膨胀土渠坡混凝土斜墙防护的稳定及变形分析.pdf

设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1 2期 膨胀土渠坡混凝土 斜墙防护的稳定及变形分析 耿运生 李聚兴 周玉涛 王俊奇 李闯 ( 1 河北省水利水 电第二勘测设计研究院 河北石家庄 0 5 0 0 2 1 ； 2 华北电力大学可再生能源学院水利水电工程教研室 北京 1 0 2 2 0 6 ) 【 摘要】针对南水北调 中线一期工程总干渠邯邢段膨胀土渠坡的滑坡问题， 对采用混凝土斜墙防护方案进行了探讨。 采用几何非线性有限元法，对膨胀土渠段某典型断面斜墙的稳定、膨胀变形进行模拟，计算分级施工、运行的 3 种工况。计算结果表明，强度折减有限元法算得渠坡安全系数大于规范规定，斜墙膨胀量不致影响渠道安全。 【 关键词】 膨胀土渠道边坡斜墙强度折减法南水北调中线工程 【 DOI 编码】 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 4 1 2 0 0 8 【 中图分类号】 T V6 7 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 1 9 0 3 1 概述 南 水 北调 中线 一期 工程 总干 渠 邯邢 段 总 长 1 7 2 k m，其 中膨 胀土 ( 岩 )渠段 4 2 O l k m。挖方 渠段 4 1 5 9 k m，挖 深 l O m 之 内的 2 5 4 6 k m，挖深 1 0 1 5 m渠段 1 1 8 k m， 挖深 1 5 m 以上 的4 3 5 k m。 过水 断面 处于 强膨胀 性 岩土 渠段 3 6 5 k m， 中膨 胀 性 2 O 7 l k m，弱膨胀性 1 7 6 5 k m。地 下水高于 渠底 的渠 段 2 1 3 k m，其 中高 于一 级 马道 的渠段 长 1 2 k m。邯邢 渠段 的膨胀 土 ( 岩 )主要 分布在 邯 郸 ( 桩 号 1 0 + 6 5 0 6 8 + 3 1 5 )和 邢 台 ( 桩 号 1 0 9 + 7 9 8 l 2 3 + 0 4 9 )的部分渠段 。 膨胀土具有遇水膨胀 、失水收缩 、 快速崩解 、 超 固结、多裂 隙等特性。裂隙不仅破坏膨胀土 的整体性，而且为雨水的渗入提供了快速通道， 水分进 入土体后导致土体迅速 软化 ，大大降低 了 土 体的抗剪强度 ，从而诱发边坡发 生失稳破坏 。 对 膨 胀 土 渠段 的处 理 ，处 理原 则 是 以封 闭 土体减小含水量变化和利用换填层吸收膨胀变 形的思路进行处理，对应于强、中、弱膨胀土换 填 厚度 分别取为 2 5 、2 0和 1 O m。 对 于 膨 胀土 的膨 胀 量和 膨 胀 力 ，许 多学 者 作 了大量 工作 ，对 于不 同的矿物组成 ，膨胀特 性 不 同，同时膨胀 力与膨胀量 的相关性 也有 差异 。 如 果 单纯 以膨 胀 力来 进行 建筑 物 的加 固设计 或 者防护是不合理的，当土体有了一定的膨胀量， 膨 胀 力就 大 幅 降低 。引江 总 干渠 ，对 于 分块 接 缝处产生一定的错动，对于护坡而言是容许的。 基 于 此 ，作者 提 出 了利用 斜墙 进 行膨 胀 土渠 坡 的处理 ，一是利用斜墙 的压重 控制一部分变形 ， 二是容许斜墙存 在一定的变形但不致破坏 ，三是 在 斜墙 与 膨胀 土基 面 之 间设置 排 水垫 层 使裂 隙 水顺利排 出。 2 基本条件和设计方案 ( 1 )初步设计 阶段批 复方 案 南 水 北调 中线 总干 渠某 渠 段地 层 岩性 上 层 为强膨胀壤土 ，下层 为弱膨胀 性粘 土岩 ，渠道 为 全挖方 ，一级马道 高程基本 同地面 。 批 复 设计 方 案 为， 渠底 宽度 1 7 5 m，迎 水 面 坡 度 1 ： 3 5 ， 膨 胀 土 表 层 进 行 粘 性 土 换 填， 换 填 厚 度 2 5 m， 换 填 层 上 设 置 反 滤 料 (厚 1 5 0 mm)、 保 温 板 ( 厚 3 0 mm)、 土 工 膜 和 混 凝土衬砌板 ( 厚 1 O O mm)。 ( 2 )斜墙方案 防 护 结构 采用 钢 筋混 凝 土斜 墙 ，迎 水 面坡 作 者简介：耿运生 ( 1 9 7 3年一 )，男，教授级高级工程师。 1 9 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 l 2期 度 1 ： 1 5 ，项 部 厚度 0 6 m，底 部 厚度 2 m。斜 墙 沿渠道方向每 8 m设一道变形缝， 设橡胶止水带。 斜墙表层和底层设 置钢筋 网。 混 凝 土斜 墙 抗滑 稳 定 不满 足要 求 ，剩 余推 力 由横 向支撑梁承担 ，经计算 ，为达到允许安全 系数 ，每延米 斜墙剩 余推 力 6 0 k N。根据斜 墙分 块尺 寸 ，支撑 梁 间距 取 4 m。根据 支撑梁 承受 的 最大推力 ，考虑施工和受压稳定 的要求，确定 尺 寸为 0 5 1 0 m ( 宽 高 )，钢筋混凝 土结构 。 强膨 胀 土渠 段 ，实测 及预 计 地 下水 位 皆高 于渠底 ，为及 时排 除膨胀土裂 隙 内的地下水，在 斜墙 和膨胀 土接触 面设置 0 5 m 厚砂砾 排水层 ， 坡面排 水层与渠底 换填土下 的排水层连通 。排 水 层 粒 径 0 5 5 mm，d l 5取 0 7 mm， 不 均 匀 系 数大 于 l O 。 斜墙结构 图见 图 1 。 图 1 渠坡防护结构图 3 斜墙稳定及变形有限元分析 3 1 计算域选取 本 次计 算 选 取代 表 性 断面 ，各 断面 均按 照 三种工况计算 ，根据各项计算成果 ，分析评价渠 坡的安全系数 ， 确定其应力场 ， 计算膨胀变 形量 。 有限元法是 目前边坡稳定分析中广泛应用 的方法 ， 可以仿真模拟分步施工运行过程，确定 各阶段应力场 ，研究不 同工况渠道 工作性态 ，确 定渠道护坡稳定性 ，计算膨胀变 形量 。 使用 A B A Q U S软件，采用二维非线性有限 元分析 。以渠道 中线 为界 ，取结构 的一半进行模 拟 。 结构对称面 为法 向约束 ， 地基底 面法 向约束 。 地基 垂直和水平方 向分别延伸 开挖 深度和 宽度 的 2 0 3 倍。平面应变 4 结点减缩积分单元 ( C P E 4 R)。 3 2 分析步 根据计算 目的和要求，计算工况如下： 工况 l ：开挖渠道 ，垫层 、护坡施工完毕 ； 工况 2 ：正常运行 ，受渠道水压力和岸 坡 中 浮力 ； 工况 3 ：检修，渠道无水，岸坡作用渗透力。 根据计算工况，按照实际施工顺序，模拟基 坑开挖形成初始应力场、垫层和结构施工、强度 参数 折减等过程 ，设 置分析步 ，如表 I 。直到土 层 中塑性 区发展导致 最后计 算不收敛 中断为止 。 此时的折减幅度即对应折减安全系数 。 对强度参数 c和 进行折减 ，关系如下 ： C t a n l 一=一=一 c f t a n 1 计算 检 修 工况 时 ，考 虑 渗 透 力作 用 。为 简 化计 算 ，靠近坡面 处，假设水流渗透方 向与坡 面 平行 ，施加 渗透 力的水平和垂直分力 。参数折 减 过程中 ，部分区域变形较大 ，而 且材料刚度相差 悬殊 ，采用几何非线性分析 。 表 1 分析步设置 工况 包含的分析步和施加的荷载 应力 第 1 步：地基重力平衡，得到基坑开挖后的天 然地应力场 施工过 第 2步：下部垫层及挡墙旌工 程模拟 第 3步：上部垫层及挡墙施工 全量值 第 4步：施加荷载，模拟实际工况 第 5 步：折减参数求安全系数 3 3 材料参数 计算 断面材料参数如表 2 ，除混凝 土用弹性 模型外 ，其他材料用 Mo h r C o u l o mb模 型。 表 2 材料参数 密度 弹性 泊松比 粘聚力 内摩 剪胀角 材料 模量 擦角 p ) c ( 1 d P a ) o E ( Me O 0 地基粘 2 0 3 O 9 O 4 2 6 O 1 2 0 土 地基粘 土岩 2 0 5 0 1 5 0 3 5 3 0 0 1 7 0 C 2 0混 凝土 2 4 0 O 3 5 e 4 0 2 渠道中 换填土 2 0 0 0 1 8 O 3 2 6 2 5 0 砂砾石 垫层 1 8 0 0 2 0 0 3 5 3 5 O