膨胀土渠坡混凝土斜墙防护的稳定及变形分析

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1、设计施工水利规划与设计2014年第12期膨胀土渠坡混凝土斜墙防护的稳定及变形分析耿运生李聚兴周玉涛王俊奇李闯(1．河北省水利水电第二勘测设计研究院河北石家庄050021；2．华北电力大学可再生能源学院水利水电工程教研室北京102206)【摘要】针对南水北调中线一期工程总干渠邯邢段膨胀土渠坡的滑坡问题，对采用混凝土斜墙防护方案进行了探讨。采用几何非线性有限元法，对膨胀土渠段某典型断面斜墙的稳定、膨胀变形进行模拟，计算分级施工、运行的3种工况。计算结果表明，强度折减有限元法算得渠坡安全系数大于规范规定，斜墙膨胀量不致影响渠道安全。【关键词】膨胀土渠道边坡斜墙强度折减法南水

2、北调中线工程【DOI编码】10．39690．issn．1672．2469．2014．12．008【中图分类号】TV672【文献标识码】B【文章编号】1672．2469(2014)12．0019．031概述如果单纯以膨胀力来进行建筑物的加固设计或者防护是不合理的，当土体有了一定的膨胀量，南水北调中线一期工程总干渠邯邢段总长膨胀力就大幅降低。引江总干渠，对于分块接172km，其中膨胀土(岩)渠段42．Olkm。挖方缝处产生一定的错动，对于护坡而言是容许的。渠段41．59km，挖深lOm之内的25．46km，挖深基于此，作者提出了利用斜墙进行膨胀土渠坡10～15m渠段11．

3、8km，挖深15m以上的4．35km。的处理，一是利用斜墙的压重控制一部分变形，过水断面处于强膨胀性岩土渠段3．65km，中膨二是容许斜墙存在一定的变形但不致破坏，三是胀性2O．7lkm，弱膨胀性17．65km。地下水高于在斜墙与膨胀土基面之间设置排水垫层使裂隙渠底的渠段21．3km，其中高于一级马道的渠段水顺利排出。长12km。邯邢渠段的膨胀土(岩)主要分布在邯郸(桩号10+650～68+315)和邢台(桩号2基本条件和设计方案109+798～l23+049)的部分渠段。(1)初步设计阶段批复方案膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩、快速崩解、南水北调中线总干渠某渠段地层岩

4、性上层超固结、多裂隙等特性。裂隙不仅破坏膨胀土为强膨胀壤土，下层为弱膨胀性粘土岩，渠道为的整体性，而且为雨水的渗入提供了快速通道，全挖方，一级马道高程基本同地面。水分进入土体后导致土体迅速软化，大大降低了批复设计方案为，渠底宽度17．5m，迎水土体的抗剪强度，从而诱发边坡发生失稳破坏。面坡度1：3．5，膨胀土表层进行粘性土换填，对膨胀土渠段的处理，处理原则是以封闭换填厚度2．5m，换填层上设置反滤料(厚土体减小含水量变化和利用换填层吸收膨胀变150mm)、保温板(厚30mm)、土工膜和混形的思路进行处理，对应于强、中、弱膨胀土换凝土衬砌板(厚1OOmm)。填厚度分别取

5、为2．5、2．0和1．Om。(2)斜墙方案对于膨胀土的膨胀量和膨胀力，许多学者防护结构采用钢筋混凝土斜墙，迎水面坡作了大量工作，对于不同的矿物组成，膨胀特性不同，同时膨胀力与膨胀量的相关性也有差异。作者简介：耿运生(1973年一)，男，教授级高级工程师。·19·设计施工水利规划与设计2014年第l2期度1：1．5，项部厚度0．6m，底部厚度2m。斜墙3倍。平面应变4结点减缩积分单元(CPE4R)。沿渠道方向每8m设一道变形缝，设橡胶止水带。3．2分析步斜墙表层和底层设置钢筋网。根据计算目的和要求，计算工况如下：混凝土斜墙抗滑稳定不满足要求，剩余推工况l：开挖渠道，垫层

6、、护坡施工完毕；力由横向支撑梁承担，经计算，为达到允许安全工况2：正常运行，受渠道水压力和岸坡中系数，每延米斜墙剩余推力60kN。根据斜墙分浮力；块尺寸，支撑梁间距取4m。根据支撑梁承受的工况3：检修，渠道无水，岸坡作用渗透力。最大推力，考虑施工和受压稳定的要求，确定尺根据计算工况，按照实际施工顺序，模拟基寸为0．5×1．0m(宽×高)，钢筋混凝土结构。坑开挖形成初始应力场、垫层和结构施工、强度强膨胀土渠段，实测及预计地下水位皆高参数折减等过程，设置分析步，如表I。直到土于渠底，为及时排除膨胀土裂隙内的地下水，在层中塑性区发展导致最后计算不收敛中断为止。斜墙和膨胀土接

7、触面设置0．5m厚砂砾排水层，此时的折减幅度即对应折减安全系数。坡面排水层与渠底换填土下的排水层连通。排水对强度参数c和进行折减，关系如下：层粒径0．5～5mm，dl5取0．7mm，不均匀系Ctanl一=一=一数大于lO。cftan1斜墙结构图见图1。计算检修工况时，考虑渗透力作用。为简化计算，靠近坡面处，假设水流渗透方向与坡面平行，施加渗透力的水平和垂直分力。参数折减过程中，部分区域变形较大，而且材料刚度相差悬殊，采用几何非线性分析。表1分析步设置工况包含的分析步和施加的荷载应力第1步：地基重力平衡，得到基坑开挖后的天然地应力场施工过第2步：下部垫