趙海蛟（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊830000）

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大斷面剛?cè)峄旌弦r砌渠道的抗滑穩(wěn)定計(jì)算

趙海蛟
（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊830000）

在渠道防滲中，復(fù)合土工膜作為防滲材料被廣泛采用。復(fù)合土工膜作為防滲材料，與混凝土襯砌板共同組成渠道的防滲襯砌結(jié)構(gòu)，而復(fù)合土工膜與渠道墊層、混凝土襯砌板的接觸摩擦特性和邊坡穩(wěn)定性是渠道工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本研究通過(guò)復(fù)合土工膜與渠道墊層土料的摩擦特性試驗(yàn)，得到復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的粘聚力和摩擦角。采用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)理論，計(jì)算出在考慮或忽略粘聚力時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，來(lái)判斷渠道邊坡的穩(wěn)定性。研究表明：粘聚力對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，考慮粘聚力的影響，整個(gè)防滲體的穩(wěn)定安全系數(shù)將會(huì)更大，更加偏于安全。

剛?cè)峄旌弦r砌渠道；摩擦特性；粘聚力；摩擦角；抗滑穩(wěn)定

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.036

1 引言

灌區(qū)輸水渠道采用防滲結(jié)構(gòu)是減少渠道輸配水損失、提高輸配水效率的重要工程措施。渠道作為灌區(qū)水利工程的重要組成部分，其設(shè)計(jì)與施工需要注意諸多問(wèn)題：襯砌結(jié)構(gòu)凍脹問(wèn)題、邊坡穩(wěn)定問(wèn)題、防滲結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題等等。邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是渠道工程設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行中的核心問(wèn)題，直接關(guān)系到渠道的安全運(yùn)行和節(jié)水效益的發(fā)揮。

渠道邊坡的穩(wěn)定性及影響因素的分析研究成果已有很多，大量學(xué)者都以剛性混凝土襯砌渠道為研究對(duì)象，研究邊坡穩(wěn)定性、襯砌結(jié)構(gòu)與墊層的摩擦特性，以及特殊土（黃土、膨脹土、鹽漬土、分散性土和沙漠土等）渠道的穩(wěn)定性，研究成果較多。對(duì)于采用剛性混凝土襯砌板與復(fù)合土工膜共同組成的防滲抗凍脹結(jié)構(gòu)，近年來(lái)發(fā)展較快，這種復(fù)合襯砌渠道抗凍脹效果明顯，凍脹變形與凍脹力分布更加均勻，是一種抗凍脹性能較好的襯砌結(jié)構(gòu)。由于它是由剛性的混凝土板與復(fù)合土工膜共同組成的襯砌結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性計(jì)算較為復(fù)雜，需要考慮復(fù)合土工膜與渠道墊層、混凝土襯砌板的接觸摩擦特性，進(jìn)一步對(duì)復(fù)合襯砌渠道的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

關(guān)于復(fù)合襯砌渠道接觸特性的研究成果較多。張廣禹和李振靈通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定了復(fù)合土工膜與粗粒料、人工碎石土之間的摩擦系數(shù)，復(fù)合土工膜與墊層土料之間的摩擦系數(shù)與墊層土料的飽和狀態(tài)有關(guān)。姜海波通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得了復(fù)合土工膜與壩體墊層結(jié)構(gòu)面之間的摩擦角和粘聚力，并對(duì)壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。王琦和臧光文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，測(cè)得了復(fù)合土工膜與混凝土結(jié)構(gòu)面之間的摩擦系數(shù)和抗滑剪力，并對(duì)工程的安全性進(jìn)行了分析。而對(duì)于復(fù)合襯砌渠道邊坡穩(wěn)定性的研究成果則較少，到目前為止，只有劉旭東等人利用ADINA軟件對(duì)復(fù)合襯砌渠道的凍脹機(jī)理進(jìn)行了模擬，并對(duì)渠道的“適變斷面”進(jìn)行了分析，研究襯砌板應(yīng)力和變形規(guī)律，揭示了該種渠道通過(guò)削弱凍結(jié)約束來(lái)改善襯砌板凍結(jié)受力及使凍脹量分布均勻的抗凍脹機(jī)理，但沒(méi)有對(duì)混合襯砌渠道摩擦特性及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。其他關(guān)于混合襯砌渠道邊坡穩(wěn)定性的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，需要對(duì)剛?cè)峄旌弦r砌渠道摩擦特性、渠道邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定了復(fù)合土工膜與渠道墊層土料的摩擦角和粘聚力，分析了復(fù)合土工膜與渠道墊層土料的摩擦特性，并結(jié)合新疆某干渠復(fù)合襯砌渠道，采用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)理論，分析了復(fù)合襯砌渠道邊坡在不同情況下的穩(wěn)定性，并在分析中考慮了復(fù)合土工膜與渠道墊層土料的摩擦特性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 復(fù)合土工膜與渠道墊層土料的摩擦試驗(yàn)

復(fù)合土工膜作為防滲材料鋪設(shè)在渠道中，可以起到防滲的作用，復(fù)合土工膜與墊層結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定直接影響到工程的安全運(yùn)行。對(duì)于復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的接觸摩擦特性，主要是測(cè)定復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦參數(shù)，即摩擦角和粘聚力?？梢岳眠@些參數(shù)來(lái)分析計(jì)算渠道邊坡的穩(wěn)定性。

復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦參數(shù)通過(guò)TZY-1型土工合成材料綜合測(cè)定儀測(cè)定。試驗(yàn)用料來(lái)自某渠道工程砂礫石墊層土料，土料粒徑小于0.1mm的顆粒含量小于總質(zhì)量的6.5%，渠道墊層土料級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。土樣的不均勻系數(shù)為115.2，曲率系數(shù)為2.3。

室內(nèi)試驗(yàn)采用應(yīng)變進(jìn)行控制，試驗(yàn)時(shí)的豎向正應(yīng)力為0.1、0.2、0.3、0.4MPa，在不同的豎向正應(yīng)力作用下，取不同的含水率渠道墊層土樣與復(fù)合土工膜進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，土樣含水率分別為0%、3%、 6%和8.5%，每一種含水率取4個(gè)土樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。復(fù)合土工膜的力學(xué)特性見(jiàn)表1。

圖1 渠道墊層土料級(jí)配曲線

表1 復(fù)合土工膜的力學(xué)特性

通過(guò)試驗(yàn)?zāi)Σ猎囼?yàn)，表2給出了復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦試驗(yàn)成果。

表2 復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦試驗(yàn)成果

室內(nèi)摩擦試驗(yàn)表明：復(fù)合土工膜與不同含水率的渠道墊層土料之間，所測(cè)定的摩擦角和粘聚力值不同。復(fù)合土工膜與含水量為0%的渠道墊層土料之間的摩擦角平均值為26.63o，粘聚力的平均值為15.93kPa；復(fù)合土工膜與含水量為3%的渠道墊層土料之間的摩擦角平均值為27.25o，粘聚力的平均值為16.85kPa；復(fù)合土工膜與含水量為6%的渠道墊層土料之間的摩擦角平均值為29.03o，粘聚力的平均值為24.3kPa；復(fù)合土工膜與含水量為8.5%的渠道墊層土料之間的摩擦角平均值為32.55o，粘聚力的平均值為26.48kPa。在實(shí)際的渠道工程邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，復(fù)合土工膜與墊層土料之間的摩擦角和粘聚力，可以根據(jù)墊層土料的含水率由表2選取。

3 實(shí)例分析

3.1 渠道工程概況

新疆某剛?cè)峄旌弦r砌渠道，采用復(fù)合土工膜與混凝土襯砌板復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，復(fù)合土工膜厚度為0.6～0.8mm。渠道底寬2.0m，邊坡為1∶2.0。渠道墊層土料粒徑小于0.1mm的顆粒含量小于總質(zhì)量的7.0%。土樣的不均勻系數(shù)為113.2，曲率系數(shù)為2.15。

在進(jìn)行剛?cè)峄旌弦r砌渠道的抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦參數(shù)根據(jù)表2選取。

3.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

在剛?cè)峄旌弦r砌渠道的施工中，混凝土澆筑時(shí)，襯砌板與復(fù)合土工膜粘結(jié)在一起，該結(jié)合面不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，故對(duì)剛?cè)峄旌弦r砌渠道的抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)主要考慮復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的抗滑穩(wěn)定。根據(jù)不同的情況，復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可以分為兩組情況［10］，若考慮材料之間的粘聚力可按下式計(jì)算：

式中：α為坡角；ψ為復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦角；Ca為復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的粘聚力；t為復(fù)合土工膜的厚度；γ為復(fù)合土工膜的容重；K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

若復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間沒(méi)有粘聚力或粘聚力小到可以忽略不計(jì)，那么抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可簡(jiǎn)化為：

根據(jù)試驗(yàn)成果，選取合適的復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦角和粘聚力參數(shù)，對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行了邊坡抗滑穩(wěn)定性計(jì)算，渠道邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 渠道邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

表4 襯砌板結(jié)構(gòu)荷載組合及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 計(jì)算成果分析

根據(jù)具體渠道工程干渠初步設(shè)計(jì)專用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，渠道襯砌防滲體計(jì)算工況及荷載組合見(jiàn)表4。在正常運(yùn)行情況下渠道邊坡襯砌板結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為1.30；在非常情況下渠道邊坡襯砌板結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為1.20。通過(guò)計(jì)算，在無(wú)外力支撐抗滑的情況下，采用復(fù)合土工膜防滲時(shí)按公式（1）計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1= 1.37，按公式（2）計(jì)算的安全系數(shù)K2=0.99。對(duì)比表4則可知，該剛?cè)峄旌弦r砌渠道考慮粘聚力時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.37，滿足規(guī)范要求，且有較大的安全余度。若忽略粘聚力時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.99小于規(guī)范要求的1.30，故不能達(dá)到工程的安全要求。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的粘聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，所以在計(jì)算復(fù)合襯砌渠道邊坡穩(wěn)定性時(shí)，要充分考慮粘聚力的影響，否則邊坡穩(wěn)定性難以保證。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在工程的實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)采用摩擦角和粘聚力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，對(duì)復(fù)合土工膜與粗粒料的摩擦角和粘聚力的取值，根據(jù)粗粒料含水率的不同，摩擦角可以在26.63°～32.55°之間取值，粘聚力可以在15.93～26.48kPa之間取值。復(fù)合土工膜與渠道墊層土料之間的摩擦參數(shù)，可為剛?cè)峄旌弦r砌渠道的抗滑穩(wěn)定計(jì)算提供必要的材料參數(shù)。

（2）抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式中若考慮材料之間的粘聚力，能達(dá)到工程的安全要求，其安全儲(chǔ)備高，偏于保守；若忽略材料之間的粘聚力，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)偏小，不能滿足技術(shù)專用標(biāo)準(zhǔn)，故不能達(dá)到工程的安全要求。因此，粘聚力對(duì)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大，加上粘聚力的影響，整個(gè)防滲體的穩(wěn)定安全系數(shù)將會(huì)更大，更加偏于安全。

（3）渠道邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的大小與混凝土襯砌的厚度、復(fù)合土工膜的厚度、復(fù)合土工膜與邊坡墊層土料之間的摩擦角和粘聚力有關(guān)。根據(jù)粘聚力的大小，混合襯砌渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算分兩種情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)與工程的實(shí)際情況符合度較好，能反映工程的實(shí)際情況，可為類似大型剛?cè)峄旌弦r砌渠道的設(shè)計(jì)、施工提供理論參考。

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1672-2469（2016）01-0114-04

2015-08-23

趙海蛟（1984年—），男，工程師。