膜袋混凝土护坡在渠道中的应用

曾丽萍，郭建新，高 奔

（湖北振东宏厦建筑有限公司，湖北 荆门 448000）

在内河航道的建设中，护坡工程在内河航道建设中扮演着重要角色，在防洪、排涝、水土保持等方面起到了极其重要的作用。现阶段的护坡方案有浆砌块石重力式护坡、浆砌块石斜坡式护岸等。但都因需要消耗大量的石料资源，施工质量较难控制等原因无法在实际工程中得到有效运用[1-4]。

我国在20世纪80年代从日本引进了膜袋混凝土护坡技术，是一项现浇混凝土的护坡新技术，利用混凝土泵将混凝土冲灌进膜袋并快速成型，能够起到护坡、护底、防渗等作用。但是该护坡形式在实际工程运用中仍然存在着诸多问题，设计参数的选取是否合适，混凝土的和易性能否满足要求等都将影响膜袋混凝土护坡的稳定性，因此需要将膜袋混凝土护坡进行优化设计[5-7]。

本文以漳河灌区护坡为工程实例，利用极限平衡法和有限元强度折减法对膜袋混凝土护坡进行稳定性分析，分析膜袋混凝土和土坡的受力特点，并对膜袋混凝土进行抗滑稳定性分析。

1 膜袋混凝土护坡破坏形式和机理

1.1 崩塌型破坏

膜袋混凝土护坡的崩塌型破坏形式有两种，一种是护坡混凝土裂缝与局部隆起造成岸坡在膜袋下被掏空；另一种是由于渗流等因素造成的坡脚处被掏空，进而造成坡体被掏空。

当膜袋混凝土护坡形成了裂缝或局部隆起时，两者会相互作用，由于膜袋混凝土护坡破坏过程是个缓慢的过程，膜袋混凝土的局部隆起会造成混凝土板的扰度不断增大，混凝土裂缝的不断发展，最终发生混凝土块体的断裂，而混凝土裂缝又能使土体更易发生部分的堆积，增发混凝土的隆起面积与高度，如图1，膜袋下方块体形成凹洞，当凹洞形成以后，混凝土形成悬空状态，没有土坡对混凝土支撑力，只有重力作用于混凝土，当垂直向下的拉应力较大时，造成混凝土的破坏，此时护坡形成崩塌。

图1 模袋混凝土崩塌滑移破坏示意图

1.2 整体滑移型破坏

是指从膜袋护坡的坡顶一直贯穿到坡角的整体性滑坡，造成该破坏形式的主要原因是降雨因素和和河道水位与地下水位高差较大。图2为膜袋混凝土整体滑移型破坏示意图。

图2 模袋混凝土整体滑移破坏示意图

当河道水位与地下水位高差较大时，尤其在河岸土中孔隙水压力高的情况下，枯水期和退水期河道水位回落，河道水位急降后，将会减小河岸土壤中的有效应力，而岸坡内部的孔隙水压力会形成渗透力，从而可能引起整体滑移破坏。

2 膜袋混凝土护坡膜型

2.1 工程实例

漳河灌区位于湖北省中部，地跨荆州、宜昌、荆门3个省级市6个县级市（区）。四干渠东干在荆门市东宝区曾庙村四干东北干分水闸，向东经邓庙村、温家巷，最后注入钟祥市铜钱山水库。东干渠总长28.5km，设计流量16.8m3/s，担负着在干旱季节为铜钱山水库输水及区间灌溉任务，包括铜钱山灌区在内总灌溉面积912.28km2。

根据施工单位所提供的护坡地质资料，选取该护坡典型横断面进行分析。

图3为该护坡横断面图。

图3 护坡横断面图

该护坡为二级护坡。一级护坡为膜袋混凝土护坡，坡比为1∶3；二级护坡为草皮护坡，草皮护坡的坡顶外侧是道路。根据钻孔资料和现场试验，将该土层分为10层，如图3。土质资料如表1。

表1 护坡土质资料

续表1

根据相关资料，选用C25混凝土的密度为24kN/m3，弹性膜量28GPa，泊松比0.2，膜袋的厚度200mm，膜袋与土坡之间的摩擦系数0.5。

2.2 膜袋混凝土护坡结构受力分析

膜袋混凝土护坡分为2个部分，分别为膜袋混凝土部分A和原岸坡部分B。如图4，图5。

图4 模袋混凝土护坡受力图

图5 土坡部分土条受力分析图

3 坡体稳定性分析

根据膜袋混凝土护坡的受力特点，利用Rocscience公司的极限平衡法软件Slide和有限元强度折减法Phase分别对自然岸坡和膜袋混凝土护坡进行稳定性分析。

3.1 自然岸坡下稳定性分析

图6为利用极限平衡法计算自然岸坡的稳定性，图7为利用有限元强度折减法计算自然岸坡稳定性。

图6 极限平衡法计算自然岸坡稳定性

图7 有限元强度折减法计算自然岸坡稳定性

极限平衡法计算自然岸坡稳定性系数为1.777，有限元强度折减法计算自然岸坡稳定性系数为1.79，两者计算结果误差很小，并且极限平衡法和有限元强度折减法搜索得到的滑动面位置基本一致。则极限平衡法软件Slide和有限元强度折减软件Phase能够在此类土质边坡中有效应用。

3.2 膜袋混凝土护坡的稳定性分析

图8为利用极限平衡法计算膜袋混凝土岸坡的稳定性，图9为利用有限元强度折减法计算膜袋混凝土岸坡稳定性。

图8 极限平衡法计算模袋混凝土岸坡稳定性

图9 有限元强度折减法计算模袋混凝土岸坡稳定性

极限平衡法计算膜袋混凝土岸坡稳定性系数1.801，有限元强度折减法计算膜袋混凝土岸坡稳定性系数1.91，两者计算结果相比于计算自然岸坡时误差偏大，但是极限平衡法和有限元强度折减法搜索得到的滑动面位置基本一致。由此可见，当运用膜袋混凝土铺设岸坡时，不能采用单一的条分法，因土坡部分土体的受力状况与膜袋混凝土的受力状况是不同的。膜袋混凝土与土坡之间具有耦合的接触性，因此必须首先考虑膜袋混凝土护坡的抗滑移稳定性。

4 膜袋混凝土护坡抗滑稳定性分析

膜袋混凝土与土坡的表面土是两种不同的材料，而其彼此之间界面的黏聚性并不强，如果界面之间的摩擦角不足，则膜袋混凝土会产生滑移，这将会造成膜袋混凝土护坡的整体性破坏，在此将建立膜袋混凝土的抗滑稳定性膜型，分析其抗滑性能。

如果膜袋混凝土的抗滑力大于下滑力，则膜袋混凝土满足抗滑稳定性，而抗滑力有两部分组成，分别为护坡压顶与坡顶土的摩擦力和膜袋混凝土与坡面土的摩擦力，两者之和即为膜袋混凝土的抗滑力。

图10为膜袋混凝土的抗滑稳定性受力分析图。

图10 模袋混凝土抗滑受力

对图10中的膜袋混凝土进行受力分析，建立极限平衡方程，则坡体的切向平衡方程为：

式中θ为坡度；μ为膜袋混凝土与土体间的摩擦系数。

其中，μ满足关系：

参照相关资料，C25混凝土的密度为24kN/m3，图10的受力分析膜型中，每延米压顶混凝土的体积为0.375m3。

将数据值带入式（2）可得：

要想膜袋混凝土满足抗滑要求，则其摩擦系数需要大于0.31，而膜袋混凝土与土坡之间的摩擦系数为0.5，此时实际膜袋混凝土与土坡之间的摩擦系数大于临界摩擦系数，满足膜袋混凝土的抗滑稳定性要求。

5 结语

（1）通过对漳河灌区护岸工程的研究，分析膜袋混凝土护坡结构的受力情况，利用极限平衡法和有限元强度折减法分析自然岸坡和膜袋混凝土岸坡稳定性，并对膜袋混凝土进行了抗滑稳定性分析。

（2）由于膜袋混凝土与土坡的受力情况不同，计算结果表明，当采用极限平衡法和有限元强度折减法计算膜袋混凝土护坡稳定性时产生的误差很大，必须考虑膜袋混凝土的抗滑稳定性。

（3）通过建立膜袋混凝土护坡抗滑膜型，对膜袋混凝土抗滑稳定性进行了分析，结果表明实际膜袋与土坡的摩擦系数大于计算得到的临界摩擦系数，满足抗滑稳定性要求。

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