節(jié)水改造工程防滲渠斷面設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分析

董春艷

（山西省汾河灌溉管理局；山西 祁縣 030900）

1 工程概述

汾河灌區(qū)是山西省最大的自流灌區(qū)，1999 年被列入國家大中型灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃，進(jìn)行灌區(qū)節(jié)水工程改造。灌區(qū)2015 年項(xiàng)目主要內(nèi)容包括干支渠道防滲91 km，建筑物改造129 座，信息化工程等。本項(xiàng)目防滲渠道設(shè)計(jì)，主要分為混凝土重力式擋土墻結(jié)構(gòu)和漿砌石護(hù)坡結(jié)構(gòu)，灌區(qū)重力式擋土墻基礎(chǔ)多為濕陷性粉土，部分區(qū)段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。設(shè)計(jì)渠段內(nèi)的堤防沒有滲透穩(wěn)定問題，故只計(jì)算擋土墻的抗滑、抗傾穩(wěn)定及基底壓應(yīng)力。涉及這種結(jié)構(gòu)型式的渠道，主要包括一壩東干渠、二壩東干渠和二壩西干渠的部分渠段。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 基本資料

渠道及建筑物級別，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-99），按設(shè)計(jì)流量確定，本工程干渠及其建筑物均屬4 級。

汾河灌區(qū)一壩東干渠，設(shè)計(jì)渠段斷面高度為1.8～2.3 m，迎水面邊坡為 1∶0.3，堤頂寬 0.3～0.35 m。本次選取堤高2.0 m、頂寬0.3 m 斷面，堤高2.3 m、頂寬0.35 m兩個(gè)最大斷面，進(jìn)行復(fù)核分析。一壩東干渠渠道典型斷面圖見圖1。

汾河灌區(qū)二壩東干渠設(shè)計(jì)渠段斷面高度為2.0～2.5 m，迎水面邊坡為1∶0.3，堤頂寬0.3 m。本次選取堤高2.2 m、頂寬0.3 m 斷面和堤高2.5 m、頂寬0.3 m、設(shè)置凸榫斷面兩個(gè)最大斷面進(jìn)行復(fù)核分析。二壩東干渠渠道典型斷面圖見圖2。

汾河灌區(qū)二壩西干渠，設(shè)計(jì)渠段斷面高度為1.8～2.4 m，迎水面邊坡為1∶0.3，堤頂寬0.3 m。本次選取堤高2.2 m、頂寬0.3 m 斷面和堤高2.4 m、頂寬0.3 m、設(shè)置凸榫斷面兩個(gè)最大斷面進(jìn)行復(fù)核分析。二壩西干渠渠道典型斷面圖見圖3。

圖1 一壩東干渠渠道典型斷面（單位：mm）

圖2 二壩東干渠渠道典型斷面（單位：mm）

圖3 二壩西干渠渠道典型斷面（單位：mm）

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

渠堤基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值，在《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》的表3.2.7 中選??；抗傾覆安全系數(shù)的允許值，在《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》的表3.2.12 中選取，結(jié)果詳見表1。

表1 穩(wěn)定安全系數(shù)最小值表

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011），當(dāng)偏心荷載作用時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值應(yīng)小于地基承載力，基礎(chǔ)底面邊緣處的最大壓力值，不得大于地基承載力的1.2 倍。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2001），工程所在地區(qū)的設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g，地震設(shè)防烈度為 8°。

3 計(jì)算方法

經(jīng)過比較本工程堤防形式，選擇重力式擋土墻形式，根據(jù)工程區(qū)內(nèi)的地下水埋深情況，本次設(shè)計(jì)渠段內(nèi)堤防沒有滲透穩(wěn)定問題。故只計(jì)算擋土墻的抗滑、抗傾穩(wěn)定及基底壓應(yīng)力。

3.1 計(jì)算工況

穩(wěn)定計(jì)算取以下兩種計(jì)算工況：

工況1（基本組合）：放水期剛結(jié)束，渠內(nèi)無水，堤外地下水位高于墻底（取勘察期平均埋深2.0 m）；

工況2（特殊組合II）：平水期，渠內(nèi)無水，遇地震。

考慮到擋墻為漿砌石基礎(chǔ)+混凝土墻身，本次取最大斷面復(fù)核混凝土墻身的穩(wěn)定。

3.2 基本參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察，渠堤基礎(chǔ)持力層為低液限粉土層。通過對一壩東干渠二垙閘等4 座閘、二壩東干進(jìn)水閘和二壩西干三號閘等2 座閘的土工試驗(yàn)資料對比分析，采用較小值進(jìn)行計(jì)算。統(tǒng)計(jì)各渠道物理力學(xué)指標(biāo)，見表2。

表2 基底層的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)地質(zhì)勘察，項(xiàng)目區(qū)場地內(nèi)無不良地質(zhì)現(xiàn)象，地基穩(wěn)定性好，可采用天然地基。其中三條干渠的低液限粉土、低液限粘土承載力值為100～120 kPa。考慮到基礎(chǔ)開挖后進(jìn)行夯實(shí)處理，本次取地基承載力為110 kPa。

根據(jù)地質(zhì)勘察，三條干渠的建筑物基礎(chǔ)與地基土的摩擦系數(shù)在0.25～0.35 之間?？紤]到基礎(chǔ)開挖后進(jìn)行夯實(shí)處理，本次取建筑物基底面與地基之間摩擦系數(shù)f取0.3，混凝土墻身與漿砌石基礎(chǔ)之間摩擦系數(shù)f取 0.6。

3.3 計(jì)算公式

3.3.1 受力分析

按單位長度計(jì)算擋土墻穩(wěn)定性，取最大墻高斷面及各種最不利荷載組合計(jì)算，作用于墻體上的力有：擋墻自重、土柱重、側(cè)向土壓力、水壓力、地震力。

采用的計(jì)算公式如下：

（1）自重計(jì)算

式中：γ石——重量體積比，取漿砌石γ石=22 kN/m3，混凝土 γ砼=23 kN/m3；

V石——單位長度的擋墻體積，m3。

（2）土柱重計(jì)算

式中：γ土——回填土容重，取γ土=18 kN/m3；

V土——單位長度回填土體積，m3。

考慮到渠道堤防局部緊鄰鄉(xiāng)村道路，還應(yīng)考慮車輛的荷載。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JT GD60-2004），鄉(xiāng)村公路按四級公路考慮，汽車荷載等級按公路-II 級計(jì)算。擋土墻受壓力，計(jì)算采用車輛荷載，四級公路車輛荷載的效應(yīng)，乘以0.7 的折減系數(shù)。車輛荷載對擋土墻后填土引起的土側(cè)壓力，按下式換算成等代均布土層厚度h，計(jì)算公式：

式中：ΣG——按規(guī)范分布在接觸面積內(nèi)車輪總重力做橫向布置量，kN；

l0——擋土墻后填土的破壞棱體長度，m；

B——擋土墻的計(jì)算長度，取13 m。

當(dāng)擋土墻分段長度小于13 m 時(shí)，B取分段長度，本工程分段長度為8 m，考慮規(guī)范計(jì)算車輛車身長15 m，基本平均分布在2 幅擋墻段上，且鄉(xiāng)村道路通行車輛較小，本次按車輛荷載均布考慮，取B=13 m。

（3）土側(cè)壓力計(jì)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——靜止土壓力系數(shù)。

（4）水壓力計(jì)算

式中：γ水——水的重量體積比，取9.81 kN/m3；

H1——基底以上水頭，m。

（5）浮托力計(jì)算

式中：H1——基底以上水頭，m；

B——擋墻基底寬，m。

（6）地震力計(jì)算

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地表連通地表上的構(gòu)筑物，會以地震的加速度發(fā)生震動，擋墻及回填土承受了與地震加速度相反方向的慣性力的作用。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2001）（2008 年版），附錄 A《我國主要城鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度設(shè)計(jì)基本地震加速度和設(shè)計(jì)地震分組》劃分，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2 g。擋墻為IV 級建筑物，只計(jì)水平向總地震慣性力Q，Q計(jì)算公式：

式中：KH——水平向地震系數(shù)，取0.2；

CZ——綜合影響系數(shù)，取1/4；

F——地震慣性力系數(shù)，當(dāng)計(jì)入基礎(chǔ)地震慣性力時(shí)F=1，堤身F=1.1；

Wi——產(chǎn)生地震慣性力的建筑物重量，kN。

3.3.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

防洪擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc按下式計(jì)算：

式中：Kc——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——底板與地基之間的摩擦系數(shù)；

∑W——作用于墻體上的全部垂直力的總和，kN；

U——作用在接觸面上的浮托力，kN；

∑P——作用于墻體上的全部水平力的總和，kN；

［Kc］——防洪墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值。擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖見圖4。

圖4 擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖

3.3.3 抗傾穩(wěn)定計(jì)算

擋土墻的抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ko——抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑MV——抗傾覆力矩，kN·m；

∑MH——傾覆力矩，kN·m；

［Ko］——擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)允許值。

3.3.4 基底壓應(yīng)力計(jì)算

擋土墻的基底壓應(yīng)力按下式計(jì)算：

∑G——垂直荷載，kN；

A——底板面積，m2；

∑M——荷載對底板形心軸的力矩，kN·m；

∑W——底板的截面系數(shù)，m3。

4 主要計(jì)算成果

分別輸入一壩東干渠、二壩東干渠和二壩西干渠各設(shè)計(jì)斷面及邊界條件，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 堤防穩(wěn)定計(jì)算成果表

由上表堤防穩(wěn)定計(jì)算成果可知，在兩種工況下，渠堤的抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)均高于規(guī)范允許范圍，因此認(rèn)為此種渠道設(shè)計(jì)斷面是安全的。

5 結(jié)語

該項(xiàng)目渠道防滲工程于2015 年底已全部完工并投入運(yùn)行，經(jīng)過灌區(qū)3 年多春澆、秋冬澆的輸水運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)任何位移、變形等質(zhì)量問題。由此可以看出重力式擋土墻結(jié)構(gòu)這種防滲斷面在穩(wěn)定性方面是滿足要求的，值得在汾河灌區(qū)以及北方類似灌區(qū)推廣應(yīng)用。