水位驟變下渠道襯砌邊坡破壞問題研究

賈 霖

(新疆額爾齊斯河投資開發集團有限公司,烏魯木齊 831100)

0 引 言

長距離調水工程運行過程中,在強降雨情況下很容易因土體重度增大、土體含水率和孔隙水壓力升高、滑動面抗剪強度及邊坡安全系數降低等原因而引發襯砌邊坡破壞。大多數學者主要從土體含水率、位移、安全系數等1～2個指標出發研究降雨情況下渠道邊坡穩定性,缺乏多指標綜合考慮及邊坡穩定性系統性研究,此外,研究重點也主要集中在降雨歷時、降雨強度等對調水渠道邊坡穩定性的影響方面,缺乏對其他可能因素分析。殊不知,影響調水渠道襯砌邊坡穩定性的因素較多,且影響程度不盡相同,必須對各類影響因素展開敏感性分析,分清主次,著重控制重點性影響因素。文章在對某調水渠道典型渠段展開地質勘察、現場檢測及滲壓監測的基礎上,分臺風過境前及過境后兩種工況構建起滲流穩定性分析的有限元模型,對水位陡變過程中渠道襯砌邊坡破壞機理進行分析探討,以期借鑒。

1 工程概況

某遠距離調水工程途徑4市、10縣,線路全長275km,工程自1991年初建成運行以來,累計調水量達到104.54×108m3,在緩解地區水資源供需矛盾方面發揮了重要作用,也為區域社會經濟發展提供了可靠的供水保障。在工程運行的過程中,因受到防汛調度及極端氣候等因素的綜合作用和持續影響,部分渠段先后出現勾縫開裂、襯砌隆起、邊坡塌陷、渠面凹塌等病害,十分不利于渠道安全運行。該渠道44+000～71+800段采用全斷面襯砌+全斷面鋪設復合土工膜的防滲形式,即鋪設6cm厚的預制混凝土板、復合土工膜,陰坡和陽坡側分別鋪設3cm和2cm厚的聚苯乙烯保溫板,渠底則設置8cm厚的現澆(部分預制)混凝土板、復合土工膜和10cm厚的中粗砂。

調水渠道60+500典型斷面見圖1,渠底、左右岸堤頂寬度分別為14.2m、4m和8m,邊坡為1∶2,渠道排水細部結構中排水器與出水管之間間隔12m,渠道排水細部結構,見圖2。

圖1 調水渠道典型斷面

圖2 渠道排水細部結構

2 典型渠段破壞情況檢查

2019年8月中旬以來,在臺風的影響下,該調水工程典型段所在地區降水量持續增大,將期間總降雨量換算成水量后超5×108m3,為該地區史上最強降雨。根據防洪調度安排,該段調水渠道同時承擔應急泄洪任務。泄洪期間,渠道水位驟升驟降,水位變化頻繁,引發渠段襯砌結構不同程度的破壞,主要表現為渠底隆起、渠坡塌陷、結構縫開裂、襯砌板破斷。

在渠道左堤和右堤分別設置10個檢測點展開混凝土襯砌板損毀程度及渠道排水系統有效性檢查。檢查時將各測點處損壞的襯砌板全部掀開,目測看出由上至下分別為混凝土板、復合土工膜、保溫板及土層,結構較為完整且貼合性良好;僅部分襯砌板間縫隙較大并存在錯位。在檢測點處開挖檢查排水盲溝,發現盲溝內中粗砂回填料基本完整,盲管外包裹的復合土工布完好;將土工布拆開后檢查排水盲管并無堵管現象;盲溝排水結構完好,且排水功能正常。

在渠道左堤和右堤選取15處區域,使用美國SIR-4000型地質雷達系統檢測渠道襯砌板損壞處板材與渠坡脫空情況。結果顯示,典型段渠道基本無明顯的襯砌板脫空問題。

3 渠道滲流穩定分析

該調水渠道在經歷持續強降雨及擔任泄洪任務后出現襯砌結構隆起、破斷等問題,為此,必須展開渠道襯砌結構抗浮穩定研判。在渠道襯砌材料性能和厚度既定時,控制兩側壓力水頭差及滲流場是確保渠道襯砌結構抗浮穩定的關鍵[1]。

3.1 非飽和滲流理論

二維非飽和滲流控制方程為:

(1)

式中:H為總水頭;kxc為x向滲透系數;ky為y向滲透系數;Q為邊界流量;mw為水特征曲線斜率;rw為水容重;t為時間;其余參數均為無具體含義的變量。

以上滲流方程的初始條件和邊界條件如下:

H(x,y,t)|t=0=H0(x,y,t0)

(2)

H(x,y,t)=f(x,y,t)|(x,y)Γ1

(3)

(4)

式中:H0(x,y,t0)為初始水頭分布;Γ1為水頭邊界;Γ2為流量邊界;f(x,y,t)為水頭分布函數;q(x,y,t)為法向流量函數,入滲取正,逸出取負;cos(n,x)為邊界面沿外法線x向的余弦;cos(n,y)界面沿外法線y向的余弦。

應用相關文獻中能分別體現孔隙水壓力變化及總法向應力變化影響的抗剪強度公式進行非飽和土抗剪強度的預測,公式如下:

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(5)

式中:τf為非飽和土抗剪強度;c′為黏聚力;φ′為內摩擦角;φb為吸力內摩擦角;σ-ua為凈法向應力;(u-uw)為基質吸力。

3.2 有限元復核計算

為比較分析非飽和滲流對該調水渠道襯砌邊坡穩定性的影響,采用SEEP/W計算得到的飽和-非飽和滲流場,在分析不同降雨程度下孔隙水壓力分布規律的基礎上,推求臺風及強降雨因素對渠道土體含水率及孔隙水壓力的影響,進而分析降雨因素下調水渠道襯砌邊坡安全系數及位移變化的趨勢規律。

為簡化計算過程,保證結果的針對性和可靠性,此次對典型斷面展開有限元復核時主要分析臺風過境前(即渠道正常運行,工況2、4、6)和臺風剛結束(工況1、3、5)兩個代表性時間點。以竣工圖典型橫剖面為滲流分析計算剖面,該斷面樁號為60+500。滲流計算參數的準確性與計算結果和調水渠道襯砌邊坡處治效果直接相關。故必須在全面勘察工程地質及展開土工試驗的基礎上進行參數選取;結合地勘報告建議值、鉆孔試驗值、最不利工況參數值等復核計算參數。具體參數及取值,見表1。

表1 滲流計算參數及取值

采用Geostudio的SEEP/W模塊構建滲流計算有限元模型時,先確定坐標軸和柵格點,x方向表示距離,y方向表示高程;根據需要調整后的柵格點為1m×1m?；诖私Ⅻc線面幾何模型,并嚴格按照地勘情況劃分地層,由堤頂開始向下依次為層底標高1.43m的填筑土層、層底標高-2.07m的壤土層、10.00m以內未穿透的黏土層。

按照竣工圖構建典型斷面有限元幾何模型及逆止閥等細部構造,通過平均尺寸0.3m左右的四邊形網格劃分模型。該典型斷面共劃分出5584個單元和5807個節點。網格剖分后的典型斷面有限元模型見圖3。此次主要針對2019年8月中旬臺風過境前及臺風結束后兩個代表性時間點展開復核,結果見表2。值得注意的是,地下水位比調水渠道內水位高時,逆止閥便開始排水,這種情況下,以逆止閥頂部邊界為渠道水頭;而當地下水位比調水渠道內水位低時,逆止閥關閉,同時應對逆止閥頂部作不透水設置。

表2 有限元復核邊界條件

圖3 典型斷面有限元模型

基于所設定的臺風過境前后工況,通過以上有限元分析過程所得到的滲流穩定及抗浮穩定結果,見表3。由表中分析結果看出,臺風過境前襯砌結構安全,但受臺風影響后襯砌板結構均遭受一定程度的影響和破壞。

表3 滲流穩定及抗浮穩定有限元計算結果

4 襯砌邊坡破壞的原因及處治

4.1 襯砌邊坡破壞的原因

1)襯砌損壞。通過以上對該調水渠道典型斷面滲流穩定的分析,渠道內水壓力及襯砌板結構自重是保持渠道襯砌抗浮穩定的主要作用力。在遭遇史上最強臺風和強降雨入滲后,渠堤內部地下水位明顯提高,渠道襯砌結構內水壓力持續增大。此種情況下,若渠堤內部地下水無法及時順利排出,則渠堤內部水壓力必將超出渠內水壓,并在地下水的浮托下,引發渠道襯砌板向上浮動和襯砌結構破壞。

根據相關理論,渠道襯砌板抗浮穩定系數公式為:

(6)

2019年8月中旬臺風發生后,該調水渠道地下水位陡增1.74m,地下水位超出渠道內水位0.76m,這種超高水頭差致使復合土工膜底部揚壓力增大,嚴重影響抗浮穩定。根據對臺風過境前后襯砌板最大水頭差的分析及表4中渠道襯砌抗浮穩定結果,臺風過境前調水渠道正常運行工況下(工況2、4、6),渠道內水頭超出襯砌結構底部最大水頭,故襯砌結構處于抗浮穩定狀態,不會出現襯砌破壞;而臺風過境造成地下水位陡增,襯砌結構底部水頭與調水渠道內水頭差遠遠超出8cm(工況1、3、5),且對應工況抗浮安全系數均<0.1,這種因臺風過境而引發的調水渠道內外高水頭差是造成襯砌結構隆起破壞的主要原因。結合渠道運行實際,1排逆止閥設計無法滿足臺風及強降雨發生后渠道排水及襯砌結構底部水頭降低的要求。

2)其他方面。以上分析及復核計算主要基于調水渠道排水系統正常運行的情況。盲溝是調水渠道堤身排水體系順利運行及渠道襯砌結構抗浮穩定的保證;逆止閥的良好啟閉直接關系到排水系統功能的正常發揮,若無法正常啟閉,必將應水壓力差過大而引發渠道襯砌破壞。筆者對該調水渠道排水盲溝展開開挖檢查發現,盲溝內中粗砂基本完好,排水盲管外包復合土工布也完好,盲管無明顯堵塞,排水功能基本正常。該調水渠道基本不存在排水系統失效問題。

對于高地下水位調水渠道而言,冬季易發生渠底和渠側土體凍脹及凍融破壞,在該調水渠道改擴建設計階段已經充分采取了預防土體凍脹及凍融破壞的工程措施,如陽坡和陰坡分別設置2cm和3cm厚的聚苯乙烯保溫板。結合現場勘察結果,該調水渠道所在地區冬季干旱少雨,發生土體凍脹及凍融破壞的可能性不大。在冬季低溫環境下,該調水渠道可正常輸水,渠道內水位相對較高,襯砌破壞主要出現在渠坡底部,由此可以推斷,以上防凍脹工程措施實施后,土體凍脹及凍融破壞發生的可能性大大降低,與渠道襯砌損壞的相關性也不大。

4.2 襯砌邊坡處治

結合對該調水工程渠道典型斷面襯砌邊坡破壞原因的分析,在該渠道改擴建過程中應改用異形襯砌塊,借助塊與塊之間的咬合增強襯砌結構穩定;適當增大襯砌板厚度,以抵抗揚壓力;將原自上而下的保溫板+復核土工膜的襯砌結構調整為復核土工膜+保溫板,以削弱地下水位升高后對保溫板的浮托力。此外,還應將由中粗砂、砂礫料等強透水性材料組成的排水墊層增設于渠道防滲層底部,形成排水墊層+逆止閥的聯合工作機制,加速排水;并增加逆止閥排數,采用多層逆止閥排水模式。

5 結 論

綜上所述,臺風引起的強降雨使地下水位抬高,調水渠段在擔任泄洪任務的過程中,渠道內水位陡升陡降;堤身內部地下水位明顯高出渠道內水位等是造成該調水渠段襯砌邊坡破壞的主要原因。在展開渠道滲流穩定分析及襯砌破壞原因分析的基礎上,采取相應處治措施后渠道襯砌層穩定性明顯提升,渠道內外水頭差降低。然而,調水渠道襯砌邊坡破壞機理及過程較為復雜,文章所構建的滲流模型以及渠道襯砌邊坡破壞原因分析時也并未考慮渠道逆止閥失效的情形,此類問題仍有待進一步研究探討。