渠道衬砌结构抗滑稳定性分析

理论研究　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—１３０５．２０１７．０２．０２９　水利技术监督　２０１７年第２期　渠道衬砌结构抗滑稳定性分析　（抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁抚顺１１３００８）　摘要：为研究渠道衬砌结构的抗滑稳定性，通过对两种不同复合土工膜与不同类型保温板摩擦性能进行室内试验　研究。通过摩擦性能试验，对抗滑稳定性系数进行计算，分析探讨了影响衬渠道衬砌结构抗滑稳定性的因素，为　实际工程及大型渠道的设计与施工提供了理论依据。　关键词：衬砌结构；抗滑稳定性；复合土工膜；保温板　中图分类号：ＴＶ５５４＋．１４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８—１３０５（２０１７）０２—００８５—０３　近年来，人们对工程结构稳定越来越重视，而　渠道衬砌结构在工程中运用也越来越广泛，因此研　究引起衬砌裂缝，结构滑移等影响渠道衬砌结构稳　定的因素具有广泛的现实意义¨　。本文通过室内试　１０～ｍｍ；试验率定系数是６．１０９。　试验通过计算机软件采集剪切位移，并通过　公式（２）对剪切位移进行换算，进而求得剪　切力。　丁＝　：　－－７－Ｘ　．１０１　Ａ０　验，研究了保温板与复合土工膜之间剪切特性，利　用莫尔一库伦理论，位移与剪应力曲线、应力与应　ｆ２１Ｚ　Ｊ　变曲线，进行抗滑稳定性分析，实际工程及大型渠　道的设计与施工提供了理论依据。　式中，ｃ为测力环的率定系数，Ｎ／Ｏ．０１ｍｍ；Ｒ为　测力计的读数，０．０１ｍｍ；Ａ。为试样面积，ｃｍ　；　为剪应力，ｋＰａ。　试验中，测力计的读数Ｃ＝６．１０３，试样面积　Ａ０＝４４．１９ｃｍ　。　１　渠道衬砌结构摩擦性能试验研究　１．１试验方法　室内实验通过加大直剪试验机的剪切盒面积来　减小边界条件对实验的影响。为了提高试验的稳定　在渠道衬砌结构中，通过剪切强度计算公式　（３）来衡量两者之间的摩擦性能指标　。　＝ｃ＋　ｔａｎ　＝ｃ＋ｐｔａｎ￣　（３）　性及准确性，从而达到模拟现场情况的目的。室内　试验共选择了２种土工膜，将土工膜平铺于样板底　部，采用直径为８０ｍｍ的圆柱形模具，其剪切速率　式中，７Ｉ为剪切应力，ｋＰａ；ｃ为粘着力，ｋＰａ；　为摩擦角，。；Ｐ为向压力，ｋＰａ；　每组试验在５个不同的压力下进行，通过不同　控制在０．６ｍｍ／ｍｉｎ　。试验为了模拟实际情况，　水头分别取３．２ｍ、４．２ｍ、５．２ｍ、６．２ｍ、６．８ｍ，　压力作用下的剪切位移可以计算出对应的剪切应　力，从而得到对应的位移与剪应力曲线，在该曲线　上找到最大剪应力，得到ｒ＿ｐ曲线，再由公式（１）　～做对应的位移与剪应力曲线，从图中选出最大剪应　力，画出应力与应变曲线（下一Ｐ），进而求得保温板　与复合土工膜之间的摩擦角　（。）和摩擦性能指标　粘聚力ｃ（ｋＰａ）。　１．２试验原理　（３）求得保温板与复合土工膜之间的摩擦角与摩　擦性能指标粘聚力。　２试验结果　２．１　复合土工膜１试验结果　室内试验直剪仪的测力环率定方法为直接砝码　加荷法，试验前在负载下预压４次，率定次数不少　于５次并取其均值　。　。系数计算公式为　：　ｃ＝　Ｆ　（１）　收稿日期：２０１６－０６．１３　固定试验条件复合土工膜１，改变保温板的类　式中，Ｆ为荷载，Ｎ；Ｒ为与Ｆ的百分表读数，１×　作者简介：郎颖（１９７５年一），女，工程师。　・８５・　２０１７年第２期　水利技术监督　ｔａｎｇｏ＝０．５８１３，相关系数为０．９５３１）　理论研究　型分别为：Ｉ１—１，Ｉ１—２，Ｉ１－３，Ｉ１．４，Ｉ２，Ｉ３。室内　２．２复合土工膜２试验结果　摩擦性能试验的剪切应力与法向应力，剪切位移关　一日　）ｌ　嘿椒　系以及剪切应力关系如图１～４所示。　６０　５Ｏ　４０　３０　２０　１０　０　０　２　４　６　剪切位移△Ｌ（ｍｍ）　图１　保温板Ｉ１－１与复合土工膜１ｒ一△Ｌ曲线　一　法向应力ｏ（ｋＰａ）　图２　保温板Ｉ１－１与复合土工膜１１１－１８－　曲线　（摩擦角　＝４１．６２。，粘着力Ｃ＝３ｋＰａ，摩擦系数　ｔａｎｇｏ＝０．９１０６，相关系数为０．９７９６）　５０　４０　３０　２０　１０　Ｏ　剪切位移ＡＬ（ｍｍ）　图３饱水保温板Ｉ．１与复合土工膜１的　－△Ｌ曲线　５Ｏ　４Ｏ　３０　黑２０　躲　１０　Ｏ　法向应力ｏ　ｆｋＰａ）　图４饱水保温板Ｉ．１与复合土工膜１的　－ｆ曲线　（摩擦角ｐ＝３０．２５。，粘着力Ｃ＝９．５０ｋＰａ，摩擦系数　・８６・　在相同试验条件下，复合土工膜为一布一膜复　合土工膜不变，改变保温板的类型分别为Ｉ１－１，Ｉ１—　４的应力应变关系如图５～８所示。　剪切位移＆Ｌ（ｍｍ）　图５保温板Ｉ１－１与　△Ｌ曲线　生）ｌ　艇蕊　法向应力ａ（ｋＰａ）　图６保温板Ｉ１－１与复合土工膜２的艿－丁曲线　（摩擦角　＝４３．１９。，粘着力ｃ＝１．９４ｋＰａ，摩擦系数　ｔａｎｇｏ＝０．９３８６，相关系数为０．９８０６）　５０　舍　皇　４０　３Ｏ　２０　１Ｏ　法向应力ｏ（ｋｌ？ａ）　图８保温板Ｉ１－４与复合土工膜２的占　曲线　理论研究　水利技术监督　２０１７年第２期　（摩擦角ｐ＝２８．６６。，粘着力ｃ＝４．５２ｋＰａ，摩擦系数　ｔａｎ　＝０．５４６５，相关系数为０．９８７０）　２．３试验结果分析　由图１～８的　一△Ｌ曲线可以看出，剪切应力　随剪切位移的增大而增大，且剪切应力的增大速度　比剪切位移的增大速度快，复合土工膜与保温板与　问的界面作用可以从粘聚力中看出；当位移达到　３．Ｏｍｍ时，剪应力还是随着位移的增大继续增大　并趋于稳定，但剪切应力增大的速度明显小于剪切　位移增大的速度，可以看出两者之问的界面作用主　要为摩擦力。复合土工膜不变，保温板不同，其摩　擦性能随喷砂密度的增大而增大，摩擦角逐渐增　大，但是粘聚力变化不明显。饱水保温板与复合土　工膜间的摩擦性能和保温板与复合土工膜间的摩擦　性能相比，两者的摩擦系数明显的减小，但是粘聚　力逐渐增大。对于性能不同的相同复合土工膜与压　花保温板间的摩擦角变化不大，粘聚力变化不是明　显。由复合土工膜与保温板与的摩擦性能试验可以　看出，保温板都出现水平方向的变形，是由界面间　的剪应力引起的，接触界面越粗糙，剪应力越大，　其水平形变越大。保温板与复合土工膜之间，随着　剪切位移的增大，剪切应力先增加后减小并逐渐趋　于稳定。　由试验结果可以看出，所有组合的剪切应力　与法向应力的相关系数都大于０．９，表明数据的　离散性小。法向应力与最大剪切应力具有良好的　线性关系，并且相关系数都大于０．９５，采用摩　尔一库伦公式对法向应力及其对应的界面剪应力峰　值线形回归具有较高的可信度，即采用　＝Ｃ＋　ｆｔａｎ￣＝ｃ＋ｐｔａｎ￣作为界面的抗剪强度准则是合　理的。　在室内试验中设计渠道衬砌结构坡面坡角为仅　为５．２８。，其中边坡比为１：２，若考虑材料之间的　粘聚力，抗滑安全系数计算公式为　：　：　ｌ＋　（４）　ｇａ　ｙｔ．　式中，　为两种衬砌结构界面间的摩擦角，。；　为　坡角，。；Ｃ为衬砌结构两种材料界面间的粘聚力，　Ｎ；ｔ为衬砌结构边坡混凝土板的厚度，ｍｍ；　为　边坡混凝土板的容重。　在实际工程中，渠道衬砌结构滑稳定性系数　（考虑粘聚力）大于１．３５时抗滑稳定性较好，并且　系数越高，渠道衬砌结构越稳定　。在考虑粘聚力　的情况下，两种复合土工膜与不同类型的保温板的　抗滑稳定系数均大于１．３５，即衬砌结构的稳定系　数满足规范要求。计算结果表明将渠道衬砌结构设　计为倒梯形齿墙，衬砌结构较稳定即渠道的抗滑稳　定性增加。　３　结论　本文通过对实际大型渠道工程结构的试验，在　考虑粘聚力的情况下根据国家抗滑稳定性准则，对　工程渠道衬砌结构抗滑稳定性进行了探讨。研究结　果表明：　（１）一种渠坡衬砌材料难以满足抗滑稳定要　求，需保温板与复合土工膜结合，并依靠坡脚齿　墙减小渠道衬砌结构坡面坡角，来提高其稳定性。　（２）矩形齿墙不利于衬砌材料与渠坡稳定，渠　坡底部衬砌板易形成裂缝，设计为倒梯形结构来提　高其稳定性。　（３）进行抗滑稳定分析时，需考虑保温板与复　合土工膜间的摩擦系数，计算渠道衬砌结构滑稳定　性系数。　（４）保温板与复合土工膜间的摩擦系数不同，　渠道设计时应开展相应的试验性研究。　参考文献　［１］柳雅敏，左丽，陈尚法．大型渠道衬砌结构抗滑稳定性研究　［Ｊ］．人民长江，２０１０（１６）：６２—６４＋７４．　［２］王永立，岑威钧，邓同春，等．抗滑结构对渠坡增稳效应的有限　元分析［Ｊ］．三峡大学学报（自然科学版），２０１４（０４）：３７—　４０＋４５．　［３］董江伟，汤骅，姜海波．刚柔混合衬砌渠道保护层边坡的稳定　研究［Ｊ］．水利水电技术，２０１４（０９）：７０—７４．　［４］赵海蛟．大断面刚柔混合衬砌渠道的抗滑稳定计算［Ｊ］．水利规　划与设计，２０１６（０１）：１１４－１１７．　［５］何善国．快林水库水位骤降与土坝内坡滑坡相关性分析［Ｊ］．水　利规划与设计，２０１５（１０）：５５—６０．　［６］陈志国．土工织物在堤坝防渗工程中的应用［Ｊ］．水利技术监　督，２０１６（０３）：９７—９９．　［７］陈雯龙．新疆混凝土防渗渠道冻胀破坏成因分析及防冻胀措施　［Ｊ］．水利技术监督，２０１１（０３）：４５—４７＋５５．　［８］余飞，陈善雄，陈修和，等．通透肋式拱梁隧道结构荷载设计计　算方法探讨［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１３（１２）：２４８９－２４９６．　・８７・