對某送水渠完建期混凝土護坡襯砌出現上浮的原因剖析

張 明

(鹽城市河海工程建設監理中心， 江蘇 鹽城 224000)

某水利供水工程，從有利于深化輸水節能，對送水渠道進行了改造。由于原渠道屬故黃河灘高地，土質松軟，砂化極為嚴重，造成送水時滲漏較為明顯，故將土坡改建為混凝土襯砌護坡，旨在減少水土流失。整個襯砌長度達40 km，施工期在2020年8月份進入主汛期，由于連續下雨，渠道不僅作為平時輸水河道，也是兩岸雨水匯集下排的主要通道，在已完成的現澆混凝土渠道襯砌5 km中，發現▽21 m河底部齒墻向上2 m左右，部分護坡襯砌有上浮的趨勢，且部分襯砌板與底部齒墻開裂，沿齒墻外側有被擠出的流砂。通過現場勘察，認為是屬較為典型滲流破壞，若不加以處理，對工程實施和今后運行，極有可能造成安全方面的隱患，尤其在堤外側洼地，處于積水時所引起坡面流砂現象較為嚴重，導致部分坡面的掏空破壞，使工程使用效益降低。

1 問題的產生

1.1 相關參數與條件

渠道過水斷面內坡為1∶2.75～1∶3，渠底齒墻▽21 m，護砌板頂▽26 m，其結構自下而上的布置形式為:混凝土厚10 cm+土工布+擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板。河坡原狀土為砂壤土，透水性極強，最差段滲透系數為2.0×10-3cm/s；進入主汛期8月份，雨水相對集中，造成河道周邊土地土壤飽和，據統計2020年8月4日20時～7日上午8時共降雨75 mm；損壞較為嚴重的區段為左岸樁號K61+377～K61+557范圍內，該段地勢較為特殊，堤頂外側為種植玉米地，緊挨著路邊，且地勢低洼，比堤頂相差高度為1.9 m，雨水期間自然形成了地表水涇流的匯集，相對形成了較高的承壓水頭達到6 m(▽27 m～▽21 m)，從而威肋著該段堤身安全。

1.2 受損情況

根據對受損情況的統計，樁號K61+377～K62+573范圍內大部分發生在左岸(洼地側)，襯砌裂縫有5處，其中3處為貫通縫，縫寬0.2～0.5 cm；襯砌板上浮有15處計60 m長，上浮形成錯臺差為2.5～7.1 cm。

2 問題原因分析

(1)主觀原因。連續不斷下雨，坡面對地下水排泄，出逸口未設計排水濾層設施。依據設計意圖，每圈15 m各布置1道格梁，留(置)2 cm縫隙用于排水，在框格內又分為4 m×4 m板塊，靠人工切縫用于排水。而實際施工中，12 m內混凝土整體澆筑，待強度達70%后，按4 m×4 m切縫，作伸縮縫與排水之用。切縫深度為7～9cm(板厚10cm)，且板面下布置泡沫板與土工布，起不到排水作用。當受到低洼區段形成地表匯水，而產生徑流，就出現嚴重的滲流破壞。經現場考察，并根據對襯砌破壞情況分析，齒墻(▽21 m)以上2 m范圍內，由于排水不暢，造成了出逸點周邊土體的破壞，也拉動了襯砌，呈現板塊上浮、開裂。短時間內集中下雨，形成地表徑流匯集到洼地，地表水位達到▽27 m位置上，而距離齒墻(河底)，相差6 m落差，而形成滲流的作用，在此范圍內使坡面形成了一個圓孤滑動面，而出逸點排水又不暢，使內部滲透壓力逐漸增強，并牽動了周邊土體的懸浮和破壞，從而推動了混凝土襯砌。當滲透壓力大于被頂托的混凝土板塊重量時，超出混凝土抗拉強度允許值(C25抗拉允許值12.8 N/mm2)，則使混凝土表面斷裂貫通縫的產生。

(2)襯砌斷面設計布置形式也值得商洽。混凝土下層為土工布，再下層為3 cm保溫板，堵塞了坡體滲流水體逸出，因此失去了濾層作用，導致滲流力的增強，誘發水土頂托力上浮的產生。

3 機理分析

(1)特定的地域條件，孕育了滲流的產生。混凝土襯砌長度為12 km(兩岸長24 km)，在發生受損事件前共完成襯砌長度4.8 km(兩岸相加長9.6 km)，本次受損長1.2km (單片)，占完成數12.5%，完好數占完成數87.5%。經實地查勘，并對照設計資料，認為渠道外側與堤頂形成高差最大的在1.3km范圍內，屬低洼地段，一般高差1.8～1.9 m，而其他境內的高差不大，最大0.5 m左右，所以一旦遭遇大雨，低洼地形成了地表水匯集點。而其他地段內，形成的地表水為土壤孔隙水，屬靜態的。而低洼地表徑流的匯集水，不斷匯集式補充，致使水位抬高，向下滲透力隨水位抬高而增強，屬動態水。該區段排水，一直是靠自然形成自排入該河道，長久以來，一旦低洼區形成積水，順理成章，無阻礙地排入施工河道內，原地下排水通道自然形成而通暢，但當坡面襯砌施工時，人為造成原有出逸口受堵，導致滲透壓力對該周邊頂托和破壞。滲透壓的運動過程反映：凡是有滲流就有滲透力或稱動水壓力，堤內外水位差形成了滲透壓力的作用，而出現的變形或破壞稱為滲透變形，或滲透破壞。

(2)主汛期雨量的增強，導致堤坡結構的變化。2 d時間內降雨75 mm，在無任何排水出路的情況下，該地區顯得降水量相對較大。經查閱相關設計對堤身斷面及抗滑穩定驗算成果，考慮外側地下水位▽26 m，其核算斷面樁號為K66+822，抗滑穩定系數為1.34，在12 km長的渠道，僅對1個斷面作為典型核算，顯然不夠，無論從核算概率與地貌特征均不能涵蓋與反映整個渠道斷面穩定實際狀況；經對樁號K61+377斷面復核計算，采用實地地貌情況，土質參數，以及結合本次雨情而產生的堤外水位▽27 m核算，其結果為：不考慮滲流的影響Fa=1.2>1.1，是安全的；若考慮滲流影響Fa=0.85<1.1，是不安全的。坡面此時處于不穩定狀態[1]。從抗滑穩定計算結果看出，本次破壞實例為滲壓力形成的破壞。

(3)水情與工情的變化。通過以上核算，也反映了渠道穩定在正常理論條件下，運用正常的C、ψ值計算是穩定的，但這并不意味著在某個特珠條件下發生的變化，當在低洼匯水形成的一定水位，水情和工情都發生了變化，也會導致土體中主要物理與力學性能減低，尤其類似于承壓水頭越高，持續時間越長，土坡滑動而產生破壞性也越大[2]。

因此，在汛期對土坡進行襯砌施工時，要充分考慮到水情與工情變化狀況，從幫助滲流順暢逸出為之提供通道。故設置冒水孔是十分必要的，實踐證明，此舉能起到對滲透壓力能量的釋放，有助于降低滲透力的破壞，更有效地避免和防止對出口處和土坡內部土粒的懸浮破壞。正是由于未設置冒水孔式的濾層設施，而產生土體懸浮破壞，使懸浮土在滲透壓力作用下推出底部混凝土齒墻外側，現場擠出懸浮土呈如泉眼群，砂沸現象還是嚴重的。

(4)土工布布置位置不合理。利用土工布主要應起到濾層作用，而在土工布之上澆筑混凝土是顯然不合常規。混凝土澆筑后，整個布面毛孔全部被堵死，起不到反濾作用，當坡面受滲流作用后，出逸點受保溫板以上荷載壓縮，滲水無法排出，滲水為有壓水體，一旦內部能量增大，滲流頂托土面一起向上，從而首先產生坡面土體隆起，通過頂托造成了混凝土襯體的上浮。若土工布放置下層，可起到濾水作用，又通過土工布間層水的流動排出，使內部滲流能量得到一定釋放，也能大大減少上浮的產生。

4 受損襯砌修復及建議

(1)受損長度1.2 km，根據不同情況，采取不同措施。襯砌上浮達5 cm以上，應考慮到受損位置，針對掏空的地段，采用壓密注漿(水泥M20)法，填充密實；縱向裂縫位置可視情況，也可沿縫切割成縱向連續縫作伸縮縫用；在▽24 m位置以下2層呈梅花形之間2 m間距布置冒水孔，孔內用石子片與石子填充，打孔時要鉆至原土層面，冒水孔內放置土工布后加濾料。

(2)正在施工中的11.4 km襯砌，同樣按▽24 m以下，留置2層呈梅花形之間2 m間距布置冒水孔，按直徑100 mm管埋設到位，后再澆筑混凝土。注意施工時，混凝土不可將埋設管內澆“死”，管底部采用土工布包裹扎牢，混凝土達到一定強度后，再進行濾料的填充；解決利用土布作為混凝土與保溫板的隔絕材料布置形式，這層面可以采用增墊一層卷式包裝紙材料代替(南水北調東線揚洲段利用實例)，將土工布放置到最下層，起到過濾作用。

5 結 語

施工現場受滲透不暢影響的教訓是深刻的，通過事實使我們對特殊的地理條件，所產生的滲流破壞過程有了一定的認識，也有助于今后類似項目的設計與施工提高對滲透破壞的預防作用。凡是在坡堤上建設襯砌設施，都應該考慮設置必要的濾層排水設施，其位置應通過對排水逸口高度進行必要的計算而設置，這樣可減少盲目性，提高合理性和科學性。