王 兵，曲 濤，張 琪，柳文杰，韓延成

(1.山東調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心萊州管理站，山東 萊州 261400；2.濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022)

0 引言

調(diào)水工程為優(yōu)化水資源配置，滿足缺水地區(qū)的生活、工業(yè)農(nóng)業(yè)及生態(tài)用水發(fā)揮了巨大作用。為減小輸水滲漏，提高輸水效率，明渠調(diào)水工程內(nèi)坡進(jìn)行混凝土襯砌，在運(yùn)行過程中，受強(qiáng)降雨、輸水水位的異常波動等因素的影響，會使渠外地下水位高于渠內(nèi)水位，產(chǎn)生揚(yáng)壓力，造成襯砌板揚(yáng)壓破壞，影響輸水安全，如圖1—2所示。

圖1 渠坡襯砌板揚(yáng)壓力破壞

圖2 渠底襯砌板破壞

為解決渠道襯砌結(jié)構(gòu)揚(yáng)壓破壞許多學(xué)者從破壞機(jī)理、穩(wěn)定分析、排水減壓方法及優(yōu)化等方面進(jìn)行研究，但對于揚(yáng)壓破壞的臨界值，結(jié)論并不統(tǒng)一。如根據(jù)美國墾務(wù)局的研究成果[1]，渠道水位降幅不超過0.15m/h和0.3m/d時，可以避免揚(yáng)壓破壞；羅輝等[2]認(rèn)為水位降幅小于0.4m/d，不會出現(xiàn)揚(yáng)壓力破壞；李肖男等[3]認(rèn)為，運(yùn)行期渠外水位不能高于渠內(nèi)0.08m，檢修期渠外水位不能高于渠內(nèi)0.15m；邵英超[4]認(rèn)為混凝土板的厚度為0.08m時，地下水位相對高度不應(yīng)超過0.192m，厚度為0.1m時，相對高度不應(yīng)超為0.24m；周小兵等[5]根據(jù)北疆工程實際提出：流量減小時，水位降幅不大于0.3m/2h和0.5m/d；崔積家[6]認(rèn)為，地下水位高于渠內(nèi)水位1.0m以上時，地下水浮托力就會對混凝土襯砌板產(chǎn)生揚(yáng)壓頂托破壞，等等?？梢钥闯?，上述渠道襯砌板防揚(yáng)壓破壞臨界值的提出，多是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，或?qū)螇K襯砌板的重力與浮力進(jìn)行比較得出，沒有針對實際工程中襯砌板間及不同材料間的互相影響進(jìn)行深入探討。本文以膠東調(diào)水工程為對象，采用極限平衡法，探討板間約束、襯砌結(jié)構(gòu)層間摩擦、復(fù)合土工膜因素對臨界值的影響，提出解決防揚(yáng)壓破壞的建議。

1 計算理論分析

1.1 渠底襯砌結(jié)構(gòu)計算模型

渠底襯砌結(jié)構(gòu)計算模型如圖3所示。

圖3 渠底襯砌結(jié)構(gòu)計算模型

作用在渠底襯砌板上的力包括水壓力、揚(yáng)壓力、重力、板間勾縫抗剪力、支持力、水平推力等。

垂直方向平衡方程：

G1+P11+(f21)=P21+N1

(1)

式中，G1—襯砌板重力；P11—渠底襯砌板上方水壓力；P21—渠底襯砌板揚(yáng)壓力；f21—襯砌板縫間抗剪力；N1—渠底對襯砌結(jié)構(gòu)的支持力。

其中水壓力P11：

P11=γwh11l1

(2)

式中，γw—水的重度；h11—水位高；l1—襯砌板長度。

揚(yáng)壓力P21：

P21=γwh21l1

(3)

式中，h21—渠底襯砌板下方水位高。

令ΔP1=P21-P11，則式(1)為：

G1+(f21)=ΔP1+N1

當(dāng)ΔP1-G1≥f21時，渠底襯砌板穩(wěn)定破壞。

N1的最大值為當(dāng)揚(yáng)壓力差ΔP1為0時，N1=G1，當(dāng)ΔP1=G1時，N1=0。

渠底襯砌結(jié)構(gòu)垂直方向揚(yáng)壓破壞臨界值為：

ΔP1垂直=G1+f21

(4)

水平方向：左右岸受力對稱，混凝土抗壓強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度，若襯砌板不發(fā)生垂直方向上的破壞，水平方向不會發(fā)生滑動破壞。

1.2 渠坡襯砌結(jié)構(gòu)計算模型

渠坡襯砌結(jié)構(gòu)計算模型如圖4所示。

圖4 渠坡襯砌結(jié)構(gòu)計算模型

作用在邊坡襯砌板上的力包括重力、支持力、層間摩擦力、水壓力、揚(yáng)壓力、上推力、下推力，縫間剪力等。

垂直坡面方向：

G2cosα+(f22)=ΔP2+N2

(5)

式中，G2—襯砌板重力；f22—渠坡縫間抗剪力；N2—坡面支持力；ΔP2—揚(yáng)壓力與水壓力差；N2—坡面支持力；α—渠坡坡角。

其中，

ΔP2=P22-P12

(6)

式中，P12—襯砌結(jié)構(gòu)上部水壓力，P22—揚(yáng)壓力。

水壓力P12為：

(7)

式中，h12—襯砌結(jié)構(gòu)上部水位高。

揚(yáng)壓力P22為：

(8)

式中，h22—襯砌結(jié)構(gòu)下部水位高。

當(dāng)揚(yáng)壓力與重力垂直坡面方向分力相等時，支持力N2為0。

渠坡垂直渠坡方向穩(wěn)定臨界值：

ΔP2垂直=f22+G2cosα

(9)

平行渠坡方向：

G2sinα=ΔF+f12+CL

(10)

式中，

ΔF=Fi+1-Fi

(11)

式中，ΔF—推力差；Fi，F(xiàn)i+1—襯砌結(jié)構(gòu)上部推力和下部推力；f12—層間摩擦力；C—復(fù)合土工膜與墊層保護(hù)層的黏聚力；L—接觸面的長度。

其中，

f12=μ2N2

(12)

μ2=tanφ2

(13)

式中，μ2—襯砌結(jié)構(gòu)滑動層間摩擦系數(shù)；φ2—襯砌結(jié)構(gòu)滑動層間的摩擦角。

平行渠坡方向：

G2sinα-tanφ2(G2cosα-ΔP2)-CL=ΔF

(14)

當(dāng)G2sinα-tanφ2(G2cosα-ΔP2)-CL≥ΔF，平行渠坡方向發(fā)生滑動。

可見，增加ΔF可以增加渠坡襯砌結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性，對整個渠坡襯砌結(jié)構(gòu)，ΔF為齒墻的推力，增加渠底齒墻的穩(wěn)定性有利于提高渠坡襯砌結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定。

在實際工程中，預(yù)制板六邊形板襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞主要發(fā)生在渠底和渠坡坡腳，極少發(fā)生齒墻失穩(wěn)現(xiàn)象，首先是坡腳襯砌板發(fā)生垂直方向上的破壞，上部襯砌板失去齒墻的反力支撐作用，此時：

ΔF=0，則：

G2sinα-tanφ2(G2cosα-ΔP2)-CL=0

(15)

由式(15)可知，平行渠坡方向，層間摩擦力和黏聚力對于預(yù)制襯砌板是否發(fā)生滑動破壞有重要影響。同時，當(dāng)渠坡襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生垂直方向的破壞以后，復(fù)合土工膜處于受拉狀態(tài)。因此，在渠坡水平方向，襯砌結(jié)構(gòu)滑動穩(wěn)定與復(fù)合土工膜的拉力、摩擦力、黏聚力、揚(yáng)壓力有關(guān)。

2 實例計算

2.1 計算假定

根據(jù)工程現(xiàn)場觀察，預(yù)制六邊形襯砌結(jié)構(gòu)的破壞多為渠底和渠坡襯砌板，齒墻和渠道邊坡本身沒有破壞，為簡化計算，假定計算前提是齒墻和渠道邊坡穩(wěn)定，即齒墻不發(fā)生抗浮和抗傾覆破壞，渠坡不發(fā)生滲透或渠坡滑動破壞；揚(yáng)壓力計算所采用的水位值為襯砌結(jié)構(gòu)后的水位；不考慮特殊土質(zhì)(如膨脹土中膨脹力)額外力的作用；復(fù)合土工膜不透水。

2.2 計算參數(shù)

2.2.1 計算斷面

以膠東調(diào)水工程為對象，渠道典型斷面為：內(nèi)坡坡比1∶2，渠底寬為4m，襯砌高度4m，襯砌結(jié)構(gòu)型式為粗砂墊層+復(fù)合土工膜+6cm預(yù)制六邊形混凝土板，預(yù)制板間采用砂漿勾縫。

2.2.2 計算參數(shù)

包括襯砌板縫間的抗剪強(qiáng)度、襯砌結(jié)構(gòu)各層間摩擦系數(shù)、黏聚力等。襯砌結(jié)構(gòu)滑動穩(wěn)定，主要涉及襯砌板、復(fù)合土工膜、保溫板、墊層料和渠坡之間的層間摩擦特性，襯砌結(jié)構(gòu)沿摩擦強(qiáng)度最小的結(jié)構(gòu)面滑動[7]。綜合多位學(xué)者試驗結(jié)果[8-14]，在組成襯砌結(jié)構(gòu)的各層材料之間，光面保溫板與復(fù)合土工膜的摩擦系數(shù)和黏聚力最小，沒有保溫板時，復(fù)合土工膜與砂墊層之間的摩擦系數(shù)和黏聚力最小。本次計算采用仇國義[15]試驗結(jié)果層間摩擦系數(shù)0.5291，層間黏聚力5.71kPa。預(yù)制混凝土襯砌板板縫間勾縫強(qiáng)度按照試驗實測強(qiáng)度和板縫砂漿設(shè)計強(qiáng)度兩種情況計算?；炷涟寤炷翉?qiáng)度為C30，板間勾縫材料為M10砂漿。砂漿勾縫設(shè)計強(qiáng)度按規(guī)范[16]抗剪強(qiáng)度取0.09MPa，抗拉強(qiáng)度0.08MPa；工程現(xiàn)場實測抗剪強(qiáng)度根據(jù)試驗結(jié)果取0.0325MPa。

2.3 計算工況

假設(shè)渠內(nèi)無水，渠外水位高于渠內(nèi)水位工況。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 渠底抗浮穩(wěn)定計算

根據(jù)渠底襯砌結(jié)構(gòu)計算模型，以渠底單塊板作為計算對象，與單塊板接觸的其它板為固定邊界，計算單塊板的穩(wěn)定情況，渠底單塊板襯砌結(jié)構(gòu)抗浮臨界值計算結(jié)果為見表1。

表1 渠底襯砌結(jié)構(gòu)抗浮臨界值計算

由表1可知，提高襯砌板間的抗剪強(qiáng)度，可以有效提高渠底襯砌結(jié)構(gòu)的防揚(yáng)壓破壞臨界值，工程現(xiàn)場實測抗剪強(qiáng)度下，比單板穩(wěn)定臨界值高38.89%，板間抗剪達(dá)到設(shè)計要求時，渠底襯砌結(jié)構(gòu)防揚(yáng)壓破壞臨界值是單板穩(wěn)定臨界值的2.08倍。

3.2 渠坡襯砌板垂直渠坡方向抗浮穩(wěn)定計算

根據(jù)渠坡襯砌結(jié)構(gòu)計算模型，以渠坡單塊板作為計算對象，與單塊板接觸的其它板為固定邊界，計算單塊板的穩(wěn)定情況，渠坡單塊板襯砌結(jié)構(gòu)有水段垂直渠坡方向破壞臨界值計算結(jié)果見表2。

表2 渠坡襯砌結(jié)構(gòu)垂直渠坡方向破壞臨界值計算

由表2可知，渠坡現(xiàn)場實測抗剪強(qiáng)度情況下，渠坡垂直方向上襯砌板防揚(yáng)壓臨界值是單板穩(wěn)定臨界值的2.28倍。板間抗剪達(dá)設(shè)計要求時，渠坡垂直方向上襯砌結(jié)構(gòu)防揚(yáng)壓破壞臨界值是單板穩(wěn)定臨界值的3.36倍。

3.3 渠坡襯砌板平行渠坡方向抗滑穩(wěn)定計算

渠坡襯砌板板后側(cè)有水段和無水段受力不同，計算時，在平行渠坡方向，將整個渠坡襯砌板分成有水段(受揚(yáng)壓力影響段)和無水段(不受揚(yáng)壓力影響段)進(jìn)行計算。平行渠坡方向抗滑穩(wěn)定計算過程見表3，平行渠坡方向襯砌結(jié)構(gòu)破壞臨界值計算結(jié)果見表4。

表3 平行渠坡方向抗滑穩(wěn)定計算過程

表4 平行渠坡方向襯砌結(jié)構(gòu)破壞臨界值計算 單位：m

3.3.1 不考慮復(fù)合土工膜影響

(1)阻滑力僅考慮層間摩擦力。阻滑力僅考慮襯砌板與渠坡的層間摩擦力，不考慮襯砌結(jié)構(gòu)板間約束、不考慮襯砌板與渠坡間黏聚力時，襯砌板下滑力為有水段襯砌板重力在平行渠坡方向的分力，阻滑力為有水段襯砌板與渠坡的層間摩擦力。式(15)中，黏聚力等于0，據(jù)此計算穩(wěn)定臨界值結(jié)果為0.01m。

(2)阻滑力考慮層間摩擦力和黏聚力?？紤]襯砌板與渠坡的層間黏聚力時，下滑力為有水段重力在平行渠坡方向的分力，阻滑力為有水段襯砌板與渠坡的層間摩擦力和層間黏聚力。當(dāng)渠坡襯砌板發(fā)生垂直渠坡方向的破壞時，計算對象的層間摩擦力和黏聚力為0，平行渠坡方向失去平衡，因此，當(dāng)渠坡平行方向穩(wěn)定臨界值結(jié)果等于渠坡垂直方向不考慮板間勾縫抗剪強(qiáng)度時破壞值0.25m。

(3)阻滑力考慮層間摩擦力和襯砌板間抗拉約束?？紤]層間摩擦力和襯砌板間抗拉約束時，下滑力為有水段重力在平行渠坡方向的分力，阻滑力為層間有水段摩擦力和計算襯砌板相鄰上端的無水段襯砌板對計算對象的拉力。在此種計算狀態(tài)下，當(dāng)渠坡襯砌板發(fā)生垂直渠坡方向的破壞時，平行渠坡方向拉力為0，失去平衡。因此，其臨界值為考慮襯砌板間勾縫強(qiáng)度時渠坡襯砌板發(fā)生垂直渠坡方向的破壞值0.84m。

3.3.2 考慮復(fù)合土工膜影響

渠道預(yù)制混凝土襯砌結(jié)構(gòu)中，鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜，土工膜屬薄膜結(jié)構(gòu)，不能承受彎矩和剪力，可以承受拉力，在垂直方向襯砌板的穩(wěn)定計算時，沒考慮復(fù)合土工膜的影響。在平行渠坡方向，復(fù)合土工膜的力學(xué)特性對襯砌結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定有較大影響。在襯砌結(jié)構(gòu)各層中，復(fù)合土工膜和下墊面的層間摩擦系數(shù)最小，因此當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)滑動時，復(fù)合土工膜連同襯砌板一起滑動，此時，不受揚(yáng)壓力影響的無水段通過復(fù)合土工膜給有水段的襯砌板向上的拉力。不考慮板間勾縫抗拉強(qiáng)度時，襯砌板間由于復(fù)合土工膜受拉伸長會出現(xiàn)裂縫，但不會滑動破壞，考慮襯砌板間勾縫抗拉時，板間在抗拉強(qiáng)度內(nèi)不會出現(xiàn)裂縫。

(1)阻滑力考慮層間摩擦力。襯砌板下滑力為有水段和無水段襯砌板重力在平行渠坡方向的分力，阻滑力為有水段和無水段復(fù)合土工膜與渠坡的層間摩擦力。式(15)中，黏聚力等于0，穩(wěn)定臨界值計算結(jié)果為0.24m。

(2)阻滑力考慮層間摩擦力和黏聚力?？紤]襯砌板與渠坡的層間黏聚力時，下滑力為有水段和無水段襯砌板重力在平行渠坡方向的分力，阻滑力為有水段和無水段襯砌板與渠坡的層間摩擦力和層間黏聚力。當(dāng)渠坡襯砌板發(fā)生垂直渠坡方向的破壞時，計算對象與相鄰襯砌板出現(xiàn)裂縫，但在平行渠坡方向上，由于土工膜的作用，平行渠坡方向不會產(chǎn)生滑動，平行渠坡方向發(fā)生滑動時臨界值為3.6m。

(3)阻滑力考慮層間摩擦力和襯砌板間抗拉約束?？紤]層間摩擦力和襯砌板間抗拉約束，不考慮復(fù)合土工膜與渠坡的黏聚力時，下滑力為有水段和無水段襯砌板重力在平行渠坡方向的分力，阻滑力為層間有水段和無水段摩擦力及計算襯砌板相鄰上端的無水段襯砌板對計算對象的拉力。在此種計算狀態(tài)下，當(dāng)渠坡襯砌板發(fā)生垂直渠坡方向的破壞時，計算對象與相鄰襯砌板出現(xiàn)裂縫，但在平行渠坡方向上，由于土工膜的作用，平行渠坡方向不會產(chǎn)生滑動，平行渠坡方向發(fā)生滑動的臨界值為3.43m。

由以上計算和分析可知，在不考慮復(fù)合土工膜影響時，不考慮襯砌板與渠坡的黏聚力，襯砌板平行渠坡方向臨界值為0.01m，是不穩(wěn)定的；考慮黏聚力和襯砌板間約束時，平行渠坡方向穩(wěn)定臨界值等同于其垂直渠坡方向穩(wěn)定臨界值。考慮復(fù)合土工膜影響時，整個渠坡預(yù)制襯砌板不再是單塊受力平衡，而是整體互相影響。不考慮黏聚力時，無水段摩擦力抗滑能力較小，穩(wěn)定臨界值較小，但仍大于不考慮復(fù)合土工膜；考慮黏聚力和板間約束時，平行渠坡方向發(fā)生滑動的臨界值較高，分別達(dá)到3.6和3.43m，但由于襯砌結(jié)構(gòu)在0.25和0.84m發(fā)生垂直渠坡方向的破壞，因此，應(yīng)將垂直渠坡方向的發(fā)生滑動的臨界值作為控制值。

4 提高預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)防揚(yáng)壓破壞的措施

4.1 抗法

(1)改變襯砌板型式，增強(qiáng)板間抗剪能力。根據(jù)計算分析，提高襯砌板間抗剪強(qiáng)度可成倍提高穩(wěn)定臨界值，現(xiàn)場預(yù)制板板間側(cè)面光滑，勾縫砂漿易裂縫，板間抗剪能力低，通過對預(yù)制模具進(jìn)行改造，可生產(chǎn)出側(cè)面帶凹槽的預(yù)制板，新型預(yù)制板板間砂漿勾縫后，即使勾縫砂漿與襯砌板間出現(xiàn)裂縫，勾縫砂漿的抗剪強(qiáng)度仍能有效抵抗揚(yáng)壓力的破壞。

(2)增加襯砌板間黏結(jié)強(qiáng)度。通過化學(xué)或機(jī)械鑿毛方法增加襯砌板側(cè)面的粗糙度，使用黏結(jié)強(qiáng)度高的新型砂漿，并加強(qiáng)襯砌板安裝施工質(zhì)量管理，可提高襯砌板間黏結(jié)強(qiáng)度，增加襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(3)采用新襯砌型式。根據(jù)計算，渠底穩(wěn)定值最小，是抗浮穩(wěn)定最薄弱環(huán)節(jié)?？梢栽黾忧滓r砌板厚度，增大襯砌板尺寸，增加抗浮抵抗能力；對于渠坡襯砌板，建議采用網(wǎng)格+預(yù)制襯砌板的方法，尤其在渠坡坡腳部位，用現(xiàn)澆網(wǎng)格增加對預(yù)制板的約束，提高渠坡襯砌板的整體穩(wěn)定性。

4.2 減小揚(yáng)壓力，減輕襯砌結(jié)構(gòu)破壞的措施

(1)排法。為減小揚(yáng)壓力，工程多在渠底和內(nèi)坡坡腳設(shè)置盲溝+逆止式排水閥的內(nèi)排水設(shè)施。隨著運(yùn)行時間延長，多數(shù)排水閥會出現(xiàn)淤堵問題，造成排水不暢，襯砌板后揚(yáng)壓力升高。應(yīng)加強(qiáng)排水設(shè)施檢查，及時維修更換內(nèi)排水設(shè)施，保障內(nèi)排水設(shè)施通暢，減輕揚(yáng)壓力。當(dāng)?shù)叵滤惶?，?nèi)排水設(shè)施排水能力不足時，可在合適位置增設(shè)減壓井加強(qiáng)排水。

(2)截法。對于高邊坡或臨河強(qiáng)透水渠段，汛期強(qiáng)降雨容易形成超高地下水位，通常的內(nèi)排水設(shè)施不能滿足排水減壓要求，此時，可在渠堤增加防滲帷幕或地下連續(xù)墻等降低渠堤外的高揚(yáng)壓力，

(3)控法。渠道輸水期間，渠內(nèi)水位下降過快會形成渠內(nèi)渠外水位差，造成襯砌結(jié)構(gòu)破壞。因此在渠道輸水時，應(yīng)加強(qiáng)水位控制，減小輸水水位變化幅度，減輕襯砌結(jié)構(gòu)破壞。

(4)壓法。在汛期，可對靠近河道等渠外易出現(xiàn)高水位渠段，可提前蓄水至一定水位，防止在渠外水位過高時，形成超高揚(yáng)壓力。

通過采取“抗、截、排、控、壓”等一系列防揚(yáng)壓破壞的方法，可有效減輕渠道襯砌結(jié)構(gòu)的揚(yáng)壓破壞。

5 結(jié)論及建議

(1)混凝土預(yù)制板板間抗剪強(qiáng)度、襯砌結(jié)構(gòu)的層間黏聚力和復(fù)合土工膜對渠道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定破壞臨界值影響較大。襯砌板間抗剪強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求時，渠底襯砌板抗浮穩(wěn)定臨界值是不考慮板間抗剪強(qiáng)度的2.08倍，渠坡垂直方向臨界值是不考慮板間抗剪強(qiáng)度的3.36倍；考慮襯砌結(jié)構(gòu)層間黏聚力和復(fù)合土工膜因素影響時，均可以大幅度提高平行渠坡方向襯砌結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定臨界值，但此時應(yīng)將渠坡垂直方向破壞臨界值作為襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制值。

(2)建議結(jié)合實際的工程條件，將抗法、排法、截法、控法、壓法等多種措施結(jié)合，有效減輕渠道襯砌結(jié)構(gòu)揚(yáng)壓破壞。