某新建水庫(kù)對(duì)既有高速公路的影響評(píng)價(jià)

黃金輝　陳國(guó)棋　何磊　潘寒冰

摘 要：隨著交通工程與水利工程的大規(guī)模建設(shè)，交通工程與水利工程之間不可避免地相互影響，使得水庫(kù)正常蓄水運(yùn)營(yíng)后可能會(huì)影響公路安全。依托山區(qū)某新建水庫(kù)水利樞紐工程，采用數(shù)值分析軟件，對(duì)新建水庫(kù)運(yùn)營(yíng)后庫(kù)水位變化對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)既有高速公路影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：水利工程;高速公路;路基;邊坡

中圖分類號(hào)：TV221.2;U442文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0072-03

Impact Assessment of a New Reservoir Water Control Project on

Existing Expressway

HUANG Jinhui CHEN Guoqi HE Lei PAN Hanbing

（1.Fujian Academy of Building Research Co.， Ltd.， Fuzhou Fujian 350108;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology， Fuzhou Fujian 350108）

Abstract： With the large-scale construction of traffic engineering and water conservancy engineering， there is inevitable interaction between traffic engineering and water conservancy engineering. The normal water storage operation of the reservoir may affect the highway safety. Based on a new reservoir water control project in mountainous area， the impact of reservoir water level change on the existing expressway in the reservoir area after the operation of the new reservoir is evaluated by using numerical analysis software.

Keywords： hydraulic engineering;expressway;subgrade;side slope

近年來(lái)，隨著交通工程與水利工程的大規(guī)模建設(shè)，交通工程與水利工程之間不可避免地存在相互影響，或是新建道路穿越既有水利樞紐工程，或是新建水利樞紐工程浸沒(méi)既有路基。新建水利樞紐工程蓄水后，會(huì)淹沒(méi)既有公路部分橋梁墩（臺(tái)）及路基邊坡，不利于高速公路構(gòu)筑物的安全及路基的穩(wěn)定性。為保證公路的正常安全運(yùn)營(yíng)，有必要對(duì)既有公路庫(kù)區(qū)影響段進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，繼而有針對(duì)性地對(duì)水庫(kù)影響范圍內(nèi)的公路進(jìn)行加固[1-5]。筆者主要分析福建省泉州市某新建水庫(kù)水利樞紐工程對(duì)既有高速公路的影響，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 擬建水庫(kù)及既有高速公路簡(jiǎn)介

擬建水庫(kù)位于福建省泉州市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)，壩址位于桃溪和東溪交匯處下游約50 m處。該水庫(kù)是一座以供水為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖、供電等綜合利用的中型水庫(kù)，為福建省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。水庫(kù)正常蓄水位為483.00 m，相應(yīng)庫(kù)容為843萬(wàn)m³;死水位為455.00 m，死庫(kù)容為139萬(wàn)m³，相應(yīng)的興利庫(kù)容為704萬(wàn)m3;水庫(kù)校核洪水位（P=0.1%）為484.58 m，總庫(kù)容為1 030萬(wàn)m³。

既有高速公路已于2009年3月建成通車，為福建省高速公路網(wǎng)布局規(guī)劃中“三縱八橫”的重要組成部分。根據(jù)庫(kù)區(qū)浸沒(méi)影響范圍線，已建高速公路K87+222～K88+493段（總長(zhǎng)1 271 m）位于庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)。高速公路先于水庫(kù)建設(shè)，水庫(kù)建成后，正常蓄水位越高，水庫(kù)的興利庫(kù)容越大，調(diào)蓄性能越好，但對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)的高速公路影響越嚴(yán)重。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場(chǎng)址區(qū)屬戴云山脈的主體部分，峰巒縱橫，嶺谷相間，區(qū)內(nèi)以剝蝕、沖蝕作用為主，山坡多較陡，河谷深切，工程區(qū)內(nèi)地形地貌比較復(fù)雜。水庫(kù)壩址區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，規(guī)模均較小，不存在活動(dòng)斷層，地震基本烈度為Ⅵ度。通過(guò)對(duì)水庫(kù)工程進(jìn)行地質(zhì)勘察可知，場(chǎng)區(qū)出露的地層巖性主要為侏羅系上統(tǒng)南園組第三段的凝灰熔巖、燕山晚期第三次侵入體的鉀長(zhǎng)花崗巖及第四系全新統(tǒng)堆積層。

1.3 水庫(kù)蓄水后對(duì)淹沒(méi)段高速公路的影響

水庫(kù)建成運(yùn)營(yíng)后，當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到正常蓄水時(shí)，位于壩址右岸壩肩路基、南山Ⅰ號(hào)大橋、南山Ⅱ號(hào)大橋、2段填方邊坡及3段自然斜坡等高速公路構(gòu)筑物將被淹沒(méi)。在庫(kù)水位調(diào)蓄、水位驟升驟降這一干濕循環(huán)作用下，將對(duì)高速公路路基穩(wěn)定性造成較大影響，需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求的段落采取必要的防護(hù)加固措施。

2 水庫(kù)對(duì)既有高速公路影響段的穩(wěn)定性評(píng)估

2.1 理論依據(jù)

庫(kù)內(nèi)水位的漲落過(guò)程，尤其是驟升驟降，將導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡地下水的變化，而地下水的升降易導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡土體強(qiáng)度降低、下滑力增加，從而誘發(fā)庫(kù)岸滑坡、不均勻沉降等不良地質(zhì)現(xiàn)象。水庫(kù)蓄水后，將抬高庫(kù)岸邊坡的地下水位。浸水后的巖土體受到浸水作用，降低了其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，不利于庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性。水庫(kù)調(diào)洪后導(dǎo)致庫(kù)水位下降時(shí)，由于坡體內(nèi)飽和巖土體的孔隙水壓力來(lái)不及快速向坡外消散，形成了朝向邊坡外側(cè)的動(dòng)水壓力，導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡下滑力增加，可能誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。

2.2 采取的計(jì)算方法

選取橋梁墩臺(tái)及路基邊坡典型斷面，結(jié)合前期收集到的地層水文參數(shù)、鉆孔柱狀圖及剖面圖，運(yùn)用飽和-非飽和滲流理論，利用有限元分析軟件GeoStudio中的Seep/W模塊模擬庫(kù)岸邊坡在暴雨和庫(kù)水位升降循環(huán)條件下的庫(kù)岸邊坡的水文響應(yīng)行為。在進(jìn)行滲流分析時(shí)，將原高速公路勘察和水庫(kù)工程勘察資料的地下水位作為初始水位，先設(shè)置90 d的枯水期使邊坡達(dá)到穩(wěn)定滲流的狀態(tài)，然后以此枯水位的穩(wěn)定滲流狀態(tài)為基礎(chǔ)，90 d水庫(kù)內(nèi)水位上升至水庫(kù)設(shè)計(jì)水位并設(shè)置365 d的延長(zhǎng)期，以待達(dá)到新工況下的穩(wěn)定滲流狀態(tài)后，以5 m/d的速度，將庫(kù)水位由設(shè)計(jì)蓄水位驟降至枯水位。

將上述得到的不同庫(kù)水位下的孔隙水壓力曲線導(dǎo)入GeoStudio中的Slope/W模塊，并選用Morgenstern-Price這一剛體極限平衡分析法計(jì)算不同狀態(tài)下庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。同時(shí)，將Seep/W軟件對(duì)邊坡進(jìn)行瞬態(tài)分析得到不同工況下的孔隙水壓力導(dǎo)入Sigma/W模塊，模擬計(jì)算水位循環(huán)變化下坡內(nèi)孔隙水壓力分布規(guī)律和應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。

2.3 計(jì)算工況及計(jì)算模型

既有高速公路屬重要基礎(chǔ)設(shè)施，路基失穩(wěn)將直接影響車輛的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，同時(shí)大量的土方滑入水庫(kù)，將對(duì)水庫(kù)大壩造成一定的影響。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 386—2007）及《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）等規(guī)范的要求，考慮到庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)對(duì)高速公路造成的危害，將擬建水庫(kù)庫(kù)岸邊坡等級(jí)定為1級(jí)。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 386—2007），對(duì)庫(kù)岸邊坡的正常運(yùn)用條件、正常運(yùn)用條件I和非正常運(yùn)用條件Ⅱ進(jìn)行穩(wěn)定性分析?？紤]到場(chǎng)地地震烈度為Ⅵ級(jí)，可不考慮非正常運(yùn)用條件Ⅱ的穩(wěn)定性計(jì)算。這3種運(yùn)用條件下又包含若干工況，為保證高速公路路基的穩(wěn)定性，本次評(píng)估考慮了以下4種工況進(jìn)行計(jì)算。①工況Ⅰ：蓄水前;②工況Ⅱ：正常蓄水位;③工況Ⅲ：正常蓄水位驟降至坡腳;④工況Ⅳ：暴雨+正常蓄水位驟降至坡腳。

結(jié)合高速公路原設(shè)計(jì)資料和水庫(kù)設(shè)計(jì)資料，建立庫(kù)岸邊坡地質(zhì)計(jì)算模型，典型地質(zhì)模型如圖1所示。根據(jù)前期收集到的資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，本次評(píng)估選取擬建水庫(kù)影響范圍內(nèi)K87+222～K88+493段的34處斷面136種工況進(jìn)行耦合分析及穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算。

3 高速公路浸沒(méi)后不同受影響段的影響評(píng)價(jià)

3.1 K87+222.0～K87+271.0段壩址右岸壩肩路基

K87+222.0～K87+271.0段壩址右岸壩肩路基位于柴橋頭大橋及南山Ⅰ大橋之間。其中，高速公路以上部分為路塹邊坡，邊坡采用坡腳擋墻結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索的防護(hù)措施;高速公路以下部分為自然斜坡，地面線陡峭，表層為砂質(zhì)亞黏土，現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)有局部小溜塌。水庫(kù)蓄水后，將浸沒(méi)至下邊坡上部，高速公路路基標(biāo)高距水庫(kù)高差約3 m，并且二者平距較近。數(shù)值模擬分析表明，天然條件下高速公路上邊坡穩(wěn)定性系數(shù)略低于規(guī)范要求，安全儲(chǔ)備不足，且由于上邊坡距離庫(kù)水位平距較大，水庫(kù)正常運(yùn)營(yíng)后庫(kù)水位升降循環(huán)作用下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)不變，但若遇上暴雨+庫(kù)水位驟降的非正常條件，安全系數(shù)為0.964，潛在位移為20 mm（見圖2、圖3），遠(yuǎn)低于規(guī)范要求，邊坡可能失穩(wěn)。因此，建議對(duì)上邊坡進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。在天然條件下，下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。在常蓄水狀態(tài)下，下邊坡體大部分位于蓄水位以下。坡面水壓力的反壓效應(yīng)一定程度上提高了坡體的穩(wěn)定性系數(shù)，而水位驟降條件下坡內(nèi)孔隙水不易短時(shí)間內(nèi)排出，且土體泡水軟化后強(qiáng)度指標(biāo)將顯著降低，在動(dòng)水壓力作用下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生局部坍塌，應(yīng)進(jìn)行必要的加固。

根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì)資料，壩肩存在繞壩滲漏問(wèn)題。繞壩滲流可能對(duì)背水坡一側(cè)產(chǎn)生滲流破壞，故下游段應(yīng)做好導(dǎo)滲排水措施。壩工結(jié)構(gòu)開挖過(guò)程中擾動(dòng)土體，對(duì)高速路路基造成不利影響，因此在施工過(guò)程中應(yīng)做好防護(hù)加固措施。

3.2 南山Ⅰ號(hào)大橋

南山Ⅰ號(hào)大橋橋臺(tái)縱向邊坡地面線較陡，水庫(kù)蓄水后，將浸沒(méi)至邊坡上部;南山I號(hào)大橋0#～15#墩橫向邊坡地形線起伏明顯，其中靠近泉州臺(tái)及三明臺(tái)兩側(cè)的橋墩橫向邊坡（0#～4#、11#～15#）均高陡，而兩橋臺(tái)之間的橋墩（5#～10#）橫向邊坡較緩。水庫(kù)蓄水后，橋墩基本位于水位以下，水庫(kù)將浸沒(méi)邊坡中下部。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明：南山Ⅰ號(hào)大橋泉州臺(tái)縱向邊坡、部分橋墩橫向邊坡（0#～2#、6#、8#、11#～14#）及三明臺(tái)縱向邊坡天然條件下及正常庫(kù)水位條件下，既有橋臺(tái)縱向邊坡、橋墩橫向邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果一致;而水位驟降條件下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求，且土體泡水軟化后承載力降低，加上庫(kù)水位驟降產(chǎn)生的動(dòng)水壓力，邊坡可能發(fā)生局部坍塌，從而對(duì)橋墩、端墻等造成不利影響，應(yīng)進(jìn)行必要的加固。

3.3 南山Ⅱ號(hào)大橋

南山Ⅱ號(hào)大橋位于擬建水庫(kù)上游，水庫(kù)蓄水后，將淹沒(méi)位于上游的幾座橋墩。數(shù)值模擬分析表明，南山Ⅱ號(hào)大橋在庫(kù)水位驟降時(shí)右線三明臺(tái)縱向邊坡的穩(wěn)定性不滿足要求，而對(duì)泉州臺(tái)及左線三明臺(tái)幾乎無(wú)影響?？紤]到水流的下蝕和旁蝕作用，岸坡可能發(fā)生局部坍塌，會(huì)使穩(wěn)定岸線不斷后移，可能威脅橋墩安全，因此建議在坡面上做適當(dāng)?shù)臐{砌片石護(hù)坡。

3.4 填方邊坡

高速公路水庫(kù)影響段高填路基共有兩處，即K87+855.0～K87+956.0段和K88+035.0～K88+132.0段。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，K87+855.0～K87+956.0段為填土路堤，共兩階，其中第一階平臺(tái)為原施工便道，水庫(kù)蓄水后，將淹沒(méi)該填方坡腳。K88+035.0～K88+132.0段為填土路堤，共兩階，坡腳為4 m高的漿砌片石擋墻，水庫(kù)蓄水后，將淹沒(méi)擋墻墻基。K87+855.0～K87+956.0段填方邊坡在各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài);K88+035.0～K88+132.0段填方邊坡在庫(kù)水位驟降時(shí)可能發(fā)生局部庫(kù)岸坍塌，且擋墻墻基土體長(zhǎng)期浸泡軟化，承載力降低，威脅擋墻自身穩(wěn)定性，因此應(yīng)進(jìn)行必要的防護(hù)加固。

3.5 自然斜坡

高速公路淹沒(méi)影響范圍內(nèi)其他段落為自然斜坡，水庫(kù)蓄水后將不同程度地浸沒(méi)路堤邊坡。根據(jù)地質(zhì)鉆孔及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的地質(zhì)資料推測(cè)，場(chǎng)地范圍內(nèi)自然斜坡為二元結(jié)構(gòu)邊坡，上覆砂質(zhì)亞黏土，其下為不同風(fēng)化程度的凝灰熔巖。數(shù)值模擬分析表明，K87+806.0～K87+855.0段和K87+968.0～K88+034.0段自然斜坡在水位驟降時(shí)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)加固;K88+132.0～K88+167.0段自然斜坡地面線較緩，在各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某新建水庫(kù)蓄水運(yùn)營(yíng)后庫(kù)水位變化對(duì)既有高速公路不同建構(gòu)筑物及路基的影響的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論。

①水庫(kù)蓄水后，坡體內(nèi)孔隙水壓力場(chǎng)重新分布，坡體內(nèi)浸潤(rùn)線隨之上升，土體產(chǎn)生濕化變形，降低了土體抗剪強(qiáng)度，不利于岸坡的穩(wěn)定性。

②庫(kù)水位驟降過(guò)程中，坡內(nèi)地下水位降落速率滯后于坡前水位變化。庫(kù)岸邊坡內(nèi)地下水向外滲流產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力，增加了邊坡下滑力，是誘發(fā)橋墩（臺(tái)）和路基失穩(wěn)的重要原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳艷瑋，唐第甲.某新建水庫(kù)工程對(duì)既有鐵路安全影響評(píng)價(jià)[J].居舍，2020（25）：179-180.

[2]李應(yīng)科，呂宏，譚毅源.武定縣仁和水庫(kù)興建對(duì)永武高速公路的影響分析及應(yīng)對(duì)措施[C]//云南省水利學(xué)會(huì).云南省水利學(xué)會(huì)2015年度學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2015：4.

[3]朱應(yīng)強(qiáng).過(guò)水灣水庫(kù)蓄水對(duì)杭瑞高速公路香家灣1#橋影響評(píng)價(jià)[J].黑龍江水利科技，2012（9）：18-19.

[4]李睿.水庫(kù)浸沒(méi)對(duì)既有鐵路穩(wěn)定性影響研究[J].云南水力發(fā)電，2021（7）：71-74.

[5]梁為邦，張鈞，張正平.某水庫(kù)庫(kù)岸穩(wěn)定性與坍岸對(duì)公路橋墩和路基影響研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019（增刊1）：91-96.