耿運(yùn)生 李聚興 周玉濤 王俊奇 李闖

（1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021；2.華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院水利水電工程教研室 北京 102206）

膨脹土渠坡混凝土斜墻防護(hù)的穩(wěn)定及變形分析

耿運(yùn)生1李聚興1周玉濤1王俊奇2李闖2

（1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021；2.華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院水利水電工程教研室 北京 102206）

針對(duì)南水北調(diào)中線一期工程總干渠邯邢段膨脹土渠坡的滑坡問題，對(duì)采用混凝土斜墻防護(hù)方案進(jìn)行了探討。采用幾何非線性有限元法，對(duì)膨脹土渠段某典型斷面斜墻的穩(wěn)定、膨脹變形進(jìn)行模擬，計(jì)算分級(jí)施工、運(yùn)行的3種工況。計(jì)算結(jié)果表明，強(qiáng)度折減有限元法算得渠坡安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定，斜墻膨脹量不致影響渠道安全。

膨脹土 渠道邊坡 斜墻 強(qiáng)度折減法 南水北調(diào)中線工程

1 概述

南水北調(diào)中線一期工程總干渠邯邢段總長(zhǎng)172km，其中膨脹土（巖）渠段42.01km。挖方渠段41.59km，挖深10m之內(nèi)的25.46km，挖深10～15m渠段11.8km，挖深15m以上的4.35km。過水?dāng)嗝嫣幱趶?qiáng)膨脹性巖土渠段3.65km，中膨脹性20.71km，弱膨脹性17.65km。地下水高于渠底的渠段21.3km，其中高于一級(jí)馬道的渠段長(zhǎng)12km。邯邢渠段的膨脹土（巖）主要分布在邯鄲（樁號(hào)10+650～68+315）和邢臺(tái)（樁號(hào)109+798～123+049）的部分渠段。

膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮、快速崩解、超固結(jié)、多裂隙等特性。裂隙不僅破壞膨脹土的整體性，而且為雨水的滲入提供了快速通道，水分進(jìn)入土體后導(dǎo)致土體迅速軟化，大大降低了土體的抗剪強(qiáng)度，從而誘發(fā)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

對(duì)膨脹土渠段的處理，處理原則是以封閉土體減小含水量變化和利用換填層吸收膨脹變形的思路進(jìn)行處理，對(duì)應(yīng)于強(qiáng)、中、弱膨脹土換填厚度分別取為2.5、2.0和1.0m。

對(duì)于膨脹土的膨脹量和膨脹力，許多學(xué)者作了大量工作，對(duì)于不同的礦物組成，膨脹特性不同，同時(shí)膨脹力與膨脹量的相關(guān)性也有差異。如果單純以膨脹力來進(jìn)行建筑物的加固設(shè)計(jì)或者防護(hù)是不合理的，當(dāng)土體有了一定的膨脹量，膨脹力就大幅降低。引江總干渠，對(duì)于分塊接縫處產(chǎn)生一定的錯(cuò)動(dòng)，對(duì)于護(hù)坡而言是容許的?；诖耍髡咛岢隽死眯眽M(jìn)行膨脹土渠坡的處理，一是利用斜墻的壓重控制一部分變形，二是容許斜墻存在一定的變形但不致破壞，三是在斜墻與膨脹土基面之間設(shè)置排水墊層使裂隙水順利排出。

2 基本條件和設(shè)計(jì)方案

（1）初步設(shè)計(jì)階段批復(fù)方案

南水北調(diào)中線總干渠某渠段地層巖性上層為強(qiáng)膨脹壤土，下層為弱膨脹性粘土巖，渠道為全挖方，一級(jí)馬道高程基本同地面。

批復(fù)設(shè)計(jì)方案為，渠底寬度17.5m，迎水面坡度1:3.5，膨脹土表層進(jìn)行粘性土換填，換填厚度2.5m，換填層上設(shè)置反濾料（厚150mm）、保溫板（厚30mm）、土工膜和混凝土襯砌板（厚100mm）。

（2）斜墻方案

防護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土斜墻，迎水面坡

度1:1.5，頂部厚度0.6m，底部厚度2m。斜墻沿渠道方向每8m設(shè)一道變形縫，設(shè)橡膠止水帶。斜墻表層和底層設(shè)置鋼筋網(wǎng)。

混凝土斜墻抗滑穩(wěn)定不滿足要求，剩余推力由橫向支撐梁承擔(dān)，經(jīng)計(jì)算，為達(dá)到允許安全系數(shù)，每延米斜墻剩余推力60kN。根據(jù)斜墻分塊尺寸，支撐梁間距取4m。根據(jù)支撐梁承受的最大推力，考慮施工和受壓穩(wěn)定的要求，確定尺寸為0.5×1.0m（寬×高），鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

強(qiáng)膨脹土渠段，實(shí)測(cè)及預(yù)計(jì)地下水位皆高于渠底，為及時(shí)排除膨脹土裂隙內(nèi)的地下水，在斜墻和膨脹土接觸面設(shè)置0.5m厚砂礫排水層，坡面排水層與渠底換填土下的排水層連通。排水層粒徑0.5～5mm，d15取0.7mm，不均勻系數(shù)大于10。

斜墻結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 渠坡防護(hù)結(jié)構(gòu)圖

3 斜墻穩(wěn)定及變形有限元分析

3.1 計(jì)算域選取

本次計(jì)算選取代表性斷面，各斷面均按照三種工況計(jì)算，根據(jù)各項(xiàng)計(jì)算成果，分析評(píng)價(jià)渠坡的安全系數(shù)，確定其應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算膨脹變形量。

有限元法是目前邊坡穩(wěn)定分析中廣泛應(yīng)用的方法,可以仿真模擬分步施工運(yùn)行過程，確定各階段應(yīng)力場(chǎng)，研究不同工況渠道工作性態(tài)，確定渠道護(hù)坡穩(wěn)定性，計(jì)算膨脹變形量。

使用ABAQUS軟件，采用二維非線性有限元分析。以渠道中線為界，取結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)對(duì)稱面為法向約束，地基底面法向約束。地基垂直和水平方向分別延伸開挖深度和寬度的3倍。平面應(yīng)變4結(jié)點(diǎn)減縮積分單元（CPE4R）。

3.2 分析步

根據(jù)計(jì)算目的和要求，計(jì)算工況如下：

工況1：開挖渠道，墊層、護(hù)坡施工完畢；

工況2：正常運(yùn)行，受渠道水壓力和岸坡中浮力；

工況3：檢修，渠道無水，岸坡作用滲透力。

根據(jù)計(jì)算工況，按照實(shí)際施工順序，模擬基坑開挖形成初始應(yīng)力場(chǎng)、墊層和結(jié)構(gòu)施工、強(qiáng)度參數(shù)折減等過程，設(shè)置分析步，如表1。直到土層中塑性區(qū)發(fā)展導(dǎo)致最后計(jì)算不收斂中斷為止。此時(shí)的折減幅度即對(duì)應(yīng)折減安全系數(shù)Fs。對(duì)強(qiáng)度參數(shù)c和φ進(jìn)行折減，關(guān)系如下：

計(jì)算檢修工況時(shí)，考慮滲透力作用。為簡(jiǎn)化計(jì)算，靠近坡面處，假設(shè)水流滲透方向與坡面平行，施加滲透力的水平和垂直分力。參數(shù)折減過程中，部分區(qū)域變形較大，而且材料剛度相差懸殊，采用幾何非線性分析。

表1 分析步設(shè)置

3.3 材料參數(shù)

計(jì)算斷面材料參數(shù)如表2，除混凝土用彈性模型外，其他材料用Mohr-Coulomb模型。

表2 材料參數(shù)

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 塑性區(qū)

圖中peeq表示等效塑性應(yīng)變。工況1時(shí)，馬道下部與上部換填和護(hù)坡施工完畢后的塑性區(qū)分布見圖2(a)。等效塑性應(yīng)變較大的地方出現(xiàn)在護(hù)坡下的墊層。工況2，正常蓄水，等效塑性應(yīng)變較大的地方出現(xiàn)在渠底與混凝土護(hù)坡臨近的墊層（圖2(b)）。

圖2（a） 工況1

圖2（b） 工況2

3.4.2 應(yīng)力分布和膨脹量計(jì)算

取圖3所示的剖面為計(jì)算膨脹量剖面。

圖3 膨脹量計(jì)算斷面

按照勘察資料，確定計(jì)算的膨脹力為50kPa，即認(rèn)為各剖面豎向應(yīng)力小于50kPa的土體產(chǎn)生膨脹，按照膨脹率2%與土層厚度相乘求膨脹量?？紤]到各點(diǎn)最小主應(yīng)力要小于豎向應(yīng)力，計(jì)算時(shí)直接取最小主應(yīng)力作為膨脹量計(jì)算應(yīng)力，求得的膨脹量應(yīng)該是各剖面極限。

根據(jù)各工況應(yīng)力場(chǎng)求得膨脹量，如表3。

以強(qiáng)度參數(shù)折減時(shí)，計(jì)算不收斂對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)作為安全系數(shù)，各工況安全系數(shù)如表4。

表3 膨脹量計(jì)算結(jié)果

表4 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）渠道開挖形成及后期換填粘土、砂墊層及混凝土護(hù)坡和襯砌的施工，施工過程荷載不是一次整體增加的，而是分級(jí)增加，可以更好地確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。采用幾何非線性有限元模擬分部模擬實(shí)際施工順序。

（2）以某斷面為分析對(duì)象，分別按照竣工、正常蓄水運(yùn)行和檢修三種工況計(jì)算分析，應(yīng)用強(qiáng)度折減方法計(jì)算膨脹土渠坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。結(jié)果表明按照目前采用的渠坡設(shè)計(jì)方案，渠坡安全系數(shù)均大于1.5，滿足規(guī)范要求。

（3）膨脹變形是依據(jù)各種工況下的最大主應(yīng)力場(chǎng)按照分層方法計(jì)算膨脹量，而后總和得到的，計(jì)算膨脹力取值為50kPa，膨脹率為2%，實(shí)際膨脹變形應(yīng)小于計(jì)算值，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，膨脹量可以得到控制。

（4）對(duì)于南水北調(diào)中線總干渠，渠坡襯砌分縫之間變形計(jì)算最大值20mm，應(yīng)該屬可容許范圍，護(hù)坡仰墻方案作為膨脹土渠段處理方案應(yīng)該是可行的。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.008

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1672-2469(2014)12-0019-03

耿運(yùn)生（1973年—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。