跨河橋梁對堤防安全穩定的影響分析

楊春瑞 張瓊瓊

跨河橋梁工程在堤防附近布置橋墩，橋墩采用鉆孔灌注樁基，樁基施工破壞了堤身正常的土壓力平衡。大橋建成后，由于汽車動荷載對樁基擾動作用，在土體和樁體之間形成空隙，易產生類似接觸沖刷等滲流破壞，需進行堤防滲透穩定復核。本文針對大橋工程對堤防安全穩定的影響進行計算分析，提出了跨河橋梁對堤防安全穩定分析的方法，為堤防管理部門對堤防保護及管理提供了一些參考依據。

一、概述

隨著人類社會經濟的發展，交通建設步伐也隨之加快，橋梁作為交通建設的重要組成部分，其數量也在急劇增加。跨河橋梁工程的橋墩采用鉆孔灌注樁基，近堤腳樁基施工破壞了堤身正常的土壓力平衡。橋墩建成后汽車動荷載對樁基擾動作用，在土體和樁體之間形成空隙，易產生類似接觸沖刷等滲流破壞，需進行堤防安全穩定復核分析，分析大橋建成對堤防安全穩定的影響程度，采用有效措施減少不利影響。

本文運用跨河橋梁工程實例進行堤防安全穩定分析，實例為沙潁河下游段跨河橋梁工程。該橋梁工程于潁上閘下游31.5km處跨越沙潁河，下距沙潁河口約13.6km，潁河河道193+220，潁左堤7+845，潁河右堤183+992。大橋設計荷載采用城-A級，人群荷載采用3.5kN/m2，橋面寬22.0m，橋跨布置：橋臺3.0m+左岸引橋先簡支后連續預應力混凝土預制箱梁（5×30m+6×30m）+鋼箱提籃拱橋70m+等截面預應力混凝土現澆箱梁2×45m+跨主河槽鋼箱提籃拱橋160m+先簡支后連續預應力混凝土預制箱梁（2×33+跨右堤40+33）m+右岸引橋先簡支后連續預應力混凝土預制箱梁 （5×30m+4×30m）+橋臺3.0m，全長1065m。該工程涉及潁河兩岸堤防分別為淮北大堤潁左堤和潁河右堤，其中潁左堤為1級堤防，潁河右堤為2級堤防。

二、計算方法

1.滲流及滲透穩定計算

（1）計算條件

正常期：迎水側設計洪水位，背水側無水的不利工況。

陡降期：迎水側由設計洪水位在48h內陡降到堤腳。

根據工程地質勘察報告。樁體附近土層看作透水性較好的土層。

（2）計算方法

依據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）中有關滲流及滲透穩定計算的規定，選用河海大學工程力學研究所研制的《水工結構有限元分析系統（AutoBANKv 7.0）》堤防滲流場計算程序，對堤防進行滲流及滲透穩定分析。計算原理如下：

對于穩定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數滿足微分方程：

式中：=（x，y）為待求水頭勢函數；x，y為平面坐標；kx，ky為 x，y軸方向的滲透系數。

1）在上游邊界上水頭已知

2）在逸出邊界水頭和位置高程相等

3）在某邊界上滲流量q已知

其中：lx，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

式中：[H]為滲透矩陣；{}為滲流場水頭；{F}為節點滲流量。

求解以上方程組可以得到節點水頭，據此求得單元的水力坡降，流速等物理量。求解滲流場的關鍵是確定浸潤線位置，采用節點流量平衡法通過迭代計算自動確定浸潤線位置和滲流量。

（3）計算結果

按計算條件所選定工況、參數和計算方法所確定的計算理論，對堤基進行滲透穩定分析，計算結果見表1。

2.抗滑穩定計算

（1）計算條件

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013），堤防抗滑穩定計算工況取：①正常運用條件：設計洪水位，堤后無水，背水坡的穩定情況；設計洪水位驟降期迎水坡的穩定。穩定滲流期堤身穩定采用瑞典圓弧滑動法中的有效應力法進行計算，驟降期堤身穩定采用瑞典圓弧滑動法中的總應力法進行計算。②非常運用條件：多年平均水位+7度地震時的穩定情況，地質參數見表2.1-1。

（2）計算方法

根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013），穩定計算采用瑞典圓弧滑動計算，公式如下：

式中：W—土條重量（kN）；

Q、V—水平和垂直地震慣性力（V向上為負，向下為正）（kN）；

表1 堤防滲透穩定計算成果表

表2 堤防邊坡穩定計算成果表

u—作用于土條底面的孔隙壓力（kN/m2）；

α—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角（°）；

b—土條寬度（m）；

c'、'—土條底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效內摩擦角（°）；

Mc—水平地震慣性力對圓心的力矩（kN·m）；

R—圓弧半徑（m）。

計算結果見表2，

三、計算結果分析

從表1和表2計算結果知，考慮橋墩樁基貫穿覆蓋層的不利影響，潁河左、右堤滲流及抗滑穩定復核均滿足規范要求。近堤腳橋墩樁基布置穿透堤基覆蓋層，增加了堤防發生滲漏、管涌的可能性，橋墩基礎施工直接擾動堤基，車輛通行動載荷會對橋墩附近地基土層產生不利影響。雖然滲流穩定計算滿足規范要求，但從計算圖中可以看出，受近堤腳橋墩的影響，各種工況下計算水力坡降最大值均出現在橋墩和堤基的結合部位，該處易成為堤基滲透穩定的薄弱環節，施工中應加強質量控制，并作橋墩局部防滲處理。

四、采取措施

橋梁樁基施工后回填前基坑內積水應提前排除干凈，混凝土、棄渣、浸泡表層土清除。近堤腳不具備放坡條件的承臺基坑，回填土采用蛙式打夯機分層夯實，每層厚度按20cm控制，壓實度根據堤防等級確定：潁左堤為0.95，潁河右堤為0.93。回填平壓后，再拔除鋼板（管）樁，樁孔立即做粘土球回填處理。迎水側基坑待自然固結1月后，安排粘土灌漿處理，再實施橋墩局部防滲。

橋墩局部防滲處理設計原則：迎水側采用截滲措施，從源頭堵截滲流通道；背水側采用導滲處理，將滲水安全導出降壓，保護基土不隨滲水流失而產生滲流破壞。此次防滲處理選用現行技術較為成熟、安全性較高的土工織物加反濾結構，即對迎水側橋墩承臺施工基坑開挖擾動部位用復合土工膜作截滲處理，土工膜上部回填夯實20cm厚的粘土封閉層，其上再砌筑12cm厚混凝土預制塊護面作為保護層，并起到防沖作用；對背水側橋墩承臺施工基坑開挖擾動部位用土工布作反濾保護處理，土工布上分別鋪筑10cm厚粗砂和級配碎石過渡層，其上再砌筑12cm厚混凝土預制塊護面作為保護層。

橋面排水孔會對堤防土質堤坡及近堤腳護堤地造成較嚴重沖刷，因此在堤身及護堤地范圍內大橋應避免設置排水孔，對受影響的堤坡、護堤地做必要防護。

五、結論與建議

跨河橋梁項目工程應合理安排施工進度計劃，近堤橋墩樁基施工應避開高水位，盡量減少對基底土的擾動，避免堤基滲透破壞。對影響范圍內的近堤腳橋墩基礎作局部防滲處理和堤防迎水坡進行工程防護。通過有效措施的防護處理，大橋工程對堤防安全穩定的影響程度降到最低，為堤防保護及管理提供了參考依據