庫水位變化對橋梁岸坡穩定性的影響研究

葉 子

（江西科信水利工程勘測設計有限公司，江西 上饒 334000）

我國沿江河湖布置的交通工程占比大，擁有大量的庫岸橋梁、公路及鐵路[1]。庫區水位變化對岸坡巖土體物理力學性能影響較大，水位變化將改變巖土體的飽和-非飽和狀態，使巖土體基質吸力與孔隙水壓力發生改變，從而影響岸坡巖土層的變形沉降，甚至能誘發岸坡滑坡、崩塌等地質災害，進而影響岸坡穩定性以及庫岸橋梁等結構的安全性[2-8]。因此，研究含橋梁結構庫岸邊坡在不同水位變化下的穩定性狀況，對保障岸坡的穩定性及橋梁等結構的安全運營具有重要意義。目前，學者們主要研究了庫區水位變化對常規邊坡與橋梁等結構基礎的穩定性影響，鮮有考慮橋梁的汽車荷載。本文依托某庫岸橋梁邊坡工程，采用GTS-NX 軟件建立含橋梁結構岸坡的有限元模型，分析高低恒水位和驟降變水位工況下岸坡的應力變形分布、橋墩變形特征與岸坡穩定性狀況，對既有橋梁結構岸坡進行安全評估。

1 工程概況

為研究庫區水位變化對含橋梁結構岸坡的穩定性影響，選取四川盆地東南部某水庫的含橋梁結構岸坡為研究對象。橋梁為整體式，全長260 m，設計為2橋臺、5橋墩，上部結構采用6×40 m簡支T梁，下部結構為雙柱式橋墩，橋臺為“U”形重力式橋臺。含橋梁岸坡地區屬低中山地貌區，場地地形處于沖溝兩側，地勢總體南北高、中間低，左右兩岸斜坡坡度角為27°～35°和35°～42°。庫岸橋區地層為第四系崩坡堆積層和侏羅系下統珍珠沖組，以泥巖、泥質砂巖、砂巖為主，巖石較致密，裂隙較發育。巖層呈單斜產出，產狀305°∠55°，區內未見斷層結構，屬單一構造區。

2 數值模型的建立

2.1 有限元數值模型

為分析不同水位情況下含橋梁結構岸坡的穩定性，利用GTS-NX 軟件建立了含橋梁結構岸坡的有限元計算模型。如圖1 所示，模型包括橋梁結構和岸坡，其中橋梁樁基深度從左至右分別為19.7、23.0、18.0、19.0 和10.0 m。梁體、樁體采用1D 梁單元進行模擬，單元網格尺寸為1 m×1 m；岸坡實體采用混合網格進行劃分，混合網格尺寸為1 m×1 m。岸坡地層從上至下主要為碎塊石土、泥巖、砂巖，砂巖和泥巖物理力學參數為現場試驗結果，碎石土參照工程地質手冊取的經驗值，具體參數詳見表1。巖土體采用M-C屈服準則，結構采用線彈性材料。

圖1 數值計算模型及其網格劃分

表1 地層及材料參數

2.2 邊界條件及計算工況

為獲得不同實際工況下含橋梁結構岸坡的力學響應特征，數值計算考慮了汽車荷載、重力恒載和水壓力荷載等作用。首先對整體邊坡網格組施加重力，然后施加水荷載及車輛荷載，水荷載體現于巖土體材料的飽和、天然狀態的變化，橋梁車輛荷載根據計算得到的質點反力施加于各個橋墩的墩頂，橋墩從左至右施加反力分別為14 711、15 124、11 151、14 760和15 280 kN（橋墩編號依次為1#—5#）。邊界條件設置如下：底部約束水平和豎向位移，左右兩側約束水平位移。計算工況設置為：低水位（水位高程1 238 m）、高水位（水位高程1 273 m）和驟降水位（水位高程1 273 m 降至1 238 m）3 種水位工況。水位線以上巖土體取天然黏聚力、天然內摩擦角、天然容重，而水位線以下巖土體則取飽和狀態參數。模型計算時，通過設定不同水位線從而賦予巖土體材料不同狀態下的力學指標，即靜水位時水位線為水平線、水位驟降時水位線為浸潤線。

3 結果及分析

3.1 含橋梁結構岸坡的應力變形特征

數值模擬獲得了3 種水位工況下含橋梁結構岸坡的位移變化與應力分布特征，如圖2 所示。對于低水位工況，由于岸坡水位較低，岸坡所受荷載主要為橋梁上的車輛荷載，最大水平位移出現于右岸5#橋墩附近的巖土體為0.87 mm，最大豎向位移出現于3#橋墩頂部為6.07 mm；對于高水位工況，水庫蓄水至高水位，使得水位線以下土體變為飽和狀態，最大水平位移出現于左岸土體為2.62 mm，最大豎向位移出現于左岸坡體為15.9 mm；對于驟降水位工況，最大水平位移出現于左岸土體為2.58 mm，最大豎向位移出現于右岸坡體為13.62 mm。總體而言，水位的變化對岸坡變形影響較小。

圖2 高水位工況下含橋梁結構岸坡的位移云圖

提取出各橋墩及橋臺底部岸坡位移值詳見表2，發現3 種工況下左右橋臺最大水平位移相差不大，在1 mm以內；最大豎向位移出現于高水位工況，達到15.44 mm，較低水位和驟降水位工況分別增加了15.97 mm和3.34 mm。對于1#—5#橋墩，最大水平位移和最大豎向位移均出現于高水位工況，分別為2.29 mm和11.24 mm，較低水位和驟降水位工況分別增加了2.18 mm和0.32 mm、13.52 mm和5.18 mm。總而言之，高水位工況對含橋梁結構岸坡的變形影響最大。此外，通過岸坡的應力分布云圖發現：岸坡最大拉應力出現在右岸橋墩位置，為0.42 MPa；最大壓應力均出現于庫區底部，最大值為2.61 MPa，小于基巖強度，表明水位的變化對橋墩的變形和內力影響較小。

表2 不同水位工況下各橋墩底部岸坡位移值 mm

3.2 含橋梁結構岸坡的穩定性分析

數值模擬得到了不同水位工況下含橋梁結構岸坡的穩定性系數。為更好研究橋梁結構與上覆汽車載荷對岸坡穩定性的影響，設計了無橋梁結構的普通岸坡模擬對照組（包括左岸邊坡和右岸邊坡2組模型）。結果發現，對于含橋梁結構岸坡，由于橋梁的樁體結構對岸坡穩定性具有一定的加固作用，3種水位工況下最危險滑弧均出現于左岸，如圖3所示，最小穩定性系數為1.40，出現于水位驟降工況。對于無橋梁結構的普通岸坡，由于沒有橋梁結構的加固作用，高水位和水位驟降條件下，岸坡穩定性系數均減小；由于左岸坡度角更大影響，左岸邊坡穩定性系數均小于右岸，其中左岸邊坡在水位驟降工況時的穩定性系數最小為1.05，而右岸邊坡穩定性系數為1.22。此外，還發現左岸最危險滑弧剪出口在坡腳位置，在低水位和高水位時最危險滑弧剪出口位置較水位驟降工況時更高，沿堆積層土巖分界線分布。根據水利水電工程邊坡設計規范，左岸邊坡屬于欠穩定狀態，需要對其進行加固處理。如對碎石土層較薄處可進行清方處理，對于厚度較大的碎石土層可采用抗滑樁加固等措施。

圖3 驟降水位工況下岸坡最大剪切應變云圖

4 結論

基于GTS-NX 軟件建立了含橋梁結構的岸坡穩定性計算模型，分析了3 種水位工況下岸坡應力變形分布、橋墩橋臺變形特征與岸坡穩定性狀況，獲得以下結論。

（1）3 種工況下岸坡最大水平位移和豎向位移分別為0.87～2.62 mm 和6.07～15.9 mm；高水位工況對橋梁岸坡變形影響最大，此時岸坡水平位移和豎向變形分別為2.62 mm和15.9 mm。

（2）3 種工況下左右橋臺最大水平位移相差小，最大豎向位移出現于高水位工況，為15.44 mm；橋墩的最大水平位移和豎向位移出現于高水位工況，分別為2.29 mm和11.24 mm。

（3）由于橋梁對岸坡的加固作用，橋梁岸坡最小穩定性系數為1.40，不同水位工況下最危險滑弧均在左岸；無橋梁岸坡的左岸穩定性系數小于右岸，在水位驟降工況下左、右岸坡穩定性系數最小，分別為1.05 和1.22，左岸邊坡為欠穩定狀態，需對其進行加固處理。