寒区衬铺塑膜防渗渠侧坡稳定性的研究探讨

(山东省淮河流域水利管理局规划设计院，山东 济南 250000)

降水、渗流以及冻胀应力破坏，给寒区灌溉渠道侧坡的稳定带来诸多不确定因素。在衬铺塑膜的寒区防渗渠道中，由于膜料在渠道侧坡结构中形成“软弱夹层”，致使渠道侧坡土体的原有力学状态发生一定程度的改变。由此，寒区衬铺塑膜防渗灌溉渠道侧坡稳定性的塑造和维护便成为重要的设计和施工控制条件之一。本文围绕寒区混凝土衬砌梯形渠道的冻胀破坏的应力关系，对寒区灌溉渠道发生冻胀现象的破坏机理及影响因素，开展科学计算和针对性分析，以为寒区防渗灌溉渠道的设计和施工应用提供研究参考。

1 衬铺塑膜寒区防渗渠道的侧坡稳定性分析

1.1 基于塑膜防渗层结构的稳定安全性分析

在衬铺塑膜的寒区防渗渠道中，由于膜料在渠道侧坡结构中形成的“软弱夹层”，使其抗剪应力强度相对较低，导致剪切应力遭破坏，“软弱夹层”是形成滑坡的主要部位。塑膜防渗层的结构安全稳定性存在状态如图1所示。

图1 塑膜防渗层的结构安全稳定性存在状态

由于膜土间的摩擦系数一般都远小于原本土体内的摩擦系数，如果再遭遇和叠加冻胀应力的破坏，土体与膜料间的黏合力会急速降低，甚至出现零值，因此，对于塑造和维持塑膜防渗渠侧坡稳定而言，最危险的界面便是料膜层的上下界面。

渠侧坡的安全稳定性通常以Fs系数评价，即

若塑膜下的渠基和垫层产生一定的透水，垫层和塑膜间一般都不会有水滞留，故塑膜与上部保护层间是发生滑动的主要区域。假若塑膜直接衬铺在如黏土或壤土等具有较小透水性的土体上，或者塑膜垫层的排水性能较低，致使降水渗入，或者塑膜漏水滞留在基土与膜的接触面，使土体与塑膜间产生孔隙水压，尤其当渠内水位下降时，衬铺的塑膜有可能发生滑落或隆起，从而对其抗滑的稳定性极其不利。基于降水和水位骤降条件的渠坡稳定性状态如图2 所示。

图2 基于水位变化的塑膜防渗层抗滑稳定性分析

不同渗流状况下的两种浸润面在图2上有所标注，一种是由渗漏水或雨水等引起的渗流状态，一种是渠道水位变化对应的渗流状态。

1.2 基于渠道水位变化的防渗层抗滑稳定性

将滑动体按主动滑动和被动滑动两种状态分别进行受力分析，图3中标注了各相关量值及其意义，这里设定了土/膜摩擦角δ，设定了保护层土体内摩擦角φ，而且也定义了保护层土体垂直和水平的淹没度，它们分别是垂直淹没度PSR=hw/h和水平淹没度HSR=Hw/H。

图3 基于水位变化和主被动滑动的防渗塑膜层应力状态分析

1.3 降水条件下的保护层抗滑稳定性

降水常常是诱发塑膜防渗渠发生滑坡的原因之一，基于雨水渗入条件的塑膜防渗层应力状态如图4所示。归纳起来，其作用机理可以概括为三个方面：一是表层土体的含水饱和度因为降水而大幅度提升，会导致土体增大主动性压力；二是雨水一般是沿着土体原裂缝逐渐下渗，会导致准滑动面抗滑性能发生大幅度下降；三是降水令土体含水量发生大幅增加，同时降水也令渠道土体的内摩擦角以及土体黏聚力均大幅度降低，从而使渠道侧坡土体的抗剪切强度发生大幅降低。

图4 基于雨水渗入条件的塑膜防渗层应力状态分析

2 衬铺塑膜寒区防渗渠道的侧坡稳定性计算

2.1 计算的参数条件

本文基于水位骤降的情况，对特定淹没率下的寒区膜防渗渠的侧坡稳定安全系数，进行科学计算。

土体干重度设计取值是γd=18kN/m3，土体饱和重度的设计取值是γs=21kN/m3。淹没率取值：HSR=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0。

其他参数具体见下表。

特定淹没率下的膜防渗渠侧坡稳定安全计算参数表

2.2 计算结果及分析

特定淹没率下的膜防渗渠侧坡稳定安全系数计算结果见图5～图9。

图5 坡角β与安全系数关系

图5显示，随着渠道坡角β的逐渐增大，安全系数呈现伴随降低的趋势，同时淹没度取值越高，膜防渗渠侧坡稳定安全系数越发降低。

图6 坡长L与安全系数关系

图6显示，随着渠道坡长L的不断加大，安全系数呈现伴随降低的趋势。当渠道的坡长L超过3m时，各淹没度的影响基本趋于一致。

图7 摩擦角δ与安全系数关系

从图7中可以发现，随保护层和塑膜间摩擦角δ的增大，渠道侧坡的稳定安全系数呈现加强的趋势，但淹没度数值越大，安全系数越低。各淹没度下的摩擦角δ与渠道侧坡安全系数关系曲线几近平行。

图8显示，随土体内摩角φ的增加，渠坡安全系数呈伴随增大趋势，而且淹没度的取值越大，渠坡安全系数就越发降低。各淹没度下的内摩角φ与渠道侧坡安全系数关系曲线几近平行。

图8 内摩角φ与安全系数关系

图9 保护层厚度h与安全系数关系

图9显示，随土保护层厚度h的增加，渠坡安全系数呈现伴随增大趋势，而且保护土层越厚，淹没度给安全系数带来的影响就越显著。

在δ=22°、h=5.0m、φ=35°、L=2m、β=30°的参数条件下，淹没度与侧坡安全系数的关系见图10。

图10 淹没度与安全系数关系

图10显示，安全系数总是随着淹没度的加大而呈现下降趋势。

上述分析揭示，随渠坡长度L、坡角β以及淹没度PSR、HSR的加大，渠道侧坡稳定安全系数Fs呈现下降趋势；随保护层和塑膜间的摩擦角δ、保护层厚度h和土体内摩角φ的加大，由Fs所表示的防渗渠侧坡的稳定安全系数呈提高趋势。这为渠道设计和施工合理选择参数，确保塑膜保护层渠道的侧坡稳定提供了基本的参数指引。

3 衬铺塑膜寒区防渗渠道冻胀应力及其破坏性分析

塑膜虽然具有较好的防渗性能，但在寒区封冻前也容易促使渠床过渡层的含水量超标，助长冻胀应力破坏加剧，造成混凝土防护层的冻害破坏。混凝土衬铺塑膜寒区防渗渠的基本结构见图11。

图11 混凝土衬铺塑膜防渗渠的基本结构1-混凝土保护层；2、4-防渗过渡层；3-塑膜防渗膜；5-渠基

3.1 渠道衬砌体冻胀破坏分析

土是一种多相多孔的松散性介质，诸如有机质、矿物颗粒、孔隙气和孔隙水等土质成分的组合与排列基本是随机性的和无序状态的。冻结应力能够给土体施加外在作用应力，会促使渠道土体发生冻胀过程。冰的密度是0.92t/m3，水的密度是1t/m3，土中的水一旦冻成了冰，则其体积要发生9%的膨胀，进而形成冻胀力推开土体颗粒成分。

土体自由水一般不会受到土颗粒电子的吸引力影响，比较易于冻结，但孔隙中也存在结合水。由于结合水易于受土粒电子较强的吸引力影响，因此，也不易发生冻结。一般情况下，土颗粒越细微，则受电子引力影响越强烈，其冻结的速度也越缓慢，因此先冻结的土体自由水，通常为大孔隙中存在的自由水。之后是小孔隙中的水发生冻结，使大颗粒继续移动退离，这是冻结过程中经常出现的土颗粒垂直移动现象，学术界称此现象为热筛效应。

在土体冻结过程中，冷锋面方向的水分发生迁移现象。当迁移流速增加到一定程度时，会促生微小土颗粒对流迁移；冻结会促使土体孔隙及颗粒发生一定程度的有序组合和排列，原先无序随机性的组合排列，逐渐向有序演变。这样的过程往往在一定程度上使土体基本密度降低，从而产生削弱土体抗剪强度的后果，使渠道侧坡的安全稳定性能深受影响。

另外，在暖冰透镜之底面，直至冻结锋面，存在着一个特殊区间，这里不但导湿率低而且含水量也低，基本无冻胀发生，学术界把这个地带称冻结缘。冻结缘厚度状态呈现随冻结历时而变化的规律。研究发现，在无结构联系区间，最易于出现分凝冰层。分凝冰层的水分，可以说基本上都是经冻结缘于未冻区域获取。且随着温度在冷锋面的逐渐降低，分凝处温度也相伴随而降低。土体冻结进程中，一般可形成几个或多个的分凝冰层。根据冰水平衡原理，未冻水在冻结体系中会不断从高温端迁移向低温端。未冻水终将成冰，其体积必然增大，从而致生冻胀应力。而其剪应力一旦对材料的抗剪强度有所突破，则剪切破坏随即发生。

3.2 衬砌体冻胀破坏形式分析

温度较低时，冷凝水把衬砌层及其下冻土层牢牢地冻结为一体，使两者构成互为约束的一个整体。当冻胀力超过了防护材料的约束极限时，渠道防护层就将遭到冻胀破坏。渠道冻胀破坏的形式一般有以下四种：

a.鼓胀及其裂缝。较大尺寸的现浇筑混凝土板，在顺水流方向上，易于发生冻鼓胀和裂缝。缝位经常发生在渠底中部或者侧坡坡脚以上1/4～3/4的坡长范围内。

b.滑移坍塌。由于冻胀架空或者冻胀隆起，致使坡脚支撑遭到损坏，于是衬砌板的垫层也就基本失去了平衡，一旦基土融化，板块上部向下顺坡错位、滑移或互相穿插，形成滑塌。

c.隆起架空。此现象多发生在地下水位比较高的渠段。渠底中部、水面或坡脚以上0.5～1.5m坡面处，易于发生隆起架空现象。

d.整体抬升。在冻胀力的作用下，对于混凝土小型U形渠道、弱冻胀地区以及衬砌的整体性较好渠道，易于发生混凝土衬砌的整体抬升。

3.3 渠床的冻胀规律及其影响因素分析

渠深0.2m的渠床土体含水量、冻胀量以及冻胀历时的基本规律见图12。

图12 渠深0.2m的渠床土体含水量、冻胀量以及历时的关系曲线

图12显示，在含水量不同的状态下，渠床内的各点其膨胀量是完全不同的。因为渠底的含水量始终相对较高，因此其膨胀量也相对较大，此处混凝土防护层承受的膨胀应力也相对较大。正是因为渠床各处膨胀量存在的不同和差异，致使渠床混凝土防护层始终面临冻胀的考验。

4 结 论

本文围绕寒区混凝土衬砌梯形渠道的冻胀破坏应力关系，对寒区灌溉渠道发生的冻胀现象破坏机理及影响因素，进行了科学计算和针对性分析，获得了渠道坡长L、坡角β、土保护层厚度h、土体内摩擦角φ、渠/膜摩擦角δ等因素与衬铺塑膜防渗渠道的侧坡稳定的影响规律。研究表明，随渠坡长度L、坡角β以及淹没度PSR、HSR的增加，渠道侧坡稳定安全系数Fs呈下降趋势；随保护层厚度h、土体内摩擦角φ以及膜土摩擦角δ的增加，渠道侧坡稳定安全系数Fs呈加强趋势。此研究结果为寒区衬铺塑膜防渗渠道的设计和施工合理选择参数，确保塑膜保护层渠道的侧坡稳定，提供了参数参考。