渠道衬砌边坡破坏机理研究与对策

李肖男，马永林，杨 波，王跃滨

(1.山东省调水工程运行维护中心东营分中心，山东 东营 257300；2.济南市水利建筑勘测设计研究院有限公司，山东 济南 250101)

引黄济青工程是山东省骨干水网工程，也是南水北调东线工程的重要组成部分[1]。该工程自博兴县打渔张引黄闸引取黄河水、城南节制闸调引长江水，途经滨州、东营、潍坊、青岛4市、10个县(市区)，至青岛白沙水厂，全长290km。该工程自1989年11月建成通水以来，累计调水110.36亿m3，有效缓解了胶东地区的水资源供需矛盾，为胶东地区社会经济发展提供了安全可靠的供水支撑和保障。近年来，受极端气候因素和防汛调度影响，部分渠段出现衬砌隆起、勾缝开裂、渠面凹陷、边坡坍塌甚至滑坡等破坏现象，严重影响工程运行安全。其中，以该工程东营段渠道破坏较为典型。本文在对该工程典型渠段地质勘察、现场检查、现场检测和渗压监测的基础上，针对典型断面台风过境前后的不同工况建立有限元模型进行渗流稳定性分析，明晰水位骤变情况下渠道衬砌边坡破坏机理，对渠道损毁维修与破坏预防提供技术指导与借鉴。

1 现状渠道典型断面

引黄济青东营段输水干渠位于东营市广饶县境内，渠道衬砌型式为全断面衬砌+全断面铺设复合土工膜，即边坡采用厚6cm预制混凝土板+复合土工膜+聚苯乙烯保温板(阳坡侧厚2cm、阴坡侧厚3cm)，渠底采用厚8cm现浇混凝土板(部分渠段为预制混凝土板)+复合土工膜+厚10cm中粗砂，现状渠道典型断面如图1所示。

图1中渠底宽14.2m，边坡1∶2，左岸堤顶宽4m，右岸堤顶宽8m。排水器及排水器出水管间隔为12m，如图2所示。

图1 现状渠道典型断面(单位：mm)

图2 现状渠道排水细部结构(单位：mm)

2 渠道衬砌损毁情况

2019年8月10日9时—12日11时，受“利奇马”台风的影响，东营全市平均降水量322mm，其中东营区351.3mm、广饶367.2mm。整个降雨过程，降水量折合水量超过5亿m3，相当于黄河利津段6d的流量，为东营市有气象记录以来的最强降雨。按照防汛调度指令，该段工程承担应急泄水任务。泄水期间渠道水位骤升骤降，渠道内外水位差大幅频繁变化，使得衬砌渠道普遍遭到不同程度破坏，破坏形式主要表现为为衬砌板隆起、砌筑缝开裂、渠坡塌陷、滑坡及渠底隆起等，如图3—6所示。

图3 衬砌板隆起

3 典型渠段现场检查与检测

3.1 现场检查

为了检查混凝土衬砌板的损毁面以及渠道排水系统的有效性，在渠道左右堤选择了10个检查点进行现场检查。

(1)衬砌损坏部位及土层检查。在10个检查点均掀开损坏的混凝土衬砌板，观察边缘，从上到下依次是混凝土板、土工膜、保温板和下部土层，结构完整且接合较为紧密；除了局部位置周边混凝土板间缝隙较大之外，周边混凝衬砌土板绝大部分没有明显错台，比较完好。

图4 砌筑缝开裂

(2)排水盲沟开挖检查。在10个检查点对为排水减压而设置的40cm×40cm排水盲沟进行开挖检查。检查结果表明：盲沟内回填的中粗砂较完整，包裹排水盲管的土工布均完好，打开土工布后可以看到塑料排水盲管没有明显堵塞情况发生。盲沟排水结构基本完好，排水功能基本正常。

3.2 脱空检测

为了检测原渠道衬砌损坏区域及其附近的混凝土衬砌板与渠坡的脱空情况，在渠道左右堤选取了15处检测区域，采用美国GISS公司生产的SIR-4000地质雷达系统进行现场检测。检测结果表明，渠道基本不存在明显的混凝土衬砌板与渠坡脱空现象。

图5 渠坡塌陷

图6 滑坡

4 渗流稳定分析

因渠道在经历强降雨后普遍出现衬砌隆起等损坏问题，需要重点对渠道衬砌的抗浮稳定进行研判。当渠道衬砌板的厚度和材料性能一定时，保证渠道衬砌层抗浮稳定的关键在于控制其两侧压力水头差的大小，也就是说抗浮稳定性的关键就是通过渗流场的有效控制，将压力水头差限制在合理范围内[2]。因此，对渠道的复核计算分析需重点针对渠道的渗流稳定。

4.1 复核计算工况

为深入探究渠道衬砌损坏的原因，需对典型断面(60+500)进行有限元复核计算分析。本次复核计算主要针对“利奇马”台风过境前(正常运行，工况2、4、6)、“利奇马”台风刚结束后(工况1、3、5)，这2种具有代表性的时间点进行，具体见表1。

表1 复核计算工况 单位：m

4.2 有限元模型介绍

计算采用Geostudio的SEEP/W模块，分析方式采用稳态分析。

4.2.1渗流计算理论

渗流分析基本方法式采用达西定律，达西定律在非饱和和饱和区的应用是一样的[3]。计算时，使用平面二维渗流方程：

(1)

式中，h—水头，m；kx—x方向的渗透系数，m/s；ky—y方向的渗透系数，m/s；Q—应用边界渗流量；θ—土体储水量；t—时间，s。

等式右端为土体储水变化率，该方式适用于瞬态分析。[4]如果等式右端等于0，即土体储水不变时，即为稳态分析。[5]

4.2.2渗流分析建模

渗流分析以竣工图典型标准横剖面作为计算剖面。由图1可知，断面桩号60+500。

渗流分析计算参数取值准确与否，直接影响到计算结果以及对渠道方案优化设计的评价。因此，本文参数的选取是在对工程地质作勘察及土工试验成果仔细分析的基础上[6]，为了更合理地反映工程实际，复核计算参数将针对地勘报告的建议值、对应桩号的钻孔试验值以及最不利的参数组合值进行分别计算，具体计算参数见表2。

表2 参数取值 单位：cm/s

渗流计算建模的主要步骤如下。

(1)建立坐标轴及栅格点。坐标轴x方向为距离，y方向为高程；栅格大小根据需要进行修改，本次计算最先设定栅格点大小为1m×1m。

(2)依据前步的设置，建立基于点线面的几何模型。建模时，地层划分严格按照地勘情况。从堤顶往下依次为填筑土(层底平均标高1.43m)，壤土(层底平均标高-2.07m)，黏土(10.00m范围内未穿透)。

(3)给渠道断面赋予材料属性。具体参数取值见表2。

(4)网格划分。针对典型断面(桩号60+500)进行相关有限元计算。有限元几何模型完全按照竣工图进行，对逆止阀等细部构造进行准确构建。有限元模型采用四边形网格进行划分，网格平均尺寸为0.3m左右。断面桩号60+500具有5643个单元，5841个节点。网格剖分完成后的有限元模型如图7所示。

图7 断面60+500有限元模型(单位：mm)

(5)边界条件。本次复核计算主要针对“利奇马”台风过境前(正常运行)、“利奇马”台风刚结束后，这2种具有代表性的时间点进行。见表3。这里需要指出当地下水位高于渠道内部水位时[7]，逆止阀开始排水，此时将逆止阀顶部边界设置为渠道水头。当地下水位低于渠道内部水位时，逆止阀关闭[8]，此时需将逆止阀顶部设置为不透水。

表3 边界条件 单位：m

4.3 渗流稳定分析结果

详细的工况介绍见表1。具体的计算结果见表4，如图8—13 所示。

图8 工况1渗流总水头等值线分布(单位：mm)

表4 有限元计算结果统计 单位：m

5 衬砌损坏原因分析

5.1 衬砌损坏主要原因

从渠道渗流稳定角度来看，维持渠道衬砌抗浮稳定的力主要有渠道内水的压力和衬砌板自身的重力。在集中降雨入渗时，渠堤内部地下水位显著升高，渠道衬砌层下的水压力增大。当渠堤内部地下水不能有效排出，且渠堤内部水压力明显高于渠内水压力时，在地下水的浮托作用下，将可能使得渠道衬砌板向上浮动，进而引发渠道衬砌损坏。具体分析如下。

图9 工况2渗流总水头等值线分布(单位：m)

图10 工况3渗流总水头等值线分布(单位：m)

图11 工况4渗流总水头等值线分布(单位：m)

图12 工况5渗流总水头等值线分布(单位：m)

图13 工况6渗流总水头等值线分布(单位：m)

5.1.1衬砌板抗浮要求

衬砌板抗浮稳定系数计算公式为：

(1)

经计算可得，①运行期：衬砌板处于水中，取Kf≥1.1，衬砌板的厚度0.06m，混凝土衬砌板浮容重取15kN/m3时，则要求Δh≤0.08m；②检修期：假设衬砌顶面水压力为零，水压力直接作用于土工膜下，此时分析则采用混凝土衬砌板的饱和容重25 kN/m3，厚度0.06m，当安全系数Kf≥1.05时，则要求Δh≤0.15m。即运行期必须满足衬砌板底部最大水头不能高于渠道内水头8cm，检修期间衬砌板底部最大水头不能高于渠道内水头15cm。

5.1.2台风期间渠道设计运行情况

2019年8月10日9时至12日11时，在“利奇马”台风的影响下，渠道周围地下水位上涨了约1.67m，地下水位高出渠道内部水位约0.8m。高水头差导致土工膜底部扬压力过大，抗浮稳定不达标。

根据“利奇马”台风过境前、过境后时段的衬砌板最大水头差，渠道衬砌抗浮稳定计算结果见表5。

表5 有限元计算结果统计

根据计算分析可知，①在“利奇马”台风过境前即渠道正常运行时(工况2、4、6)，因渠内水头大于衬砌板底部最大水头，不会导致衬砌破坏。②“利奇马”台风过境导致地下水位逐渐抬升，衬砌板底部最大水头减去渠内水头已经远超过8cm(工况1、3、5)，各工况的抗浮安全系数均小于1.0。台风过境带来的渠道内外高水头差作用可导致渠道衬砌发生隆起破坏。

从渠道实际运行情况也可以看出，工程采用的1排逆止阀不能满足“利奇马”台风降雨条件下充分排出渠外地下水、降低衬砌底板下水头的要求。

5.2 其他可能原因

5.2.1排水系统失效

前述复核计算基于排水系统性能正常的基础进行。其中盲沟作为堤身排水体系有效性的重要组成部分，其渗透性对渠道衬砌层抗浮稳定性影响显著。逆止阀的启闭对逆止式排水系统功能的正常发挥起关键作用，若逆止阀不能正常开启，或排水能力不强，则渠道衬砌层可能因受到的水压力差过大而浮动破坏。

现场对排水盲沟的开挖检查结果表明，盲沟内回填的中粗砂较完整；包裹排水盲管的土工布均完好[10]；排水盲管没有明显堵塞情况发生。由此认为盲沟排水功能基本正常，与渠道衬砌损坏原因相关性较小。

5.2.2冻胀冻融破坏

一般高地下水位在冬季易出现土体冻胀和冻融破坏问题[11]。渠道改扩建设计已考虑冻胀和冻融破坏。如阳坡采用厚度为2cm，阴坡采用厚度为3cm的聚苯乙烯保温板的防冻胀工程措施。

根据地质资料和现场查勘情况来看，因渠道所在区域冬季少雨干旱，发生冻胀和冻融破坏问题的可能性较小。此外，经现场调研和资料分析认为，冬季引黄济青渠道正常输水，此时渠道内水位相对较高，结合渠道衬砌损坏主要发生在渠坡底部的现状，可以认为采取防冻胀工程措施后，渠道衬砌损坏与冻胀或冻融的相关性较小。

6 建议与对策

当地下水水位高于渠底高程或渠内水位时，刚性渠道衬砌层将可能因底面水压力过大而产生浮动破坏[12]。为增加渠道衬砌结构的抗浮稳定性，必须因地制宜，根据地质条件的不同做好工程措施的“加减法”。“加法”是指通过增强衬砌结构自身的结构稳定性，包括增加配重、异形结构、锚固抗浮等；“减法”是指通过完善降排水系统，消减作用在衬砌结构下的水压力。根据引黄济青改扩建工程实际情况，为减少渠道运行期间渗漏量，且能应对极端降雨条件，主要建议方案如下。

6.1 “加法”措施

(1)使用异形衬砌块，利用板与板之间的咬合力增加衬砌层结构稳定性。

(2)为抵抗过大的扬压力，可以适当增加混凝土衬砌板厚度。

(3)将渠道衬砌中保温板+复合土工膜(自下而上)结构调整为复合土工膜+保温板(自下而上)结构，消减高地下水位下保温板的一部分浮托力。

6.2 “减法”措施

(1)在渠坡防渗结构底部设置排水垫层。排水垫层由砂砾料或中粗砂等强透水性材料组成。此时，可形成排水垫层与既有逆止阀的联合工作，提高排水效率。

(2)可增加逆止阀的排数，即在断面上设置多层逆止阀，以促进排水。

(3)加大汇水盲沟断面面积和集水暗管的截面面积，提高排水系统的出流量。

7 结语

综合上述分析，连续强降雨造成地下水位显著升高，渠内水位骤升骤降，且堤身内部地下水位显著高于渠内水位是渠道衬砌损坏的主要原因。同时，无论是“加法”还是“减法”，都是增强渠道衬砌层稳定性、降低内外水头差破坏的重要举措。本文对类似渠道工程的损毁原因调查与水毁修复具有重要的技术指导与借鉴意义。但渠道衬砌边坡破坏是一个复杂而多变的问题，文中渗流模型未考虑逆止阀失效情况，仍有不足，在实际工程运用中，还应具体情况具体分析。