大斷面剛柔混合襯砌渠道的抗滑穩定計算

趙海蛟（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆烏魯木齊830000）

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大斷面剛柔混合襯砌渠道的抗滑穩定計算

趙海蛟
（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆烏魯木齊830000）

在渠道防滲中，復合土工膜作為防滲材料被廣泛采用。復合土工膜作為防滲材料，與混凝土襯砌板共同組成渠道的防滲襯砌結構，而復合土工膜與渠道墊層、混凝土襯砌板的接觸摩擦特性和邊坡穩定性是渠道工程安全運行的關鍵。本研究通過復合土工膜與渠道墊層土料的摩擦特性試驗，得到復合土工膜與渠道墊層土料之間的粘聚力和摩擦角。采用抗滑穩定安全系數理論，計算出在考慮或忽略粘聚力時抗滑穩定安全系數，來判斷渠道邊坡的穩定性。研究表明：粘聚力對抗滑穩定安全系數影響較大，考慮粘聚力的影響，整個防滲體的穩定安全系數將會更大，更加偏于安全。

剛柔混合襯砌渠道；摩擦特性；粘聚力；摩擦角；抗滑穩定

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.036

1 引言

灌區輸水渠道采用防滲結構是減少渠道輸配水損失、提高輸配水效率的重要工程措施。渠道作為灌區水利工程的重要組成部分，其設計與施工需要注意諸多問題：襯砌結構凍脹問題、邊坡穩定問題、防滲結構強度問題等等。邊坡穩定問題是渠道工程設計、施工與運行中的核心問題，直接關系到渠道的安全運行和節水效益的發揮。

渠道邊坡的穩定性及影響因素的分析研究成果已有很多，大量學者都以剛性混凝土襯砌渠道為研究對象，研究邊坡穩定性、襯砌結構與墊層的摩擦特性，以及特殊土（黃土、膨脹土、鹽漬土、分散性土和沙漠土等）渠道的穩定性，研究成果較多。對于采用剛性混凝土襯砌板與復合土工膜共同組成的防滲抗凍脹結構，近年來發展較快，這種復合襯砌渠道抗凍脹效果明顯，凍脹變形與凍脹力分布更加均勻，是一種抗凍脹性能較好的襯砌結構。由于它是由剛性的混凝土板與復合土工膜共同組成的襯砌結構，其穩定性計算較為復雜，需要考慮復合土工膜與渠道墊層、混凝土襯砌板的接觸摩擦特性，進一步對復合襯砌渠道的邊坡穩定性進行評價。

關于復合襯砌渠道接觸特性的研究成果較多。張廣禹和李振靈通過室內試驗，測定了復合土工膜與粗粒料、人工碎石土之間的摩擦系數，復合土工膜與墊層土料之間的摩擦系數與墊層土料的飽和狀態有關。姜海波通過室內試驗測得了復合土工膜與壩體墊層結構面之間的摩擦角和粘聚力，并對壩坡穩定性進行了分析。王琦和臧光文通過現場模擬試驗，測得了復合土工膜與混凝土結構面之間的摩擦系數和抗滑剪力，并對工程的安全性進行了分析。而對于復合襯砌渠道邊坡穩定性的研究成果則較少，到目前為止，只有劉旭東等人利用ADINA軟件對復合襯砌渠道的凍脹機理進行了模擬，并對渠道的“適變斷面”進行了分析，研究襯砌板應力和變形規律，揭示了該種渠道通過削弱凍結約束來改善襯砌板凍結受力及使凍脹量分布均勻的抗凍脹機理，但沒有對混合襯砌渠道摩擦特性及穩定性進行研究。其他關于混合襯砌渠道邊坡穩定性的研究未見報道。因此，需要對剛柔混合襯砌渠道摩擦特性、渠道邊坡的穩定性進行系統的研究。

本文通過室內試驗，測定了復合土工膜與渠道墊層土料的摩擦角和粘聚力，分析了復合土工膜與渠道墊層土料的摩擦特性，并結合新疆某干渠復合襯砌渠道，采用抗滑穩定安全系數理論，分析了復合襯砌渠道邊坡在不同情況下的穩定性，并在分析中考慮了復合土工膜與渠道墊層土料的摩擦特性對邊坡穩定性的影響。

2 復合土工膜與渠道墊層土料的摩擦試驗

復合土工膜作為防滲材料鋪設在渠道中，可以起到防滲的作用，復合土工膜與墊層結構面的抗滑穩定直接影響到工程的安全運行。對于復合土工膜與渠道墊層土料之間的接觸摩擦特性，主要是測定復合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦參數，即摩擦角和粘聚力。可以利用這些參數來分析計算渠道邊坡的穩定性。

復合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦參數通過TZY-1型土工合成材料綜合測定儀測定。試驗用料來自某渠道工程砂礫石墊層土料，土料粒徑小于0.1mm的顆粒含量小于總質量的6.5%，渠道墊層土料級配曲線見圖1。土樣的不均勻系數為115.2，曲率系數為2.3。

室內試驗采用應變進行控制，試驗時的豎向正應力為0.1、0.2、0.3、0.4MPa，在不同的豎向正應力作用下，取不同的含水率渠道墊層土樣與復合土工膜進行摩擦試驗，土樣含水率分別為0%、3%、 6%和8.5%，每一種含水率取4個土樣進行摩擦試驗。復合土工膜的力學特性見表1。

圖1 渠道墊層土料級配曲線

表1 復合土工膜的力學特性

通過試驗摩擦試驗，表2給出了復合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦試驗成果。

表2 復合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦試驗成果

室內摩擦試驗表明：復合土工膜與不同含水率的渠道墊層土料之間，所測定的摩擦角和粘聚力值不同。復合土工膜與含水量為0%的渠道墊層土料之間的摩擦角平均值為26.63o，粘聚力的平均值為15.93kPa；復合土工膜與含水量為3%的渠道墊層土料之間的摩擦角平均值為27.25o，粘聚力的平均值為16.85kPa；復合土工膜與含水量為6%的渠道墊層土料之間的摩擦角平均值為29.03o，粘聚力的平均值為24.3kPa；復合土工膜與含水量為8.5%的渠道墊層土料之間的摩擦角平均值為32.55o，粘聚力的平均值為26.48kPa。在實際的渠道工程邊坡穩定性計算中，復合土工膜與墊層土料之間的摩擦角和粘聚力，可以根據墊層土料的含水率由表2選取。

3 實例分析

3.1 渠道工程概況

新疆某剛柔混合襯砌渠道，采用復合土工膜與混凝土襯砌板復合襯砌結構，復合土工膜厚度為0.6～0.8mm。渠道底寬2.0m，邊坡為1∶2.0。渠道墊層土料粒徑小于0.1mm的顆粒含量小于總質量的7.0%。土樣的不均勻系數為113.2，曲率系數為2.15。

在進行剛柔混合襯砌渠道的抗滑穩定計算時，復合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦參數根據表2選取。

3.2 抗滑穩定計算

在剛柔混合襯砌渠道的施工中，混凝土澆筑時，襯砌板與復合土工膜粘結在一起，該結合面不會發生滑動，故對剛柔混合襯砌渠道的抗滑穩定計算時主要考慮復合土工膜與渠道墊層土料之間的抗滑穩定。根據不同的情況，復合土工膜與渠道墊層土料之間的抗滑穩定安全系數可以分為兩組情況［10］，若考慮材料之間的粘聚力可按下式計算：

式中：α為坡角；ψ為復合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦角；Ca為復合土工膜與渠道墊層土料之間的粘聚力；t為復合土工膜的厚度；γ為復合土工膜的容重；K為抗滑穩定安全系數。

若復合土工膜與渠道墊層土料之間沒有粘聚力或粘聚力小到可以忽略不計，那么抗滑穩定安全系數可簡化為：

根據試驗成果，選取合適的復合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦角和粘聚力參數，對工程實例進行了邊坡抗滑穩定性計算，渠道邊坡穩定性安全系數見表3。

表3 渠道邊坡抗滑穩定安全系數

表4 襯砌板結構荷載組合及抗滑穩定安全系數標準

3.3 計算成果分析

根據具體渠道工程干渠初步設計專用技術標準，渠道襯砌防滲體計算工況及荷載組合見表4。在正常運行情況下渠道邊坡襯砌板結構抗滑穩定安全系數標準為1.30；在非常情況下渠道邊坡襯砌板結構抗滑穩定安全系數標準值為1.20。通過計算，在無外力支撐抗滑的情況下，采用復合土工膜防滲時按公式（1）計算的抗滑穩定安全系數K1= 1.37，按公式（2）計算的安全系數K2=0.99。對比表4則可知，該剛柔混合襯砌渠道考慮粘聚力時抗滑穩定安全系數為1.37，滿足規范要求，且有較大的安全余度。若忽略粘聚力時抗滑穩定安全系數為0.99小于規范要求的1.30，故不能達到工程的安全要求。

通過計算結果的對比，復合土工膜與渠道墊層土料之間的粘聚力對邊坡穩定性影響較大，所以在計算復合襯砌渠道邊坡穩定性時，要充分考慮粘聚力的影響，否則邊坡穩定性難以保證。

4 結語

（1）在工程的實際應用中，當采用摩擦角和粘聚力進行計算時，對復合土工膜與粗粒料的摩擦角和粘聚力的取值，根據粗粒料含水率的不同，摩擦角可以在26.63°～32.55°之間取值，粘聚力可以在15.93～26.48kPa之間取值。復合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦參數，可為剛柔混合襯砌渠道的抗滑穩定計算提供必要的材料參數。

（2）抗滑穩定安全系數計算公式中若考慮材料之間的粘聚力，能達到工程的安全要求，其安全儲備高，偏于保守；若忽略材料之間的粘聚力，抗滑穩定安全系數偏小，不能滿足技術專用標準，故不能達到工程的安全要求。因此，粘聚力對抗滑穩定安全系數影響較大，加上粘聚力的影響，整個防滲體的穩定安全系數將會更大，更加偏于安全。

（3）渠道邊坡穩定安全系數的大小與混凝土襯砌的厚度、復合土工膜的厚度、復合土工膜與邊坡墊層土料之間的摩擦角和粘聚力有關。根據粘聚力的大小，混合襯砌渠道邊坡的抗滑穩定安全系數的計算分兩種情況。根據計算結果，邊坡穩定性安全系數與工程的實際情況符合度較好，能反映工程的實際情況，可為類似大型剛柔混合襯砌渠道的設計、施工提供理論參考。

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1672-2469（2016）01-0114-04

2015-08-23

趙海蛟（1984年—），男，工程師。