水位骤变下渠道衬砌边坡破坏问题研究

贾 霖

(新疆额尔齐斯河投资开发集团有限公司,乌鲁木齐 831100)

0 引 言

长距离调水工程运行过程中,在强降雨情况下很容易因土体重度增大、土体含水率和孔隙水压力升高、滑动面抗剪强度及边坡安全系数降低等原因而引发衬砌边坡破坏。大多数学者主要从土体含水率、位移、安全系数等1～2个指标出发研究降雨情况下渠道边坡稳定性,缺乏多指标综合考虑及边坡稳定性系统性研究,此外,研究重点也主要集中在降雨历时、降雨强度等对调水渠道边坡稳定性的影响方面,缺乏对其他可能因素分析。殊不知,影响调水渠道衬砌边坡稳定性的因素较多,且影响程度不尽相同,必须对各类影响因素展开敏感性分析,分清主次,着重控制重点性影响因素。文章在对某调水渠道典型渠段展开地质勘察、现场检测及渗压监测的基础上,分台风过境前及过境后两种工况构建起渗流稳定性分析的有限元模型,对水位陡变过程中渠道衬砌边坡破坏机理进行分析探讨,以期借鉴。

1 工程概况

某远距离调水工程途径4市、10县,线路全长275km,工程自1991年初建成运行以来,累计调水量达到104.54×108m3,在缓解地区水资源供需矛盾方面发挥了重要作用,也为区域社会经济发展提供了可靠的供水保障。在工程运行的过程中,因受到防汛调度及极端气候等因素的综合作用和持续影响,部分渠段先后出现勾缝开裂、衬砌隆起、边坡塌陷、渠面凹塌等病害,十分不利于渠道安全运行。该渠道44+000～71+800段采用全断面衬砌+全断面铺设复合土工膜的防渗形式,即铺设6cm厚的预制混凝土板、复合土工膜,阴坡和阳坡侧分别铺设3cm和2cm厚的聚苯乙烯保温板,渠底则设置8cm厚的现浇(部分预制)混凝土板、复合土工膜和10cm厚的中粗砂。

调水渠道60+500典型断面见图1,渠底、左右岸堤顶宽度分别为14.2m、4m和8m,边坡为1∶2,渠道排水细部结构中排水器与出水管之间间隔12m,渠道排水细部结构,见图2。

图1 调水渠道典型断面

图2 渠道排水细部结构

2 典型渠段破坏情况检查

2019年8月中旬以来,在台风的影响下,该调水工程典型段所在地区降水量持续增大,将期间总降雨量换算成水量后超5×108m3,为该地区史上最强降雨。根据防洪调度安排,该段调水渠道同时承担应急泄洪任务。泄洪期间,渠道水位骤升骤降,水位变化频繁,引发渠段衬砌结构不同程度的破坏,主要表现为渠底隆起、渠坡塌陷、结构缝开裂、衬砌板破断。

在渠道左堤和右堤分别设置10个检测点展开混凝土衬砌板损毁程度及渠道排水系统有效性检查。检查时将各测点处损坏的衬砌板全部掀开,目测看出由上至下分别为混凝土板、复合土工膜、保温板及土层,结构较为完整且贴合性良好;仅部分衬砌板间缝隙较大并存在错位。在检测点处开挖检查排水盲沟,发现盲沟内中粗砂回填料基本完整,盲管外包裹的复合土工布完好;将土工布拆开后检查排水盲管并无堵管现象;盲沟排水结构完好,且排水功能正常。

在渠道左堤和右堤选取15处区域,使用美国SIR-4000型地质雷达系统检测渠道衬砌板损坏处板材与渠坡脱空情况。结果显示,典型段渠道基本无明显的衬砌板脱空问题。

3 渠道渗流稳定分析

该调水渠道在经历持续强降雨及担任泄洪任务后出现衬砌结构隆起、破断等问题,为此,必须展开渠道衬砌结构抗浮稳定研判。在渠道衬砌材料性能和厚度既定时,控制两侧压力水头差及渗流场是确保渠道衬砌结构抗浮稳定的关键[1]。

3.1 非饱和渗流理论

二维非饱和渗流控制方程为:

(1)

式中:H为总水头;kxc为x向渗透系数;ky为y向渗透系数;Q为边界流量;mw为水特征曲线斜率;rw为水容重;t为时间;其余参数均为无具体含义的变量。

以上渗流方程的初始条件和边界条件如下:

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)为初始水头分布;Γ1为水头边界;Γ2为流量边界;f(x,y,t)为水头分布函数;q(x,y,t)为法向流量函数,入渗取正,逸出取负;cos(n,x)为边界面沿外法线x向的余弦;cos(n,y)界面沿外法线y向的余弦。

应用相关文献中能分别体现孔隙水压力变化及总法向应力变化影响的抗剪强度公式进行非饱和土抗剪强度的预测,公式如下:

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(5)

式中:τf为非饱和土抗剪强度;c′为黏聚力;φ′为内摩擦角;φb为吸力内摩擦角;σ-ua为净法向应力;(u-uw)为基质吸力。

3.2 有限元复核计算

为比较分析非饱和渗流对该调水渠道衬砌边坡稳定性的影响,采用SEEP/W计算得到的饱和-非饱和渗流场,在分析不同降雨程度下孔隙水压力分布规律的基础上,推求台风及强降雨因素对渠道土体含水率及孔隙水压力的影响,进而分析降雨因素下调水渠道衬砌边坡安全系数及位移变化的趋势规律。

为简化计算过程,保证结果的针对性和可靠性,此次对典型断面展开有限元复核时主要分析台风过境前(即渠道正常运行,工况2、4、6)和台风刚结束(工况1、3、5)两个代表性时间点。以竣工图典型横剖面为渗流分析计算剖面,该断面桩号为60+500。渗流计算参数的准确性与计算结果和调水渠道衬砌边坡处治效果直接相关。故必须在全面勘察工程地质及展开土工试验的基础上进行参数选取;结合地勘报告建议值、钻孔试验值、最不利工况参数值等复核计算参数。具体参数及取值,见表1。

表1 渗流计算参数及取值

采用Geostudio的SEEP/W模块构建渗流计算有限元模型时,先确定坐标轴和栅格点,x方向表示距离,y方向表示高程;根据需要调整后的栅格点为1m×1m。基于此建立点线面几何模型,并严格按照地勘情况划分地层,由堤顶开始向下依次为层底标高1.43m的填筑土层、层底标高-2.07m的壤土层、10.00m以内未穿透的黏土层。

按照竣工图构建典型断面有限元几何模型及逆止阀等细部构造,通过平均尺寸0.3m左右的四边形网格划分模型。该典型断面共划分出5584个单元和5807个节点。网格剖分后的典型断面有限元模型见图3。此次主要针对2019年8月中旬台风过境前及台风结束后两个代表性时间点展开复核,结果见表2。值得注意的是,地下水位比调水渠道内水位高时,逆止阀便开始排水,这种情况下,以逆止阀顶部边界为渠道水头;而当地下水位比调水渠道内水位低时,逆止阀关闭,同时应对逆止阀顶部作不透水设置。

表2 有限元复核边界条件

图3 典型断面有限元模型

基于所设定的台风过境前后工况,通过以上有限元分析过程所得到的渗流稳定及抗浮稳定结果,见表3。由表中分析结果看出,台风过境前衬砌结构安全,但受台风影响后衬砌板结构均遭受一定程度的影响和破坏。

表3 渗流稳定及抗浮稳定有限元计算结果

4 衬砌边坡破坏的原因及处治

4.1 衬砌边坡破坏的原因

1)衬砌损坏。通过以上对该调水渠道典型断面渗流稳定的分析,渠道内水压力及衬砌板结构自重是保持渠道衬砌抗浮稳定的主要作用力。在遭遇史上最强台风和强降雨入渗后,渠堤内部地下水位明显提高,渠道衬砌结构内水压力持续增大。此种情况下,若渠堤内部地下水无法及时顺利排出,则渠堤内部水压力必将超出渠内水压,并在地下水的浮托下,引发渠道衬砌板向上浮动和衬砌结构破坏。

根据相关理论,渠道衬砌板抗浮稳定系数公式为:

(6)

2019年8月中旬台风发生后,该调水渠道地下水位陡增1.74m,地下水位超出渠道内水位0.76m,这种超高水头差致使复合土工膜底部扬压力增大,严重影响抗浮稳定。根据对台风过境前后衬砌板最大水头差的分析及表4中渠道衬砌抗浮稳定结果,台风过境前调水渠道正常运行工况下(工况2、4、6),渠道内水头超出衬砌结构底部最大水头,故衬砌结构处于抗浮稳定状态,不会出现衬砌破坏;而台风过境造成地下水位陡增,衬砌结构底部水头与调水渠道内水头差远远超出8cm(工况1、3、5),且对应工况抗浮安全系数均<0.1,这种因台风过境而引发的调水渠道内外高水头差是造成衬砌结构隆起破坏的主要原因。结合渠道运行实际,1排逆止阀设计无法满足台风及强降雨发生后渠道排水及衬砌结构底部水头降低的要求。

2)其他方面。以上分析及复核计算主要基于调水渠道排水系统正常运行的情况。盲沟是调水渠道堤身排水体系顺利运行及渠道衬砌结构抗浮稳定的保证;逆止阀的良好启闭直接关系到排水系统功能的正常发挥,若无法正常启闭,必将应水压力差过大而引发渠道衬砌破坏。笔者对该调水渠道排水盲沟展开开挖检查发现,盲沟内中粗砂基本完好,排水盲管外包复合土工布也完好,盲管无明显堵塞,排水功能基本正常。该调水渠道基本不存在排水系统失效问题。

对于高地下水位调水渠道而言,冬季易发生渠底和渠侧土体冻胀及冻融破坏,在该调水渠道改扩建设计阶段已经充分采取了预防土体冻胀及冻融破坏的工程措施,如阳坡和阴坡分别设置2cm和3cm厚的聚苯乙烯保温板。结合现场勘察结果,该调水渠道所在地区冬季干旱少雨,发生土体冻胀及冻融破坏的可能性不大。在冬季低温环境下,该调水渠道可正常输水,渠道内水位相对较高,衬砌破坏主要出现在渠坡底部,由此可以推断,以上防冻胀工程措施实施后,土体冻胀及冻融破坏发生的可能性大大降低,与渠道衬砌损坏的相关性也不大。

4.2 衬砌边坡处治

结合对该调水工程渠道典型断面衬砌边坡破坏原因的分析,在该渠道改扩建过程中应改用异形衬砌块,借助块与块之间的咬合增强衬砌结构稳定;适当增大衬砌板厚度,以抵抗扬压力;将原自上而下的保温板+复核土工膜的衬砌结构调整为复核土工膜+保温板,以削弱地下水位升高后对保温板的浮托力。此外,还应将由中粗砂、砂砾料等强透水性材料组成的排水垫层增设于渠道防渗层底部,形成排水垫层+逆止阀的联合工作机制,加速排水;并增加逆止阀排数,采用多层逆止阀排水模式。

5 结 论

综上所述,台风引起的强降雨使地下水位抬高,调水渠段在担任泄洪任务的过程中,渠道内水位陡升陡降;堤身内部地下水位明显高出渠道内水位等是造成该调水渠段衬砌边坡破坏的主要原因。在展开渠道渗流稳定分析及衬砌破坏原因分析的基础上,采取相应处治措施后渠道衬砌层稳定性明显提升,渠道内外水头差降低。然而,调水渠道衬砌边坡破坏机理及过程较为复杂,文章所构建的渗流模型以及渠道衬砌边坡破坏原因分析时也并未考虑渠道逆止阀失效的情形,此类问题仍有待进一步研究探讨。