庫水位變化對橋梁岸坡穩(wěn)定性的影響研究

葉 子

（江西科信水利工程勘測設(shè)計(jì)有限公司，江西 上饒 334000）

我國沿江河湖布置的交通工程占比大，擁有大量的庫岸橋梁、公路及鐵路[1]。庫區(qū)水位變化對岸坡巖土體物理力學(xué)性能影響較大，水位變化將改變巖土體的飽和-非飽和狀態(tài)，使巖土體基質(zhì)吸力與孔隙水壓力發(fā)生改變，從而影響岸坡巖土層的變形沉降，甚至能誘發(fā)岸坡滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而影響岸坡穩(wěn)定性以及庫岸橋梁等結(jié)構(gòu)的安全性[2-8]。因此，研究含橋梁結(jié)構(gòu)庫岸邊坡在不同水位變化下的穩(wěn)定性狀況，對保障岸坡的穩(wěn)定性及橋梁等結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營具有重要意義。目前，學(xué)者們主要研究了庫區(qū)水位變化對常規(guī)邊坡與橋梁等結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響，鮮有考慮橋梁的汽車荷載。本文依托某庫岸橋梁邊坡工程，采用GTS-NX 軟件建立含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的有限元模型，分析高低恒水位和驟降變水位工況下岸坡的應(yīng)力變形分布、橋墩變形特征與岸坡穩(wěn)定性狀況，對既有橋梁結(jié)構(gòu)岸坡進(jìn)行安全評估。

1 工程概況

為研究庫區(qū)水位變化對含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性影響，選取四川盆地東南部某水庫的含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡為研究對象。橋梁為整體式，全長260 m，設(shè)計(jì)為2橋臺、5橋墩，上部結(jié)構(gòu)采用6×40 m簡支T梁，下部結(jié)構(gòu)為雙柱式橋墩，橋臺為“U”形重力式橋臺。含橋梁岸坡地區(qū)屬低中山地貌區(qū)，場地地形處于沖溝兩側(cè)，地勢總體南北高、中間低，左右兩岸斜坡坡度角為27°～35°和35°～42°。庫岸橋區(qū)地層為第四系崩坡堆積層和侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組，以泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖為主，巖石較致密，裂隙較發(fā)育。巖層呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀305°∠55°，區(qū)內(nèi)未見斷層結(jié)構(gòu)，屬單一構(gòu)造區(qū)。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 有限元數(shù)值模型

為分析不同水位情況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性，利用GTS-NX 軟件建立了含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的有限元計(jì)算模型。如圖1 所示，模型包括橋梁結(jié)構(gòu)和岸坡，其中橋梁樁基深度從左至右分別為19.7、23.0、18.0、19.0 和10.0 m。梁體、樁體采用1D 梁單元進(jìn)行模擬，單元網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m；岸坡實(shí)體采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，混合網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。岸坡地層從上至下主要為碎塊石土、泥巖、砂巖，砂巖和泥巖物理力學(xué)參數(shù)為現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，碎石土參照工程地質(zhì)手冊取的經(jīng)驗(yàn)值，具體參數(shù)詳見表1。巖土體采用M-C屈服準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)采用線彈性材料。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型及其網(wǎng)格劃分

表1 地層及材料參數(shù)

2.2 邊界條件及計(jì)算工況

為獲得不同實(shí)際工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的力學(xué)響應(yīng)特征，數(shù)值計(jì)算考慮了汽車荷載、重力恒載和水壓力荷載等作用。首先對整體邊坡網(wǎng)格組施加重力，然后施加水荷載及車輛荷載，水荷載體現(xiàn)于巖土體材料的飽和、天然狀態(tài)的變化，橋梁車輛荷載根據(jù)計(jì)算得到的質(zhì)點(diǎn)反力施加于各個(gè)橋墩的墩頂，橋墩從左至右施加反力分別為14 711、15 124、11 151、14 760和15 280 kN（橋墩編號依次為1#—5#）。邊界條件設(shè)置如下：底部約束水平和豎向位移，左右兩側(cè)約束水平位移。計(jì)算工況設(shè)置為：低水位（水位高程1 238 m）、高水位（水位高程1 273 m）和驟降水位（水位高程1 273 m 降至1 238 m）3 種水位工況。水位線以上巖土體取天然黏聚力、天然內(nèi)摩擦角、天然容重，而水位線以下巖土體則取飽和狀態(tài)參數(shù)。模型計(jì)算時(shí)，通過設(shè)定不同水位線從而賦予巖土體材料不同狀態(tài)下的力學(xué)指標(biāo)，即靜水位時(shí)水位線為水平線、水位驟降時(shí)水位線為浸潤線。

3 結(jié)果及分析

3.1 含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的應(yīng)力變形特征

數(shù)值模擬獲得了3 種水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的位移變化與應(yīng)力分布特征，如圖2 所示。對于低水位工況，由于岸坡水位較低，岸坡所受荷載主要為橋梁上的車輛荷載，最大水平位移出現(xiàn)于右岸5#橋墩附近的巖土體為0.87 mm，最大豎向位移出現(xiàn)于3#橋墩頂部為6.07 mm；對于高水位工況，水庫蓄水至高水位，使得水位線以下土體變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，最大水平位移出現(xiàn)于左岸土體為2.62 mm，最大豎向位移出現(xiàn)于左岸坡體為15.9 mm；對于驟降水位工況，最大水平位移出現(xiàn)于左岸土體為2.58 mm，最大豎向位移出現(xiàn)于右岸坡體為13.62 mm?？傮w而言，水位的變化對岸坡變形影響較小。

圖2 高水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的位移云圖

提取出各橋墩及橋臺底部岸坡位移值詳見表2，發(fā)現(xiàn)3 種工況下左右橋臺最大水平位移相差不大，在1 mm以內(nèi)；最大豎向位移出現(xiàn)于高水位工況，達(dá)到15.44 mm，較低水位和驟降水位工況分別增加了15.97 mm和3.34 mm。對于1#—5#橋墩，最大水平位移和最大豎向位移均出現(xiàn)于高水位工況，分別為2.29 mm和11.24 mm，較低水位和驟降水位工況分別增加了2.18 mm和0.32 mm、13.52 mm和5.18 mm。總而言之，高水位工況對含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的變形影響最大。此外，通過岸坡的應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn)：岸坡最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右岸橋墩位置，為0.42 MPa；最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)于庫區(qū)底部，最大值為2.61 MPa，小于基巖強(qiáng)度，表明水位的變化對橋墩的變形和內(nèi)力影響較小。

表2 不同水位工況下各橋墩底部岸坡位移值 mm

3.2 含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性分析

數(shù)值模擬得到了不同水位工況下含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)。為更好研究橋梁結(jié)構(gòu)與上覆汽車載荷對岸坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)了無橋梁結(jié)構(gòu)的普通岸坡模擬對照組（包括左岸邊坡和右岸邊坡2組模型）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于含橋梁結(jié)構(gòu)岸坡，由于橋梁的樁體結(jié)構(gòu)對岸坡穩(wěn)定性具有一定的加固作用，3種水位工況下最危險(xiǎn)滑弧均出現(xiàn)于左岸，如圖3所示，最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.40，出現(xiàn)于水位驟降工況。對于無橋梁結(jié)構(gòu)的普通岸坡，由于沒有橋梁結(jié)構(gòu)的加固作用，高水位和水位驟降條件下，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)均減?。挥捎谧蟀镀露冉歉笥绊?，左岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于右岸，其中左岸邊坡在水位驟降工況時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.05，而右岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.22。此外，還發(fā)現(xiàn)左岸最危險(xiǎn)滑弧剪出口在坡腳位置，在低水位和高水位時(shí)最危險(xiǎn)滑弧剪出口位置較水位驟降工況時(shí)更高，沿堆積層土巖分界線分布。根據(jù)水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范，左岸邊坡屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要對其進(jìn)行加固處理。如對碎石土層較薄處可進(jìn)行清方處理，對于厚度較大的碎石土層可采用抗滑樁加固等措施。

圖3 驟降水位工況下岸坡最大剪切應(yīng)變云圖

4 結(jié)論

基于GTS-NX 軟件建立了含橋梁結(jié)構(gòu)的岸坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，分析了3 種水位工況下岸坡應(yīng)力變形分布、橋墩橋臺變形特征與岸坡穩(wěn)定性狀況，獲得以下結(jié)論。

（1）3 種工況下岸坡最大水平位移和豎向位移分別為0.87～2.62 mm 和6.07～15.9 mm；高水位工況對橋梁岸坡變形影響最大，此時(shí)岸坡水平位移和豎向變形分別為2.62 mm和15.9 mm。

（2）3 種工況下左右橋臺最大水平位移相差小，最大豎向位移出現(xiàn)于高水位工況，為15.44 mm；橋墩的最大水平位移和豎向位移出現(xiàn)于高水位工況，分別為2.29 mm和11.24 mm。

（3）由于橋梁對岸坡的加固作用，橋梁岸坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.40，不同水位工況下最危險(xiǎn)滑弧均在左岸；無橋梁岸坡的左岸穩(wěn)定性系數(shù)小于右岸，在水位驟降工況下左、右岸坡穩(wěn)定性系數(shù)最小，分別為1.05 和1.22，左岸邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)，需對其進(jìn)行加固處理。