魯?shù)乩畮旖痣u達旦河拱橋段庫岸穩(wěn)定性評價

魯志強，徐偉然

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室，昆明 650041；2.云南大永高速公路建設(shè)指揮部 云南 大理 671000)

0 前 言

橋梁經(jīng)常被用來跨越地表水體，地表水體的庫岸和工程結(jié)構(gòu)會形成相互作用，橋梁必須選址在不存在整體穩(wěn)定問題和塌岸不嚴重地段。因此，作為線路控制性工程的橋梁一般必須先進行橋基岸坡穩(wěn)定性評價，避免長期作用會威脅橋基安全的地段。

當前對于庫岸穩(wěn)定性的研究，多利用歷史庫岸資料，形成經(jīng)驗公式對其塌岸寬度進行預(yù)測，水利水電工程領(lǐng)域的研究成果較多[1-8]；利用數(shù)值模型和物理模型試驗，研究水力作用下庫岸的長期穩(wěn)定性，預(yù)測塌岸寬度，一般針對大型工程，航道部門的研究成果居多[9-13]；利用數(shù)值分析，計算庫岸邊坡的穩(wěn)定性，研究成果多集中巖土工程領(lǐng)域[14-18]?？傮w而言，目前尚未有統(tǒng)一的計算理論和方法，多數(shù)為地區(qū)經(jīng)驗公式。本文以金雞達旦河拱橋跨越魯?shù)乩畮於螏彀稙檠芯繉ο?，利用歷史庫岸調(diào)查、塌岸寬度預(yù)測經(jīng)驗公式和slide極限平衡法等定性和定量相結(jié)合的方法，評價庫岸穩(wěn)定性，探討庫岸穩(wěn)定和工程結(jié)構(gòu)的相互影響機制，建議最優(yōu)選址方案，給出兼顧整體和局部穩(wěn)定、當前與長期穩(wěn)定的工程建議措施。

1 工程概況及計算方案設(shè)計

1.1 金雞達旦河拱橋橋址區(qū)工程地質(zhì)條件簡介

金雞達旦河拱橋起點里程K73+936，止點里程K74+414，橋梁全長478 m，為跨越金雞達旦河所設(shè)，是整條路線的控制性工程之一。橋址區(qū)有省道(S220)及通村公路通達，交通條件便利。金雞達旦河大橋兩岸從表露的巖層條件看，巖體相對松軟，破碎。燒香島岸為歷史崩滑擾動巖體，公路岸坡面有近期工程棄渣堆積，庫水易對坡體形成沖刷侵蝕，形成塌岸，影響島岸橋基的長期穩(wěn)定性。兩岸地形條件見圖1。

圖1 金雞達旦河拱橋橋位示意圖Fig.1 Site of the Jinjidadan river arch bridge

擬建橋址區(qū)位于片角鎮(zhèn)下六村，屬永勝縣所轄(圖2)。擬建大橋從下六村東側(cè)燒香島跨越魯?shù)乩娬編靺^(qū)-達旦河，小里程大理岸位于燒香島，大里程永勝岸位于既有公路岸。島岸側(cè)向塌岸問題突出，鄰村一側(cè)和沿山脊方向塌岸規(guī)模相對較小。

圖2 橋址及剖面位置平面圖Fig.2 Plan of the Taoyuan bridge site and profile

擬建大橋從下六村東側(cè)燒香島跨越魯?shù)乩娬編靺^(qū)-達旦河而設(shè)，原地面高程1 200(原溝底)～1 297 m(燒香島頂)，庫水位1 212～1 223 m，屬河流侵蝕堆積河谷。

擬建橋址區(qū)范圍內(nèi)地層巖性十分復(fù)雜，自上而下分別如下：①第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Qcol+dlh)，粉質(zhì)黏土(單元層代號為①-1)，碎石土(單元層代號為①-2)。②第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Qal+plp)，圓礫夾卵石(單元層代號為②)。③第四系全新統(tǒng)沖湖積層(Qal+plp)，粉細砂(單元層代號為③)，粉土(單元層代號為④)。④二疊系下統(tǒng)(D2)，灰?guī)r(單元層代號為⑤)，未鉆穿。橋軸線工程地質(zhì)縱斷面揭示的地層空間關(guān)系見圖3。

圖3 橋軸線工程地質(zhì)縱斷面圖Fig.3 Bridge axial engineering geologic profile

根據(jù)勘察土工試驗成果、原位測試(標準貫入試驗及動力觸探試驗等)、數(shù)值反分析并結(jié)合工程類比，綜合確定各巖土層的主要物理力學(xué)指標見表1。

表1 主要巖土層計算參數(shù)建議值Tab.1 Computing parameters for main strata

擬建橋址區(qū)屬侵蝕剝蝕堆積地貌，屬不均勻地基，處于中甸～大理地震帶內(nèi)，地震活動相對強烈，故橋址區(qū)劃分為對建筑抗震不利地段。擬建橋址區(qū)為中硬土類型，覆蓋層厚度大于5 m，場地類別為II類。擬建橋址區(qū)為粉細砂土層為第四系更新統(tǒng)近半成巖，不存在砂土液化問題。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015，測區(qū)地震動峰值加速度為0.30 g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.45 s，與之對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

擬建橋址區(qū)主要地表水為魯?shù)乩畮欤叵滤疄樗缮⒖紫端?/p>

1.2 計算工況設(shè)計

庫岸穩(wěn)定性的計算與評價共包括兩部分：水庫塌岸預(yù)測；庫岸邊坡穩(wěn)定性評價?，F(xiàn)將該部分研究涉及的計算方法、計算理論和評價標準，論述如下。

1.2.1 水庫塌岸預(yù)測

庫岸再造是一個十分復(fù)雜的地質(zhì)歷史過程,受諸多因素的控制和影響,塌岸預(yù)測難度很大，經(jīng)驗方法眾多，本文選擇王躍敏提出的適用于我國南方山區(qū)的峽谷型水庫的兩段法進行塌岸寬度預(yù)測，其原理見圖4。

圖4 兩段法預(yù)測塌岸寬度圖解Fig.4 Diagram of Two-segment method for bank slump width prediction

以原河道多年最高洪水位與岸坡交點A為起點, 以α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線, 該線延伸至設(shè)計洪水位加毛細水上升高度的高程點B, 再以B點為起點, 以β角為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線, 該線與原岸坡的交點C即為水上穩(wěn)定岸坡的終點。水上穩(wěn)定岸坡線的起點B的高程所對應(yīng)的原岸坡點D與該線終點C之間的水平距離, 即為“兩段法”預(yù)測的坍岸寬度Sk, 使用“兩段法”首先要解決以下問題:

(1)從水庫的洪、枯水面線圖及回水曲線圖中, 準確地計算出各庫岸段的設(shè)計洪水位, 確定沿庫岸的最高淹沒邊界。

(2)對岸坡地層取多組試樣試驗, 以得出較準確的C、φ、γ、γs、H′試驗結(jié)果, 確保β、α計算準確。

(3)對條件相似的水庫資料, 應(yīng)現(xiàn)場調(diào)查、收集多組β、α數(shù)據(jù), 再與計算出的數(shù)據(jù)比較選用。

通過綜合計算法計算水上穩(wěn)定坡角，用增大內(nèi)摩擦角的方法來考慮凝聚力c的影響，用式(1)計算φ0。

φ0=arctan[tanφ+c/(γH)]

(1)

經(jīng)過王躍敏的研究，其推薦的不同土性和巖性的物理力學(xué)性質(zhì)下的水下穩(wěn)定坡角統(tǒng)計列于表2。

表2 水下穩(wěn)定坡角調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of underwater stable slope angle

1.2.2 再造庫岸邊坡穩(wěn)定性計算

庫岸邊坡等級參考公路路基設(shè)計規(guī)范(JTG D30-2015)以及相關(guān)的滑坡防治工程技術(shù)要求，并考慮其可能造成的危害及對濤源金沙江大橋基礎(chǔ)的影響，邊坡防治等級擬定為1級邊坡。

計算采用《公路路基設(shè)計規(guī)范》JTG D30-2015推薦的極限平衡法，對于圓弧滑面，采用簡化Bishop法；對于非圓弧滑面，采用嚴格滿足力和力矩平衡的Morgenstern-Price法。

邊坡安全控制標準，參考《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)中高速公路、一級公路的路塹邊坡相關(guān)要求以及相關(guān)滑坡防治工程技術(shù)要求，并考慮其可能造成的危害大小，擬定為1級邊(滑)坡，其安全系數(shù)控制標準為1.20～1.30。參考水利行業(yè)標準《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386-2007)，按一級邊坡考慮，庫水驟降條件下邊坡安全系數(shù)為1.20～1.25。對于地震荷載下邊坡安全系數(shù)控制，《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02 2013)規(guī)定，高速公路路基邊坡高度大于20 m的，邊坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.15；邊坡高度小于等于20 m的，邊坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.1。

計算工況分為3類，①自然條件：考慮包括巖土體自重、孔隙水壓力和作用在邊坡表面的外荷載。②庫水驟降：考慮庫水由正常蓄水位降低5 m和10 m兩種情況。③地震作用：依據(jù)場區(qū)地震評價結(jié)果，地震工況下水平地震加速度取0.3 g。地震荷載依據(jù)公路工程抗震設(shè)計規(guī)范處理方法如下：

Ens=CiC2KnGs

(2)

式中：Ens為水平地震荷載；Ci為重要性修正參數(shù)，取Ci=1.3；C2為綜合影響系數(shù)，C2=0.25；Kn為水平地震系數(shù)；Gs為重力。

2 基于歷史調(diào)查的庫岸穩(wěn)定性評價

2.1 歷史調(diào)查資料揭示的庫岸穩(wěn)定性

金雞達旦河拱橋橋址區(qū)地質(zhì)情況相對簡單，根據(jù)歷史資料的搜集和整理，該區(qū)庫岸經(jīng)歷過多次規(guī)模不一的人類工程活動的改造，其中公路建設(shè)在靠近公路一側(cè)主要是堆積了部分棄渣；水庫建設(shè)主要是對既有庫岸的侵蝕作用。由于島岸上部地層為土體，其水穩(wěn)性相對較差，在水位變動范圍形成高度不一的塌岸陡壁，島岸庫岸穩(wěn)定性相對較差，需要注意其長期安全性對橋基墩臺的影響；公路岸地形相對較緩，表層土體已經(jīng)歷一段時期庫水的作用，目前來看庫岸穩(wěn)定，庫岸長期穩(wěn)定對該側(cè)墩臺的影響有限。歷史庫岸見圖5。

圖5 歷史庫岸照片F(xiàn)ig.5 Historical reservoir banks

可以看出，老金雞達旦河橋主要是跨越金雞達旦河，運行多年，且橋基穩(wěn)定，但通行能力不高。魯?shù)乩畮旖ǔ尚钏笱蜎]，蓄水后流速減緩，河流下切侵蝕減緩，庫水位波動范圍內(nèi)在燒香島岸存在一定庫岸穩(wěn)定問題，沒有大規(guī)模庫岸穩(wěn)定問題。

2.2 現(xiàn)狀調(diào)查揭示的庫岸穩(wěn)定性

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘和地面調(diào)查,金雞達旦河大橋兩岸庫岸邊坡沒有明顯的變形滑移跡象，燒香島山脊邊坡和二級公路岸邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以作為橋梁選址，現(xiàn)狀地形和庫岸見圖6。

圖6 橋址區(qū)現(xiàn)狀庫岸照片F(xiàn)ig.6 Current reservoir banks of bridge site

從圖6可知，大理岸坐落在燒香島山脊臨村一側(cè)，橋軸線和臨村側(cè)地形相對較緩，既有公路岸地形相對較緩，橋基邊坡整體穩(wěn)定。現(xiàn)狀庫岸不存在大規(guī)模變形跡象，可以作為橋梁選址。

2.3 庫岸再造現(xiàn)象

魯?shù)乩娬拘钏畠H兩年，在相對松散的地段出現(xiàn)庫岸水的崩塌，特別是在金雞達旦河大橋燒香島岸沿橋軸線橫斷面方向庫岸已有部分崩岸現(xiàn)象，臨公路側(cè)塌岸程度要比臨村側(cè)嚴重，見圖7。

圖7 典型塌岸Fig.7 Historical evidences of typical bank slump

崩塌主要發(fā)生在松散碎石土和湖相沉積地層位置，這些地層在庫水位變化范圍內(nèi)容易形成沖刷、掏蝕破壞，本身水穩(wěn)定較差。不過規(guī)模有限，不存在整體庫岸穩(wěn)定問題。

2.4 未來一段時期庫岸潛在問題及其影響預(yù)測

金雞達旦河大橋沿橋軸線兩岸庫岸的穩(wěn)定性不存在問題，二級公路岸的庫岸穩(wěn)定性問題對橋基墩臺基礎(chǔ)的長期影響有限，只需要考慮歷史填土的適當工程加固措施即可。燒香島岸需要考慮橫斷面方向庫岸坍塌問題帶來的橋基墩臺的長期安全問題，可以考慮將墩臺往地形稍緩的臨村方向偏移，同時需要采取加固措施以減緩和有效控制塌岸速度及規(guī)模。

3 基于塌岸預(yù)測和再造庫岸邊坡穩(wěn)定性評價的庫岸穩(wěn)定性評價

3.1 塌岸預(yù)測

3.1.1 燒香島岸

水下碎石土的穩(wěn)定坡角為29°，庫水位以下坡形的角度小于29°，取水下坡形的最緩角度26°。即α=26°；β按照綜合計算法取值為32°。經(jīng)過計算，得到燒香島岸剖面的庫岸再造寬度為28 m。

圖8 橋軸線剖面塌岸預(yù)測計算圖(單位:m)Fig.8 Bank slump computing map for bridge axial profile

目前塔基中心線距庫岸邊緣的距離為30 m，因為塌岸將對橋基產(chǎn)生影響，需要加固處理。

3.1.2 既有公路岸

水下角礫的穩(wěn)定坡角為32°，庫水位以下坡形的角度小于32°，根據(jù)水下坡形情況，選取水下穩(wěn)定坡角α=16°；水上穩(wěn)定坡角根據(jù)碎石土的內(nèi)摩擦角，結(jié)合綜合角度法得到β=33°。經(jīng)過計算，得到既有公路岸剖面的庫岸不存在庫岸再造問題。見圖9。

圖9 橋軸線剖面塌岸預(yù)測計算圖(單位:m)Fig.9 Bank slump computing map for bridge axial profile

目前塔基距離庫岸邊緣的距離僅為31 m，需要局部加固，防止邊坡出現(xiàn)坍塌。

3.2 再造庫岸邊坡穩(wěn)定性評價

3.2.1 燒香島岸

根據(jù)塌岸預(yù)測，該地段存在塌岸問題，塌岸會影響橋基穩(wěn)定。庫岸再造后邊坡的穩(wěn)定性是在此基礎(chǔ)上進行的，計算模型見圖10。結(jié)果統(tǒng)計列于表3。

圖10 橋軸線剖面庫岸再造邊坡穩(wěn)定性計算圖Fig.10 Stability computing map of slope changed by bank slump for bridge axial profile

庫岸再造寬度/m自然地震水位驟降5m水位驟降10m281.591.151.331.19

由表3中數(shù)據(jù)可知，燒香島岸在考慮庫岸再造的基礎(chǔ)上，橋址岸坡的穩(wěn)定性均滿足工程穩(wěn)定性要求，說明橋梁選址沒有問題。但該區(qū)需要注意水庫塌岸對橋基長期穩(wěn)定性的威脅，尤其是橫斷面臨公路側(cè)的塌岸影響，該側(cè)地形陡峻，塌岸問題較臨村側(cè)嚴重，需要采取固腳+護面措施。

3.2.2 既有公路岸

金雞達旦河大橋既有公路岸沒有顯著的塌岸問題，庫岸再造速度和規(guī)模有限。但是在該橋軸線剖面上部有一部分填土。因此，對其穩(wěn)定性計算包括局部和整體兩部分，見圖11。結(jié)果統(tǒng)計列于表4。

圖11 橋軸線剖面庫岸再造邊坡穩(wěn)定性計算圖Fig.11 Stability computing map of slope changed by bank slump for bridge axial profile

庫岸再造寬度/m局部穩(wěn)定性自然地震整體穩(wěn)定性水位驟降5m自然地震水位驟降10m自然地震01.241.031.721.271.651.24

由表4中數(shù)據(jù)可知，既有公路岸，庫岸邊坡不存在整體失穩(wěn)的可能；但是上部填土邊坡，在地震條件下，存在局部失穩(wěn)的可能，會影響橋基墩臺的長期穩(wěn)定性，需要對其采取加固措施。

3.3 定量評價結(jié)論與建議

根據(jù)水庫塌岸預(yù)測和考慮地形再造后邊坡的穩(wěn)定性計算，安全距離是在塌岸預(yù)測寬度+庫岸再造邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果基礎(chǔ)上綜合評價得到。金雞達旦河大橋評價了橋基部位的庫岸影響，結(jié)果統(tǒng)計列于表5。

表5 庫岸穩(wěn)定性評價結(jié)果統(tǒng)計表Tab.5 Statistical table of bank stability estimation results

由表5可知，金雞達旦河大橋兩岸均需采取加固措施，以減緩或者有效控制庫岸問題的速度和規(guī)模。具體措施可參考堤壩工程。

4 綜合評價結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1)基于歷史和現(xiàn)狀穩(wěn)定性調(diào)查的庫岸穩(wěn)定性評價表明：歷史和現(xiàn)狀坡面穩(wěn)定性調(diào)查均支持未來一段時期內(nèi)庫岸邊坡是穩(wěn)定的，不會發(fā)生大規(guī)模整體滑移破壞。

(2)根據(jù)水庫塌岸預(yù)測和考慮地形再造后邊坡的穩(wěn)定性計算，金雞達旦河大橋兩岸均存在塌岸+庫岸再造邊坡影響范圍大于結(jié)構(gòu)物到當前水位距離，庫岸長期穩(wěn)定性威脅結(jié)構(gòu)物地基基礎(chǔ)的長期安全問題，需要采取加固措施。

(3)金雞達旦河大橋墩臺橫斷面臨公路側(cè)坍岸作用強烈，應(yīng)加強該部位坡腳的防護加固。具體加固措施可參考堤壩防治坡面沖刷和水力侵蝕作用措施。

(4)當前庫岸坡腳均堆積有不同規(guī)模的歷史填土，其存在具有一定的反壓坡腳作用，未來建設(shè)和水庫 運行過程中，嚴禁在該部位改變現(xiàn)狀地形和對其進行開挖清除作業(yè)。

4.2 建 議

從塌岸預(yù)測和地形改造后庫岸邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果看，該區(qū)橋梁及其附屬結(jié)構(gòu)的選址沒有問題。

但應(yīng)注意到該區(qū)臨近程海斷裂帶，應(yīng)該對構(gòu)造活動和側(cè)后方高陡邊坡的活動進行長期安全監(jiān)控或者定期巡查，以確保安全預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)。

工程區(qū)存在水穩(wěn)性較差的粉砂地層，如未來切穿該層位造成暴露和與庫水直接接觸，應(yīng)該對其采取護面或加固隔離措施。

安全監(jiān)控應(yīng)采取施工安全監(jiān)測和長期穩(wěn)定性監(jiān)控的有機結(jié)合，以檢驗工程措施的合理性，積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后類似工程積累經(jīng)驗和基礎(chǔ)研究資料。同時為公路的安全運行管理提供指導(dǎo)。

□

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