大型输水渠道遇险边坡稳定分析

张帅，陈妍，刘吉永

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450000；2.河南黄河水文勘测设计院，河南 郑州 450000)

0 引言

2016年7月9日，新乡、鹤壁等地突降特大暴雨，某大型输水渠道局部渠段9 h降雨量达到429.60 mm。此次汛情来势迅猛、破坏力强，强降水过后，7月11日，现场工程巡查人员发现某渠段左岸一级马道出现裂缝，随后进一步发展至一级马道沥青混凝土路面塌陷，渠道衬砌板隆起破坏等险情。经现场人员初步判断，疑似马道下部换填土体滑移，且有进一步发展的趋势。渠道边坡面临重大险情，运管单位成立现场应急抢险小组进行应急处置。文章拟对险情渠段进行完建期、正常运行期及遇险后的边坡稳定系统分析，以达到真实还原遇险边坡状态，为应急处理措施提供参考的目的。

1 概况

1.1 地质概况

渠道位于太行山山前冲洪积倾斜平原上，地形较为宽阔平缓，略倾向东南。渠坡土岩性主要由黄土状重粉质壤土、粉质粘土、卵石和粘土岩组成。为上粘性土为主、下坚硬灰岩双层结构，渠坡岩性上部主要为黄土状重粉质壤土、重粉质壤土、粉质粘土和卵石；下部为上第三系潞王坟组粘土岩、泥灰岩、砾岩和奥陶系灰岩。险情渠段为土岩双层结构段，渠底板主要位于第四系卵石层的底部或粘土岩的顶部。渠坡岩性主要为黄土状重粉质壤土、粉质粘土和卵石，局部为上第三系粘土岩。渠段地下水可划分为第四系松散岩类孔隙潜水含水层组和可溶岩岩溶裂隙含水层组共2个含水层组。渠底板主要位于卵石层底部或粘土岩顶部，地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水含水层组，含水层组主要由冲洪积砾卵石夹薄层(黄土状)粉质壤土组成。

1.2 设计概况

险情发生的渠段为全挖方渠段，局部最大挖深26 m，设计底宽14.50 m，渠道内边坡自上而下依次为1∶1.50、1∶1.75、1∶2.00，过水断面设计坡比1∶2.25，险情处渠道设计水位99.75 m，加大水位100.30 m，渠底高程92.75 m，一级马道高程101.81 m，过水断面为设置现浇混凝土衬砌，渠底厚8 cm，渠坡厚10 cm，混凝土标号C20F150W6。渠道纵、横间隔4 m设置一道衬砌分缝，缝宽2 cm，分缝临水侧2 cm采用聚硫密封胶，下部填充闭孔塑料泡沫板。过水断面采用的防冻措施为铺设保温板，防渗措施为铺设规格为600 g/m2的土工膜。设计采用过水断面换填粘性土进行处理，砂卵石地层换填粘土垂直厚度3.70 m，粘土岩膨胀岩土层渠坡换填厚度为1.40 m，渠底换填厚度1.00 m。换填处理断面见图1。

图1 渠道换填处理断面图

2 渠段险情发展情况

强降水过后在输水渠道某公路桥上游发现左岸一级马道出现纵向裂缝，后迅速发展为靠近路沿石侧一级马道部分沥青路面塌陷，沥青路面与原换填土体顶部结合面脱空，现场地下水沿脱空面进入衬砌板下部，二级边坡坡体渗水通过一级马道纵向排水沟缝隙大量流入排水沟，进而路沿石向马道内侧翻转，同时塌陷部位的渠道混凝土衬砌出现滑塌、隆起，运管人员随后组织潜水员进行水下排查，发现塌陷区域水下渠坡衬砌板严重变形、隆起，最高隆起高度将近50 cm。险情段现场照片见图2。

图2 现场照片图

3 险情产生原因初步分析

初步判断边坡产生险情的原因为连续强降雨后地下水位上升且高于一级马道，同时换填土体可能存在局部缺陷，导致填筑土体与路面脱空，致使地下水通过脱空处进入换填层导致换填层局部失稳。

4 遇险边坡稳定分析

根据现场险情情况，初步分析渠道整体边坡未产生滑移，换填土体边坡未整体产生滑移，疑似换填土体局部破坏，为进一步摸清险情状况，为抢险措施提供理论依据，文章利用多种计算的方法对边坡稳定进行综合分析，计算遇险边坡所处稳定状态，为下一步处理措施提供理论支撑。

4.1 整体边坡稳定分析

险情出现的原因很大程度上是因为强降雨致使地下水位的上升，所以针对该段渠道整体边坡考虑不同的地下水位高程进行稳定分析，计算工况如下。

工况Ⅰ：渠内设计水位，地下水位分别采用完建期水位、正常运行期水位、险情出现时最高水位等3种。

工况Ⅱ：渠内设计水位，换填土体压重失效的极限状态，地下水位分别采用完建期水位、正常运行期水位、险情出现时最高水位等3种。

采用中国水利水电科学院编制的《土石坝边坡稳定分析程序》来进行边坡稳定分析计算。浸润线计算采用有限元数值分析方法计算，采用河海大学软件《水工结构有限元分析系统》程序。

计算参数见表1，地下水位选取见表2，计算结果见图3。

图3 边坡稳定复核成果图

表1 计算参数采用值表

边坡计算成果见表2，边坡稳定计算成果图见图5。

表2 边坡稳定复核成果表

根据计算结果可以看出，险情渠段整体边坡稳定除在考虑险情出现时最高水位(104.75m)的边界条件下，计算安全稳定系数小于规范要求，其余工况均满足规范要求，即使考虑抢险期最高的地下水位且换填土体完全失效时，计算边坡稳定系数>1。

基于以上分析，险情渠段整体边坡是稳定的状态。

4.2 换填层整体稳定分析

进行换填层整体稳定性分析，将换填层概化为刚性体进行抗滑稳定敏感性计算，刚体分为水上、水下2部分，采用极限平衡法的力平衡法进行计算。

计算断面图1所示断面，平均垂直换填厚度3.70 m，参数同4.1边坡稳定计算章节，分如下3种工况进行计算。

工况Ⅰ：完建期，渠内无水，换填层后地下水深5 m(施工期预测地下水位97.75 m)。

工况Ⅱ：运行期，渠内设计水深7 m，换填层后地下水深12 m(险情出现时最高水位)。

工况Ⅲ：运行期，渠内设计水深6 m，换填层后地下水深12 m(险情出现时最高水位)。

典型计算模型及受力分析见图4。

图4 换填层计算模型及受力分析图

计算结果见表3。

表3 换填层抗滑稳定计算结果表

由换填层整体抗滑稳定计算结果可以看出，随着地下水位的升高，换填层的稳定安全系数呈现降低趋势；工况1、工况2的抗滑稳定安全系数大于允许值1.30；工况3安全系数>1.20，即使渠坡在最高水位104.75 m时，渠内水位6 m时，换填层整体抗滑仍是稳定的。

4.3 换填层浅层滑动稳定分析

换填粘土层浅层滑动稳定分析，主要考虑如下工况：渠外高地下水位104.75 m，渠内运行水位98.75 m，假定若干滑裂面计算，滑裂面计算参数摩擦角17°，凝聚力23 kPa。浅层滑动滑裂面选取边界条件：上部滑裂面位置为距离路沿石0～4 m，下部滑裂面距离渠底高程8 m和6 m(沿坡面斜长)，详见图5，共拟10处计算滑裂面。

图5 下部滑裂面距离渠底8 m图

经计算，换填粘土层浅层滑动安全稳定系数均>2.00，大于设计要求。根据换填层浅层滑动稳定计算结果，序号5和序号为10的滑裂面安全系数相对较小，经反算，该处位置土层参数为摩擦角9°，凝聚力为9 kPa时，换填层安全稳定系数为1。

4.4 遇险边坡稳定分析

通过上述对整体边坡稳定、换填层整体稳定和换填层浅层滑动稳定的分析可以看出，遇险处边坡及换填土稳定同渠段地下水位密切相关，已采用的边坡设计及换填方案即使在渠道地下水位104.75 m的状态下，仍是处于稳定状态，但在此水位关系下，如换填土层存在薄弱夹层，土体物理力学参数凝聚力及摩擦角的数值有所降低的情况下，会产生局部的滑裂破坏，进而引起衬砌及路面塌陷。

5 结语

根据以上边坡稳定分析，发生险情渠段整体边坡稳定安全系数均>1，渠道基本处于稳定状态，但如换填土层存在薄弱夹层，土体物理力学参数凝聚力及摩擦角的数值有所降低的情况下，会产生局部的滑裂破坏，进而引起衬砌及路面塌陷，分析的结论同险情产生的破坏情况相符。

根据边坡稳定分析，设计人员向现场应急抢险小组提出了控制渠段地下水位，加强坡体排水能力，增强换填土体强度等应急抢险处理措施。