對某送水渠完建期混凝土護坡襯砌出現(xiàn)上浮的原因剖析

張 明

(鹽城市河海工程建設(shè)監(jiān)理中心， 江蘇 鹽城 224000)

某水利供水工程，從有利于深化輸水節(jié)能，對送水渠道進行了改造。由于原渠道屬故黃河灘高地，土質(zhì)松軟，砂化極為嚴重，造成送水時滲漏較為明顯，故將土坡改建為混凝土襯砌護坡，旨在減少水土流失。整個襯砌長度達40 km，施工期在2020年8月份進入主汛期，由于連續(xù)下雨，渠道不僅作為平時輸水河道，也是兩岸雨水匯集下排的主要通道，在已完成的現(xiàn)澆混凝土渠道襯砌5 km中，發(fā)現(xiàn)▽21 m河底部齒墻向上2 m左右，部分護坡襯砌有上浮的趨勢，且部分襯砌板與底部齒墻開裂，沿齒墻外側(cè)有被擠出的流砂。通過現(xiàn)場勘察，認為是屬較為典型滲流破壞，若不加以處理，對工程實施和今后運行，極有可能造成安全方面的隱患，尤其在堤外側(cè)洼地，處于積水時所引起坡面流砂現(xiàn)象較為嚴重，導致部分坡面的掏空破壞，使工程使用效益降低。

1 問題的產(chǎn)生

1.1 相關(guān)參數(shù)與條件

渠道過水斷面內(nèi)坡為1∶2.75～1∶3，渠底齒墻▽21 m，護砌板頂▽26 m，其結(jié)構(gòu)自下而上的布置形式為:混凝土厚10 cm+土工布+擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板。河坡原狀土為砂壤土，透水性極強，最差段滲透系數(shù)為2.0×10-3cm/s；進入主汛期8月份，雨水相對集中，造成河道周邊土地土壤飽和，據(jù)統(tǒng)計2020年8月4日20時～7日上午8時共降雨75 mm；損壞較為嚴重的區(qū)段為左岸樁號K61+377～K61+557范圍內(nèi)，該段地勢較為特殊，堤頂外側(cè)為種植玉米地，緊挨著路邊，且地勢低洼，比堤頂相差高度為1.9 m，雨水期間自然形成了地表水涇流的匯集，相對形成了較高的承壓水頭達到6 m(▽27 m～▽21 m)，從而威肋著該段堤身安全。

1.2 受損情況

根據(jù)對受損情況的統(tǒng)計，樁號K61+377～K62+573范圍內(nèi)大部分發(fā)生在左岸(洼地側(cè))，襯砌裂縫有5處，其中3處為貫通縫，縫寬0.2～0.5 cm；襯砌板上浮有15處計60 m長，上浮形成錯臺差為2.5～7.1 cm。

2 問題原因分析

(1)主觀原因。連續(xù)不斷下雨，坡面對地下水排泄，出逸口未設(shè)計排水濾層設(shè)施。依據(jù)設(shè)計意圖，每圈15 m各布置1道格梁，留(置)2 cm縫隙用于排水，在框格內(nèi)又分為4 m×4 m板塊，靠人工切縫用于排水。而實際施工中，12 m內(nèi)混凝土整體澆筑，待強度達70%后，按4 m×4 m切縫，作伸縮縫與排水之用。切縫深度為7～9cm(板厚10cm)，且板面下布置泡沫板與土工布，起不到排水作用。當受到低洼區(qū)段形成地表匯水，而產(chǎn)生徑流，就出現(xiàn)嚴重的滲流破壞。經(jīng)現(xiàn)場考察，并根據(jù)對襯砌破壞情況分析，齒墻(▽21 m)以上2 m范圍內(nèi)，由于排水不暢，造成了出逸點周邊土體的破壞，也拉動了襯砌，呈現(xiàn)板塊上浮、開裂。短時間內(nèi)集中下雨，形成地表徑流匯集到洼地，地表水位達到▽27 m位置上，而距離齒墻(河底)，相差6 m落差，而形成滲流的作用，在此范圍內(nèi)使坡面形成了一個圓孤滑動面，而出逸點排水又不暢，使內(nèi)部滲透壓力逐漸增強，并牽動了周邊土體的懸浮和破壞，從而推動了混凝土襯砌。當滲透壓力大于被頂托的混凝土板塊重量時，超出混凝土抗拉強度允許值(C25抗拉允許值12.8 N/mm2)，則使混凝土表面斷裂貫通縫的產(chǎn)生。

(2)襯砌斷面設(shè)計布置形式也值得商洽?；炷料聦訛橥凉げ?，再下層為3 cm保溫板，堵塞了坡體滲流水體逸出，因此失去了濾層作用，導致滲流力的增強，誘發(fā)水土頂托力上浮的產(chǎn)生。

3 機理分析

(1)特定的地域條件，孕育了滲流的產(chǎn)生?；炷烈r砌長度為12 km(兩岸長24 km)，在發(fā)生受損事件前共完成襯砌長度4.8 km(兩岸相加長9.6 km)，本次受損長1.2km (單片)，占完成數(shù)12.5%，完好數(shù)占完成數(shù)87.5%。經(jīng)實地查勘，并對照設(shè)計資料，認為渠道外側(cè)與堤頂形成高差最大的在1.3km范圍內(nèi)，屬低洼地段，一般高差1.8～1.9 m，而其他境內(nèi)的高差不大，最大0.5 m左右，所以一旦遭遇大雨，低洼地形成了地表水匯集點。而其他地段內(nèi)，形成的地表水為土壤孔隙水，屬靜態(tài)的。而低洼地表徑流的匯集水，不斷匯集式補充，致使水位抬高，向下滲透力隨水位抬高而增強，屬動態(tài)水。該區(qū)段排水，一直是靠自然形成自排入該河道，長久以來，一旦低洼區(qū)形成積水，順理成章，無阻礙地排入施工河道內(nèi)，原地下排水通道自然形成而通暢，但當坡面襯砌施工時，人為造成原有出逸口受堵，導致滲透壓力對該周邊頂托和破壞。滲透壓的運動過程反映：凡是有滲流就有滲透力或稱動水壓力，堤內(nèi)外水位差形成了滲透壓力的作用，而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形，或滲透破壞。

(2)主汛期雨量的增強，導致堤坡結(jié)構(gòu)的變化。2 d時間內(nèi)降雨75 mm，在無任何排水出路的情況下，該地區(qū)顯得降水量相對較大。經(jīng)查閱相關(guān)設(shè)計對堤身斷面及抗滑穩(wěn)定驗算成果，考慮外側(cè)地下水位▽26 m，其核算斷面樁號為K66+822，抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.34，在12 km長的渠道，僅對1個斷面作為典型核算，顯然不夠，無論從核算概率與地貌特征均不能涵蓋與反映整個渠道斷面穩(wěn)定實際狀況；經(jīng)對樁號K61+377斷面復核計算，采用實地地貌情況，土質(zhì)參數(shù)，以及結(jié)合本次雨情而產(chǎn)生的堤外水位▽27 m核算，其結(jié)果為：不考慮滲流的影響Fa=1.2>1.1，是安全的；若考慮滲流影響Fa=0.85<1.1，是不安全的。坡面此時處于不穩(wěn)定狀態(tài)[1]。從抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果看出，本次破壞實例為滲壓力形成的破壞。

(3)水情與工情的變化。通過以上核算，也反映了渠道穩(wěn)定在正常理論條件下，運用正常的C、ψ值計算是穩(wěn)定的，但這并不意味著在某個特珠條件下發(fā)生的變化，當在低洼匯水形成的一定水位，水情和工情都發(fā)生了變化，也會導致土體中主要物理與力學性能減低，尤其類似于承壓水頭越高，持續(xù)時間越長，土坡滑動而產(chǎn)生破壞性也越大[2]。

因此，在汛期對土坡進行襯砌施工時，要充分考慮到水情與工情變化狀況，從幫助滲流順暢逸出為之提供通道。故設(shè)置冒水孔是十分必要的，實踐證明，此舉能起到對滲透壓力能量的釋放，有助于降低滲透力的破壞，更有效地避免和防止對出口處和土坡內(nèi)部土粒的懸浮破壞。正是由于未設(shè)置冒水孔式的濾層設(shè)施，而產(chǎn)生土體懸浮破壞，使懸浮土在滲透壓力作用下推出底部混凝土齒墻外側(cè)，現(xiàn)場擠出懸浮土呈如泉眼群，砂沸現(xiàn)象還是嚴重的。

(4)土工布布置位置不合理。利用土工布主要應(yīng)起到濾層作用，而在土工布之上澆筑混凝土是顯然不合常規(guī)?；炷翝仓螅麄€布面毛孔全部被堵死，起不到反濾作用，當坡面受滲流作用后，出逸點受保溫板以上荷載壓縮，滲水無法排出，滲水為有壓水體，一旦內(nèi)部能量增大，滲流頂托土面一起向上，從而首先產(chǎn)生坡面土體隆起，通過頂托造成了混凝土襯體的上浮。若土工布放置下層，可起到濾水作用，又通過土工布間層水的流動排出，使內(nèi)部滲流能量得到一定釋放，也能大大減少上浮的產(chǎn)生。

4 受損襯砌修復及建議

(1)受損長度1.2 km，根據(jù)不同情況，采取不同措施。襯砌上浮達5 cm以上，應(yīng)考慮到受損位置，針對掏空的地段，采用壓密注漿(水泥M20)法，填充密實；縱向裂縫位置可視情況，也可沿縫切割成縱向連續(xù)縫作伸縮縫用；在▽24 m位置以下2層呈梅花形之間2 m間距布置冒水孔，孔內(nèi)用石子片與石子填充，打孔時要鉆至原土層面，冒水孔內(nèi)放置土工布后加濾料。

(2)正在施工中的11.4 km襯砌，同樣按▽24 m以下，留置2層呈梅花形之間2 m間距布置冒水孔，按直徑100 mm管埋設(shè)到位，后再澆筑混凝土。注意施工時，混凝土不可將埋設(shè)管內(nèi)澆“死”，管底部采用土工布包裹扎牢，混凝土達到一定強度后，再進行濾料的填充；解決利用土布作為混凝土與保溫板的隔絕材料布置形式，這層面可以采用增墊一層卷式包裝紙材料代替(南水北調(diào)東線揚洲段利用實例)，將土工布放置到最下層，起到過濾作用。

5 結(jié) 語

施工現(xiàn)場受滲透不暢影響的教訓是深刻的，通過事實使我們對特殊的地理條件，所產(chǎn)生的滲流破壞過程有了一定的認識，也有助于今后類似項目的設(shè)計與施工提高對滲透破壞的預防作用。凡是在坡堤上建設(shè)襯砌設(shè)施，都應(yīng)該考慮設(shè)置必要的濾層排水設(shè)施，其位置應(yīng)通過對排水逸口高度進行必要的計算而設(shè)置，這樣可減少盲目性，提高合理性和科學性。