涉河橋梁跨堤段防滲處理措施研究

摘 要：新建跨河橋梁基礎會對汛期堤防滲流場產生一定影響，造成堤防的滲透破壞，需采取相應防治與補救措施。總結了現有跨堤橋梁不同的防滲處理措施及適用情況，選取馬鞍山公鐵大橋作為典型案例進行了穩定滲流和非穩定滲流數學模型計算，分析了涉河橋梁建設對堤防滲流場的影響和不同防滲措施的效果，提出了不同防滲處理措施的適用情況。

關鍵詞：涉河橋梁；防洪影響；堤防防滲

中圖分類號：TV85 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

長江中下游地區岸坡巖性多為二元結構，下部為砂性土，上部為黏性土，堤身及堤基表層多為素填土或雜填土。近堤段橋墩的建設會改變汛期堤防的滲流場分布，可能對堤防滲流穩定產生不利影響。在施工期，樁基成孔較深，易打通砂層和堤內地表的水力連系，造成樁基鉆孔內產生涌水、涌砂；橋墩建成后，在汛期外高水頭作用下，樁基礎與堤基土層之間可能發生接觸沖刷。為消除以上不利影響，需合理安排施工順序，禁止汛期施工，并采取一定的滲控措施。目前的滲控處理思路主要有兩種，一種是對橋梁跨堤段的堤防采取滲控措施，延長滲徑或采用反濾結構保護堤后溢出點不發生滲透破壞，具體措施包括設置垂直防滲墻、堤后壓浸平臺、堤后反濾井等；另一種則是對橋墩基礎周圍進行處理，以防止沿橋墩基礎的接觸沖刷，具體措施包括沿橋墩基礎周圍的劈裂灌漿防滲、黏土回填壓實加復合土工膜防滲、沿樁基噴射高壓旋噴樁防滲等。

為研究橋梁實施對堤防滲流穩定的影響，并綜合評價滲控措施實施后的效果，有必要對建橋前后及采取滲控措施后的堤防滲流場進行研究。本文采用一種變分不等式方法對自由面進行處理，建立了穩定和非穩定有限元模型，通過對長江下游馬鞍山公鐵大橋跨堤段堤防滲流場的計算分析，研究不同滲控措施的適用條件。

1 滲流有限元分析方法

求解滲流問題的方法主要有解析法、數值法和電擬法。解析法較精確，但只能解決一些簡單的問題。數值法主要包括有限單元法、有限差分法、邊界元法有限體積法等。有限元法在模擬復雜曲線邊界和非均質各向異性滲透介質方面有較大的靈活性，是求解滲流問題的一種最常用的方法。

采用有限元法求解滲流問題的基本步驟為：

（1）采用三角網格法將滲流區域離散成為若干有限單元組合體。

（2）選取恰當的形函數，用以表征水頭在單元內的分布規律，通過單元節點水頭來描述單元內任一點的水頭。設單元一共有n個結點，第i結點處的水頭為hi，則單元內任一點的水頭可以表示為

式中：Ni為形函數。

（3）從滲流微分方程和定解條件出發，采用變分法或加權余量法等，建立節點水頭的單元支配方程。

（4）對單元支配方程進行整體組裝，建立以滲流區域內所有節點水頭為未知值的整體有限元方程組，并對方程組求解，即可得到節點水頭，從而獲得整個滲流區域內的水頭分布情況。

有限元法求解滲流場的方法包括變網格法和固定網格法兩類。由于變網格法在迭代過程中需要重新剖分有限元網格，存在計算量大、收斂性差等局限性，而固定網格法計算量較小且收斂性較好，因此目前多采用固定網格法。典型的固定網格法有Desai等[1]的剩余流量法、Bathe等[2]的單元滲透矩陣調整法，張有天等[3]提出的初流量法等。以上方法通過自由面迭代確保干區內的滲流量遠低于濕區內的滲流量，不足之處在于理論不夠嚴密，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。鄭宏等[4]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，提出了有自由面穩定滲流問題的橢圓型變分不等式，在理論上克服了溢出點的奇異性問題。以此為基礎，陳益峰等[5]針對無壓非穩定滲流問題，提出了理論嚴密的拋物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。基于上述研究成果，本文將改進的固定網格法應用到堤防穩定－非穩定滲流分析中。

2 穩定滲流和非穩定滲流數學模型計算

2.1 工程概況

馬鞍山公鐵兩用長江大橋為巢馬鐵路跨越長江的重要通道，位于馬鞍山公路長江橋上游2.3 km處，橋梁按四線鐵路+雙向六車道城市快速路標準建設。采用（56+168+392+168+56）m的斜拉橋方案跨越長江右汊。擬建大橋與右岸馬鞍山側長江大堤位置關系如下：副汊航道橋F4主塔和F5輔助墩分別位于馬鞍山側長江大堤的迎水側和背水側，基礎邊緣距長江大堤最小距離分別為64.2 m和36 m，馬鞍山側長江大堤堤頂標高為11.3 m，堤頂凈高21 m。F4主塔基礎采用啞鈴形承臺，平面尺寸為29 m×88 m，承臺厚6.5 m，布置36根3.0 m鉆孔灌注樁基礎。F5輔助墩采用實心板式墩，平面尺寸為38 m×3.5 m，基礎為整體式基礎，采用直徑2 m的鉆孔灌注樁基礎。擬建大橋與堤防平面位置關系如圖1所示。

2.2 模型建立

建立二維有限元模型，計算范圍為堤外260 m（延伸至河床）至堤內200 m，底部高程至相對不透水基巖層。根據地質勘察成果，堤基主要為淤泥質粉質黏土和粉質黏土，下部夾有粉砂層，與河床深泓粉砂層相連。為精確計算滲流場，對橋墩基礎周圍和堤身部位網格進行了局部加密處理。最大網格剖分長度為1.5 m，收斂判定標準為兩次計算的相對變化≤0.1%。

2.3 參數計算

各土層滲透系數如表1所示。在非穩定滲流分析中，需要給定給水度μ和單位貯水系數Ss，這兩個參數的確定方法包括經驗公式法、室內試驗法和野外抽水試驗示蹤法[6]。考慮到自由面水頭變化引起的土體壓縮較小，因此忽略掉土體壓縮引起的貯水量和排水量變化，即取Ss = 0。采用經驗公式計算得出給水度μ，表征土體在重力排水作用下的水體積與土體體積之比。

式中：n為土體孔隙率；k為滲透系數。

2.4 計算工況

計算工況及水位邊界條件如表2所示。工況1、2分別為建橋前后堤防滲流場，工況3、4用于分析不同滲控措施的防滲效果，工況5、6用于分析設計洪水位驟降條件下堤外坡滲透穩定。

2.5 穩定滲流計算結果分析

設計洪水條件下，建橋前后穩定滲流期，堤防滲流場分別見圖2、圖3。結果顯示：橋墩修建前后，堤防滲流場總體變化不大，特別是堤身浸潤線變化不明顯；堤內坡溢出點高程在建橋前后沒有明顯變化，溢出點滲透坡降由0.30提高至0.31，變化不明顯，且均小于堤身土體允許滲透坡降，堤身不會發生滲透破壞。但為避免沿樁基礎的接觸沖刷，還需對橋墩基礎周圍進行防滲處理，可在樁基礎周圍一定范圍設黏性土加復合土工膜結構，沿樁基設高壓旋噴樁結構，或采用劈裂灌漿等措施[7-8]。

由于堤身填土成分一般不詳，特別是下游黏性土缺乏的河段，堤身填土有大量砂性土，加之部分堤段歷史上出現過滲透險情。因此，從工程安全考慮，應對堤防采取一定的滲控措施，具體包括沿堤身設垂直防滲墻以及在堤后設置壓浸平臺。圖4、圖5分別為采取沿堤身設垂直防滲墻和在堤后設置壓浸平臺的堤防滲流場。可知，設置防滲墻后，堤防滲流場發生了明顯變化，滲流等勢線在防滲墻附近發生了明顯的集中現象，說明防滲墻方案能明顯延長滲徑。各穩定滲流工況條件下的堤后溢出點滲透坡降如表3所示，設置防滲墻后，堤后溢出點高程降低了4.17 m，滲透坡降由0.31降低至0.03，防滲墻的防滲效果非常明顯。相比之下，采用堤后設壓浸平臺方案，堤基滲流場并未發生明顯變化，只是堤身浸潤線有所降低，堤后溢出點高程降低了3.4 m，溢出點滲透坡降由0.31降低至0.29，降低不明顯。對比兩種防滲方案，垂直防滲墻可延長滲徑，對于降低溢出點高程和滲透坡降有明顯效果，且不增加占地面積，缺點是造價相對較高；堤后壓浸平臺方案能夠明顯降低溢出點高程，對溢出點具有反濾保護作用，造價較低，但占用堤后面積較大，適用于堤后空間充足的堤段。

2.6 非穩定滲流計算結果分析

在堤外高水位驟降的條件下，堤外坡易發生滲透破壞。圖6給出了堤外水位由設計洪水位驟降2 m條件下，堤身浸潤面的變化情況。可知，當堤外水位驟降時，堤身浸潤線并不是瞬時下降的，而是經歷一個緩慢下降的過程，且堤外側浸潤線下降速率要快于堤內浸潤線溢出點的下降速率，這說明堤內土體中的自由水總是沿著勢能更小的方向排出。

表4展示了水位驟降各時刻堤外坡最大滲透坡降。可知在驟降初期，滲透坡降最大，驟降后期，滲透坡降逐漸減小。這是因為模型假設在高水位期，堤身已形成穩定滲流，從穩定滲流狀態到驟降初期，堤外坡滲透坡降最大。結合表3結果發現，堤外坡在水位驟降工況下，其滲透坡降仍然明顯小于堤內坡溢出點滲透坡降，加之堤外坡一般都鋪設有硬質護坡加砂碎石墊層，可起到一定的反濾保護作用。因此，堤外坡發生滲透破壞的可能性較低，在長江中下游的工程實踐中，堤外坡滲透破壞情況也極少，堤防滲控重點仍然是堤內坡和堤內堤基。

3 結 論

本文采用穩定和非穩定滲流有限元模型，對馬鞍山公鐵大橋跨堤段在不同工況下的滲流穩定性進行了計算，分析了涉河橋梁建設對堤防滲流場的影響和不同防滲措施的效果，提出了不同防滲處理措施的適用情況。主要結論如下：

（1）穩定滲流分析結果表明，橋墩修建前后，設計洪水條件下堤防滲流場變化不明顯，溢出點滲透坡降略有增加，但增加幅度不超過4%，且小于允許滲透坡降。說明橋墩建設對堤防滲流的不利影響很小，堤防一般不會發生滲透破壞。

（2）對于堤身填土存在質量問題，或歷史上出現過滲透破壞險情的堤段，應對堤身采取一定的防滲措施。垂直防滲墻的截滲效果較好，能明顯降低溢出點高程和滲透坡降，但造價較高；壓浸平臺方案能對溢出點起到反濾保護作用，造價較低，但僅適用于堤后空間充足的堤段。

（3）非穩定滲流分析結果表明，堤外側水位驟降期，堤外坡滲透坡降隨著時間推移逐漸減小，最危險情況出現在驟降初期。由于驟降期堤外坡最大滲透坡降仍明顯小于穩定滲流期堤內坡滲透坡降，且堤外坡一般設有護坡和墊層結構，因此堤防的防滲仍應以高水位穩定滲流期堤內坡及堤內堤基為重點。

參考文獻：

[1]" DESAI C S，LI G C. A Residual Flow Procedure and Application for Free Surface in Porous Media[J].Advances in Water Resources，1983，6（1）：27-35.

[2] BATHE K J，KHOSHGOFTAAR M R. Finite Element Free Surface Seepage Analysis Without Mesh Iteration[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1979，3（1）：13-22.

[3]張有天，陳平，王鐳. 有自由面滲流分析的初流量法[J]. 水利學報. 1988，8（1）：18-26.

[4] 鄭宏，劉德富，李焯芬，等. 一個新的有自由面滲流問題的變分不等式提法[J].應用數學和力學，2005，26（ 3） ：363-371.

[5] 陳益峰，盧禮順，周創兵，等. Signorini型變分不等式方法在實際工程滲流問題中的應用[J].巖土力學，2007，（增刊1） ：178-182.

[6] 鄭華康，胡超，尚欽，等. 橋梁基礎對岸坡滲透穩定及抗滑穩定性影響分析[J].水利水電快報，2017，38（11）：103-106.

[7] 鄧越勝，汪小茂. 武漢江北快速路關鍵技術研究與實踐[M]. 武漢：長江出版社，2020.

[8] 《工程地質手冊》編委會. 工程地質手冊. 北京：中國建筑工業出版社，2006.

Seepage Control Measures for Embankment-crossing Sections of River-crossing Bridges

XING Yuling1，PAN Wenhao2，LU Jin3，WAN Yuanyuan3

（1. Water Authority of Wuhu City，Wuhu 241000，China；2. Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China；3. Water Resources Bureau of Tongzhou District of Nantong City，Nantong 226399，China）

Abstract：The foundation of newly constructed bridge across river will affect the seepage field of the embankment during flood season and cause infiltration damage to the embankment. Corresponding preventive and remedial measures are essential. We summarize current seepage control measures for embankment-crossing bridges and their applicability. Taking the Ma’anshan Highway-Railway Bridge as a case study，we conducted mathematical computations of the steady and unsteady seepage. Through analyzing the impact of river-crossing bridge construction on the seepage field of embankment and the effect of different seepage control measures，we propose the applicability of different seepage control treatment measures.

Key words：river-crossing bridge；flood control influence；embankment seepage control