高填方渠段沉降变形对衬砌结构的影响观测及分析

高 博

(陕西省宝鸡市冯家山水库管理局，陕西 宝鸡 721300)

1 概述

高填方渠道衬砌面板、渠体、堤等结构在取代修剪和运行过程中经常会由于地基沉降变形、边坡不均匀沉降变形、路堤失稳等原因导致变形或失稳。在实际施工过程中，区域内的地质条件不同，社会环境不同等因素导致在研究渠道稳定性时需要考虑的内容也有所不同。为此，本文根据某一实际高填方渠道工程，结合多年工作经验，对引起高填方渠段变形沉降的原因进行了分析和计算，提出了解决措施。

为了研究方便在总干渠的何家段选择了较为典型的一个填方渠段作为研究对象，该渠段的填高达到了11 m，从渠底以下开始将将地基分为3层，其中的基岩性分别是第三系黏土岩、第四系残坡的积层粉质黏土以及第四系残坡的积层含黏土层，具体见表1。

表1 物理学参数上分层膨胀土的表示

使用黏土分层的方式来填筑堤身，保持在0.25～0.3 m左右的分层厚度，压实度维持在0.98%以上，将上更新系统粉质的黏土作为堤身填土，使其呈现出弱膨胀的胀性，当达到1 540 kg/m3密度时，就需要将压缩模量增加到5.46 MPa，此时的凝聚力应当为36.6 kPa，达到17.6°的内摩擦角，泊松比则是0.28，具体见图1。

图1 堤身的分析模型

2 衬砌面板变形原因和结构应力分布[1]

2.1 面板变形的特征分析

2.1.1 转角与挠度

衬砌面板受到外力的作用而发生变形时，受到高填方渠道的坡面变形的限制，在面板沉降的过程中，可能出现挠曲变形的现象，其中主要的挠曲变形体现在转角(以坡脚作为中心)和挠度的变化。

2.1.2 转角挠度在蓄水前后面板中的变化

在使用有限元的方式分析典型渠段以后，需要进行转角和挠度在蓄水前后面板中变化的计算操作，见表2、表3成果对比。

表2 挠度对比表

表3 转角对比表

从表2和表3中得知，面板在蓄水后转角与挠度的变化程度比在蓄水以前的变化程度明显缩小，且蓄水前的挠曲变形分布对比蓄水后的分布情况表现出明显的差异，即不均匀现象。产生以上差异的原因是在水荷载的作用下，高填方渠道的坡面顺应着面板的方向向上开始贴紧移动，坡面和板面之间相对滑动率会逐渐在蓄水以后减小，使坡面和面板之间的接触更加紧密，均匀分布受力，从而保证整个面板的挠曲变形在蓄水以后是均匀分布的。因而，在实际的工程操作中，在高填方的沉降变形变化稳定以后，须尽快蓄水，尽可能将面板沉降因蓄水延迟所产生的不利影响降到最低。

2.2 面板的结构内力分布

在高填方渠道和混凝土面板中刚度差异较大，面板因受到渠道填筑坡体工后沉降的影响，而发生挠曲变形，在坡面和面板之间产生相对位移，并在界面上产生挤压应力、拉应力以及剪应力，通过有限元方法对典型区段的计算可知，对于高度不同的面板测量其剪应力、拉应力以及压应力等结构分布亦不相同。

3 底板结构内力和变形的分布

在高填方渠道中底板铺设之后，随着施工后沉降系数不断增加，底板会因来自下方土体的抵抗作用，而使底板沉降系数小于面板沉降系数。对于底板，底板中心处沉降小于脚点处的沉降，因而沉降在两点之间呈现了递增的趋势。但总的来说，其表现出了较小的量级。研究发现，当整个底板所呈现出来的是上部受拉时，下部就会出现受压状，出现其他因素破坏面板时，存在于底板中心截面中的拉应力就会出现转折变化。

当沉降在整个底板中心处的位置表现最小时，其沉降最大的位置就在脚点处，而两点之间的沉降差就比较小。当上部受拉与下部受压的情况出现在整个底板中时，混凝土面板所变现出的抗拉强度就要大很多。由此可知，底板的结构内力和变形受到沉降的影响较小。

4 面板变形和工后沉降的关系分析

以典型渠段为例，采用有限元方法对底部中心点的工后沉降同面板挠曲变形以及高填方渠道顶部之间的关系进行分析计算，具体结果见表4以及图2。

表4 工后沉降不同对下面板挠度计算结果

图2 工后沉降同挠度之间的关系

由以上内容可以得出，工后沉降相同的情况下，位置越高的面板点，其挠度值越大；在顶部中心点和底部中心点这两个关键控制点工后沉降值不断增加的情况下，面板各点上的挠度值会随之逐渐增大，并且表现位置较高的面板点，其挠度增加会较大。

5 控制工后变形的方法[3]

对于高填方的渠道受到渠堤沉降变形的影响较大时，需先将地基和堤身剩余的沉降变形量计算出来，再对混凝土面板衬砌、渠道防渗以及降排水等施工工艺进行改良，达到降低变形的目的。在实际实践中可以采用如衬砌土工模的下排水系统以及反渗土工膜等。笔者在多种方法试验以后发现，将堤顶剩余的沉降量作为指标判别的标准与其它几种相比最为便捷。

6 结语

综上所述，随着社会的发展和科技水平的不断提高，新技术和新材料不断问世并应用于实际工程中，大大方便了施工。本文针对高填方渠段，系统研究了面板、底板等结构体发生沉降变形的原因，阐述了影响衬砌结构的因素，并结合工作经验和工程实例阐述了解决沉降变形的有效措施。这些措施对类似工程具有一定的借鉴价值。

[1]冷星火,王磊,陈烈奔. 高填方渠段沉降变形对衬砌结构的影响分析[J].人民长江.2014.06:31-34.

[2]周禹. 高填方路基沉降预测与控制沉降施工技术的研究[D].重庆交通大学.2013.