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

引黃濟青工程是山東省骨干水網工程，也是南水北調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、城南節制閘調引長江水，途經濱州、東營、濰坊、青島4市、10個縣(市區)，至青島白沙水廠，全長290km。該工程自1989年11月建成通水以來，累計調水110.36億m3，有效緩解了膠東地區的水資源供需矛盾，為膠東地區社會經濟發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度影響，部分渠段出現襯砌隆起、勾縫開裂、渠面凹陷、邊坡坍塌甚至滑坡等破壞現象，嚴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勘察、現場檢查、現場檢測和滲壓監測的基礎上，針對典型斷面臺風過境前后的不同工況建立有限元模型進行滲流穩定性分析，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防提供技術指導與借鑒。

1 現狀渠道典型斷面

引黃濟青東營段輸水干渠位于東營市廣饒縣境內，渠道襯砌型式為全斷面襯砌+全斷面鋪設復合土工膜，即邊坡采用厚6cm預制混凝土板+復合土工膜+聚苯乙烯保溫板(陽坡側厚2cm、陰坡側厚3cm)，渠底采用厚8cm現澆混凝土板(部分渠段為預制混凝土板)+復合土工膜+厚10cm中粗砂，現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 現狀渠道典型斷面(單位：mm)

圖2 現狀渠道排水細部結構(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”臺風的影響，東營全市平均降水量322mm，其中東營區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。按照防汛調度指令，該段工程承擔應急泄水任務。泄水期間渠道水位驟升驟降，渠道內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 典型渠段現場檢查與檢測

3.1 現場檢查

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

(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，結構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置的40cm×40cm排水盲溝進行開挖檢查。檢查結果表明：盲溝內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生。盲溝排水結構基本完好，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處檢測區域，采用美國GISS公司生產的SIR-4000地質雷達系統進行現場檢測。檢測結果表明，渠道基本不存在明顯的混凝土襯砌板與渠坡脫空現象。

圖5 渠坡塌陷

圖6 滑坡

4 滲流穩定分析

因渠道在經歷強降雨后普遍出現襯砌隆起等損壞問題，需要重點對渠道襯砌的抗浮穩定進行研判。當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定的關鍵在于控制其兩側壓力水頭差的大小，也就是說抗浮穩定性的關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[2]。因此，對渠道的復核計算分析需重點針對渠道的滲流穩定。

4.1 復核計算工況

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

表1 復核計算工況 單位：m

4.2 有限元模型介紹

計算采用Geostudio的SEEP/W模塊，分析方式采用穩態分析。

4.2.1滲流計算理論

滲流分析基本方法式采用達西定律，達西定律在非飽和和飽和區的應用是一樣的[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，m/s；ky—y方向的滲透系數，m/s；Q—應用邊界滲流量；θ—土體儲水量；t—時間，s。

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

4.2.2滲流分析建模

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

滲流分析計算參數取值準確與否，直接影響到計算結果以及對渠道方案優化設計的評價。因此，本文參數的選取是在對工程地質作勘察及土工試驗成果仔細分析的基礎上[6]，為了更合理地反映工程實際，復核計算參數將針對地勘報告的建議值、對應樁號的鉆孔試驗值以及最不利的參數組合值進行分別計算，具體計算參數見表2。

表2 參數取值 單位：cm/s

滲流計算建模的主要步驟如下。

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

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

(3)給渠道斷面賦予材料屬性。具體參數取值見表2。

(4)網格劃分。針對典型斷面(樁號60+500)進行相關有限元計算。有限元幾何模型完全按照竣工圖進行，對逆止閥等細部構造進行準確構建。有限元模型采用四邊形網格進行劃分，網格平均尺寸為0.3m左右。斷面樁號60+500具有5643個單元，5841個節點。網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。本次復核計算主要針對“利奇馬”臺風過境前(正常運行)、“利奇馬”臺風剛結束后，這2種具有代表性的時間點進行。見表3。這里需要指出當地下水位高于渠道內部水位時[7]，逆止閥開始排水，此時將逆止閥頂部邊界設置為渠道水頭。當地下水位低于渠道內部水位時，逆止閥關閉[8]，此時需將逆止閥頂部設置為不透水。

表3 邊界條件 單位：m

4.3 滲流穩定分析結果

詳細的工況介紹見表1。具體的計算結果見表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 有限元計算結果統計 單位：m

5 襯砌損壞原因分析

5.1 襯砌損壞主要原因

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

襯砌板抗浮穩定系數計算公式為：

(1)

經計算可得，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，當安全系數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水頭8cm，檢修期間襯砌板底部最大水頭不能高于渠道內水頭15cm。

5.1.2臺風期間渠道設計運行情況

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

根據“利奇馬”臺風過境前、過境后時段的襯砌板最大水頭差，渠道襯砌抗浮穩定計算結果見表5。

表5 有限元計算結果統計

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

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排水系統失效

前述復核計算基于排水系統性能正常的基礎進行。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定性影響顯著。逆止閥的啟閉對逆止式排水系統功能的正常發揮起關鍵作用，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。

現場對排水盲溝的開挖檢查結果表明，盲溝內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生。由此認為盲溝排水功能基本正常，與渠道襯砌損壞原因相關性較小。

5.2.2凍脹凍融破壞

一般高地下水位在冬季易出現土體凍脹和凍融破壞問題[11]。渠道改擴建設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。

根據地質資料和現場查勘情況來看，因渠道所在區域冬季少雨干旱，發生凍脹和凍融破壞問題的可能性較小。此外，經現場調研和資料分析認為，冬季引黃濟青渠道正常輸水，此時渠道內水位相對較高，結合渠道襯砌損壞主要發生在渠坡底部的現狀，可以認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性較小。

6 建議與對策

當地下水水位高于渠底高程或渠內水位時，剛性渠道襯砌層將可能因底面水壓力過大而產生浮動破壞[12]。為增加渠道襯砌結構的抗浮穩定性，必須因地制宜，根據地質條件的不同做好工程措施的“加減法”?！凹臃ā笔侵竿ㄟ^增強襯砌結構自身的結構穩定性，包括增加配重、異形結構、錨固抗浮等；“減法”是指通過完善降排水系統，消減作用在襯砌結構下的水壓力。根據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構穩定性。

(2)為抵抗過大的揚壓力，可以適當增加混凝土襯砌板厚度。

(3)將渠道襯砌中保溫板+復合土工膜(自下而上)結構調整為復合土工膜+保溫板(自下而上)結構，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)在渠坡防滲結構底部設置排水墊層。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合工作，提高排水效率。

(2)可增加逆止閥的排數，即在斷面上設置多層逆止閥，以促進排水。

(3)加大匯水盲溝斷面面積和集水暗管的截面面積，提高排水系統的出流量。

7 結語

綜合上述分析，連續強降雨造成地下水位顯著升高，渠內水位驟升驟降，且堤身內部地下水位顯著高于渠內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定性、降低內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查與水毀修復具有重要的技術指導與借鑒意義。但渠道襯砌邊坡破壞是一個復雜而多變的問題，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，還應具體情況具體分析。