高填方渠道边坡变形稳定性研究

杨 婷

（新疆额河建管局，新疆乌鲁木齐830000）

高填方渠道边坡变形稳定性研究

杨 婷

（新疆额河建管局，新疆乌鲁木齐830000）

在输水过程中，高填方渠道受当地地形影响，形似断面巨大的地上悬河。由于工期较短，渠道在未达到沉降固结时就开始投入使用，渠身稳定性成为高填方渠道安全运行的关键问题。本文首先分析了边坡的破坏类型和影响边坡稳定性的因素，采用塑性变形失稳可靠度模型对变形稳定性进行计算。研究表明：施工中保证边坡压实度，运行中保证渗流水深对边坡塑性变形稳定性十分关键。

高填方；渠道边坡；稳定性

引 言

高填方渠道边坡稳定性问题主要为地基沉降变形、边坡不均匀沉降变形、路堤失稳导致边坡变形等［1］。由于各地区的地质条件不同，因此工程中需要考虑各种因素对渠道边坡稳定性的影响，我国水利工程中存在较多的沉降失稳现象，引起了国内学者的兴趣。在较多的强度理论中，莫尔—库仑理论应用最为广泛，其以最大剪应力屈服极限为标准，综合切应力的影响，得出了最大剪应力准则。本文首先分析了边坡的破坏类型和影响边坡稳定性的因素，将莫尔—库仑理论与概率论相结合，采用塑性变形失稳可靠度模型对变形稳定性进行计算，并根据研究结果对高填方渠道边坡设计问题提出建议。

1 破坏类型及影响因素

根据建筑材料，高填方渠道边坡可分为土质边坡、岩质边坡、混合边坡等。不管是土质边坡，还是岩质边坡，其坡体稳定性都至关重要。边坡失稳和破坏类型主要有以下几种［2-3］:

（1）坍塌破坏。坍塌破坏常见于坡度较大的渠道，由于坡体内大量裂隙导致土体产生张力，随着裂缝宽度的增加，土体被分为多块，在降雨或自重影响下发生失稳，导致破坏产生。

（2）滑坡破坏。土坡在自重或者外界载荷作用下，出现下滑趋势，并在土体内部出现剪应力，当剪应力大于土体的抗剪强度时，就会出现滑坡破坏。

（3）滑塌破坏。坡度较大的渠道边坡在人为扰动或自然因素的作用下，短时间内出现滑动并崩塌，其与滑坡破坏不同的是带有突然翻滚崩塌。

（4）冲刷破坏。由于高填方渠道边坡植被较少，土质疏松，在突发性暴雨的作用下，土体结构出现破坏，强度显著下降，并出现冲刷破坏。

根据渠道边坡破坏机理可知，边坡失稳主要包括变形和破坏两个阶段［4］。土体抗剪强度是土体抵抗坡体下滑时，土体产生的抵抗剪切破坏能力。抗剪强度受土体材料、含水量、环境因素等综合影响。因此，影响边坡稳定性的因素主要分为内在和外在两种。内在因素主要包括:地层、岩性、地质构造、地应力。外在因素主要包括:几何形状、表面形态、水作用、振动、人为因素、风化作用等［5］。

2 变形失稳可靠度模型

由上一节的分析可知，高填方渠内渗流对土体重度影响较大。莫尔—库仑理论应用最为广泛，其以最大剪应力屈服极限为标准，综合切应力的影响，得出了最大剪应力准则。考虑渠道运行期间车辆载荷对堤顶的作用，此时渠坡应力状态为:

其中:曲率半径R=x2+z2；x为渠道边坡计算点的水平坐标；z为计算点的竖直坐标；σx为竖向应力；σy为水平应力；σxy为剪应力；P为车辆载荷强度；μ为泊松比。

根据式（1）～式（3）推导的剪应力方程，结合莫尔—库仑理论，认为渠道边坡任一点处的剪应力与莫尔—库仑理论得出的抗剪强度线相切时，即为边坡的塑性失稳点。土体应力与抗剪强度的关系式为:

其中:c为边坡计算点的土体的凝聚力；φ为土体的内摩擦角；σ为失稳面的法向应力。

边坡土体达到塑性失稳状态时，假设土体的内摩擦角完全发挥作用，则土体最小凝聚力值为:

将土体最小凝聚力值与实际凝聚力值c进行比较，当c＜ck时认为此计算点已经失稳；当ck＜c时认为此计算点是处于稳定状态的。由此，建立高填方渠道边坡塑性稳定状态方程:

由式（7）可以计算渠道边坡内任意点的土体稳定性状态。

3 实例计算

本文设计区段为8km+030.71～8km+855.1段。该段左侧为河漫滩、林带，右侧伴行石红公路及电站尾水渠。目前渠道两侧建筑物较多，渠道纵坡主要受渠道原节制分水闸底板高程及原已建渠段渠底设计高程控制。渠道纵坡共分为三段，渠道纵坡4.68‰～9‰。本文研究对象为高填方渠道，渠顶最大填方高度为15.4m，渠底跨度为24.5m，设计水位为6m。

现状渠道断面为梯形断面，由于渠道运行数十年，渠道断面每年维修，现状已不规则，存在左右边坡不对称，渠道底宽不规则等现象。由于输水工况时刻变动，渠坡渗流高度也时刻变化，因此应力状态多种多样，本文计算下面2种工况［6-7］。

（1）渠道处于满水状态，水位为6m；

（2）渠道处于1/3设计水深状态，水位为2m。

水上土体的凝聚力取20 kP a，水下为18 kP a，变异系数为0.03，水上土体的内摩擦角为23°，水下为21°，渠顶载荷按照常量计算，载荷强度取21 kN/m3［8］。运用上一节建立的塑性温度可靠度分析模型，计算渠道内任意点的土体最小凝聚力值，并绘制成等值曲线［9］。两种工况的计算结果见图1和图2。

从计算结果看，满水工况下，渠道边坡最危险点的土体最小凝聚力值为2.19kP a，对应的塑性稳定可靠指标值为2.18，危险点位于边坡最高位置，失稳区域若与坝顶车辆载荷耦合作用将会引发边坡失稳。1/3水深工况下，渠坡内的危险区域增加，危险点位于边坡腰部，渗流水面附近。

由此可见，对于高填方渠道边坡，在土质材料选择时应该采用均匀粘土，施工中需要保证一定的压实度，渗流深度要尽可能稳定，以保证边坡的可靠性。

图1 满水工况ck等值线分布

图2 1/3水位工况ck等值线分布

4 结论

粘性土质高填方渠道边坡塑性失稳对边坡稳定性影响较大，本文首先分析了边坡的破坏类型和影响边坡稳定性的因素，将莫尔—库仑理论与概率论相结合，采用塑性变形失稳可靠度模型对变形稳定性进行计算，并根据研究结果对高填方渠道边坡设计问题提出建议:（1）施工中保证边坡压实度，渠道运行中保证渗流水深稳定。

（2）1/3深度时，渠道边坡塑性失稳的危险区较大，此工况较设计水位工况更危险。

［1］张宇，陈善雄，余飞，熊署丹，戴张俊.南水北调高填方渠道沉降过程计算方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2014（02）:4367-4374.

［2］白文博，周兵.高填方渠堤土工格栅加筋技术研究［J］.人民长江，2014（10）:73-76.

［3］马文英，郭秀彦，刘鹏，杨芳芳.南水北调高填方渠坡土壤塑性变形稳定可靠度研究［J］.河南水利与南水北调，2014（17）:39-40.

［4］王跟前.浅析南水北调总干渠叶县段渠堤堤身防渗排水设计［J］.甘肃水利水电技术，2013（12）:46-49.

［5］刘林军.基于强度折减法的水库泄洪洞边坡稳定分析［J］.水利规划与设计，2013（05）:61-64.

［6］沈凤生.输水明渠膨胀土（岩）渠段渠坡处理措施有关问题的探讨［J］.水利规划与设计，2013（04）:1-4+29.

［7］宋丹青.兔里坪水库加高坝型选择［J］.水利规划与设计，2014（08）:69-72.

［8］刘大群.砂岭子隧洞进口边坡稳定性分析及评价［J］.水利技术监督，2009（01）:51-53.

［9］孙文萍.鱼尾电排站设计标准与主要建筑物设计［J］.水利技术监督，2012（03）:37-39+55.

TV91

A

1672-2469（2015）10-0086-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.27

杨 婷（1987年—），女，助理工程师。