强降雨天气对渠道衬砌结构的影响及对策

孙 翀，李 琨，庄志凤

（山东省调水工程运行维护中心，山东 济南250000）

引黄济青东营段渠道衬砌工程全长11.607km，于1989年建成通水，运行20多年后，渠道衬砌勾缝砂浆脱落，输水糙率加大，渠道过流能力明显降低，已不能满足安全运行和设计输水规模要求。为彻底解决工程设施老化、输水效率低、供水能力不足等问题，自2014年起对引黄济青工程实施改扩建工程，渠道工程主要是增加全断面防渗和保温措施，更换新的预制衬砌板。

1 强降雨影响

引黄济青东营段工程改造完成后，连续两年遭遇台风、强降雨。2018年8月，受台风“温比亚”影响，山东多地出现大暴雨、局部特大暴雨，山东省平均降水量132.4 mm，创下1951年以来过程降雨量历史最高纪录。引黄济青工程沿线地区东营平均降水超过200 mm，暴雨降水持续时间长，波及范围大，局地强度大；同时，由于“温比亚”影响区域与此前的台风“摩羯”有较大程度重合，“温比亚”影响前土壤含水量已形成饱和，降水不能下渗，加重了工程沿线地区洪涝灾害。2019年8月，受超强台风“利奇马”影响，山东多地降强暴雨，全省平均降水量158 mm，16市117个县（市、区）不同程度受灾，多地降雨量破历史极值，其中广饶降雨量达343 mm。强降雨造成严重的洪涝灾害，工程沿线普遍发生坍塌、滑坡、鼓胀破坏。据统计，东营段渠道衬砌板破坏总长度为8 383.86 m，其中左岸4 051.98 m，右岸4331.88 m；损毁面积约6.71万m2，约占已完成衬砌改造面积的35%、长度的70%。

2 原因分析

一是搜集了渠道衬砌工程有关设计、监理、施工、检测、运行管理以及当地水文气象、工程地质等相关资料和数据。二是分别选取未损坏渠段、损坏较轻渠段、损坏严重渠段的典型断面，开展地质勘探工作，确定堤身和堤基的地质情况。三是布设渗压计设备，对渠道运行周期内部水位变化情况进行监测，并收集相关数据。四是分别选择隆起、塌陷、滑坡典型破坏形式对应的渠段，采用地质雷达等无损检测手段进行检测，分析衬砌损坏影响区域及影响深度；对部分损毁区域进行开挖检查，确定排水系统和衬砌板后堤身土层情况。五是在现场勘察、室内试验等工作的基础上对堤身渗流情况、排水减压设计、堤身和衬砌结构稳定、渠道防冻胀设计等进行复核，并对排水系统的布置与构造进行综合计算分析。

2.1 典型断面地质情况

1）层填筑土。黄褐色，土质不均匀，以黏土为主，夹少量壤土薄层，含少量砂壤土薄层。由人工填筑而成，场区普遍分布；厚度3.70～4.80 m，平均4.11 m；层底标高0.78～1.78 m，平均1.43 m。层底埋深3.70～4.80 m，平均4.11 m。

2）层壤土。黄褐色~灰褐色，土质较均匀，以轻壤土为主，可塑性差，夹粉砂、砂壤土薄层，含少量贝壳碎片，场区普遍分布；厚度1.90～5.20 m，平均3.50 m；层底标高-4.42～-0.58 m，平均-2.07 m；层底埋深6.00～10.00 m，平均7.61 m。

3）层黏土。灰褐色，土质较均匀，夹壤土薄层，软塑～可塑。该层在勘察深度10.00 m范围内未穿透。根据渗透试验分析：1层填筑土为弱透水性土层，2层壤土为中等透水性土层，3层黏土为微透水性土层。根据注水试验分析得出，渠道填筑土为弱-中等透水性土层。

2.2 典型渠段复核计算

对渠道的复核计算分析需重点针对渠道的渗流稳定。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。

综合“温比亚”台风和“利奇马”台风的降雨情况、降雨过程监测到的堤身内部地下水位变化情况，以及引黄济青一期和二期改扩建工程渠道衬砌损坏情况，并结合现场检测和现场检查的结果分析得出：连续强降雨造成地下水位显著升高，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。

3 解决对策

当地下水水位高于渠底或渠外水位高于渠内水位时，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。为了保证渠道的正常运行，须采用工程措施排水，释放衬砌板下的水压力。当渠道周围有较低洼的地势，可以通过排水系统直接把地下水引向低洼地势处；当周围地势不满足外排条件时，可以通过排水系统直接把水排入渠道内。为增加渠道衬砌层的抗浮稳定性，工程措施可以分为“抗”与“放”两类：“抗”是指采用工程措施抵抗结构物之下的水压力，包括配重抗浮、锚固抗浮等；“放”是指排水减压。考虑到渠道已经设置排水系统，因此需对“放”进行优化。

4 具体方案

4.1 隆起与滑坡渠段修复

拆除发生位移的齿墙压顶板，拆除发生隆起、滑坡面的预制板，拆除高度沿坡面4.3 m（10行预制板）。用脚手架撑起边坡上部未破坏的预制板，防止发生位移。拆除土工膜和保温板，清理表层土10 cm，整平坡面。渠道齿墙以上高度沿坡面4.3 m分别铺设10 cm中粗砂、土工布、聚苯乙烯保温板厚（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。

4.2 全面滑坡与塌陷渠段修复

拆除清理发生滑坡和塌陷渠段的预制板、土工膜、保温板、清理表层土10 cm，运至渠道外，人工回填土方、整平坡面（坡比与原设计相同）后夯实。渠道齿墙以上高度沿坡面4.3 m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。

4.3 底板隆起修复

拆除清理预制板，查验旧土工膜完整性。若损坏，清理土工膜，整理渠底后，重新利用旧预制板按照原设计砌筑；若未损坏，且性能参数满足要求，仅利用完整的旧预制板重新砌筑。

5 结语

引黄济青改扩建东营段因强降雨导致的水毁工程依据科学的技术分析，制定合理的修复方案，实施完成后并经历了一个运行周期的检验、检测和跟踪，衬砌结构稳定，运行工况良好，为同类工程问题处理提供了借鉴。