跨河橋梁對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響分析

楊春瑞 張瓊瓊

跨河橋梁工程在堤防附近布置橋墩，橋墩采用鉆孔灌注樁基，樁基施工破壞了堤身正常的土壓力平衡。大橋建成后，由于汽車動(dòng)荷載對(duì)樁基擾動(dòng)作用，在土體和樁體之間形成空隙，易產(chǎn)生類似接觸沖刷等滲流破壞，需進(jìn)行堤防滲透穩(wěn)定復(fù)核。本文針對(duì)大橋工程對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響進(jìn)行計(jì)算分析，提出了跨河橋梁對(duì)堤防安全穩(wěn)定分析的方法，為堤防管理部門對(duì)堤防保護(hù)及管理提供了一些參考依據(jù)。

一、概述

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通建設(shè)步伐也隨之加快，橋梁作為交通建設(shè)的重要組成部分，其數(shù)量也在急劇增加?？绾訕蛄汗こ痰臉蚨詹捎勉@孔灌注樁基，近堤腳樁基施工破壞了堤身正常的土壓力平衡。橋墩建成后汽車動(dòng)荷載對(duì)樁基擾動(dòng)作用，在土體和樁體之間形成空隙，易產(chǎn)生類似接觸沖刷等滲流破壞，需進(jìn)行堤防安全穩(wěn)定復(fù)核分析，分析大橋建成對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響程度，采用有效措施減少不利影響。

本文運(yùn)用跨河橋梁工程實(shí)例進(jìn)行堤防安全穩(wěn)定分析，實(shí)例為沙潁河下游段跨河橋梁工程。該橋梁工程于潁上閘下游31.5km處跨越沙潁河，下距沙潁河口約13.6km，潁河河道193+220，潁左堤7+845，潁河右堤183+992。大橋設(shè)計(jì)荷載采用城-A級(jí)，人群荷載采用3.5kN/m2，橋面寬22.0m，橋跨布置：橋臺(tái)3.0m+左岸引橋先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁（5×30m+6×30m）+鋼箱提籃拱橋70m+等截面預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁2×45m+跨主河槽鋼箱提籃拱橋160m+先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁（2×33+跨右堤40+33）m+右岸引橋先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁 （5×30m+4×30m）+橋臺(tái)3.0m，全長(zhǎng)1065m。該工程涉及潁河兩岸堤防分別為淮北大堤潁左堤和潁河右堤，其中潁左堤為1級(jí)堤防，潁河右堤為2級(jí)堤防。

二、計(jì)算方法

1.滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算

（1）計(jì)算條件

正常期：迎水側(cè)設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)無(wú)水的不利工況。

陡降期：迎水側(cè)由設(shè)計(jì)洪水位在48h內(nèi)陡降到堤腳。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告。樁體附近土層看作透水性較好的土層。

（2）計(jì)算方法

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013）中有關(guān)滲流及滲透穩(wěn)定計(jì)算的規(guī)定，選用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)（AutoBANKv 7.0）》堤防滲流場(chǎng)計(jì)算程序，對(duì)堤防進(jìn)行滲流及滲透穩(wěn)定分析。計(jì)算原理如下：

對(duì)于穩(wěn)定滲流，符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場(chǎng)，水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程：

式中：=（x，y）為待求水頭勢(shì)函數(shù)；x，y為平面坐標(biāo)；kx，ky為 x，y軸方向的滲透系數(shù)。

1）在上游邊界上水頭已知

2）在逸出邊界水頭和位置高程相等

3）在某邊界上滲流量q已知

其中：lx，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

式中：[H]為滲透矩陣；{}為滲流場(chǎng)水頭；{F}為節(jié)點(diǎn)滲流量。

求解以上方程組可以得到節(jié)點(diǎn)水頭，據(jù)此求得單元的水力坡降，流速等物理量。求解滲流場(chǎng)的關(guān)鍵是確定浸潤(rùn)線位置，采用節(jié)點(diǎn)流量平衡法通過(guò)迭代計(jì)算自動(dòng)確定浸潤(rùn)線位置和滲流量。

（3）計(jì)算結(jié)果

按計(jì)算條件所選定工況、參數(shù)和計(jì)算方法所確定的計(jì)算理論，對(duì)堤基進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.抗滑穩(wěn)定計(jì)算

（1）計(jì)算條件

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013），堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況?。孩僬＿\(yùn)用條件：設(shè)計(jì)洪水位，堤后無(wú)水，背水坡的穩(wěn)定情況；設(shè)計(jì)洪水位驟降期迎水坡的穩(wěn)定。穩(wěn)定滲流期堤身穩(wěn)定采用瑞典圓弧滑動(dòng)法中的有效應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算，驟降期堤身穩(wěn)定采用瑞典圓弧滑動(dòng)法中的總應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算。②非常運(yùn)用條件：多年平均水位+7度地震時(shí)的穩(wěn)定情況，地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2.1-1。

（2）計(jì)算方法

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013），穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧滑動(dòng)計(jì)算，公式如下：

式中：W—土條重量（kN）；

Q、V—水平和垂直地震慣性力（V向上為負(fù)，向下為正）（kN）；

表1 堤防滲透穩(wěn)定計(jì)算成果表

表2 堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

u—作用于土條底面的孔隙壓力（kN/m2）；

α—條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角（°）；

b—土條寬度（m）；

c'、'—土條底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效內(nèi)摩擦角（°）；

Mc—水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩（kN·m）；

R—圓弧半徑（m）。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，

三、計(jì)算結(jié)果分析

從表1和表2計(jì)算結(jié)果知，考慮橋墩樁基貫穿覆蓋層的不利影響，潁河左、右堤滲流及抗滑穩(wěn)定復(fù)核均滿足規(guī)范要求。近堤腳橋墩樁基布置穿透堤基覆蓋層，增加了堤防發(fā)生滲漏、管涌的可能性，橋墩基礎(chǔ)施工直接擾動(dòng)堤基，車輛通行動(dòng)載荷會(huì)對(duì)橋墩附近地基土層產(chǎn)生不利影響。雖然滲流穩(wěn)定計(jì)算滿足規(guī)范要求，但從計(jì)算圖中可以看出，受近堤腳橋墩的影響，各種工況下計(jì)算水力坡降最大值均出現(xiàn)在橋墩和堤基的結(jié)合部位，該處易成為堤基滲透穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)，施工中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制，并作橋墩局部防滲處理。

四、采取措施

橋梁樁基施工后回填前基坑內(nèi)積水應(yīng)提前排除干凈，混凝土、棄渣、浸泡表層土清除。近堤腳不具備放坡條件的承臺(tái)基坑，回填土采用蛙式打夯機(jī)分層夯實(shí)，每層厚度按20cm控制，壓實(shí)度根據(jù)堤防等級(jí)確定：潁左堤為0.95，潁河右堤為0.93?；靥钇綁汉?，再拔除鋼板（管）樁，樁孔立即做粘土球回填處理。迎水側(cè)基坑待自然固結(jié)1月后，安排粘土灌漿處理，再實(shí)施橋墩局部防滲。

橋墩局部防滲處理設(shè)計(jì)原則：迎水側(cè)采用截滲措施，從源頭堵截滲流通道；背水側(cè)采用導(dǎo)滲處理，將滲水安全導(dǎo)出降壓，保護(hù)基土不隨滲水流失而產(chǎn)生滲流破壞。此次防滲處理選用現(xiàn)行技術(shù)較為成熟、安全性較高的土工織物加反濾結(jié)構(gòu)，即對(duì)迎水側(cè)橋墩承臺(tái)施工基坑開(kāi)挖擾動(dòng)部位用復(fù)合土工膜作截滲處理，土工膜上部回填夯實(shí)20cm厚的粘土封閉層，其上再砌筑12cm厚混凝土預(yù)制塊護(hù)面作為保護(hù)層，并起到防沖作用；對(duì)背水側(cè)橋墩承臺(tái)施工基坑開(kāi)挖擾動(dòng)部位用土工布作反濾保護(hù)處理，土工布上分別鋪筑10cm厚粗砂和級(jí)配碎石過(guò)渡層，其上再砌筑12cm厚混凝土預(yù)制塊護(hù)面作為保護(hù)層。

橋面排水孔會(huì)對(duì)堤防土質(zhì)堤坡及近堤腳護(hù)堤地造成較嚴(yán)重沖刷，因此在堤身及護(hù)堤地范圍內(nèi)大橋應(yīng)避免設(shè)置排水孔，對(duì)受影響的堤坡、護(hù)堤地做必要防護(hù)。

五、結(jié)論與建議

跨河橋梁項(xiàng)目工程應(yīng)合理安排施工進(jìn)度計(jì)劃，近堤橋墩樁基施工應(yīng)避開(kāi)高水位，盡量減少對(duì)基底土的擾動(dòng)，避免堤基滲透破壞。對(duì)影響范圍內(nèi)的近堤腳橋墩基礎(chǔ)作局部防滲處理和堤防迎水坡進(jìn)行工程防護(hù)。通過(guò)有效措施的防護(hù)處理，大橋工程對(duì)堤防安全穩(wěn)定的影響程度降到最低，為堤防保護(hù)及管理提供了參考依據(jù)