水庫水位變化對臨近橋梁岸坡的影響分析

趙守良 劉 品

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

貴州作為我國唯一沒有平原支撐的省份，溝谷縱橫的地形地貌為大中型水庫的建設(shè)提供了有利條件，其中不免影響到某些為跨越大型溝谷而修筑的公路橋梁，此時如何保證水庫運行期間岸坡的穩(wěn)定對橋梁安全至關(guān)重要。王浩宇等[1]以三峽庫區(qū)某古滑坡為例，研究了庫水位變化作用下滑坡穩(wěn)定性；仉文崗等[2]采用數(shù)值模擬方法對庫區(qū)水位下降期間各因素變化對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響進行了分析。本文基于以上研究，以某高速公路橋梁岸坡為例，分析了水庫建成運行后對橋梁岸坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

擬建水庫位于長江流域烏系三岔河左岸一級支路上，區(qū)內(nèi)總體地勢北高南低，水庫處于山間不對稱“V”字形河谷地帶。水庫周圍山體環(huán)繞，兩岸山頂高程1 429～1 623 m，河谷高程1 210～1 250 m，相對高差218～373 m，庫區(qū)地形地貌屬于中山溶蝕-侵蝕地貌。該水庫校核洪水位為1 256.18 m，相應(yīng)的總庫容為2 170萬m3，正常蓄水位1 255.0 m，相應(yīng)的庫容為2 034萬m3，死水位1 235 m，死庫容494萬m3，調(diào)節(jié)庫容1 540萬m3，庫容系數(shù)0.12，為年調(diào)節(jié)水庫，工程規(guī)模為中型。

擬建水庫區(qū)存在一已通車高速公路橋梁，該大橋為分離式橋梁，左幅橋梁全長853.28 m，右幅橋梁全長824.37 m，橋型布置為左幅30 m T梁+8×40 m T梁+66.0 m+3×120 m+66.0 m(連續(xù)剛構(gòu))/右幅8×40 m T梁+66.0 m+3×120 m+66.0 m(連續(xù)剛構(gòu))。橋區(qū)構(gòu)造侵蝕、溶蝕、沖蝕作用較強烈，地勢起伏較大。大橋橫跨河流，附近海拔1 212.0～1 430.0 m，相對高差218.0 m，橋軸線地面高程為121 2.0～1 314.0 m之間，相對高差102.0 m，兩橋臺地形較陡、基巖裸露，橋區(qū)中部局部有基巖出露。水庫正常蓄水后，該大橋2號～4號和7號～11號墩柱均會淹沒在水庫中，其中11號墩柱靠近河流，淹沒水深最大為29.2 m。庫區(qū)橋梁全貌見圖1。

圖1 庫區(qū)橋梁全貌

1.2 地質(zhì)條件

橋區(qū)內(nèi)地層主要由第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)黏土、沖洪積層(Qal+pl)卵石土，三疊系下統(tǒng)夜郎組二段(T1y2)灰?guī)r夾泥巖組成。其中粉質(zhì)黏土層為黃褐色，可塑狀，含5%～10%粒徑為20～40 mm的灰?guī)r碎石，據(jù)鉆探揭露厚10～30 m之間，地勢低洼處有分布；卵石土層分布于河流兩岸及河床附近。

場區(qū)位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)，地處龍井壩斷層西北盤，受斷層影響，橋區(qū)地層產(chǎn)狀平緩，巖層間見波狀起伏變化，地層產(chǎn)狀為50°∠6°，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡單。場區(qū)橋梁岸坡大致分為2類：土質(zhì)岸坡和破碎巖質(zhì)岸坡。本文著重分析8號、9號墩土質(zhì)岸坡，工程地質(zhì)平面見圖2。

圖2 研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖

2 水庫蓄水對橋梁岸坡的影響分析

2.1 工程地質(zhì)模型及計算參數(shù)

由圖2可見，此區(qū)域整體上處于一個斜坡上，地形走勢是橋梁左側(cè)高，右側(cè)低，中間以一條貫穿的沖溝分割，局部地面橫坡較陡。結(jié)合勘察資料，此區(qū)域第四紀粉質(zhì)黏土覆蓋層較厚，為10～30 m不等, 地質(zhì)條件較為單一，8號、9號墩臺處為土質(zhì)岸坡。水庫水位升降對土質(zhì)岸坡產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在2個方面：①庫水位上升時，大范圍的岸坡土體在水的浸泡作用下軟化，導(dǎo)致土體抗剪強度大幅度降低，直接影響岸坡穩(wěn)定；②由于黏性土坡本身滲透較差，在水位降落尤其是驟降過程中，坡內(nèi)土體浸潤線的下降速度將遠小于坡外水位下降速度。因此，庫水位驟降后，坡體內(nèi)浸潤面仍處于較高水平，孔隙水壓力也維持在較高狀態(tài)，從而影響岸坡穩(wěn)定性。由于水庫水位波動存在間歇性，土質(zhì)庫岸一般為漸進性破壞，遵循著沖刷坍滑→松弛變形→牽引蠕變的滑移破壞規(guī)律?，F(xiàn)選取典型地質(zhì)剖面1-1′、2-2′結(jié)合GEO5巖土軟件進行計算分析，工程地質(zhì)剖面見圖3。

圖3 工程地質(zhì)剖面圖(水位高程：m)

根據(jù)大量的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)分析統(tǒng)計并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，采用工程類比手段綜合確定巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

2.2 分析工況及安全控制標準

根據(jù)場區(qū)邊坡的地質(zhì)條件，結(jié)合SL 386-2007 《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》[3]和JTG D30-2015 《公路路基設(shè)計規(guī)范》[4]的相關(guān)規(guī)定：正常運用條件下岸坡處于天然狀態(tài)且?guī)焖惶幱谡Ｐ钏缓驮O(shè)計洪水位與死水位之間的各種水位及其正常性降落；非正常運用條件下岸坡處于暴雨狀態(tài)或庫水位非正常性降落。決定岸坡穩(wěn)定性計算采用以下4種工況。工況1：正常工況，岸坡自重+正常蓄水位(1 255 m)；工況2：正常工況，岸坡自重+最低泄洪水位(1 235 m)。工況3：非正常工況，岸坡自重+水位驟降至死水位；工況4：非正常工況，岸坡自重+正常蓄水位+暴雨。

GB 50330-2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[5]中規(guī)定，邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定4種狀態(tài)，可根據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)按表2確定。

表2 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

本文著重討論庫岸邊坡對高速公路橋梁的影響，故以JTG D30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定為準，并考慮到邊坡工作條件和邊坡破壞后對大橋的危害極重，故安全系數(shù)取規(guī)范高值，并結(jié)合類似工程經(jīng)驗綜合確定該大橋岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)控制標準：正常工況Fst= 1.30、非正常工況Fst=1.20。即當岸坡計算結(jié)果大于此安全系數(shù)時，表明岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之，則參照表2進行岸坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分。

2.3 分析方法

土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性采用JTG D30-2015 《公路路基設(shè)計規(guī)范》推薦的極限平衡簡化Bishop法計算，并同時采用有限元強度折減法作為對比分析。

結(jié)合2.1節(jié)水位波動對土質(zhì)岸坡的影響分析，對于工況3(庫水位驟降工況)，做如下簡化：①庫水位驟降為一瞬時狀態(tài)，不考慮時間效應(yīng)；②計算區(qū)域主要為黏性土坡，其本身滲透系數(shù)很小，屬于微弱透水層。在庫水位驟降狀態(tài)下，土坡內(nèi)的水來不及排出，土體飽和且未形成穩(wěn)定滲流，水壓作用簡化為瞬態(tài)靜孔隙水壓考慮。由此得出庫水位驟降條件下的極限平衡計算式。

u0=γwh0

式中：Fs為安全系數(shù)；ci′為第i計算條塊滑面有效黏聚力，Pa；φi′為第i計算條塊有效內(nèi)摩擦角，(°)；bi為第i計算條塊滑面寬度，m；θi為第i計算條塊滑面傾角，(°)；Wi為第i計算條塊單位寬度自重，kN/m；u0為條塊滑弧面上的孔隙水壓力，其中：h0分為2種情況計算：①庫水位驟降前初始水位在地面線以上，驟降后水位線在地面以下，此時驟降后的水壓高度采用計算點P1到地表的距離h0代替,如圖4中剖面①；②初始水位線與驟降后水位線一樣，都在地表以上，此時h0為計算點P2到驟降后的水位高度，如圖4中剖面②。

圖4 水位驟降簡化計算

針對滲透性較差的黏性土坡，在水位驟降這種瞬時特定條件下，該計算方法通過合理的假設(shè)，即坡體內(nèi)的孔隙水壓力和浸潤線不隨坡外水位的驟降而變化，短暫忽略坡體內(nèi)滲流場對邊坡穩(wěn)定性的影響，極大地簡化了計算步驟。

2.4 極限平衡簡化Bishop法計算結(jié)果

采用采用簡化Bishop法自動搜索不同工況下的岸坡滑移面，并計算安全系數(shù)。限于文章篇幅，僅將不利工況3：岸坡自重+水位驟降至死水位條件下的計算結(jié)果示意見圖5。各工況下的詳細計算結(jié)果見表3。

根據(jù)表3計算結(jié)果，水庫正常運行后，1-1′剖面在不同計算工況下的穩(wěn)定性系數(shù)均不滿足正常工況1.30、非正常工況1.20的安全控制標準，整體處于不穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，水位驟降工況最為不利，穩(wěn)定系數(shù)僅為0.59，表明此時岸坡已失穩(wěn)。2-2′剖面在工況1、4條件下的穩(wěn)定性系數(shù)滿足正常工況1.30、非正常工況1.20的安全控制標準，最不利工況與1-1′剖面相同，為水位驟降工況，此時穩(wěn)定系數(shù)為0.70，表明岸坡已失穩(wěn)。

圖5 水位驟降工況下計算結(jié)果

表3 不同工況下的岸坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

2.5 有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果

上節(jié)的計算結(jié)果清晰表明水庫蓄水運行后，對橋梁岸坡穩(wěn)定性影響最大的為水位驟降工況，此條件下橋梁岸坡已處于失穩(wěn)狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)最低，滑坡推力最大，支擋防護設(shè)計應(yīng)以此工況計算結(jié)果為依據(jù)。另外，《水庫滑坡與防治技術(shù)》[6]中介紹，通過對不同工況下(包括水庫蓄水前、蓄水過程中及水位驟降條件下)岸坡穩(wěn)定性計算，得出最不利工況為水位驟降過程，此時滑坡體整體處于不穩(wěn)定或臨界穩(wěn)定狀態(tài)。與本文計算結(jié)論相一致。

為給橋梁岸坡的支擋防護設(shè)計提供一定的參考，同時驗證上述極限平衡法計算結(jié)果，選取最不利工況-水位驟降工況，采用有限元強度折減法進行模擬計算。

有限元強度折減法的基本原理是將土的抗剪強度參數(shù)c、tanφ同時除以一個折減系數(shù)F，得到強度折減參數(shù)c′、φ′，并以此開展有限元計算，通過動態(tài)調(diào)整折減系數(shù)迭代分析，最后土體達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)的折減系數(shù)即為邊坡安全系數(shù)。

1-1′剖面有限元模型網(wǎng)格節(jié)點8 878個，劃分單元格5 080個；2-2′剖面有限元模型網(wǎng)格節(jié)點9 375個，劃分單元格5 398個。模型邊界條件：坡內(nèi)外初始水位齊平，模型底部和水位以上為零流量邊界。模型底面設(shè)置為全約束條件，側(cè)面施加側(cè)向位移約束。計算結(jié)果采用等效塑性應(yīng)變結(jié)合模型位移矢量來表征，以此可清晰分辨滑面位置，并得出穩(wěn)定性系數(shù)。計算結(jié)果見圖6。

圖6 水位驟降工況下數(shù)值模擬結(jié)果

將岸坡穩(wěn)定性有限元數(shù)值模擬結(jié)果與極限平衡簡化Bishop法計算結(jié)果匯總于表4，對比分析得出以下結(jié)論：①水位驟降工況下，2種計算方法不同剖面的穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，表明橋梁岸坡已失穩(wěn)。②對于1-1′剖面，不同計算方法的穩(wěn)定性系數(shù)一致，均為0.59。有限元模擬顯示滑體成圓弧狀于橋梁樁基承臺處剪出。③對于2-2′剖面，極限平衡法和有限元強度折減法計算的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.70、0.75，兩者差值0.05，基本一致。滑面形態(tài)與剪出位置與1-1′剖面類似。綜上分析可得，在水位驟降工況下，橋梁岸坡穩(wěn)定性系數(shù)遠小于安全控制標準1.20，在水庫蓄水前需進行支擋防護。

表4 極限平衡簡化Bishop法和有限元強度折減法計算結(jié)果對比分析

4 結(jié)論

1) 通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、鉆探資料，結(jié)合地形地貌及巖土體性質(zhì)初步判斷水庫蓄水運行后橋梁岸坡會發(fā)生牽引式圓弧滑動破壞。將庫水位驟降視為瞬時發(fā)生，忽略時間效應(yīng)，結(jié)合黏性土的微弱透水特性，將土骨架與孔隙流體整體分析，提出簡易的極限平衡計算方法。

2) 運用極限平衡簡化Bishop法對不同工況下的橋梁岸坡穩(wěn)定性進行分析計算，結(jié)果表明最不利工況為庫水位驟降至死水位工況，此工況下1-1′、2-2′剖面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.59、0.70，均小于1，表明此時橋梁岸坡已失穩(wěn)。

3) 采用有限元數(shù)值模擬方法對庫水位驟降工況進行分析計算，結(jié)果1-1′、2-2′剖面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.59、0.75，與極限平衡簡化Bishop法計算結(jié)果基本一致，表明計算結(jié)果真實可靠。