膨胀土渠坡混凝土斜墙防护的稳定及变形分析

耿运生 李聚兴 周玉涛 王俊奇 李闯

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021；2.华北电力大学可再生能源学院水利水电工程教研室 北京 102206）

膨胀土渠坡混凝土斜墙防护的稳定及变形分析

耿运生1李聚兴1周玉涛1王俊奇2李闯2

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021；2.华北电力大学可再生能源学院水利水电工程教研室 北京 102206）

针对南水北调中线一期工程总干渠邯邢段膨胀土渠坡的滑坡问题，对采用混凝土斜墙防护方案进行了探讨。采用几何非线性有限元法，对膨胀土渠段某典型断面斜墙的稳定、膨胀变形进行模拟，计算分级施工、运行的3种工况。计算结果表明，强度折减有限元法算得渠坡安全系数大于规范规定，斜墙膨胀量不致影响渠道安全。

膨胀土 渠道边坡 斜墙 强度折减法 南水北调中线工程

1 概述

南水北调中线一期工程总干渠邯邢段总长172km，其中膨胀土（岩）渠段42.01km。挖方渠段41.59km，挖深10m之内的25.46km，挖深10～15m渠段11.8km，挖深15m以上的4.35km。过水断面处于强膨胀性岩土渠段3.65km，中膨胀性20.71km，弱膨胀性17.65km。地下水高于渠底的渠段21.3km，其中高于一级马道的渠段长12km。邯邢渠段的膨胀土（岩）主要分布在邯郸（桩号10+650～68+315）和邢台（桩号109+798～123+049）的部分渠段。

膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩、快速崩解、超固结、多裂隙等特性。裂隙不仅破坏膨胀土的整体性，而且为雨水的渗入提供了快速通道，水分进入土体后导致土体迅速软化，大大降低了土体的抗剪强度，从而诱发边坡发生失稳破坏。

对膨胀土渠段的处理，处理原则是以封闭土体减小含水量变化和利用换填层吸收膨胀变形的思路进行处理，对应于强、中、弱膨胀土换填厚度分别取为2.5、2.0和1.0m。

对于膨胀土的膨胀量和膨胀力，许多学者作了大量工作，对于不同的矿物组成，膨胀特性不同，同时膨胀力与膨胀量的相关性也有差异。如果单纯以膨胀力来进行建筑物的加固设计或者防护是不合理的，当土体有了一定的膨胀量，膨胀力就大幅降低。引江总干渠，对于分块接缝处产生一定的错动，对于护坡而言是容许的。基于此，作者提出了利用斜墙进行膨胀土渠坡的处理，一是利用斜墙的压重控制一部分变形，二是容许斜墙存在一定的变形但不致破坏，三是在斜墙与膨胀土基面之间设置排水垫层使裂隙水顺利排出。

2 基本条件和设计方案

（1）初步设计阶段批复方案

南水北调中线总干渠某渠段地层岩性上层为强膨胀壤土，下层为弱膨胀性粘土岩，渠道为全挖方，一级马道高程基本同地面。

批复设计方案为，渠底宽度17.5m，迎水面坡度1:3.5，膨胀土表层进行粘性土换填，换填厚度2.5m，换填层上设置反滤料（厚150mm）、保温板（厚30mm）、土工膜和混凝土衬砌板（厚100mm）。

（2）斜墙方案

防护结构采用钢筋混凝土斜墙，迎水面坡

度1:1.5，顶部厚度0.6m，底部厚度2m。斜墙沿渠道方向每8m设一道变形缝，设橡胶止水带。斜墙表层和底层设置钢筋网。

混凝土斜墙抗滑稳定不满足要求，剩余推力由横向支撑梁承担，经计算，为达到允许安全系数，每延米斜墙剩余推力60kN。根据斜墙分块尺寸，支撑梁间距取4m。根据支撑梁承受的最大推力，考虑施工和受压稳定的要求，确定尺寸为0.5×1.0m（宽×高），钢筋混凝土结构。

强膨胀土渠段，实测及预计地下水位皆高于渠底，为及时排除膨胀土裂隙内的地下水，在斜墙和膨胀土接触面设置0.5m厚砂砾排水层，坡面排水层与渠底换填土下的排水层连通。排水层粒径0.5～5mm，d15取0.7mm，不均匀系数大于10。

斜墙结构图见图1。

图1 渠坡防护结构图

3 斜墙稳定及变形有限元分析

3.1 计算域选取

本次计算选取代表性断面，各断面均按照三种工况计算，根据各项计算成果，分析评价渠坡的安全系数，确定其应力场，计算膨胀变形量。

有限元法是目前边坡稳定分析中广泛应用的方法,可以仿真模拟分步施工运行过程，确定各阶段应力场，研究不同工况渠道工作性态，确定渠道护坡稳定性，计算膨胀变形量。

使用ABAQUS软件，采用二维非线性有限元分析。以渠道中线为界，取结构的一半进行模拟。结构对称面为法向约束，地基底面法向约束。地基垂直和水平方向分别延伸开挖深度和宽度的3倍。平面应变4结点减缩积分单元（CPE4R）。

3.2 分析步

根据计算目的和要求，计算工况如下：

工况1：开挖渠道，垫层、护坡施工完毕；

工况2：正常运行，受渠道水压力和岸坡中浮力；

工况3：检修，渠道无水，岸坡作用渗透力。

根据计算工况，按照实际施工顺序，模拟基坑开挖形成初始应力场、垫层和结构施工、强度参数折减等过程，设置分析步，如表1。直到土层中塑性区发展导致最后计算不收敛中断为止。此时的折减幅度即对应折减安全系数Fs。对强度参数c和φ进行折减，关系如下：

计算检修工况时，考虑渗透力作用。为简化计算，靠近坡面处，假设水流渗透方向与坡面平行，施加渗透力的水平和垂直分力。参数折减过程中，部分区域变形较大，而且材料刚度相差悬殊，采用几何非线性分析。

表1 分析步设置

3.3 材料参数

计算断面材料参数如表2，除混凝土用弹性模型外，其他材料用Mohr-Coulomb模型。

表2 材料参数

3.4 计算结果

3.4.1 塑性区

图中peeq表示等效塑性应变。工况1时，马道下部与上部换填和护坡施工完毕后的塑性区分布见图2(a)。等效塑性应变较大的地方出现在护坡下的垫层。工况2，正常蓄水，等效塑性应变较大的地方出现在渠底与混凝土护坡临近的垫层（图2(b)）。

图2（a） 工况1

图2（b） 工况2

3.4.2 应力分布和膨胀量计算

取图3所示的剖面为计算膨胀量剖面。

图3 膨胀量计算断面

按照勘察资料，确定计算的膨胀力为50kPa，即认为各剖面竖向应力小于50kPa的土体产生膨胀，按照膨胀率2%与土层厚度相乘求膨胀量。考虑到各点最小主应力要小于竖向应力，计算时直接取最小主应力作为膨胀量计算应力，求得的膨胀量应该是各剖面极限。

根据各工况应力场求得膨胀量，如表3。

以强度参数折减时，计算不收敛对应的折减系数作为安全系数，各工况安全系数如表4。

表3 膨胀量计算结果

表4 安全系数计算结果

4 结论

（1）渠道开挖形成及后期换填粘土、砂垫层及混凝土护坡和衬砌的施工，施工过程荷载不是一次整体增加的，而是分级增加，可以更好地确定结构应力状态。采用几何非线性有限元模拟分部模拟实际施工顺序。

（2）以某断面为分析对象，分别按照竣工、正常蓄水运行和检修三种工况计算分析，应用强度折减方法计算膨胀土渠坡的稳定安全系数。结果表明按照目前采用的渠坡设计方案，渠坡安全系数均大于1.5，满足规范要求。

（3）膨胀变形是依据各种工况下的最大主应力场按照分层方法计算膨胀量，而后总和得到的，计算膨胀力取值为50kPa，膨胀率为2%，实际膨胀变形应小于计算值，通过结构设计优化，膨胀量可以得到控制。

（4）对于南水北调中线总干渠，渠坡衬砌分缝之间变形计算最大值20mm，应该属可容许范围，护坡仰墙方案作为膨胀土渠段处理方案应该是可行的。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.008

TV672

B

1672-2469(2014)12-0019-03

耿运生（1973年—），男，教授级高级工程师。