既有尾礦庫對鄰近橋梁安全運(yùn)行影響分析

王博文

(誠合瑞正風(fēng)險(xiǎn)管理咨詢有限公司 北京 100855)

1 引言

橋梁施工經(jīng)常存在鄰近既有建(構(gòu))筑物的情況，對橋梁施工或運(yùn)營存在一定的影響。國內(nèi)外學(xué)者對既有建(構(gòu))筑物對鄰近橋梁施工或運(yùn)營的影響進(jìn)行了大量的研究，李世仲[1]針對某過江隧道建立盾構(gòu)開挖隧道施工仿真數(shù)值模型，分析了新建隧道施工過程中地表沉降、對既有橋樁的受力和變形的影響。孫雪兵[2]以武漢地鐵3號線隧道下穿既有鐵路橋梁工程為背景，在ANSYS平臺上進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得出盾構(gòu)下穿過程中，橋梁及其樁基主要發(fā)生沉降變形的結(jié)論。張翼鵬[3]對高速鐵路沿線抽水井降水導(dǎo)致的橋梁基礎(chǔ)沉降進(jìn)行數(shù)值仿真分析，結(jié)果表明:抽水后場地沉降及孔隙水壓力均呈漏斗狀分布，抽水結(jié)束后土體最終沉降趨于穩(wěn)定，橋梁樁基下半段以及樁底的正應(yīng)力有所增加。倪恒[4]研究了河道開挖、棄土堆載對橋墩和承臺的豎向位移、橫向位移的影響規(guī)律。翟強(qiáng)[5]基于SPA法提出盾構(gòu)隧道施工對鄰近橋梁安全評價(jià)方法，以5座被下穿橋梁為例，對其進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和敏感度分析，相關(guān)研究成果可為施工前期盾構(gòu)的選型和地質(zhì)適應(yīng)性研究提供依據(jù)。高宏偉[6]等以寧波濱海新建杭甬高速公路復(fù)線寧波段高架橋緊鄰圍墾工程為例，研究橋梁與海堤在不同距離情況下，新建橋梁施工、海堤施工、圍墾填土等工序?qū)︵徑鼧蛄簶痘挠绊?。楊靜[7]以某高架橋下的基坑開挖工程為例，采用強(qiáng)度折減有限元方法，分析基坑開挖引發(fā)的邊坡穩(wěn)定性問題以及不同的基坑支護(hù)方案對鄰近高架橋梁樁基礎(chǔ)變形的影響。張凱[8]通過對開挖過程中基坑、橋梁基礎(chǔ)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對管廊基坑鄰近橋梁基礎(chǔ)開挖防護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。王凱[9]以北京地鐵16號線下穿蘇州橋?yàn)楣こ瘫尘埃接懐B落隧道施工對鄰近橋梁變形的影響機(jī)制及相應(yīng)的保護(hù)措施。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對鄰近既有橋梁施工，對其造成的影響進(jìn)行了大量研究[10－12]，但是對既有廢棄尾礦庫對橋梁安全運(yùn)營的影響分析還很少，本文以某公路橋鄰近一廢棄尾礦庫為例，研究既有廢棄尾礦庫對橋梁安全運(yùn)營的影響，以期為類似工程安全評估提供參考。

2 工程概況

某高速公路鄰近一既有廢棄尾礦庫，該尾礦庫庫容約3.2萬m3，壩頂高程約415.0 m，最大壩高約9.0 m。為了減少尾礦庫對高速公路運(yùn)行的影響，高速公路在尾礦庫下游以橋梁形式通過，如圖1所示。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用箱梁，梁高為1.8 m。目前該尾礦庫廢棄已久，其排洪系統(tǒng)和排水系統(tǒng)均缺失，在降雨匯流情況下可能發(fā)生滑坡和泥石流，對其下游的公路橋梁安全運(yùn)營造成威脅，因此需要分析尾礦庫一旦發(fā)出災(zāi)害對下游公路橋梁的影響。

圖1 尾礦庫與公路橋的相對位置關(guān)系

3 尾礦庫安全性分析

3.1 滲流場分析

該尾礦庫為山谷型尾礦庫，相對于尾礦砂材料而言，尾礦庫周邊的山體基巖可以看作為不透水材料，因此在滲流分析中只考慮尾礦庫自身的滲流作用。根據(jù)勘察單位提供的地質(zhì)剖面資料確定計(jì)算剖面的幾何邊界及材料分層情況，材料參數(shù)如表1所示。建立有限元計(jì)算模型，如圖2所示。

表1 庫區(qū)土層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 壩體二維滲流有限元計(jì)算模型

由于該尾礦庫已經(jīng)廢棄，目前沒有正常水位，因此只需研究洪水作用下尾礦庫的滲流場分布情況。根據(jù)勘察單位提供的資料，尾礦庫最高洪水位為414.4 m，對該水位條件下尾礦庫進(jìn)行滲流場數(shù)值分析，可確定出浸潤線，如圖3所示，水力比降分布如圖4所示。

圖3 尾礦庫洪水工況下壩體浸潤線

圖4 尾礦庫洪水工況下水力比降

由圖3可以看出，在洪水工況下，尾礦庫內(nèi)大部分浸潤線位置較低，埋深較大。從圖4可以看出，水力比降較大的區(qū)域分布在尾礦水入滲處和壩體上游坡面附近，最大值約為0.34。由此可見，在洪水作用工況下，尾礦庫壩體內(nèi)部浸潤線埋深大，水力比降不大，尾礦庫滲流穩(wěn)定，能滿足要求。

3.2 壩坡穩(wěn)定性分析

為了全面分析該尾礦庫的穩(wěn)定性，對尾礦庫的壩體抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析，參考相關(guān)規(guī)范，采用“瑞典圓弧法”和“簡化Bishop法”兩種方法進(jìn)行分析，壩體最危險(xiǎn)的滑動面分布如圖5所示。

圖5 尾礦庫抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。通過計(jì)算表明:洪水工況和地震工況下尾礦庫的壩體抗滑安全系數(shù)均能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，表明壩體穩(wěn)定。

表2 尾礦庫壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)(臨界滑動面)

3.3 尾礦庫泥石流危險(xiǎn)性分析

通過以上分析可知，盡管尾礦庫的抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，但尾礦庫排洪和排水設(shè)施已經(jīng)失效，沉積灘不平整，一旦洪水超標(biāo)入庫后，可能發(fā)生洪水漫頂，導(dǎo)致該尾礦庫潰壩，對下游橋梁安全產(chǎn)生影響?；诖?，建立尾礦庫潰壩數(shù)值模型，分析尾礦庫潰壩后泥石流的演化規(guī)律，確定潰壩泥石流在公路橋位置的泥深和流速，以此為基礎(chǔ)評價(jià)潰壩泥石流對公路橋的影響。

3.3.1 壩體潰決范圍

洪水漫頂下尾礦庫潰壩機(jī)理非常復(fù)雜，在洪水沖蝕作用下，形成壩面沖溝；隨著沖溝的加深，沖溝兩側(cè)土體會發(fā)生崩塌或滑坡，崩塌后的土體被洪水帶走。該過程反復(fù)進(jìn)行，直至庫內(nèi)洪水排盡，且潰口邊坡能保證穩(wěn)定，整個潰壩過程才會終止。目前，尚沒有一個公認(rèn)的模型確定尾礦庫的潰壩范圍，一般參考洪水漫頂作用下水庫土石壩的潰口模型進(jìn)行計(jì)算:

式中:W為潰壩時(shí)的貯水量；B為潰壩時(shí)壩前水面寬度；H為潰壩時(shí)水頭；K為與壩體材料有關(guān)的系數(shù)，文中取1.3。

尾礦庫不完全雷同于水庫土壩:水庫中存水豐富且水位深，而潰壩以沖蝕為主，只考慮土壩的沖蝕作用即可，計(jì)算可參考堰流模型；尾礦庫中只存在沉降灘，存水較少且水位淺，洪水在整個尾礦庫庫面上流動，后期沖蝕更類似于明渠，因此尾礦庫潰壩范圍尚應(yīng)綜合考慮尾礦壩自身穩(wěn)定性。

考慮到在洪水沖蝕作用下，尾礦庫的初期壩體在潰壩過程中往往被破壞，按照尾礦庫初期壩全潰結(jié)合尾礦庫壩體自身穩(wěn)定性，確定尾礦庫潰壩范圍，如圖6所示。尾礦壩單寬的總潰壩量為356 m3/m。在泥石流危險(xiǎn)性分析中，其流體的模擬一般采用賓漢流體模型:

圖6 尾礦庫潰壩二維數(shù)值計(jì)算模型

式中:τ0為極限剪應(yīng)力；μ為粘滯系數(shù)。

根據(jù)尾礦庫材料及洪水流量，結(jié)合泥石流流變參數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可確定泥石流物理力學(xué)參數(shù)，如表3所示。

表3 潰壩泥石流物理力學(xué)參數(shù)

考慮到潰壩過程的復(fù)雜性，偏安全考慮，按瞬間全潰計(jì)算泥石流到達(dá)橋墩位置流速分布、泥石流埋深等典型參數(shù)。

3.3.2 橋梁位置泥石流泥深和流速

泥石流對結(jié)構(gòu)物的沖擊力與泥石流在該位置的泥深和流速直接相關(guān)，本文采用數(shù)值仿真分析潰壩泥石流在橋梁位置的演進(jìn)規(guī)律，確定演進(jìn)過程中橋梁位置最不利泥深和流速，以此分析泥石流對橋梁的影響。

橋梁位置泥石流流速隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。由于尾礦庫距橋梁位置較近，橋梁位置泥石流流速在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，在第3 s達(dá)到最大值，此時(shí)最大流速為6.8 m/s，隨后流速逐漸減小，到150 s時(shí)基本趨近于0 m/s，表明泥石流在該位置基本停止演進(jìn)。

圖7 橋梁位置泥石流流速變化曲線

在橋梁位置泥深隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖8所示。橋梁位置泥深在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，在第3 s達(dá)到最大值2.8 m，隨后泥深逐漸減小，到150 s時(shí)泥深為0.8 m。結(jié)合圖7綜合判斷，泥石流此時(shí)基本趨于穩(wěn)定。

圖8 橋梁位置泥石流泥深變化曲線

4 尾礦庫潰壩對橋梁影響

4.1 潰壩對橋梁上部結(jié)構(gòu)影響

根據(jù)泥石流泥深演進(jìn)規(guī)律可知，泥石流在橋梁位置最大淹沒標(biāo)高為410 m，而橋面標(biāo)高為416.8 m，因此尾礦庫潰壩泥石流不會淹沒公路橋橋面，不會威脅到路面行車安全。

該公路橋面標(biāo)高為416.8 m，梁高為1.8 m，而泥石流最大淹沒標(biāo)高為410 m，因此泥石流不會對橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，但可能會影響到橋墩的安全性。

4.2 潰壩對公路橋墩影響

根據(jù)以上分析，泥石流對橋梁的影響主要體現(xiàn)在對橋墩的沖擊力上?？紤]到尾礦庫壩體主要由粉細(xì)砂和尾礦土構(gòu)成，泥石流中不存在大的塊石，因此可以不考慮大塊石對橋墩的沖擊，同時(shí)泥石流為稀性泥石流，根據(jù)?泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范?(DZ/T 0239—2014)，泥石流對單寬橋墩作用力:

式中:γc為泥石流容重；λ為橋墩迎流面形狀系數(shù)；v為流速；α為橋墩受力面與泥石流的夾角；h為泥石流深度。代入相關(guān)數(shù)據(jù)得出:pc＝199 kN/m。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，橋梁鋼筋混凝土墩柱直徑為1.6 m，其設(shè)計(jì)抗剪力[Vn]＝1 219.8 kN。

偏危險(xiǎn)考慮，泥石流對橋墩的作用力為:V＝199×1.6＝318.4 kN<[Vn]，因此在泥石流沖擊下，能夠保證橋墩的安全性。

5 結(jié)束語

本文研究了既有廢棄尾礦庫對下游橋梁的影響，得出主要結(jié)論如下:

(1)對尾礦庫進(jìn)行滲流和穩(wěn)定分析，結(jié)果表明尾礦庫處于穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生滑坡的可能性較小。

(2)考慮到尾礦庫排洪系統(tǒng)缺失，超標(biāo)洪水入庫可能出現(xiàn)洪水漫頂導(dǎo)致潰壩，基于此，建立尾礦庫潰壩數(shù)值仿真模型，分析潰壩泥石流的演進(jìn)規(guī)律，確定出潰壩泥石流在橋梁位置的深度和演進(jìn)流速；同時(shí)根據(jù)泥石流特征參數(shù)，計(jì)算泥石流對橋墩的沖擊力。本文相關(guān)研究成果可為類似工程的安全分析提供參考。