達(dá)到1～3 cm。

(3) 分縫PT膠泥脫落。襯砌板隆起鄰近部位大多伴隨著伸縮縫PT膠泥的浮起、脫落。

(4) 坡面塌陷。部分渠段出現(xiàn)坡面塌陷、襯砌層凹凸不平現(xiàn)象。

(5) 滑坡。多處渠段邊坡出現(xiàn)滑坡、土工膜受損缺失、襯砌板大面積滑落渠底的情況。

2 渠道破壞原因分析

2.1 渠道滲流穩(wěn)定分析

2.1.1 滲流計算工況

對典型斷面(樁號59+625)進(jìn)行有限元復(fù)核計算分析，各土層滲流計算參數(shù)取值詳見表1。復(fù)核計算主要針對臺風(fēng)過境前(正常運行)、臺風(fēng)剛結(jié)束后這兩種具有代表性的時間點進(jìn)行分析，計算結(jié)果見表2。

表1 各土層滲流計算參數(shù)取值

表2 有限元計算結(jié)果統(tǒng)計

2.1.2 滲流計算分析成果

由滲流計算結(jié)果可知，在臺風(fēng)過境前即渠道正常運行時(工況2，4，6)，渠內(nèi)水頭大于襯砌混凝土板底部最大水頭，不會發(fā)生襯砌隆起破壞。當(dāng)臺風(fēng)過境后(工況1，3，5)，由于地下水位逐漸抬升，襯砌混凝土板底部最大水頭已遠(yuǎn)超渠內(nèi)水頭，此時，在高水頭差的作用下襯砌混凝土板可能會發(fā)生隆起破壞。

2.2 襯砌渠道穩(wěn)定分析

根據(jù)《水工設(shè)計手冊(第2版)第9卷 灌溉、排水》和渠道的運行工況，對襯砌、防滲體等進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，穩(wěn)定復(fù)核的荷載組合與安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 襯砌渠道穩(wěn)定計算工況、荷載及安全系數(shù)

2.2.1 襯砌渠道邊坡抗滑穩(wěn)定分析

襯砌混凝土板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜、保溫板，滑動面可能位于襯砌混凝土板與復(fù)合土工膜之間、復(fù)合土工膜與保溫板之間、保溫板與基土之間。在以上可能的滑動位置中，保溫板與基土之間的摩擦系數(shù)會隨基土飽和狀態(tài)發(fā)生變化，為最不利滑動面。因此，針對此滑動面計算渠坡襯砌混凝土板的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，摩擦系數(shù)在非飽和狀態(tài)下取0.5，飽和狀態(tài)下取0.4，渠道邊坡坡比1∶2。

圖4表明：在不考慮齒墻支撐時，正常設(shè)計工況下，邊坡膜下排水功能正常，渠道內(nèi)外水壓力相等，襯砌混凝土板的下滑力及摩阻力由襯砌混凝土板自重產(chǎn)生。水上部分襯砌混凝土板板重按浮容重計，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1；水下部分襯砌混凝土板板重按浮容重計，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.8。施工期及檢修工況下，渠道內(nèi)無水，渠道外正常排水，襯砌混凝土板抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.8。非常工況時，渠道水位驟降0.3 m，此時渠道外地下水沒有及時下降，外水壓力大于內(nèi)水壓力，水下部分襯砌混凝土板板重按浮容重計，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.74?？梢姡诓豢紤]齒墻支撐時，各工況下襯砌混凝土板抗滑穩(wěn)定均不能滿足要求，需考慮邊坡底部齒墻支撐，以增強襯砌混凝土板抗滑穩(wěn)定性。在考慮齒墻背后1.2倍靜止土壓力后，各工況下襯砌混凝土板抗滑穩(wěn)定均能滿足要求，見表4。

圖4 渠坡襯砌混凝土板及齒墻受力分析(單位：cm)Fig.4 Calculation results of loading of canal slope lining concrete and tooth wall

2.2.2 襯砌混凝土板抗浮穩(wěn)定計算

襯砌混凝土板抗浮穩(wěn)定系數(shù)可由下式計算：

(1)

表4 渠道襯砌混凝土板及齒墻抗滑穩(wěn)定計算成果

取單位面積進(jìn)行襯砌邊坡抗浮穩(wěn)定計算，工況如下：

(2) 施工及檢修工況。渠道內(nèi)無水，渠道外正常排水，襯砌混凝土板下無揚壓力，滿足要求。

(3) 水位驟降。非常工況時，渠道水位驟降0.3 m，此時渠道外地下水沒有及時下降。假設(shè)襯砌混凝土板頂面水壓力為零，揚壓力直接作用于土工膜下，此時分析采用襯砌混凝土板的飽和容重25 kN/m3，Δh取0.3 m，則抗浮穩(wěn)定系數(shù)Kf為0.5，不能滿足要求。當(dāng)臺風(fēng)過境后，地下水位逐漸抬升，襯砌混凝土板底部最大水頭已遠(yuǎn)超渠內(nèi)水頭，此時襯砌混凝土板在高水頭差的作用下容易發(fā)生隆起破壞。

2.3 排水能力分析

選擇對襯砌工程最不利的水位組合[6]進(jìn)行排水計算，即輸水渠無水、渠道外地下水位最高的時期。該組合條件下的水位差最大，揚壓力大、排水流量也最大。根據(jù)沿線新調(diào)整的地下水位、土質(zhì)與滲透系數(shù)[7]計算排水流量，參照國際土地開墾和改良研究所著《排水原理和應(yīng)用》(Ⅱ)中的霍赫浩特方程式：

q=(8kD1h+4kh2)/L2

(2)

式中：q為單位表面積的排水量，m3/s；k為滲透系數(shù)，m/s；h為地下水位至暗管水位的高度，m；L為暗管排水的影響范圍，L=6 000hk1/2，m；D1為暗管水位至不透水層的等效深度，m。

輸水渠兩側(cè)排水暗管的排水流量：

q雙=q(L+B)/2

(3)

q單=q(L+B)

(4)

上式中：q雙，q單分別為兩側(cè)和一側(cè)暗管單位長度的排水流量，m3/(d·m)；B為輸水渠兩側(cè)暗管間的距離，m。

排水器出水管出流計算，按水力學(xué)中短管出流的情況考慮[8]：

(5)

式中：Q為出水流量，m3/s；μc為出水流量系數(shù)；ω為出水管斷面面積，m2；z0為水位差，m。經(jīng)計算，出水管直徑d=8 cm，排水流量Q=2.78×10-3m3/s。

根據(jù)以上公式計算，滲透系數(shù)k=6×10-4m/s，臺風(fēng)期間h取3 m，計算得單位長度排水流量q′=4.01×10-5m3/(s·m)時，所需排水器間距69.5 m，實際采用間距54 m。該工程膜下排水采用逆止閥+排水管的形式，故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。根據(jù)排水能力計算結(jié)果，在逆止閥有效的情況下，排水器個數(shù)滿足排水要求。若排水器的有效率降低至75%以下，排水器的總排水能力低于滲透流量，滲水不能及時排出導(dǎo)致防滲土工膜下?lián)P壓力增大，將會造成渠道襯砌混凝土板破壞。

2.4 臺風(fēng)期運行工況分析

2018年8月18～19日，受“溫比亞”臺風(fēng)影響，小清河子槽所處的博興縣、廣饒縣境內(nèi)普降特大暴雨，工程沿線短時降下200 mm大暴雨。按照上級調(diào)度指令，引黃濟(jì)青東營段輸水河渠道承擔(dān)了應(yīng)急泄洪任務(wù)，臺風(fēng)來臨前，渠道內(nèi)水位約2 m(水深1 m左右)，與地下水位基本持平。臺風(fēng)期間，地下水位急劇升高，渠道外可見明水，水位約4～5 m，持續(xù)時間較長，同時渠道蓄滿，承擔(dān)應(yīng)急泄洪任務(wù)，水位4.5 m左右，泄洪任務(wù)完成后渠道基本排空。由于短時間內(nèi)渠道水位發(fā)生反復(fù)急劇變化，而連續(xù)強降雨又導(dǎo)致地下水位居高不下，當(dāng)渠道內(nèi)水排空后渠道內(nèi)外水位差超過0.5 m，容易發(fā)生襯砌破壞。

2019年8月10～15日，受“利奇馬”臺風(fēng)影響，工程沿線降下258.3 mm大暴雨，引黃濟(jì)青東營段輸水渠道再次承擔(dān)了應(yīng)急泄洪任務(wù)。渠道運行情況同2018年基本一致，此次渠道外明水水位更高，持續(xù)時間更長(渠道內(nèi)外水位變化過程見表5)，發(fā)生襯砌破壞的可能性加大。

表5 渠道內(nèi)外水位變化過程

2.5 綜合分析

綜上，“溫比亞”臺風(fēng)和“利奇馬”臺風(fēng)過境期間，渠道外地下水位顯著上升，渠道內(nèi)外水頭差增大，導(dǎo)致渠道邊坡襯砌混凝土板底部所受揚壓力增大，襯砌混凝土板下保溫板與基土之間的摩擦系數(shù)隨基土的飽和狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致摩阻力降低，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低。而且，邊坡底部齒槽受到上部傳遞的荷載增加，可能造成齒墻位移。同時，上層襯砌混凝土板在底部襯砌混凝土板隆起后失去支撐，并在揚壓力的作用下向下滑動。不同渠段的土層類型不同、滲透系數(shù)不同，導(dǎo)致臺風(fēng)過境期間發(fā)生不穩(wěn)定滲流。在以上幾種不利因素的綜合作用下，渠道發(fā)生勾縫開裂、滑坡、隆起、塌陷等現(xiàn)象。

3 修復(fù)處理

3.1 隆起段修復(fù)

拆除發(fā)生位移的齒墻壓頂板以及發(fā)生隆起、滑坡面的預(yù)制板，拆除范圍為沿坡面4.3 m的高度(10行預(yù)制板)。用腳手架撐起邊坡上部未破壞的預(yù)制板，以防止其發(fā)生位移；拆除土工膜和保溫板，清理厚度范圍10 cm的表層土，整平坡面。渠道齒墻以上沿坡面4.3 m高度分別鋪設(shè)10 cm中粗砂、土工布、聚苯乙烯保溫板(陰坡厚3 cm，陽坡厚2 cm、帶孔透水)、預(yù)制混凝土板(6 cm厚預(yù)制帶孔混凝土板與舊預(yù)制板梅花型交叉鋪設(shè))(圖5)。上部破壞的邊坡采用原設(shè)計方案恢復(fù)，即利用完整的舊預(yù)制板重新砌筑。土工布與土工布之間施工搭接長度20 cm；土工布與原土工膜采用縫接方式連接，搭接長度不小于20 cm；土工布與齒墻銜接處，土工布插入土體深度(與齒墻貼合)不小于20 cm。

圖5 邊坡襯砌結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig.5 Slope lining structure diagram

3.2 滑坡、塌陷渠段修復(fù)

拆除清理發(fā)生滑坡和塌陷渠段的預(yù)制板、土工膜、保溫板、清理厚度范圍10 cm的表層土，運至渠道外，然后人工回填土方、整平坡面(坡比與原設(shè)計相同)并夯實。渠道齒墻以上沿坡面4.3 m高度分別鋪設(shè)10 cm中粗砂、土工布、聚苯乙烯保溫板(陰坡厚3 cm，陽坡厚2 cm、帶孔透水)、預(yù)制混凝土板(6 cm厚預(yù)制帶孔混凝土板與舊預(yù)制板梅花型交叉鋪設(shè))。上部破壞的邊坡采用原設(shè)計方案恢復(fù)，即利用完整的舊預(yù)制板重新砌筑。

3.3 勾縫、伸縮縫修復(fù)

坡面發(fā)生勾縫開裂的渠段一般位于發(fā)生隆起、滑坡渠段的上部邊坡，多為局部多行勾開裂，裂縫寬度幾毫米至幾厘米不等，如不修復(fù)勾縫，下部預(yù)制板可能無法砌筑或砌筑后外觀質(zhì)量不合格。根據(jù)現(xiàn)場情況，對發(fā)生勾縫開裂的渠段按照原設(shè)計斷面進(jìn)行修復(fù)，即拆除現(xiàn)狀預(yù)制板并清理后重新采用M15水泥砂漿填充砌筑，預(yù)制板下層土工膜和保溫板保持原樣。

對于PT膠泥出現(xiàn)脫落的伸縮縫，將整條伸縮縫全部清理干凈，然后按下部填充4 cm厚閉孔泡沫板，上部填充2 cm 厚PT膠泥進(jìn)行原狀恢復(fù)。

4 修復(fù)效果復(fù)核

4.1 襯砌邊坡抗滑穩(wěn)定

根據(jù)《水工設(shè)計手冊(第2版)第9卷 灌溉、排水》與渠道的運行工況對襯砌、防滲體等進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，穩(wěn)定復(fù)核荷載組合與安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 襯砌渠道穩(wěn)定計算工況、荷載及安全系數(shù)

混凝土襯砌板下鋪設(shè)土工布、保溫板(帶孔)，滑動面可能位于混凝土與保溫板、保溫板與土工布、土工布與基土之間。在以上可能的滑動位置中，土工布與基土之間的摩擦系數(shù)會隨著基土的飽和狀態(tài)發(fā)生變化，為最不利滑動面，因此針對此滑動面計算渠坡襯砌板的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，非飽和狀態(tài)取摩擦系數(shù)0.5，飽和狀態(tài)取0.4。渠道邊坡坡比1∶2。

邊坡襯砌結(jié)構(gòu)由原設(shè)計的全斷面防滲改為透水結(jié)構(gòu)。在正常工況和非常工況下，邊坡土工布功能正常，渠道內(nèi)外水壓力相等，混凝土板的下滑力及摩阻力由混凝土板自重產(chǎn)生，水下部分混凝土板重按浮容重計，考慮齒墻支撐作用；各工況下，襯砌板抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3，滿足要求。

4.2 渠道滲漏流量計算

渠道滲漏量根據(jù)GB 50288-2018《灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》計算水量損失率：

(6)

式中：σ′為受地下水頂托的單位長度渠道滲水損失率，%/km；ε′為受地下水頂托的修正系數(shù)，取0.34；Qdj為渠道凈流量，m3/s；K為土壤透水性系數(shù)，壤土取1.9；m為土壤透水性指數(shù)，壤土取0.4。

渠道凈流量36 m3/s，計算單位長度渠道滲水損失率0.15%/km，即1 km渠道流量損失0.055 m3/(s·km)。本次改造的渠道總滲漏損失2萬m3/d。采用有地下水頂托的土質(zhì)渠道計算，未考慮渠道襯砌和渠道底防滲的影響，本次計算滲流量可能偏大。

4.3 渠道浸沒影響分析

計算渠道修復(fù)完成后正常運行期的浸沒影響。根據(jù)地勘資料，渠道邊坡地層分布為填筑土、壤土、黏土，按照設(shè)計水位運行期產(chǎn)生穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場[9]。利用Autobank軟件進(jìn)行滲流計算。Autobank采用節(jié)點流量平衡法，通過迭代計算自動確定浸潤線位置和滲流量[10]。根據(jù)水文地質(zhì)資料，擬定兩種計算工況分析滲流，工況一為渠道內(nèi)設(shè)計水位4 m，地下水位3 m；工況二為渠道內(nèi)設(shè)計水位4 m，地下水位1 m。襯砌邊坡為透水結(jié)構(gòu)，計算模型中不考慮壓力水頭折減(圖6，7)。

圖6 工況一計算結(jié)果(單位：m)Fig.6 Working condition Ⅰ calculation results

圖7 工況二計算結(jié)果(單位：m)Fig.7 Working condition Ⅱ calculation results

對于工況一，經(jīng)計算，浸潤線緩慢下降，水力坡度為0.012。對于工況二，經(jīng)計算，浸潤線緩慢下降，水力坡度為0.16。根據(jù)渠道正常運行期渠道滲漏穩(wěn)定計算成果，渠道滲漏出溢點高程與渠道外地下水位相等，浸潤線水力坡度隨地下水位增高而減小，滲漏量隨之減少。該渠道自20世紀(jì)80年代運行以來，兩側(cè)耕地未產(chǎn)生鹽漬化現(xiàn)象。綜上，將土工膜防滲邊坡改為透水混凝土護(hù)坡后，正常年份渠道輸水期間對渠道兩側(cè)田地基本無浸沒影響。

5 結(jié) 語

本文以引黃濟(jì)青東營段為例，采用有限元滲流計算、抗滑穩(wěn)定分析、抗浮穩(wěn)定分析、排水能力計算及運行工況分析等方法分析了臺風(fēng)強降雨導(dǎo)致渠道損毀的原因。通過將土工布替換土工膜、透水混凝土板替換部分舊板、設(shè)置強透水性排水砂墊層、調(diào)整保溫板位置等措施，對損毀渠段進(jìn)行修復(fù)處理，提高了邊坡穩(wěn)定性，保證了渠道運行安全。研究成果可為類似渠道破壞機理研究與修復(fù)處理提供技術(shù)指導(dǎo)與經(jīng)驗借鑒。