橋梁基礎對岸坡滲透穩定及抗滑穩定性影響分析

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司 江河整治公司，湖北 武漢 430010；2.長江科學院 工程安全所， 湖北 武漢 430014； 3.安徽省宣城市宣州區城東防洪工程管理處，安徽 宣城 242000)

橋梁基礎對岸坡滲透穩定及抗滑穩定性影響分析

鄭華康1胡超2尚欽1汪繼承3

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司江河整治公司，湖北武漢430010；2.長江科學院工程安全所，湖北武漢430014； 3.安徽省宣城市宣州區城東防洪工程管理處，安徽宣城242000)

滲透破壞是河流岸坡主要的破壞形式之一，當建設跨河流的橋梁設施時，其基礎將對岸坡滲流場的分布規律產生一定影響。為了確保岸坡穩定性及長期安全運行，有必要對橋梁基礎建設前后岸坡的滲流場及抗滑穩定性進行對比分析。采用三維有限元數值模擬方法對虎渡河大橋橋墩修建前后岸坡的穩定-非穩定滲流場開展了對比分析，并在此基礎上采用二維極限平衡方法分析了橋梁基礎對岸坡抗滑穩定性的影響。

穩定-非穩定滲流；滲透穩定性；抗滑穩定性

1 滲流有限元分析方法

堤防、岸坡的滲流場為典型的無壓滲流場，屬邊界非線性問題。采用有限元法求解無壓滲流場時，通常采用固定網格法。典型的固定網格法有剩余流量法、單元滲透矩陣調整法、加密高斯點法以及初流量法等[1～4]。這些方法的不足之處是理論不夠嚴密，難以對滲流出滲點和自由面進行準確定位，且計算結果具有顯著的網格依賴性。

Zheng等人通過將濕區中的Darcy定律延拓至全域，并將潛在溢出邊界條件提為Signorini型互補邊界條件，提出涵蓋自由面穩定滲流問題的橢圓型變分不等式，該提法在理論上克服了溢出點的奇異性問題[5]。以此為基礎，Chen等針對無壓非穩定滲流問題，提出了理論上嚴密的拋物Signorini型變分不等式方法，并建立了基于子結構、變分不等式和自適應罰函數相結合的含復雜滲控結構滲流問題的數值模擬方法(簡稱SVA方法)，較為成功地解決了含排水孔幕等復雜滲控結構的穩定-非穩定滲流問題，并在實際工程應用中取得了良好效果[6]。

2 工程實例

2.1 工程概況

虎渡河大橋位于湖北省公安縣，是岳陽至宜昌高速公路石首至松滋段的控制性橋梁。該橋上部引橋采用20 m裝配式預應力混凝土空心板，主橋采用(68+120+68)m變截面預應力混凝土連續箱梁和50 m裝配式預應力混凝土連續T梁，下部橋墩采用柱式墩或實體墩，橋臺采用肋式臺，樁基采用鉆孔灌注樁基礎。

2.2 計算模型

為精確模擬橋基修建前后堤防及岸坡中的滲流場，本文基于地質勘察資料建立了虎渡河右堤K6+940斷面附近的三維有限元模型，如圖1所示。該模型范圍自堤軸線向堤內70 m，堤外150 m，底部高程為-20 m，模型共包括節點數為39 442，單元數為35 124，并細化了橋墩與堤基、岸坡交叉處單元網格。

圖1 虎渡河右堤K6+940三維有限元模型網格

2.3 計算參數

根據地質勘查資料，各土層滲流計算參數取值如表1所示。本文中，由于自由面的下降所引起的土體壓縮和彈性釋放水量與自由面下降所排出的水量相比甚小，因此可以略去土體和水的壓縮性，即Ss取值為零。參數μ的確定采用經驗公式法，經驗公式如下[7]

μ=1.137n(0.000 117 5)0.6076+lgk

(1)

圖2 工況一條件下虎渡河右堤K6+940總水頭等值線(橋墩修建前)(k單位為cm/s，下同)

土層名稱滲透系數k/(cm·s-1)給水度μ允許溢出坡降堤身土6．68×1040．0030．50粉質粘土1．0×1060．0040．46淤泥質粉質粘土4．94×1040．0030．47粉質粘土夾砂6．79×1030．0050．44淤泥質粉質粘土2．35×1040．0030．47粉質粘土8．94×1040．0040．41粉質粘土2．62×1050．0040．38

根據地質勘察資料，各土層的物理力學指標采用試驗指標建議值，如表2所示。表中所列抗剪強度均為飽和固結快剪指標。

2.4 計算工況

根據設計條件，堤防岸坡三維滲流有限元分析的計算工況及邊界水位條件如表3所示。

表2 虎渡河右堤K6+940斷面各土層物理力學指標

表3 滲流計算工況及特征水位條件

根據設計條件，并與三維滲流計算分析工況相對應，堤防岸坡抗滑穩定性計算工況如表4所示。

表4 抗滑穩定性計算工況及特征水位條件

2.5 滲流計算成果分析

工況一和工況三下橋墩修建前后的滲流規律見圖2～5。計算結果表明，虎渡河右堤K6+940的滲流場在修建橋墩前后差距甚小，等水頭線在橋墩修建前后相差不大，等水壓線分布平順，堤防岸坡內的自由面降落緩慢，并在堤腳附近逸出。

虎渡河右堤K6+940各層土體最大水力坡降如表5所示。由表5可見，橋墩修建前土體中最大滲透坡降發生在堤身土層中，其值為 0.403，小于其允許滲透坡降 0.50；橋墩修建后，各層土體最大水力坡降均有所增大，工況一條件下堤身土體最大滲透坡降為 0.441，仍小于該層土體允許滲透坡降 0.50。

圖3 工況一條件下虎渡河右堤K6+940總水頭等值線(橋墩修建后)

圖4 工況二條件下虎渡河右堤K6+940總水頭等值線(橋墩修建前)

圖5 工況三條件下虎渡河右堤K6+940總水頭等值線(橋墩修建后)

橋墩修建前后，工況一和工況三條件下，堤防、岸坡均滿足滲透穩定性要求。

表5 虎渡河右堤K6+940各層土體水力坡降

堤防、岸坡的非穩定滲流是由于堤外水位的變化引起的。其中，堤外水位的驟降對堤防的滲透穩定性最為不利。根據各時刻非穩定滲流場的分布規律，其最大滲透坡降及位置如表6所示。

由表6可知，滲透坡降在水位驟降1 h后達到最大值 0.673，表明水位驟降初期是最容易引起臨水坡滲透破壞的時期。所以應對堤防、岸坡進行反濾保護，以保證在水位驟降時堤防岸坡也能滿足滲透穩定性要求。

表6 工況二各時刻最大滲透坡降

2.6 抗滑穩定計算成果分析

由于三維極限平衡分析方法運用尚不廣泛，此次堤防、岸坡抗滑穩定性分析中聯合運用了二維極限平衡分析法與瑞典圓弧法。抗滑穩定計算中，選取橋墩所在剖面并將浸潤線導入抗滑穩定二維計算模型；將橋墩視為混凝土材料進行考慮，未考慮其對樁周土的壓密作用。

橋墩修建前，工況一和工況三條件下，堤防、岸坡背水側抗滑穩定系數分別為1.436和1.572；橋墩修建后，工況一和工況三條件下，堤防、岸坡背水側抗滑穩定系數分別為1.667和1.790。根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)，2級堤防土坡的抗滑穩定性不小于1.25，因此橋墩修建前后的兩種工況下，虎渡河右堤K6+940均滿足抗滑穩定性要求。由于橋墩阻滑作用，橋墩修建后抗滑穩定安全系數較修建前有所提高。

堤防、岸坡抗滑穩定臨界滑弧如圖6～7所示。

圖6 虎渡河右堤K6+940抗滑穩定臨界滑弧(工況一)

圖7 虎渡河右堤K6+940抗滑穩定臨界滑弧(工況三)

工況二條件下，將每個時刻的自由面位置作為堤防、岸坡抗滑穩定計算的水位條件，可以計算出每個時刻的安全系數。堤外側水位 42.717 m驟降2 m，以1 m/d的速度下降，考慮堤外坡抗滑穩定。工況二的安全系數如表7所示，最小值為 2.225。可以看出，各個時段的安全系數均滿足《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)的要求。堤防、岸坡抗滑穩定臨界滑弧如圖8所示。

表7 虎渡河右堤K6+940非穩定滲流各時刻的臨水坡安全系數

圖8 虎渡河右堤K6+940抗滑穩定臨界滑弧(工況二)

3 結 論

(1) 三維穩定滲流分析表明，橋基的修建對堤防、岸坡的滲流場影響較小，橋基各土層的滲透坡降最大值雖有所增大，但均在允許范圍之內，堤防、岸坡的滲透穩定性可滿足設計要求。

(2) 三維非穩定滲流分析表明，臨水側水位驟降時，最大滲透坡降隨著時間的推移而減小，滲透坡降最大值出現在水位驟降1 h之后，臨水坡滲透坡降達到 0.673。因此，堤防、岸坡的反濾防滲設計應結合實際運行條件,并考慮臨水側水位變化或驟降工況。

(3) 抗滑穩定分析表明，橋基修建后，堤防、岸坡在穩定滲流及非穩定滲流工況下，抗滑穩定系數均能滿足規范要求，橋基的建設對堤防、岸坡抗滑穩定影響較小。

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[7] 毛昶熙. 滲流計算分析與控制[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1990.

(編輯：朱曉紅)

2017-09-15

長江口北支改善平面形態治理技術研究(2013BAB12B04);長江口北支水沙鹽輸運模擬技術研究(2013BAB12B03)

鄭華康，男，長江勘測規劃設計研究有限責任公司江河整治公司，工程師，博士.

1006-0081(2017)11-0103-04

U443.1

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