引黄济青东营段渠道破坏原因分析及修复处理

李肖男，杨 波，陈 盟

(山东省调水工程运行维护中心东营分中心，山东 广饶 257300)

0 引 言

2018年和2019年汛期，受强台风影响，引黄济青东营段输水干渠沿线地区持续发生特大暴雨，引起大面积洪涝灾害。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，渠道内外地下水位差大幅频繁变化，造成渠道衬砌发生不同程度的破坏，严重影响渠道正常运行。

目前，对于渠道稳定计算，一般采用SL 386-2016《水利水电边坡设计规范》中的简化毕肖普法和有限元软件Geostudio的SEEP/W模块。但简化毕肖普法只考虑了力的平衡，而忽略了力矩的平衡条件，只适用于圆弧滑裂面[1]；而有限元法受建模水平、边界条件以及荷载工况的影响，其模拟的还原度不能保证，精确度浮动比较大[2]。此外，以上方法大都从1～2个指标出发来分析破坏机理，较少综合考虑多个指标[3]。为此，本文在对引黄济青东营渠段损毁情况进行现场调查的基础上，从渗流稳定、抗滑稳定、抗浮稳定、排水能力及台风期间运行工况等方面，综合分析了渠道损毁原因，并针对不同破坏形式提出了相应处理措施。

1 典型渠段情况

1.1 设计概况

在渠道初步设计中，衬砌型式为半断面衬砌+全断面铺设复合土工膜，即边坡采用6 cm厚预制混凝土板+复合土工膜+聚苯乙烯保温板，渠底只防渗不衬砌，采用0.5 m厚当地土覆盖渠底土工膜并压实[4]。后期施工中，渠底设计变更为采用6 cm厚预制混凝土板+0.5 m厚当地土+复合土工膜的设计断面，渠道边坡衬砌型式不变(图1)。

图1 渠道(一期)典型断面(尺寸单位：mm)Fig.1 Typical section of the channel (Phase I)

排水减压采用40 cm×40 cm管沟回填中粗砂埋设直径15 cm塑料排水盲管方式，排水盲管用300 g/m2的土工布包裹，间隔54 m安装逆止式排水器和出水管。

1.2 水毁情况

受2018年“温比亚”、2019年“利奇马”强台风影响，引黄济青东营段输水干渠沿线地区普降特大暴雨，发生大面积洪涝灾害，造成沿线衬砌渠道发生不同程度破坏(图2，3)。破坏形式主要为：

图2 衬砌板隆起Fig.2 Lining slab uplift

图3 坡面塌陷Fig.3 Slope collapses

(1) 渠坡衬砌板隆起。渠坡齿墙以上几层板普遍出现不同程度的鼓胀、隆起，衬砌板缺失的地方土工膜鼓包、内水压力大。

(2) 衬砌板勾缝开裂。渠坡上部衬砌板普遍滑移，严重渠段勾缝开裂宽度达到1～3 cm。

(3) 分缝PT胶泥脱落。衬砌板隆起邻近部位大多伴随着伸缩缝PT胶泥的浮起、脱落。

(4) 坡面塌陷。部分渠段出现坡面塌陷、衬砌层凹凸不平现象。

(5) 滑坡。多处渠段边坡出现滑坡、土工膜受损缺失、衬砌板大面积滑落渠底的情况。

2 渠道破坏原因分析

2.1 渠道渗流稳定分析

2.1.1 渗流计算工况

对典型断面(桩号59+625)进行有限元复核计算分析，各土层渗流计算参数取值详见表1。复核计算主要针对台风过境前(正常运行)、台风刚结束后这两种具有代表性的时间点进行分析，计算结果见表2。

表1 各土层渗流计算参数取值

表2 有限元计算结果统计

2.1.2 渗流计算分析成果

由渗流计算结果可知，在台风过境前即渠道正常运行时(工况2，4，6)，渠内水头大于衬砌混凝土板底部最大水头，不会发生衬砌隆起破坏。当台风过境后(工况1，3，5)，由于地下水位逐渐抬升，衬砌混凝土板底部最大水头已远超渠内水头，此时，在高水头差的作用下衬砌混凝土板可能会发生隆起破坏。

2.2 衬砌渠道稳定分析

根据《水工设计手册(第2版)第9卷 灌溉、排水》和渠道的运行工况，对衬砌、防渗体等进行稳定复核，稳定复核的荷载组合与安全系数控制标准见表3。

表3 衬砌渠道稳定计算工况、荷载及安全系数

2.2.1 衬砌渠道边坡抗滑稳定分析

衬砌混凝土板下铺设复合土工膜、保温板，滑动面可能位于衬砌混凝土板与复合土工膜之间、复合土工膜与保温板之间、保温板与基土之间。在以上可能的滑动位置中，保温板与基土之间的摩擦系数会随基土饱和状态发生变化，为最不利滑动面。因此，针对此滑动面计算渠坡衬砌混凝土板的抗滑稳定安全系数，摩擦系数在非饱和状态下取0.5，饱和状态下取0.4，渠道边坡坡比1∶2。

图4表明：在不考虑齿墙支撑时，正常设计工况下，边坡膜下排水功能正常，渠道内外水压力相等，衬砌混凝土板的下滑力及摩阻力由衬砌混凝土板自重产生。水上部分衬砌混凝土板板重按浮容重计，抗滑稳定安全系数为1；水下部分衬砌混凝土板板重按浮容重计，抗滑稳定安全系数为0.8。施工期及检修工况下，渠道内无水，渠道外正常排水，衬砌混凝土板抗滑稳定安全系数为0.8。非常工况时，渠道水位骤降0.3 m，此时渠道外地下水没有及时下降，外水压力大于内水压力，水下部分衬砌混凝土板板重按浮容重计，抗滑稳定安全系数为0.74。可见，在不考虑齿墙支撑时，各工况下衬砌混凝土板抗滑稳定均不能满足要求，需考虑边坡底部齿墙支撑，以增强衬砌混凝土板抗滑稳定性。在考虑齿墙背后1.2倍静止土压力后，各工况下衬砌混凝土板抗滑稳定均能满足要求，见表4。

图4 渠坡衬砌混凝土板及齿墙受力分析(单位：cm)Fig.4 Calculation results of loading of canal slope lining concrete and tooth wall

2.2.2 衬砌混凝土板抗浮稳定计算

衬砌混凝土板抗浮稳定系数可由下式计算：

(1)

表4 渠道衬砌混凝土板及齿墙抗滑稳定计算成果

取单位面积进行衬砌边坡抗浮稳定计算，工况如下：

(2) 施工及检修工况。渠道内无水，渠道外正常排水，衬砌混凝土板下无扬压力，满足要求。

(3) 水位骤降。非常工况时，渠道水位骤降0.3 m，此时渠道外地下水没有及时下降。假设衬砌混凝土板顶面水压力为零，扬压力直接作用于土工膜下，此时分析采用衬砌混凝土板的饱和容重25 kN/m3，Δh取0.3 m，则抗浮稳定系数Kf为0.5，不能满足要求。当台风过境后，地下水位逐渐抬升，衬砌混凝土板底部最大水头已远超渠内水头，此时衬砌混凝土板在高水头差的作用下容易发生隆起破坏。

2.3 排水能力分析

选择对衬砌工程最不利的水位组合[6]进行排水计算，即输水渠无水、渠道外地下水位最高的时期。该组合条件下的水位差最大，扬压力大、排水流量也最大。根据沿线新调整的地下水位、土质与渗透系数[7]计算排水流量，参照国际土地开垦和改良研究所著《排水原理和应用》(Ⅱ)中的霍赫浩特方程式：

q=(8kD1h+4kh2)/L2

(2)

式中：q为单位表面积的排水量，m3/s；k为渗透系数，m/s；h为地下水位至暗管水位的高度，m；L为暗管排水的影响范围，L=6 000hk1/2，m；D1为暗管水位至不透水层的等效深度，m。

输水渠两侧排水暗管的排水流量：

q双=q(L+B)/2

(3)

q单=q(L+B)

(4)

上式中：q双，q单分别为两侧和一侧暗管单位长度的排水流量，m3/(d·m)；B为输水渠两侧暗管间的距离，m。

排水器出水管出流计算，按水力学中短管出流的情况考虑[8]：

(5)

式中：Q为出水流量，m3/s；μc为出水流量系数；ω为出水管断面面积，m2；z0为水位差，m。经计算，出水管直径d=8 cm，排水流量Q=2.78×10-3m3/s。

根据以上公式计算，渗透系数k=6×10-4m/s，台风期间h取3 m，计算得单位长度排水流量q′=4.01×10-5m3/(s·m)时，所需排水器间距69.5 m，实际采用间距54 m。该工程膜下排水采用逆止阀+排水管的形式，故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。根据排水能力计算结果，在逆止阀有效的情况下，排水器个数满足排水要求。若排水器的有效率降低至75%以下，排水器的总排水能力低于渗透流量，渗水不能及时排出导致防渗土工膜下扬压力增大，将会造成渠道衬砌混凝土板破坏。

2.4 台风期运行工况分析

2018年8月18～19日，受“温比亚”台风影响，小清河子槽所处的博兴县、广饶县境内普降特大暴雨，工程沿线短时降下200 mm大暴雨。按照上级调度指令，引黄济青东营段输水河渠道承担了应急泄洪任务，台风来临前，渠道内水位约2 m(水深1 m左右)，与地下水位基本持平。台风期间，地下水位急剧升高，渠道外可见明水，水位约4～5 m，持续时间较长，同时渠道蓄满，承担应急泄洪任务，水位4.5 m左右，泄洪任务完成后渠道基本排空。由于短时间内渠道水位发生反复急剧变化，而连续强降雨又导致地下水位居高不下，当渠道内水排空后渠道内外水位差超过0.5 m，容易发生衬砌破坏。

2019年8月10～15日，受“利奇马”台风影响，工程沿线降下258.3 mm大暴雨，引黄济青东营段输水渠道再次承担了应急泄洪任务。渠道运行情况同2018年基本一致，此次渠道外明水水位更高，持续时间更长(渠道内外水位变化过程见表5)，发生衬砌破坏的可能性加大。

表5 渠道内外水位变化过程

2.5 综合分析

综上，“温比亚”台风和“利奇马”台风过境期间，渠道外地下水位显著上升，渠道内外水头差增大，导致渠道边坡衬砌混凝土板底部所受扬压力增大，衬砌混凝土板下保温板与基土之间的摩擦系数随基土的饱和状态发生变化，导致摩阻力降低，边坡抗滑稳定安全系数降低。而且，边坡底部齿槽受到上部传递的荷载增加，可能造成齿墙位移。同时，上层衬砌混凝土板在底部衬砌混凝土板隆起后失去支撑，并在扬压力的作用下向下滑动。不同渠段的土层类型不同、渗透系数不同，导致台风过境期间发生不稳定渗流。在以上几种不利因素的综合作用下，渠道发生勾缝开裂、滑坡、隆起、塌陷等现象。

3 修复处理

3.1 隆起段修复

拆除发生位移的齿墙压顶板以及发生隆起、滑坡面的预制板，拆除范围为沿坡面4.3 m的高度(10行预制板)。用脚手架撑起边坡上部未破坏的预制板，以防止其发生位移；拆除土工膜和保温板，清理厚度范围10 cm的表层土，整平坡面。渠道齿墙以上沿坡面4.3 m高度分别铺设10 cm中粗砂、土工布、聚苯乙烯保温板(阴坡厚3 cm，阳坡厚2 cm、带孔透水)、预制混凝土板(6 cm厚预制带孔混凝土板与旧预制板梅花型交叉铺设)(图5)。上部破坏的边坡采用原设计方案恢复，即利用完整的旧预制板重新砌筑。土工布与土工布之间施工搭接长度20 cm；土工布与原土工膜采用缝接方式连接，搭接长度不小于20 cm；土工布与齿墙衔接处，土工布插入土体深度(与齿墙贴合)不小于20 cm。

图5 边坡衬砌结构(单位：mm)Fig.5 Slope lining structure diagram

3.2 滑坡、塌陷渠段修复

拆除清理发生滑坡和塌陷渠段的预制板、土工膜、保温板、清理厚度范围10 cm的表层土，运至渠道外，然后人工回填土方、整平坡面(坡比与原设计相同)并夯实。渠道齿墙以上沿坡面4.3 m高度分别铺设10 cm中粗砂、土工布、聚苯乙烯保温板(阴坡厚3 cm，阳坡厚2 cm、带孔透水)、预制混凝土板(6 cm厚预制带孔混凝土板与旧预制板梅花型交叉铺设)。上部破坏的边坡采用原设计方案恢复，即利用完整的旧预制板重新砌筑。

3.3 勾缝、伸缩缝修复

坡面发生勾缝开裂的渠段一般位于发生隆起、滑坡渠段的上部边坡，多为局部多行勾开裂，裂缝宽度几毫米至几厘米不等，如不修复勾缝，下部预制板可能无法砌筑或砌筑后外观质量不合格。根据现场情况，对发生勾缝开裂的渠段按照原设计断面进行修复，即拆除现状预制板并清理后重新采用M15水泥砂浆填充砌筑，预制板下层土工膜和保温板保持原样。

对于PT胶泥出现脱落的伸缩缝，将整条伸缩缝全部清理干净，然后按下部填充4 cm厚闭孔泡沫板，上部填充2 cm 厚PT胶泥进行原状恢复。

4 修复效果复核

4.1 衬砌边坡抗滑稳定

根据《水工设计手册(第2版)第9卷 灌溉、排水》与渠道的运行工况对衬砌、防渗体等进行稳定复核，稳定复核荷载组合与安全系数控制标准见表6。

表6 衬砌渠道稳定计算工况、荷载及安全系数

混凝土衬砌板下铺设土工布、保温板(带孔)，滑动面可能位于混凝土与保温板、保温板与土工布、土工布与基土之间。在以上可能的滑动位置中，土工布与基土之间的摩擦系数会随着基土的饱和状态发生变化，为最不利滑动面，因此针对此滑动面计算渠坡衬砌板的抗滑稳定安全系数，非饱和状态取摩擦系数0.5，饱和状态取0.4。渠道边坡坡比1∶2。

边坡衬砌结构由原设计的全断面防渗改为透水结构。在正常工况和非常工况下，边坡土工布功能正常，渠道内外水压力相等，混凝土板的下滑力及摩阻力由混凝土板自重产生，水下部分混凝土板重按浮容重计，考虑齿墙支撑作用；各工况下，衬砌板抗滑稳定安全系数均大于1.3，满足要求。

4.2 渠道渗漏流量计算

渠道渗漏量根据GB 50288-2018《灌溉与排水工程设计标准》计算水量损失率：

(6)

式中：σ′为受地下水顶托的单位长度渠道渗水损失率，%/km；ε′为受地下水顶托的修正系数，取0.34；Qdj为渠道净流量，m3/s；K为土壤透水性系数，壤土取1.9；m为土壤透水性指数，壤土取0.4。

渠道净流量36 m3/s，计算单位长度渠道渗水损失率0.15%/km，即1 km渠道流量损失0.055 m3/(s·km)。本次改造的渠道总渗漏损失2万m3/d。采用有地下水顶托的土质渠道计算，未考虑渠道衬砌和渠道底防渗的影响，本次计算渗流量可能偏大。

4.3 渠道浸没影响分析

计算渠道修复完成后正常运行期的浸没影响。根据地勘资料，渠道边坡地层分布为填筑土、壤土、黏土，按照设计水位运行期产生稳定渗流，符合达西定律的非均各向异性二维渗流场[9]。利用Autobank软件进行渗流计算。Autobank采用节点流量平衡法，通过迭代计算自动确定浸润线位置和渗流量[10]。根据水文地质资料，拟定两种计算工况分析渗流，工况一为渠道内设计水位4 m，地下水位3 m；工况二为渠道内设计水位4 m，地下水位1 m。衬砌边坡为透水结构，计算模型中不考虑压力水头折减(图6，7)。

图6 工况一计算结果(单位：m)Fig.6 Working condition Ⅰ calculation results

图7 工况二计算结果(单位：m)Fig.7 Working condition Ⅱ calculation results

对于工况一，经计算，浸润线缓慢下降，水力坡度为0.012。对于工况二，经计算，浸润线缓慢下降，水力坡度为0.16。根据渠道正常运行期渠道渗漏稳定计算成果，渠道渗漏出溢点高程与渠道外地下水位相等，浸润线水力坡度随地下水位增高而减小，渗漏量随之减少。该渠道自20世纪80年代运行以来，两侧耕地未产生盐渍化现象。综上，将土工膜防渗边坡改为透水混凝土护坡后，正常年份渠道输水期间对渠道两侧田地基本无浸没影响。

5 结 语

本文以引黄济青东营段为例，采用有限元渗流计算、抗滑稳定分析、抗浮稳定分析、排水能力计算及运行工况分析等方法分析了台风强降雨导致渠道损毁的原因。通过将土工布替换土工膜、透水混凝土板替换部分旧板、设置强透水性排水砂垫层、调整保温板位置等措施，对损毁渠段进行修复处理，提高了边坡稳定性，保证了渠道运行安全。研究成果可为类似渠道破坏机理研究与修复处理提供技术指导与经验借鉴。