廣東某橋梁工程對(duì)河岸堤防的影響分析

李輝云

（廣東省源天工程有限公司珠海水電分公司，廣東 珠海 519000）

1 工程概況

廣東某特大橋位于汕頭市龍湖區(qū)，全長(zhǎng)約1.40km。橋梁工程投運(yùn)后，將極大完善地方交通建設(shè)，完善片區(qū)路網(wǎng)并解決對(duì)外交通通道的需求，帶動(dòng)片區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。建成通車后，兩岸的行車時(shí)間將極大縮短，對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有積極促進(jìn)作用。

本實(shí)例橋梁工程的建設(shè)施工與運(yùn)行將占用所在河道，并影響河道正常過流。本文通過查閱和總結(jié)文獻(xiàn)[1-5]，了解橋梁工程對(duì)河道行洪、排澇、防汛等方面產(chǎn)生的不利影響，通過該橋梁工程在建設(shè)期、運(yùn)行期對(duì)河岸堤防穩(wěn)定的影響進(jìn)行分析，以期為河岸長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供參考。

2 對(duì)河岸堤防的影響分析

分析主要考慮該永久橋梁工程對(duì)河岸堤防滲流穩(wěn)定的影響。堤防穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法，此方法適用于計(jì)算各種均質(zhì)、非均質(zhì)斜坡的抗滑穩(wěn)定性或建筑物地基穩(wěn)定性。此次計(jì)算考慮滲流作用影響。研究區(qū)處于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，根據(jù)堤防等級(jí)及堤防高度，大橋建設(shè)期可不考慮地震對(duì)抗滑穩(wěn)定的影響。

2.1 計(jì)算方法

2.1.1 穩(wěn)定滲流期有效應(yīng)力計(jì)算方法

對(duì)于穩(wěn)定滲流期的有效應(yīng)力法計(jì)算示意圖參見圖1，計(jì)算公式見式（1）。

圖1 穩(wěn)定滲流期圓弧滑動(dòng)條分法計(jì)算示意圖

式中：K—土坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)；

W—土條自重，kN；

V—垂直地震力，kN；

α—土條滑動(dòng)面的法線與豎直線的夾角；

u—作用于土條底邊上的孔隙水壓力，kN；

b—土條寬度，m；

c’—土的有效凝聚力，kN/m2；

R—滑動(dòng)圓弧的半徑，m；

Mc—土條中心至滑動(dòng)圓心的垂直距離，m。

式（1）的孔隙水壓力和土條自重分別按式（2）、（3）計(jì)算。

式中：u—孔隙水壓力，kN；

rw—土體飽和容重，kN/m3；

H—條塊底部中點(diǎn)至浸潤(rùn)線的距離，m；

Z—條塊底部中點(diǎn)至坡外水位的距離，m；

W—土條自重，kN；

W1—浸潤(rùn)線以上的土塊濕重，kN；

W2—浸潤(rùn)線和外水位之間的飽和容重，kN；

W3—外水位以下的浮容重，kN。

2.1.2 水位驟降期有效應(yīng)力計(jì)算方法

水位下降有水位驟降和水位緩降兩種情況。水位驟降，一般指水位迅速降落，沒有顯著的水量從土中排出，土體仍處于飽和狀態(tài)，邊坡內(nèi)浸潤(rùn)線基本保持不變。水位緩降，自由面有顯著下降。通過查閱邊坡穩(wěn)定性分析文獻(xiàn)[6-8]，相關(guān)研究表明水位下降時(shí)，邊坡的最不利情況為水位驟降引起的滑坡。其主要原因是，由于內(nèi)部超孔隙水壓力增加，土體有效應(yīng)力降低。對(duì)于水位驟降期的有效應(yīng)力計(jì)算示意圖參見圖2。為安全考慮，假定浸潤(rùn)線的位置沒有隨水位下降而改變。

圖2 水位驟降下邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法示意圖

（2）式的孔隙水壓力表示為：

式中：H—條塊底部中點(diǎn)至驟降前浸潤(rùn)線的距離，m；

Z—條塊底部中點(diǎn)至驟降后坡外水位的距離，m。

對(duì)于（1）式中土條自重W 表示為：

式中：W1、W2和W3含義與式（3）相同；

W4—降水位前，浸潤(rùn)線以上的土塊濕重，kN。

將式（4）、（5）、（6）代入式（1）可求得水位驟降下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)。

2.2 計(jì)算工況及水位組合

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50286-2013[9]，本文選取多種不利的水力邊界條件（見表1）進(jìn)行擬建工程堤防的抗滑穩(wěn)定分析。

表1 堤防穩(wěn)定性計(jì)算工況

2.3 典型計(jì)算剖面

根據(jù)橋梁工程布置圖，選取兩側(cè)岸堤典型、具有代表性剖面。選取的橋位堤防穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算剖面見圖3。

圖3 橋位堤防標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

2.4 堤防穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)勘測(cè)設(shè)計(jì)單位提供的勘察成果，獲取了堤防計(jì)算所需的物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 土層主要物理力學(xué)參數(shù)取值

該堤防所在河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）的要求，土堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示?；诖?，各工況下堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果及其與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求比較結(jié)果見表4。典型計(jì)算剖面見圖4。

表3 土堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

表4 堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

圖4 典型計(jì)算剖面圖（工況1）

從表4 計(jì)算結(jié)果可看出，在各工況下，擬建橋梁工程堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，但兩岸堤防迎水坡在個(gè)別工況下的安全系數(shù)偏低，安全裕度較小。為保障堤防安全，建議對(duì)堤腳處采取拋石擠淤措施進(jìn)行防護(hù)處理。此外，橋位處堤防考慮適當(dāng)?shù)募庸谭雷o(hù)措施。

2.5 鋼板樁強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

由于橋梁左幅橋5 號(hào)橋墩承臺(tái)位于一八圍背水坡后平臺(tái)，且承臺(tái)一角已侵入坡腳最大0.7 m，施工期采用鋼板樁圍堰，將整體挖進(jìn)堤腳位置接近3 m，對(duì)堤防造成破壞，可能影響堤防的安全穩(wěn)定。根據(jù)設(shè)計(jì)院分析成果，5 號(hào)墩承臺(tái)施工為陸地基坑，采用IIIW 鋼板樁，共設(shè)置一層支撐，封底厚0.5 m?；影踩燃?jí)為三級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，作用基本組合的分項(xiàng)系數(shù)1.25。按安裝一層支撐后圍堰內(nèi)開挖至基坑底為不利工況，計(jì)算得第一層支撐處反力為52.9 kN，最大彎矩145.3 kN·m，彎曲應(yīng)力58.7 MPa，鋼板樁最大位移20.7 mm。5 號(hào)承臺(tái)圍堰一層圍檁采用HW400*400 型鋼，內(nèi)支撐采用直徑529*8 鋼管，計(jì)算圍檁內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力215 MPa，最大剪應(yīng)力125 MPa，圍檁最大變形1.96 mm。從結(jié)果匯總可知，鋼板樁的強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

綜合考慮，施工期和運(yùn)行期擬建工程基坑開挖、圍堰施工不致造成堤防的穩(wěn)定破壞，但工程施工擾動(dòng)堤防結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)堤防滲流安全和邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響。建議先對(duì)鋼板樁上游側(cè)進(jìn)行灌漿處理，經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行下一步的打樁和開挖施工，施工過程中應(yīng)嚴(yán)密觀測(cè)堤防滲流和變形。此外，橋墩施工完成后再對(duì)橋墩及承臺(tái)、樁基周圍采取注漿加固措施。

3 結(jié)論及建議

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，擬建橋梁工程河段堤防穩(wěn)定性在各工況條件下均符合規(guī)范穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，工程基坑開挖、圍堰施工不致造成堤防的穩(wěn)定破壞。在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)堤防穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，盡可能減少機(jī)械施工對(duì)堤圍的振動(dòng)造成的破壞，如出現(xiàn)變形和破壞情況，需及時(shí)修復(fù)和加固堤防，以確保堤防穩(wěn)定。