魯志強(qiáng)，徐偉然

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)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(huì)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(yán)重地段。因此，作為線路控制性工程的橋梁一般必須先進(jìn)行橋基岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，避免長期作用會(huì)威脅橋基安全的地段。

當(dāng)前對(duì)于庫岸穩(wěn)定性的研究，多利用歷史庫岸資料，形成經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其塌岸寬度進(jìn)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(yàn)，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(duì)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(jì)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(jì)算理論和方法，多數(shù)為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。本文以金雞達(dá)旦河拱橋跨越魯?shù)乩畮於螏彀稙檠芯繉?duì)象，利用歷史庫岸調(diào)查、塌岸寬度預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式和slide極限平衡法等定性和定量相結(jié)合的方法，評(píng)價(jià)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(jī)制，建議最優(yōu)選址方案，給出兼顧整體和局部穩(wěn)定、當(dāng)前與長期穩(wěn)定的工程建議措施。

1 工程概況及計(jì)算方案設(shè)計(jì)

1.1 金雞達(dá)旦河拱橋橋址區(qū)工程地質(zhì)條件簡介

金雞達(dá)旦河拱橋起點(diǎn)里程K73+936，止點(diǎn)里程K74+414，橋梁全長478 m，為跨越金雞達(dá)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(dá)，交通條件便利。金雞達(dá)旦河大橋兩岸從表露的巖層條件看，巖體相對(duì)松軟，破碎。燒香島岸為歷史崩滑擾動(dòng)巖體，公路岸坡面有近期工程棄渣堆積，庫水易對(duì)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(dá)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(dá)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(duì)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(dá)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(hào)為①-1)，碎石土(單元層代號(hào)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(hào)為②)。③第四系全新統(tǒng)沖湖積層(Qal+plp)，粉細(xì)砂(單元層代號(hào)為③)，粉土(單元層代號(hào)為④)。④二疊系下統(tǒng)(D2)，灰?guī)r(單元層代號(hào)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(yàn)成果、原位測試(標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及動(dòng)力觸探試驗(yàn)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(biāo)見表1。

表1 主要巖土層計(jì)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(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，故橋址區(qū)劃分為對(duì)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(xì)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(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015，測區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.30 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s，與之對(duì)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?，地下水為松散孔隙水?/p>

1.2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

庫岸穩(wěn)定性的計(jì)算與評(píng)價(jià)共包括兩部分：水庫塌岸預(yù)測；庫岸邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)?，F(xiàn)將該部分研究涉及的計(jì)算方法、計(jì)算理論和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，論述如下。

1.2.1 水庫塌岸預(yù)測

庫岸再造是一個(gè)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(yàn)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(jìn)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(diǎn)A為起點(diǎn), 以α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線, 該線延伸至設(shè)計(jì)洪水位加毛細(xì)水上升高度的高程點(diǎn)B, 再以B點(diǎn)為起點(diǎn), 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(diǎn)C即為水上穩(wěn)定岸坡的終點(diǎn)。水上穩(wěn)定岸坡線的起點(diǎn)B的高程所對(duì)應(yīng)的原岸坡點(diǎn)D與該線終點(diǎn)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(zhǔn)確地計(jì)算出各庫岸段的設(shè)計(jì)洪水位, 確定沿庫岸的最高淹沒邊界。

(2)對(duì)岸坡地層取多組試樣試驗(yàn), 以得出較準(zhǔn)確的C、φ、γ、γs、H′試驗(yàn)結(jié)果, 確保β、α計(jì)算準(zhǔn)確。

(3)對(duì)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(jì)算出的數(shù)據(jù)比較選用。

通過綜合計(jì)算法計(jì)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(jì)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(jì)列于表2。

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

1.2.2 再造庫岸邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

庫岸邊坡等級(jí)參考公路路基設(shè)計(jì)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(duì)濤源金沙江大橋基礎(chǔ)的影響，邊坡防治等級(jí)擬定為1級(jí)邊坡。

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

邊坡安全控制標(biāo)準(zhǔn)，參考《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)中高速公路、一級(jí)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(jí)邊(滑)坡，其安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)為1.20～1.30。參考水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL386-2007)，按一級(jí)邊坡考慮，庫水驟降條件下邊坡安全系數(shù)為1.20～1.25。對(duì)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(jì)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(píng)價(jià)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(jì)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(píng)價(jià)

2.1 歷史調(diào)查資料揭示的庫岸穩(wěn)定性

金雞達(dá)旦河拱橋橋址區(qū)地質(zhì)情況相對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)較差，在水位變動(dòng)范圍形成高度不一的塌岸陡壁，島岸庫岸穩(wěn)定性相對(duì)較差，需要注意其長期安全性對(duì)橋基墩臺(tái)的影響；公路岸地形相對(duì)較緩，表層土體已經(jīng)歷一段時(shí)期庫水的作用，目前來看庫岸穩(wěn)定，庫岸長期穩(wěn)定對(duì)該側(cè)墩臺(tái)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(dá)旦河橋主要是跨越金雞達(dá)旦河，運(yùn)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(dòng)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(dá)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(jí)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(duì)較緩，既有公路岸地形相對(duì)較緩，橋基邊坡整體穩(wěn)定?，F(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(duì)松散的地段出現(xiàn)庫岸水的崩塌，特別是在金雞達(dá)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(yán)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(shí)期庫岸潛在問題及其影響預(yù)測

金雞達(dá)旦河大橋沿橋軸線兩岸庫岸的穩(wěn)定性不存在問題，二級(jí)公路岸的庫岸穩(wěn)定性問題對(duì)橋基墩臺(tái)基礎(chǔ)的長期影響有限，只需要考慮歷史填土的適當(dāng)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(tái)的長期安全問題，可以考慮將墩臺(tái)往地形稍緩的臨村方向偏移，同時(shí)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(píng)價(jià)的庫岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

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(jì)算法取值為32°。經(jīng)過計(jì)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(jì)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?yàn)樗秾?duì)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(jì)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(jì)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(píng)價(jià)

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(huì)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(jìn)行的，計(jì)算模型見圖10。結(jié)果統(tǒng)計(jì)列于表3。

圖10 橋軸線剖面庫岸再造邊坡穩(wěn)定性計(jì)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(duì)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(yán)重，需要采取固腳+護(hù)面措施。

3.2.2 既有公路岸

金雞達(dá)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(duì)其穩(wěn)定性計(jì)算包括局部和整體兩部分，見圖11。結(jié)果統(tǒng)計(jì)列于表4。

圖11 橋軸線剖面庫岸再造邊坡穩(wěn)定性計(jì)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(huì)影響橋基墩臺(tái)的長期穩(wěn)定性，需要對(duì)其采取加固措施。

3.3 定量評(píng)價(jià)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(jì)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(píng)價(jià)得到。金雞達(dá)旦河大橋評(píng)價(jià)了橋基部位的庫岸影響，結(jié)果統(tǒng)計(jì)列于表5。

表5 庫岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistical table of bank stability estimation results

由表5可知，金雞達(dá)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(shí)期內(nèi)庫岸邊坡是穩(wěn)定的，不會(huì)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(jì)算，金雞達(dá)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(dāng)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(dá)旦河大橋墩臺(tái)橫斷面臨公路側(cè)坍岸作用強(qiáng)烈，應(yīng)加強(qiáng)該部位坡腳的防護(hù)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(dāng)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(yùn)行過程中，嚴(yán)禁在該部位改變現(xiàn)狀地形和對(duì)其進(jìn)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(jì)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(duì)構(gòu)造活動(dòng)和側(cè)后方高陡邊坡的活動(dòng)進(jìn)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(duì)其采取護(hù)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(jī)結(jié)合，以檢驗(yàn)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(yàn)和基礎(chǔ)研究資料。同時(shí)為公路的安全運(yùn)行管理提供指導(dǎo)。

□

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