既有尾礦庫對鄰近橋梁安全運行影響分析

王博文

(誠合瑞正風險管理咨詢有限公司 北京 100855)

1 引言

橋梁施工經常存在鄰近既有建(構)筑物的情況，對橋梁施工或運營存在一定的影響。國內外學者對既有建(構)筑物對鄰近橋梁施工或運營的影響進行了大量的研究，李世仲[1]針對某過江隧道建立盾構開挖隧道施工仿真數值模型，分析了新建隧道施工過程中地表沉降、對既有橋樁的受力和變形的影響。孫雪兵[2]以武漢地鐵3號線隧道下穿既有鐵路橋梁工程為背景，在ANSYS平臺上進行數值仿真分析，得出盾構下穿過程中，橋梁及其樁基主要發生沉降變形的結論。張翼鵬[3]對高速鐵路沿線抽水井降水導致的橋梁基礎沉降進行數值仿真分析，結果表明:抽水后場地沉降及孔隙水壓力均呈漏斗狀分布，抽水結束后土體最終沉降趨于穩定，橋梁樁基下半段以及樁底的正應力有所增加。倪恒[4]研究了河道開挖、棄土堆載對橋墩和承臺的豎向位移、橫向位移的影響規律。翟強[5]基于SPA法提出盾構隧道施工對鄰近橋梁安全評價方法，以5座被下穿橋梁為例，對其進行安全風險評價和敏感度分析，相關研究成果可為施工前期盾構的選型和地質適應性研究提供依據。高宏偉[6]等以寧波濱海新建杭甬高速公路復線寧波段高架橋緊鄰圍墾工程為例，研究橋梁與海堤在不同距離情況下，新建橋梁施工、海堤施工、圍墾填土等工序對鄰近橋梁樁基的影響。楊靜[7]以某高架橋下的基坑開挖工程為例，采用強度折減有限元方法，分析基坑開挖引發的邊坡穩定性問題以及不同的基坑支護方案對鄰近高架橋梁樁基礎變形的影響。張凱[8]通過對開挖過程中基坑、橋梁基礎變形監測數據進行對比分析，對管廊基坑鄰近橋梁基礎開挖防護施工技術進行總結。王凱[9]以北京地鐵16號線下穿蘇州橋為工程背景，探討疊落隧道施工對鄰近橋梁變形的影響機制及相應的保護措施。

雖然國內外學者對鄰近既有橋梁施工，對其造成的影響進行了大量研究[10－12]，但是對既有廢棄尾礦庫對橋梁安全運營的影響分析還很少，本文以某公路橋鄰近一廢棄尾礦庫為例，研究既有廢棄尾礦庫對橋梁安全運營的影響，以期為類似工程安全評估提供參考。

2 工程概況

某高速公路鄰近一既有廢棄尾礦庫，該尾礦庫庫容約3.2萬m3，壩頂高程約415.0 m，最大壩高約9.0 m。為了減少尾礦庫對高速公路運行的影響，高速公路在尾礦庫下游以橋梁形式通過，如圖1所示。橋梁上部結構采用箱梁，梁高為1.8 m。目前該尾礦庫廢棄已久，其排洪系統和排水系統均缺失，在降雨匯流情況下可能發生滑坡和泥石流，對其下游的公路橋梁安全運營造成威脅，因此需要分析尾礦庫一旦發出災害對下游公路橋梁的影響。

圖1 尾礦庫與公路橋的相對位置關系

3 尾礦庫安全性分析

3.1 滲流場分析

該尾礦庫為山谷型尾礦庫，相對于尾礦砂材料而言，尾礦庫周邊的山體基巖可以看作為不透水材料，因此在滲流分析中只考慮尾礦庫自身的滲流作用。根據勘察單位提供的地質剖面資料確定計算剖面的幾何邊界及材料分層情況，材料參數如表1所示。建立有限元計算模型，如圖2所示。

表1 庫區土層物理力學參數

圖2 壩體二維滲流有限元計算模型

由于該尾礦庫已經廢棄，目前沒有正常水位，因此只需研究洪水作用下尾礦庫的滲流場分布情況。根據勘察單位提供的資料，尾礦庫最高洪水位為414.4 m，對該水位條件下尾礦庫進行滲流場數值分析，可確定出浸潤線，如圖3所示，水力比降分布如圖4所示。

圖3 尾礦庫洪水工況下壩體浸潤線

圖4 尾礦庫洪水工況下水力比降

由圖3可以看出，在洪水工況下，尾礦庫內大部分浸潤線位置較低，埋深較大。從圖4可以看出，水力比降較大的區域分布在尾礦水入滲處和壩體上游坡面附近，最大值約為0.34。由此可見，在洪水作用工況下，尾礦庫壩體內部浸潤線埋深大，水力比降不大，尾礦庫滲流穩定，能滿足要求。

3.2 壩坡穩定性分析

為了全面分析該尾礦庫的穩定性，對尾礦庫的壩體抗滑穩定性進行分析，參考相關規范，采用“瑞典圓弧法”和“簡化Bishop法”兩種方法進行分析，壩體最危險的滑動面分布如圖5所示。

圖5 尾礦庫抗滑穩定性計算結果

安全系數計算結果如表2所示。通過計算表明:洪水工況和地震工況下尾礦庫的壩體抗滑安全系數均能夠滿足現行規范要求，表明壩體穩定。

表2 尾礦庫壩坡抗滑穩定最小安全系數(臨界滑動面)

3.3 尾礦庫泥石流危險性分析

通過以上分析可知，盡管尾礦庫的抗滑穩定性滿足規范要求，但尾礦庫排洪和排水設施已經失效，沉積灘不平整，一旦洪水超標入庫后，可能發生洪水漫頂，導致該尾礦庫潰壩，對下游橋梁安全產生影響。基于此，建立尾礦庫潰壩數值模型，分析尾礦庫潰壩后泥石流的演化規律，確定潰壩泥石流在公路橋位置的泥深和流速，以此為基礎評價潰壩泥石流對公路橋的影響。

3.3.1 壩體潰決范圍

洪水漫頂下尾礦庫潰壩機理非常復雜，在洪水沖蝕作用下，形成壩面沖溝；隨著沖溝的加深，沖溝兩側土體會發生崩塌或滑坡，崩塌后的土體被洪水帶走。該過程反復進行，直至庫內洪水排盡，且潰口邊坡能保證穩定，整個潰壩過程才會終止。目前，尚沒有一個公認的模型確定尾礦庫的潰壩范圍，一般參考洪水漫頂作用下水庫土石壩的潰口模型進行計算:

式中:W為潰壩時的貯水量；B為潰壩時壩前水面寬度；H為潰壩時水頭；K為與壩體材料有關的系數，文中取1.3。

尾礦庫不完全雷同于水庫土壩:水庫中存水豐富且水位深，而潰壩以沖蝕為主，只考慮土壩的沖蝕作用即可，計算可參考堰流模型；尾礦庫中只存在沉降灘，存水較少且水位淺，洪水在整個尾礦庫庫面上流動，后期沖蝕更類似于明渠，因此尾礦庫潰壩范圍尚應綜合考慮尾礦壩自身穩定性。

考慮到在洪水沖蝕作用下，尾礦庫的初期壩體在潰壩過程中往往被破壞，按照尾礦庫初期壩全潰結合尾礦庫壩體自身穩定性，確定尾礦庫潰壩范圍，如圖6所示。尾礦壩單寬的總潰壩量為356 m3/m。在泥石流危險性分析中，其流體的模擬一般采用賓漢流體模型:

圖6 尾礦庫潰壩二維數值計算模型

式中:τ0為極限剪應力；μ為粘滯系數。

根據尾礦庫材料及洪水流量，結合泥石流流變參數經驗計算公式，可確定泥石流物理力學參數，如表3所示。

表3 潰壩泥石流物理力學參數

考慮到潰壩過程的復雜性，偏安全考慮，按瞬間全潰計算泥石流到達橋墩位置流速分布、泥石流埋深等典型參數。

3.3.2 橋梁位置泥石流泥深和流速

泥石流對結構物的沖擊力與泥石流在該位置的泥深和流速直接相關，本文采用數值仿真分析潰壩泥石流在橋梁位置的演進規律，確定演進過程中橋梁位置最不利泥深和流速，以此分析泥石流對橋梁的影響。

橋梁位置泥石流流速隨時間的變化規律如圖7所示。由于尾礦庫距橋梁位置較近，橋梁位置泥石流流速在短時間內迅速增加，在第3 s達到最大值，此時最大流速為6.8 m/s，隨后流速逐漸減小，到150 s時基本趨近于0 m/s，表明泥石流在該位置基本停止演進。

圖7 橋梁位置泥石流流速變化曲線

在橋梁位置泥深隨時間的變化規律如圖8所示。橋梁位置泥深在短時間內迅速增加，在第3 s達到最大值2.8 m，隨后泥深逐漸減小，到150 s時泥深為0.8 m。結合圖7綜合判斷，泥石流此時基本趨于穩定。

圖8 橋梁位置泥石流泥深變化曲線

4 尾礦庫潰壩對橋梁影響

4.1 潰壩對橋梁上部結構影響

根據泥石流泥深演進規律可知，泥石流在橋梁位置最大淹沒標高為410 m，而橋面標高為416.8 m，因此尾礦庫潰壩泥石流不會淹沒公路橋橋面，不會威脅到路面行車安全。

該公路橋面標高為416.8 m，梁高為1.8 m，而泥石流最大淹沒標高為410 m，因此泥石流不會對橋梁上部結構產生沖擊，但可能會影響到橋墩的安全性。

4.2 潰壩對公路橋墩影響

根據以上分析，泥石流對橋梁的影響主要體現在對橋墩的沖擊力上。考慮到尾礦庫壩體主要由粉細砂和尾礦土構成，泥石流中不存在大的塊石，因此可以不考慮大塊石對橋墩的沖擊，同時泥石流為稀性泥石流，根據?泥石流災害防治工程設計規范?(DZ/T 0239—2014)，泥石流對單寬橋墩作用力:

式中:γc為泥石流容重；λ為橋墩迎流面形狀系數；v為流速；α為橋墩受力面與泥石流的夾角；h為泥石流深度。代入相關數據得出:pc＝199 kN/m。根據設計資料，橋梁鋼筋混凝土墩柱直徑為1.6 m，其設計抗剪力[Vn]＝1 219.8 kN。

偏危險考慮，泥石流對橋墩的作用力為:V＝199×1.6＝318.4 kN<[Vn]，因此在泥石流沖擊下，能夠保證橋墩的安全性。

5 結束語

本文研究了既有廢棄尾礦庫對下游橋梁的影響，得出主要結論如下:

(1)對尾礦庫進行滲流和穩定分析，結果表明尾礦庫處于穩定狀態，發生滑坡的可能性較小。

(2)考慮到尾礦庫排洪系統缺失，超標洪水入庫可能出現洪水漫頂導致潰壩，基于此，建立尾礦庫潰壩數值仿真模型，分析潰壩泥石流的演進規律，確定出潰壩泥石流在橋梁位置的深度和演進流速；同時根據泥石流特征參數，計算泥石流對橋墩的沖擊力。本文相關研究成果可為類似工程的安全分析提供參考。