章永吉

【摘要】針對(duì)大型渠道邊坡的特點(diǎn)，研究了大型渠道邊坡優(yōu)化的關(guān)鍵問(wèn)題，提出了大型渠道邊坡的綜合優(yōu)化方法： 首先，充分的地質(zhì)勘察和巖土工程試驗(yàn)有利于準(zhǔn)確確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)，防止設(shè)計(jì)過(guò)于保守。其次，選擇合適的大型渠道邊坡穩(wěn)定性分析方法，考慮渠道分期開(kāi)挖和大板混凝土襯砌對(duì)渠道邊坡穩(wěn)定性的影響，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定性。再次，通過(guò)控制渠道邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響，實(shí)現(xiàn)渠道整體邊坡優(yōu)化。最后，以渠道最小允許坡度和實(shí)際經(jīng)濟(jì)截面為基礎(chǔ)，提出了一種考慮邊坡穩(wěn)定性和最小費(fèi)用的渠道坡度優(yōu)化方法。提出了渠道邊坡允許極限狀態(tài)和允許極限坡度的概念。

【關(guān)鍵詞】渠道襯砌;混凝土裂縫;原因;預(yù)防措施

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

18.

1、襯砌混凝土施工中的缺陷及預(yù)防措施

長(zhǎng)期以來(lái)，由于渠道坡度的規(guī)模較小，很少有人研究包括渠道坡度優(yōu)化在內(nèi)的渠道坡度問(wèn)題。隨著引江濟(jì)淮工程等大型跨流域調(diào)水工程的建設(shè)，輸水線路長(zhǎng)度超過(guò)700公里，渠坡優(yōu)化可以節(jié)約大量土地。因此，渠道坡度優(yōu)化問(wèn)題受到了人們的關(guān)注。同時(shí)，渠道坡度復(fù)雜，渠道坡度高。結(jié)合渠道邊坡的特點(diǎn)，研究相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法已迫在眉睫。在渠道斷面優(yōu)化方面，Paviz [1]提出用拉格朗日乘數(shù)法確定渠道最佳水力斷面，得出最佳坡度為3/3，但該坡度遠(yuǎn)不能滿足土質(zhì)渠道邊坡穩(wěn)定性的要求。針對(duì)小梯形渠道，陳平[2]提出了以渠道費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)坡度的確定方法。但是依靠襯砌厚度來(lái)滿足邊墻穩(wěn)定性的條件很難滿足大型渠道優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。此外，王俊發(fā)[3]、潘其來(lái)[4]建立了渠道最小費(fèi)用優(yōu)化模型，張立兵[5]將遺傳算法應(yīng)用于渠道斷面優(yōu)化。但是在優(yōu)化結(jié)果中都選擇了固定的坡度，沒(méi)有考慮坡度的影響。因此，有必要研究坡度對(duì)渠道斷面優(yōu)化的影響。以南水北調(diào)東線工程輸水渠道為例，從渠道坡度優(yōu)化和坡度影響下渠道斷面優(yōu)化兩個(gè)方面對(duì)大型渠道坡度優(yōu)化進(jìn)行了探討。

2、大型渠道邊坡的優(yōu)化方法

根據(jù)大型渠道邊坡的變形特點(diǎn)，應(yīng)從地質(zhì)勘察與巖土工程試驗(yàn)、邊坡穩(wěn)定性分析方法和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)三個(gè)方面來(lái)探討渠道邊坡的優(yōu)化問(wèn)題。

2.1大型渠道邊坡的特點(diǎn)

大型渠道邊坡具有以下特點(diǎn)： 其一，渠道邊坡規(guī)模大。其二，地質(zhì)條件發(fā)生了很大變化。其三，渠道斷面的結(jié)構(gòu)特征是多方面的。其四，渠坡高度一般小于10 m，但也有40 m 以上的坡度。其五，運(yùn)河坡面成對(duì)分布。運(yùn)河兩岸邊坡一般具有相同的特征，但有時(shí)也具有不同的特征。

2.2地質(zhì)勘探與巖土工程試驗(yàn)

在大型渠道地質(zhì)勘察中，常見(jiàn)的問(wèn)題是勘察工作量少，取樣量少。（1）抗剪強(qiáng)度參數(shù)離散性大，抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值過(guò)于保守，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論過(guò)于保守。（2）勘探間距過(guò)大，經(jīng)常漏掉軟弱夾層，導(dǎo)致相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)不合理。因此，必須保證足夠的勘探工作量和足夠的土樣數(shù)量。為了避免保守的結(jié)果，反映了渠道坡度的優(yōu)化。

2.3大型渠道邊坡穩(wěn)定性分析的合理方法

大型渠道邊坡應(yīng)根據(jù)坡度尺度、斷面結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)條件進(jìn)行分段。在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，應(yīng)選擇一種自適應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法，并在必要時(shí)進(jìn)行可靠度分析。適當(dāng)考慮分期開(kāi)挖和大板混凝土襯砌等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。對(duì)于地質(zhì)條件差異較大的渠道兩側(cè)邊坡，應(yīng)分別進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2.4分期開(kāi)挖對(duì)渠道開(kāi)挖邊坡的影響

選用強(qiáng)度折減有限元分析模擬渠坡開(kāi)挖過(guò)程，分析分期開(kāi)挖對(duì)渠坡穩(wěn)定性的影響。通過(guò)對(duì)南水北調(diào)東線南干渠開(kāi)挖段邊坡穩(wěn)定性分析，得出開(kāi)挖邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.4，四次開(kāi)挖邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.6。結(jié)果表明，開(kāi)挖方式不僅影響渠坡的穩(wěn)定性，而且可以通過(guò)調(diào)整開(kāi)挖順序來(lái)控制渠坡的穩(wěn)定性。

2.5大板混凝土襯砌的影響

南水北調(diào)工程渠道采用大板混凝土襯砌，有利于渠坡穩(wěn)定。采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法，分析了大板混凝土襯砌對(duì)渠道邊坡穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論。（1）對(duì)于全面大板混凝土襯砌渠道邊坡，大板混凝土襯砌具有壓邊效應(yīng)、限制邊坡變形等功能，這些功能有利于渠道邊坡的穩(wěn)定?；炷烈r砌越厚，混凝土強(qiáng)度越高，壓力邊坡效應(yīng)越強(qiáng)，對(duì)邊坡變形的制約也越大。以南水北調(diào)東線工程南干渠為例，對(duì)于 C30級(jí)和12cm 厚的大型板式混凝土襯砌，這些功能可以使抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)提高6.3%。

（2）大板混凝土襯砌僅位于濕潤(rùn)斷面的較高的渠坡，大板混凝土襯砌對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響與水流斷面相對(duì)于整個(gè)渠段的比例有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，它對(duì)渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定性貢獻(xiàn)較小。對(duì)于 C30級(jí)和12cm 厚的大板混凝土襯砌，這些功能只能提高抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的1.7% 。

3、坡度影響下梯形渠道斷面優(yōu)化方法

3.1基本方法

考慮到坡度的影響，梯形渠道斷面優(yōu)化的基本方法是： （1）以渠道邊坡的臨界平衡狀態(tài)為基礎(chǔ)，確定渠道的最小允許坡度。（2）根據(jù)《灌溉排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-99） ，確定了梯形渠道的實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面。（3）在梯形渠道實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面的基礎(chǔ)上，考慮最小允許坡度，確定總造價(jià)最小的梯形渠道最佳斷面。

3.2允許極限狀態(tài)和允許極限邊坡

設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)考慮了一定的安全冗余性，使得滿足允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的邊坡不僅滿足邊坡穩(wěn)定性要求，而且滿足規(guī)范的規(guī)定。根據(jù)邊坡極限狀態(tài)的概念，在最危險(xiǎn)的渠道邊坡條件下，當(dāng)邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，邊坡處于允許極限狀態(tài)，相應(yīng)的邊坡坡度稱為允許極限坡度。

3.3渠道最小允許坡度

如何確定最小允許坡度？首先，確定渠道邊坡的允許極限坡度。其次，邊坡坡度由滲流系數(shù)和抗凍脹材料系數(shù)確定。最后，根據(jù)上述兩個(gè)步驟確定渠道最小允許坡度。

3.4施工注意事項(xiàng)分析

首先，襯砌的適宜環(huán)境溫度在30℃以下，高于30℃時(shí)宜選擇在傍晚或夜間氣溫較低時(shí)進(jìn)行施工或采用混凝土降溫措施。其次，襯砌機(jī)械化施工中嚴(yán)格按照工藝性試驗(yàn)確定的振搗時(shí)間、工作速度等參數(shù)執(zhí)行，做到混凝土不過(guò)振、漏振或欠振，達(dá)到混凝土深層振搗和表面提漿的效果，利于混凝土抹面和整平。再次，襯砌施工中若發(fā)現(xiàn)襯砌后的板面上出現(xiàn)露石、蜂窩、麻面或橫向拉溝等現(xiàn)象，須停機(jī)檢查、修理或更換振搗設(shè)備，并對(duì)已澆筑的混凝土進(jìn)行處理。初凝前的混凝土進(jìn)行補(bǔ)振，初凝后的混凝土進(jìn)行清除，并采取填補(bǔ)混凝土，重新振搗。最后，在混凝土初凝后開(kāi)始進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)工作，混凝土終凝后采用毛氈布進(jìn)行覆蓋并指派專人進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)的時(shí)間或頻率為砼表面保持濕潤(rùn)、無(wú)時(shí)干時(shí)濕現(xiàn)象，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d。

3.5施工效果分析

結(jié)果表明，與實(shí)際經(jīng)濟(jì)斷面相比，該優(yōu)化方案可節(jié)約總造價(jià)8.5% 。也就是說(shuō)，雖然實(shí)際經(jīng)濟(jì)斷面是最佳水力斷面和效用斷面的最佳結(jié)果，但采用固定的渠坡坡度未能保證其為最佳斷面。只有考慮受坡度影響的方法，才能得到最優(yōu)的渠道斷面。

結(jié)語(yǔ)：

針對(duì)引江濟(jì)淮大型渠道邊坡的特點(diǎn)，提出了渠道邊坡優(yōu)化的新方法： （1）充分的地質(zhì)勘察和巖土工程試驗(yàn)可以避免推薦過(guò)于保守的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。（2）選擇合適的大型渠道邊坡穩(wěn)定性分析方法，考慮渠段開(kāi)挖和大板混凝土襯砌對(duì)渠道邊坡穩(wěn)定性的影響，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定性。（3）通過(guò)控制渠道邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)渠道整體邊坡優(yōu)化。（4）以渠道最小允許坡度和實(shí)際經(jīng)濟(jì)截面為基礎(chǔ)，提出了一種考慮邊坡穩(wěn)定性和費(fèi)用最小的渠道坡度優(yōu)化方法。提出了渠道邊坡允許極限狀態(tài)和允許極限坡度的概念。

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