引黃濟青東營段渠道破壞原因分析及修復處理

李肖男，楊 波，陳 盟

(山東省調水工程運行維護中心東營分中心，山東 廣饒 257300)

0 引 言

2018年和2019年汛期，受強臺風影響，引黃濟青東營段輸水干渠沿線地區持續發生特大暴雨，引起大面積洪澇災害。按照防汛調度指令，該段工程承擔應急泄水任務。泄水期間，渠道水位驟升驟降，渠道內外地下水位差大幅頻繁變化，造成渠道襯砌發生不同程度的破壞，嚴重影響渠道正常運行。

目前，對于渠道穩定計算，一般采用SL 386-2016《水利水電邊坡設計規范》中的簡化畢肖普法和有限元軟件Geostudio的SEEP/W模塊。但簡化畢肖普法只考慮了力的平衡，而忽略了力矩的平衡條件，只適用于圓弧滑裂面[1]；而有限元法受建模水平、邊界條件以及荷載工況的影響，其模擬的還原度不能保證，精確度浮動比較大[2]。此外，以上方法大都從1～2個指標出發來分析破壞機理，較少綜合考慮多個指標[3]。為此，本文在對引黃濟青東營渠段損毀情況進行現場調查的基礎上，從滲流穩定、抗滑穩定、抗浮穩定、排水能力及臺風期間運行工況等方面，綜合分析了渠道損毀原因，并針對不同破壞形式提出了相應處理措施。

1 典型渠段情況

1.1 設計概況

在渠道初步設計中，襯砌型式為半斷面襯砌+全斷面鋪設復合土工膜，即邊坡采用6 cm厚預制混凝土板+復合土工膜+聚苯乙烯保溫板，渠底只防滲不襯砌，采用0.5 m厚當地土覆蓋渠底土工膜并壓實[4]。后期施工中，渠底設計變更為采用6 cm厚預制混凝土板+0.5 m厚當地土+復合土工膜的設計斷面，渠道邊坡襯砌型式不變(圖1)。

圖1 渠道(一期)典型斷面(尺寸單位：mm)Fig.1 Typical section of the channel (Phase I)

排水減壓采用40 cm×40 cm管溝回填中粗砂埋設直徑15 cm塑料排水盲管方式，排水盲管用300 g/m2的土工布包裹，間隔54 m安裝逆止式排水器和出水管。

1.2 水毀情況

受2018年“溫比亞”、2019年“利奇馬”強臺風影響，引黃濟青東營段輸水干渠沿線地區普降特大暴雨，發生大面積洪澇災害，造成沿線襯砌渠道發生不同程度破壞(圖2，3)。破壞形式主要為：

圖2 襯砌板隆起Fig.2 Lining slab uplift

圖3 坡面塌陷Fig.3 Slope collapses

(1) 渠坡襯砌板隆起。渠坡齒墻以上幾層板普遍出現不同程度的鼓脹、隆起，襯砌板缺失的地方土工膜鼓包、內水壓力大。

(2) 襯砌板勾縫開裂。渠坡上部襯砌板普遍滑移，嚴重渠段勾縫開裂寬度達到1～3 cm。

(3) 分縫PT膠泥脫落。襯砌板隆起鄰近部位大多伴隨著伸縮縫PT膠泥的浮起、脫落。

(4) 坡面塌陷。部分渠段出現坡面塌陷、襯砌層凹凸不平現象。

(5) 滑坡。多處渠段邊坡出現滑坡、土工膜受損缺失、襯砌板大面積滑落渠底的情況。

2 渠道破壞原因分析

2.1 渠道滲流穩定分析

2.1.1 滲流計算工況

對典型斷面(樁號59+625)進行有限元復核計算分析，各土層滲流計算參數取值詳見表1。復核計算主要針對臺風過境前(正常運行)、臺風剛結束后這兩種具有代表性的時間點進行分析，計算結果見表2。

表1 各土層滲流計算參數取值

表2 有限元計算結果統計

2.1.2 滲流計算分析成果

由滲流計算結果可知，在臺風過境前即渠道正常運行時(工況2，4，6)，渠內水頭大于襯砌混凝土板底部最大水頭，不會發生襯砌隆起破壞。當臺風過境后(工況1，3，5)，由于地下水位逐漸抬升，襯砌混凝土板底部最大水頭已遠超渠內水頭，此時，在高水頭差的作用下襯砌混凝土板可能會發生隆起破壞。

2.2 襯砌渠道穩定分析

根據《水工設計手冊(第2版)第9卷 灌溉、排水》和渠道的運行工況，對襯砌、防滲體等進行穩定復核，穩定復核的荷載組合與安全系數控制標準見表3。

表3 襯砌渠道穩定計算工況、荷載及安全系數

2.2.1 襯砌渠道邊坡抗滑穩定分析

襯砌混凝土板下鋪設復合土工膜、保溫板，滑動面可能位于襯砌混凝土板與復合土工膜之間、復合土工膜與保溫板之間、保溫板與基土之間。在以上可能的滑動位置中，保溫板與基土之間的摩擦系數會隨基土飽和狀態發生變化，為最不利滑動面。因此，針對此滑動面計算渠坡襯砌混凝土板的抗滑穩定安全系數，摩擦系數在非飽和狀態下取0.5，飽和狀態下取0.4，渠道邊坡坡比1∶2。

圖4表明：在不考慮齒墻支撐時，正常設計工況下，邊坡膜下排水功能正常，渠道內外水壓力相等，襯砌混凝土板的下滑力及摩阻力由襯砌混凝土板自重產生。水上部分襯砌混凝土板板重按浮容重計，抗滑穩定安全系數為1；水下部分襯砌混凝土板板重按浮容重計，抗滑穩定安全系數為0.8。施工期及檢修工況下，渠道內無水，渠道外正常排水，襯砌混凝土板抗滑穩定安全系數為0.8。非常工況時，渠道水位驟降0.3 m，此時渠道外地下水沒有及時下降，外水壓力大于內水壓力，水下部分襯砌混凝土板板重按浮容重計，抗滑穩定安全系數為0.74。可見，在不考慮齒墻支撐時，各工況下襯砌混凝土板抗滑穩定均不能滿足要求，需考慮邊坡底部齒墻支撐，以增強襯砌混凝土板抗滑穩定性。在考慮齒墻背后1.2倍靜止土壓力后，各工況下襯砌混凝土板抗滑穩定均能滿足要求，見表4。

圖4 渠坡襯砌混凝土板及齒墻受力分析(單位：cm)Fig.4 Calculation results of loading of canal slope lining concrete and tooth wall

2.2.2 襯砌混凝土板抗浮穩定計算

襯砌混凝土板抗浮穩定系數可由下式計算：

(1)

表4 渠道襯砌混凝土板及齒墻抗滑穩定計算成果

取單位面積進行襯砌邊坡抗浮穩定計算，工況如下：

(2) 施工及檢修工況。渠道內無水，渠道外正常排水，襯砌混凝土板下無揚壓力，滿足要求。

(3) 水位驟降。非常工況時，渠道水位驟降0.3 m，此時渠道外地下水沒有及時下降。假設襯砌混凝土板頂面水壓力為零，揚壓力直接作用于土工膜下，此時分析采用襯砌混凝土板的飽和容重25 kN/m3，Δh取0.3 m，則抗浮穩定系數Kf為0.5，不能滿足要求。當臺風過境后，地下水位逐漸抬升，襯砌混凝土板底部最大水頭已遠超渠內水頭，此時襯砌混凝土板在高水頭差的作用下容易發生隆起破壞。

2.3 排水能力分析

選擇對襯砌工程最不利的水位組合[6]進行排水計算，即輸水渠無水、渠道外地下水位最高的時期。該組合條件下的水位差最大，揚壓力大、排水流量也最大。根據沿線新調整的地下水位、土質與滲透系數[7]計算排水流量，參照國際土地開墾和改良研究所著《排水原理和應用》(Ⅱ)中的霍赫浩特方程式：

q=(8kD1h+4kh2)/L2

(2)

式中：q為單位表面積的排水量，m3/s；k為滲透系數，m/s；h為地下水位至暗管水位的高度，m；L為暗管排水的影響范圍，L=6 000hk1/2，m；D1為暗管水位至不透水層的等效深度，m。

輸水渠兩側排水暗管的排水流量：

q雙=q(L+B)/2

(3)

q單=q(L+B)

(4)

上式中：q雙，q單分別為兩側和一側暗管單位長度的排水流量，m3/(d·m)；B為輸水渠兩側暗管間的距離，m。

排水器出水管出流計算，按水力學中短管出流的情況考慮[8]：

(5)

式中：Q為出水流量，m3/s；μc為出水流量系數；ω為出水管斷面面積，m2；z0為水位差，m。經計算，出水管直徑d=8 cm，排水流量Q=2.78×10-3m3/s。

根據以上公式計算，滲透系數k=6×10-4m/s，臺風期間h取3 m，計算得單位長度排水流量q′=4.01×10-5m3/(s·m)時，所需排水器間距69.5 m，實際采用間距54 m。該工程膜下排水采用逆止閥+排水管的形式，故逆止閥的啟閉對逆止式排水系統功能的正常發揮起關鍵作用。根據排水能力計算結果，在逆止閥有效的情況下，排水器個數滿足排水要求。若排水器的有效率降低至75%以下，排水器的總排水能力低于滲透流量，滲水不能及時排出導致防滲土工膜下揚壓力增大，將會造成渠道襯砌混凝土板破壞。

2.4 臺風期運行工況分析

2018年8月18～19日，受“溫比亞”臺風影響，小清河子槽所處的博興縣、廣饒縣境內普降特大暴雨，工程沿線短時降下200 mm大暴雨。按照上級調度指令，引黃濟青東營段輸水河渠道承擔了應急泄洪任務，臺風來臨前，渠道內水位約2 m(水深1 m左右)，與地下水位基本持平。臺風期間，地下水位急劇升高，渠道外可見明水，水位約4～5 m，持續時間較長，同時渠道蓄滿，承擔應急泄洪任務，水位4.5 m左右，泄洪任務完成后渠道基本排空。由于短時間內渠道水位發生反復急劇變化，而連續強降雨又導致地下水位居高不下，當渠道內水排空后渠道內外水位差超過0.5 m，容易發生襯砌破壞。

2019年8月10～15日，受“利奇馬”臺風影響，工程沿線降下258.3 mm大暴雨，引黃濟青東營段輸水渠道再次承擔了應急泄洪任務。渠道運行情況同2018年基本一致，此次渠道外明水水位更高，持續時間更長(渠道內外水位變化過程見表5)，發生襯砌破壞的可能性加大。

表5 渠道內外水位變化過程

2.5 綜合分析

綜上，“溫比亞”臺風和“利奇馬”臺風過境期間，渠道外地下水位顯著上升，渠道內外水頭差增大，導致渠道邊坡襯砌混凝土板底部所受揚壓力增大，襯砌混凝土板下保溫板與基土之間的摩擦系數隨基土的飽和狀態發生變化，導致摩阻力降低，邊坡抗滑穩定安全系數降低。而且，邊坡底部齒槽受到上部傳遞的荷載增加，可能造成齒墻位移。同時，上層襯砌混凝土板在底部襯砌混凝土板隆起后失去支撐，并在揚壓力的作用下向下滑動。不同渠段的土層類型不同、滲透系數不同，導致臺風過境期間發生不穩定滲流。在以上幾種不利因素的綜合作用下，渠道發生勾縫開裂、滑坡、隆起、塌陷等現象。

3 修復處理

3.1 隆起段修復

拆除發生位移的齒墻壓頂板以及發生隆起、滑坡面的預制板，拆除范圍為沿坡面4.3 m的高度(10行預制板)。用腳手架撐起邊坡上部未破壞的預制板，以防止其發生位移；拆除土工膜和保溫板，清理厚度范圍10 cm的表層土，整平坡面。渠道齒墻以上沿坡面4.3 m高度分別鋪設10 cm中粗砂、土工布、聚苯乙烯保溫板(陰坡厚3 cm，陽坡厚2 cm、帶孔透水)、預制混凝土板(6 cm厚預制帶孔混凝土板與舊預制板梅花型交叉鋪設)(圖5)。上部破壞的邊坡采用原設計方案恢復，即利用完整的舊預制板重新砌筑。土工布與土工布之間施工搭接長度20 cm；土工布與原土工膜采用縫接方式連接，搭接長度不小于20 cm；土工布與齒墻銜接處，土工布插入土體深度(與齒墻貼合)不小于20 cm。

圖5 邊坡襯砌結構(單位：mm)Fig.5 Slope lining structure diagram

3.2 滑坡、塌陷渠段修復

拆除清理發生滑坡和塌陷渠段的預制板、土工膜、保溫板、清理厚度范圍10 cm的表層土，運至渠道外，然后人工回填土方、整平坡面(坡比與原設計相同)并夯實。渠道齒墻以上沿坡面4.3 m高度分別鋪設10 cm中粗砂、土工布、聚苯乙烯保溫板(陰坡厚3 cm，陽坡厚2 cm、帶孔透水)、預制混凝土板(6 cm厚預制帶孔混凝土板與舊預制板梅花型交叉鋪設)。上部破壞的邊坡采用原設計方案恢復，即利用完整的舊預制板重新砌筑。

3.3 勾縫、伸縮縫修復

坡面發生勾縫開裂的渠段一般位于發生隆起、滑坡渠段的上部邊坡，多為局部多行勾開裂，裂縫寬度幾毫米至幾厘米不等，如不修復勾縫，下部預制板可能無法砌筑或砌筑后外觀質量不合格。根據現場情況，對發生勾縫開裂的渠段按照原設計斷面進行修復，即拆除現狀預制板并清理后重新采用M15水泥砂漿填充砌筑，預制板下層土工膜和保溫板保持原樣。

對于PT膠泥出現脫落的伸縮縫，將整條伸縮縫全部清理干凈，然后按下部填充4 cm厚閉孔泡沫板，上部填充2 cm 厚PT膠泥進行原狀恢復。

4 修復效果復核

4.1 襯砌邊坡抗滑穩定

根據《水工設計手冊(第2版)第9卷 灌溉、排水》與渠道的運行工況對襯砌、防滲體等進行穩定復核，穩定復核荷載組合與安全系數控制標準見表6。

表6 襯砌渠道穩定計算工況、荷載及安全系數

混凝土襯砌板下鋪設土工布、保溫板(帶孔)，滑動面可能位于混凝土與保溫板、保溫板與土工布、土工布與基土之間。在以上可能的滑動位置中，土工布與基土之間的摩擦系數會隨著基土的飽和狀態發生變化，為最不利滑動面，因此針對此滑動面計算渠坡襯砌板的抗滑穩定安全系數，非飽和狀態取摩擦系數0.5，飽和狀態取0.4。渠道邊坡坡比1∶2。

邊坡襯砌結構由原設計的全斷面防滲改為透水結構。在正常工況和非常工況下，邊坡土工布功能正常，渠道內外水壓力相等，混凝土板的下滑力及摩阻力由混凝土板自重產生，水下部分混凝土板重按浮容重計，考慮齒墻支撐作用；各工況下，襯砌板抗滑穩定安全系數均大于1.3，滿足要求。

4.2 渠道滲漏流量計算

渠道滲漏量根據GB 50288-2018《灌溉與排水工程設計標準》計算水量損失率：

(6)

式中：σ′為受地下水頂托的單位長度渠道滲水損失率，%/km；ε′為受地下水頂托的修正系數，取0.34；Qdj為渠道凈流量，m3/s；K為土壤透水性系數，壤土取1.9；m為土壤透水性指數，壤土取0.4。

渠道凈流量36 m3/s，計算單位長度渠道滲水損失率0.15%/km，即1 km渠道流量損失0.055 m3/(s·km)。本次改造的渠道總滲漏損失2萬m3/d。采用有地下水頂托的土質渠道計算，未考慮渠道襯砌和渠道底防滲的影響，本次計算滲流量可能偏大。

4.3 渠道浸沒影響分析

計算渠道修復完成后正常運行期的浸沒影響。根據地勘資料，渠道邊坡地層分布為填筑土、壤土、黏土，按照設計水位運行期產生穩定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維滲流場[9]。利用Autobank軟件進行滲流計算。Autobank采用節點流量平衡法，通過迭代計算自動確定浸潤線位置和滲流量[10]。根據水文地質資料，擬定兩種計算工況分析滲流，工況一為渠道內設計水位4 m，地下水位3 m；工況二為渠道內設計水位4 m，地下水位1 m。襯砌邊坡為透水結構，計算模型中不考慮壓力水頭折減(圖6，7)。

圖6 工況一計算結果(單位：m)Fig.6 Working condition Ⅰ calculation results

圖7 工況二計算結果(單位：m)Fig.7 Working condition Ⅱ calculation results

對于工況一，經計算，浸潤線緩慢下降，水力坡度為0.012。對于工況二，經計算，浸潤線緩慢下降，水力坡度為0.16。根據渠道正常運行期渠道滲漏穩定計算成果，渠道滲漏出溢點高程與渠道外地下水位相等，浸潤線水力坡度隨地下水位增高而減小，滲漏量隨之減少。該渠道自20世紀80年代運行以來，兩側耕地未產生鹽漬化現象。綜上，將土工膜防滲邊坡改為透水混凝土護坡后，正常年份渠道輸水期間對渠道兩側田地基本無浸沒影響。

5 結 語

本文以引黃濟青東營段為例，采用有限元滲流計算、抗滑穩定分析、抗浮穩定分析、排水能力計算及運行工況分析等方法分析了臺風強降雨導致渠道損毀的原因。通過將土工布替換土工膜、透水混凝土板替換部分舊板、設置強透水性排水砂墊層、調整保溫板位置等措施，對損毀渠段進行修復處理，提高了邊坡穩定性，保證了渠道運行安全。研究成果可為類似渠道破壞機理研究與修復處理提供技術指導與經驗借鑒。