节水改造工程防渗渠断面设计稳定性分析

董春艳

（山西省汾河灌溉管理局；山西 祁县 030900）

1 工程概述

汾河灌区是山西省最大的自流灌区，1999 年被列入国家大中型灌区节水改造规划，进行灌区节水工程改造。灌区2015 年项目主要内容包括干支渠道防渗91 km，建筑物改造129 座，信息化工程等。本项目防渗渠道设计，主要分为混凝土重力式挡土墙结构和浆砌石护坡结构，灌区重力式挡土墙基础多为湿陷性粉土，部分区段结构稳定性较差。设计渠段内的堤防没有渗透稳定问题，故只计算挡土墙的抗滑、抗倾稳定及基底压应力。涉及这种结构型式的渠道，主要包括一坝东干渠、二坝东干渠和二坝西干渠的部分渠段。

2 设计依据

2.1 基本资料

渠道及建筑物级别，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288-99），按设计流量确定，本工程干渠及其建筑物均属4 级。

汾河灌区一坝东干渠，设计渠段断面高度为1.8～2.3 m，迎水面边坡为 1∶0.3，堤顶宽 0.3～0.35 m。本次选取堤高2.0 m、顶宽0.3 m 断面，堤高2.3 m、顶宽0.35 m两个最大断面，进行复核分析。一坝东干渠渠道典型断面图见图1。

汾河灌区二坝东干渠设计渠段断面高度为2.0～2.5 m，迎水面边坡为1∶0.3，堤顶宽0.3 m。本次选取堤高2.2 m、顶宽0.3 m 断面和堤高2.5 m、顶宽0.3 m、设置凸榫断面两个最大断面进行复核分析。二坝东干渠渠道典型断面图见图2。

汾河灌区二坝西干渠，设计渠段断面高度为1.8～2.4 m，迎水面边坡为1∶0.3，堤顶宽0.3 m。本次选取堤高2.2 m、顶宽0.3 m 断面和堤高2.4 m、顶宽0.3 m、设置凸榫断面两个最大断面进行复核分析。二坝西干渠渠道典型断面图见图3。

图1 一坝东干渠渠道典型断面（单位：mm）

图2 二坝东干渠渠道典型断面（单位：mm）

图3 二坝西干渠渠道典型断面（单位：mm）

2.2 设计标准

渠堤基底面抗滑稳定安全系数的允许值，在《水工挡土墙设计规范》的表3.2.7 中选取；抗倾覆安全系数的允许值，在《水工挡土墙设计规范》的表3.2.12 中选取，结果详见表1。

表1 稳定安全系数最小值表

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011），当偏心荷载作用时，基础底面处的平均压力值应小于地基承载力，基础底面边缘处的最大压力值，不得大于地基承载力的1.2 倍。

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2001），工程所在地区的设计基本地震加速度值为0.20 g，地震设防烈度为 8°。

3 计算方法

经过比较本工程堤防形式，选择重力式挡土墙形式，根据工程区内的地下水埋深情况，本次设计渠段内堤防没有渗透稳定问题。故只计算挡土墙的抗滑、抗倾稳定及基底压应力。

3.1 计算工况

稳定计算取以下两种计算工况：

工况1（基本组合）：放水期刚结束，渠内无水，堤外地下水位高于墙底（取勘察期平均埋深2.0 m）；

工况2（特殊组合II）：平水期，渠内无水，遇地震。

考虑到挡墙为浆砌石基础+混凝土墙身，本次取最大断面复核混凝土墙身的稳定。

3.2 基本参数

根据地质勘察，渠堤基础持力层为低液限粉土层。通过对一坝东干渠二垙闸等4 座闸、二坝东干进水闸和二坝西干三号闸等2 座闸的土工试验资料对比分析，采用较小值进行计算。统计各渠道物理力学指标，见表2。

表2 基底层的物理力学指标统计表

根据地质勘察，项目区场地内无不良地质现象，地基稳定性好，可采用天然地基。其中三条干渠的低液限粉土、低液限粘土承载力值为100～120 kPa。考虑到基础开挖后进行夯实处理，本次取地基承载力为110 kPa。

根据地质勘察，三条干渠的建筑物基础与地基土的摩擦系数在0.25～0.35 之间。考虑到基础开挖后进行夯实处理，本次取建筑物基底面与地基之间摩擦系数f取0.3，混凝土墙身与浆砌石基础之间摩擦系数f取 0.6。

3.3 计算公式

3.3.1 受力分析

按单位长度计算挡土墙稳定性，取最大墙高断面及各种最不利荷载组合计算，作用于墙体上的力有：挡墙自重、土柱重、侧向土压力、水压力、地震力。

采用的计算公式如下：

（1）自重计算

式中：γ石——重量体积比，取浆砌石γ石=22 kN/m3，混凝土 γ砼=23 kN/m3；

V石——单位长度的挡墙体积，m3。

（2）土柱重计算

式中：γ土——回填土容重，取γ土=18 kN/m3；

V土——单位长度回填土体积，m3。

考虑到渠道堤防局部紧邻乡村道路，还应考虑车辆的荷载。根据《公路桥涵设计通用规范》（JT GD60-2004），乡村公路按四级公路考虑，汽车荷载等级按公路-II 级计算。挡土墙受压力，计算采用车辆荷载，四级公路车辆荷载的效应，乘以0.7 的折减系数。车辆荷载对挡土墙后填土引起的土侧压力，按下式换算成等代均布土层厚度h，计算公式：

式中：ΣG——按规范分布在接触面积内车轮总重力做横向布置量，kN；

l0——挡土墙后填土的破坏棱体长度，m；

B——挡土墙的计算长度，取13 m。

当挡土墙分段长度小于13 m 时，B取分段长度，本工程分段长度为8 m，考虑规范计算车辆车身长15 m，基本平均分布在2 幅挡墙段上，且乡村道路通行车辆较小，本次按车辆荷载均布考虑，取B=13 m。

（3）土侧压力计算

式中：γ土——回填土容重，取 γ土=18 kN/m3；

H——基底以上覆土高，m；

K0——静止土压力系数。

（4）水压力计算

式中：γ水——水的重量体积比，取9.81 kN/m3；

H1——基底以上水头，m。

（5）浮托力计算

式中：H1——基底以上水头，m；

B——挡墙基底宽，m。

（6）地震力计算

当地震发生时，地表连通地表上的构筑物，会以地震的加速度发生震动，挡墙及回填土承受了与地震加速度相反方向的惯性力的作用。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）（2008 年版），附录 A《我国主要城镇抗震设防烈度设计基本地震加速度和设计地震分组》划分，该地区抗震设防烈度为8°，设计基本地震加速度值为0.2 g。挡墙为IV 级建筑物，只计水平向总地震惯性力Q，Q计算公式：

式中：KH——水平向地震系数，取0.2；

CZ——综合影响系数，取1/4；

F——地震惯性力系数，当计入基础地震惯性力时F=1，堤身F=1.1；

Wi——产生地震惯性力的建筑物重量，kN。

3.3.2 抗滑稳定计算

防洪挡土墙的抗滑稳定安全系数Kc按下式计算：

式中：Kc——抗滑稳定安全系数；

f——底板与地基之间的摩擦系数；

∑W——作用于墙体上的全部垂直力的总和，kN；

U——作用在接触面上的浮托力，kN；

∑P——作用于墙体上的全部水平力的总和，kN；

［Kc］——防洪墙抗滑稳定安全系数允许值。挡墙抗滑稳定计算简图见图4。

图4 挡墙抗滑稳定计算简图

3.3.3 抗倾稳定计算

挡土墙的抗倾稳定安全系数按下式进行计算：

式中：Ko——抗倾稳定安全系数；

∑MV——抗倾覆力矩，kN·m；

∑MH——倾覆力矩，kN·m；

［Ko］——挡土墙抗倾覆稳定安全系数允许值。

3.3.4 基底压应力计算

挡土墙的基底压应力按下式计算：

∑G——垂直荷载，kN；

A——底板面积，m2；

∑M——荷载对底板形心轴的力矩，kN·m；

∑W——底板的截面系数，m3。

4 主要计算成果

分别输入一坝东干渠、二坝东干渠和二坝西干渠各设计断面及边界条件，计算结果见表3。

表3 堤防稳定计算成果表

由上表堤防稳定计算成果可知，在两种工况下，渠堤的抗滑、抗倾稳定安全系数均高于规范允许范围，因此认为此种渠道设计断面是安全的。

5 结语

该项目渠道防渗工程于2015 年底已全部完工并投入运行，经过灌区3 年多春浇、秋冬浇的输水运行，未发现任何位移、变形等质量问题。由此可以看出重力式挡土墙结构这种防渗断面在稳定性方面是满足要求的，值得在汾河灌区以及北方类似灌区推广应用。