大断面刚柔混合衬砌渠道的抗滑稳定计算

赵海蛟（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐830000）



大断面刚柔混合衬砌渠道的抗滑稳定计算

赵海蛟
（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐830000）

在渠道防渗中，复合土工膜作为防渗材料被广泛采用。复合土工膜作为防渗材料，与混凝土衬砌板共同组成渠道的防渗衬砌结构，而复合土工膜与渠道垫层、混凝土衬砌板的接触摩擦特性和边坡稳定性是渠道工程安全运行的关键。本研究通过复合土工膜与渠道垫层土料的摩擦特性试验，得到复合土工膜与渠道垫层土料之间的粘聚力和摩擦角。采用抗滑稳定安全系数理论，计算出在考虑或忽略粘聚力时抗滑稳定安全系数，来判断渠道边坡的稳定性。研究表明：粘聚力对抗滑稳定安全系数影响较大，考虑粘聚力的影响，整个防渗体的稳定安全系数将会更大，更加偏于安全。

刚柔混合衬砌渠道；摩擦特性；粘聚力；摩擦角；抗滑稳定

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.036

1 引言

灌区输水渠道采用防渗结构是减少渠道输配水损失、提高输配水效率的重要工程措施。渠道作为灌区水利工程的重要组成部分，其设计与施工需要注意诸多问题：衬砌结构冻胀问题、边坡稳定问题、防渗结构强度问题等等。边坡稳定问题是渠道工程设计、施工与运行中的核心问题，直接关系到渠道的安全运行和节水效益的发挥。

渠道边坡的稳定性及影响因素的分析研究成果已有很多，大量学者都以刚性混凝土衬砌渠道为研究对象，研究边坡稳定性、衬砌结构与垫层的摩擦特性，以及特殊土（黄土、膨胀土、盐渍土、分散性土和沙漠土等）渠道的稳定性，研究成果较多。对于采用刚性混凝土衬砌板与复合土工膜共同组成的防渗抗冻胀结构，近年来发展较快，这种复合衬砌渠道抗冻胀效果明显，冻胀变形与冻胀力分布更加均匀，是一种抗冻胀性能较好的衬砌结构。由于它是由刚性的混凝土板与复合土工膜共同组成的衬砌结构，其稳定性计算较为复杂，需要考虑复合土工膜与渠道垫层、混凝土衬砌板的接触摩擦特性，进一步对复合衬砌渠道的边坡稳定性进行评价。

关于复合衬砌渠道接触特性的研究成果较多。张广禹和李振灵通过室内试验，测定了复合土工膜与粗粒料、人工碎石土之间的摩擦系数，复合土工膜与垫层土料之间的摩擦系数与垫层土料的饱和状态有关。姜海波通过室内试验测得了复合土工膜与坝体垫层结构面之间的摩擦角和粘聚力，并对坝坡稳定性进行了分析。王琦和臧光文通过现场模拟试验，测得了复合土工膜与混凝土结构面之间的摩擦系数和抗滑剪力，并对工程的安全性进行了分析。而对于复合衬砌渠道边坡稳定性的研究成果则较少，到目前为止，只有刘旭东等人利用ADINA软件对复合衬砌渠道的冻胀机理进行了模拟，并对渠道的“适变断面”进行了分析，研究衬砌板应力和变形规律，揭示了该种渠道通过削弱冻结约束来改善衬砌板冻结受力及使冻胀量分布均匀的抗冻胀机理，但没有对混合衬砌渠道摩擦特性及稳定性进行研究。其他关于混合衬砌渠道边坡稳定性的研究未见报道。因此，需要对刚柔混合衬砌渠道摩擦特性、渠道边坡的稳定性进行系统的研究。

本文通过室内试验，测定了复合土工膜与渠道垫层土料的摩擦角和粘聚力，分析了复合土工膜与渠道垫层土料的摩擦特性，并结合新疆某干渠复合衬砌渠道，采用抗滑稳定安全系数理论，分析了复合衬砌渠道边坡在不同情况下的稳定性，并在分析中考虑了复合土工膜与渠道垫层土料的摩擦特性对边坡稳定性的影响。

2 复合土工膜与渠道垫层土料的摩擦试验

复合土工膜作为防渗材料铺设在渠道中，可以起到防渗的作用，复合土工膜与垫层结构面的抗滑稳定直接影响到工程的安全运行。对于复合土工膜与渠道垫层土料之间的接触摩擦特性，主要是测定复合土工膜与渠道垫层土料之间的摩擦参数，即摩擦角和粘聚力。可以利用这些参数来分析计算渠道边坡的稳定性。

复合土工膜与渠道垫层土料之间的摩擦参数通过TZY-1型土工合成材料综合测定仪测定。试验用料来自某渠道工程砂砾石垫层土料，土料粒径小于0.1mm的颗粒含量小于总质量的6.5%，渠道垫层土料级配曲线见图1。土样的不均匀系数为115.2，曲率系数为2.3。

室内试验采用应变进行控制，试验时的竖向正应力为0.1、0.2、0.3、0.4MPa，在不同的竖向正应力作用下，取不同的含水率渠道垫层土样与复合土工膜进行摩擦试验，土样含水率分别为0%、3%、 6%和8.5%，每一种含水率取4个土样进行摩擦试验。复合土工膜的力学特性见表1。

图1 渠道垫层土料级配曲线

表1 复合土工膜的力学特性

通过试验摩擦试验，表2给出了复合土工膜与渠道垫层土料之间的摩擦试验成果。

表2 复合土工膜与渠道垫层土料之间的摩擦试验成果

室内摩擦试验表明：复合土工膜与不同含水率的渠道垫层土料之间，所测定的摩擦角和粘聚力值不同。复合土工膜与含水量为0%的渠道垫层土料之间的摩擦角平均值为26.63o，粘聚力的平均值为15.93kPa；复合土工膜与含水量为3%的渠道垫层土料之间的摩擦角平均值为27.25o，粘聚力的平均值为16.85kPa；复合土工膜与含水量为6%的渠道垫层土料之间的摩擦角平均值为29.03o，粘聚力的平均值为24.3kPa；复合土工膜与含水量为8.5%的渠道垫层土料之间的摩擦角平均值为32.55o，粘聚力的平均值为26.48kPa。在实际的渠道工程边坡稳定性计算中，复合土工膜与垫层土料之间的摩擦角和粘聚力，可以根据垫层土料的含水率由表2选取。

3 实例分析

3.1 渠道工程概况

新疆某刚柔混合衬砌渠道，采用复合土工膜与混凝土衬砌板复合衬砌结构，复合土工膜厚度为0.6～0.8mm。渠道底宽2.0m，边坡为1∶2.0。渠道垫层土料粒径小于0.1mm的颗粒含量小于总质量的7.0%。土样的不均匀系数为113.2，曲率系数为2.15。

在进行刚柔混合衬砌渠道的抗滑稳定计算时，复合土工膜与渠道垫层土料之间的摩擦参数根据表2选取。

3.2 抗滑稳定计算

在刚柔混合衬砌渠道的施工中，混凝土浇筑时，衬砌板与复合土工膜粘结在一起，该结合面不会发生滑动，故对刚柔混合衬砌渠道的抗滑稳定计算时主要考虑复合土工膜与渠道垫层土料之间的抗滑稳定。根据不同的情况，复合土工膜与渠道垫层土料之间的抗滑稳定安全系数可以分为两组情况［10］，若考虑材料之间的粘聚力可按下式计算：

式中：α为坡角；ψ为复合土工膜与渠道垫层土料之间的摩擦角；Ca为复合土工膜与渠道垫层土料之间的粘聚力；t为复合土工膜的厚度；γ为复合土工膜的容重；K为抗滑稳定安全系数。

若复合土工膜与渠道垫层土料之间没有粘聚力或粘聚力小到可以忽略不计，那么抗滑稳定安全系数可简化为：

根据试验成果，选取合适的复合土工膜与渠道垫层土料之间的摩擦角和粘聚力参数，对工程实例进行了边坡抗滑稳定性计算，渠道边坡稳定性安全系数见表3。

表3 渠道边坡抗滑稳定安全系数

表4 衬砌板结构荷载组合及抗滑稳定安全系数标准

3.3 计算成果分析

根据具体渠道工程干渠初步设计专用技术标准，渠道衬砌防渗体计算工况及荷载组合见表4。在正常运行情况下渠道边坡衬砌板结构抗滑稳定安全系数标准为1.30；在非常情况下渠道边坡衬砌板结构抗滑稳定安全系数标准值为1.20。通过计算，在无外力支撑抗滑的情况下，采用复合土工膜防渗时按公式（1）计算的抗滑稳定安全系数K1= 1.37，按公式（2）计算的安全系数K2=0.99。对比表4则可知，该刚柔混合衬砌渠道考虑粘聚力时抗滑稳定安全系数为1.37，满足规范要求，且有较大的安全余度。若忽略粘聚力时抗滑稳定安全系数为0.99小于规范要求的1.30，故不能达到工程的安全要求。

通过计算结果的对比，复合土工膜与渠道垫层土料之间的粘聚力对边坡稳定性影响较大，所以在计算复合衬砌渠道边坡稳定性时，要充分考虑粘聚力的影响，否则边坡稳定性难以保证。

4 结语

（1）在工程的实际应用中，当采用摩擦角和粘聚力进行计算时，对复合土工膜与粗粒料的摩擦角和粘聚力的取值，根据粗粒料含水率的不同，摩擦角可以在26.63°～32.55°之间取值，粘聚力可以在15.93～26.48kPa之间取值。复合土工膜与渠道垫层土料之间的摩擦参数，可为刚柔混合衬砌渠道的抗滑稳定计算提供必要的材料参数。

（2）抗滑稳定安全系数计算公式中若考虑材料之间的粘聚力，能达到工程的安全要求，其安全储备高，偏于保守；若忽略材料之间的粘聚力，抗滑稳定安全系数偏小，不能满足技术专用标准，故不能达到工程的安全要求。因此，粘聚力对抗滑稳定安全系数影响较大，加上粘聚力的影响，整个防渗体的稳定安全系数将会更大，更加偏于安全。

（3）渠道边坡稳定安全系数的大小与混凝土衬砌的厚度、复合土工膜的厚度、复合土工膜与边坡垫层土料之间的摩擦角和粘聚力有关。根据粘聚力的大小，混合衬砌渠道边坡的抗滑稳定安全系数的计算分两种情况。根据计算结果，边坡稳定性安全系数与工程的实际情况符合度较好，能反映工程的实际情况，可为类似大型刚柔混合衬砌渠道的设计、施工提供理论参考。

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TV672

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1672-2469（2016）01-0114-04

2015-08-23

赵海蛟（1984年—），男，工程师。