(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 江河整治公司，湖北 武漢 430010；2.長江科學(xué)院 工程安全所， 湖北 武漢 430014； 3.安徽省宣城市宣州區(qū)城東防洪工程管理處，安徽 宣城 242000)

橋梁基礎(chǔ)對岸坡滲透穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定性影響分析

鄭華康1胡超2尚欽1汪繼承3

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司江河整治公司，湖北武漢430010；2.長江科學(xué)院工程安全所，湖北武漢430014； 3.安徽省宣城市宣州區(qū)城東防洪工程管理處，安徽宣城242000)

滲透破壞是河流岸坡主要的破壞形式之一，當(dāng)建設(shè)跨河流的橋梁設(shè)施時(shí)，其基礎(chǔ)將對岸坡滲流場的分布規(guī)律產(chǎn)生一定影響。為了確保岸坡穩(wěn)定性及長期安全運(yùn)行，有必要對橋梁基礎(chǔ)建設(shè)前后岸坡的滲流場及抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析。采用三維有限元數(shù)值模擬方法對虎渡河大橋橋墩修建前后岸坡的穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流場開展了對比分析，并在此基礎(chǔ)上采用二維極限平衡方法分析了橋梁基礎(chǔ)對岸坡抗滑穩(wěn)定性的影響。

穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流；滲透穩(wěn)定性；抗滑穩(wěn)定性

1 滲流有限元分析方法

堤防、岸坡的滲流場為典型的無壓滲流場，屬邊界非線性問題。采用有限元法求解無壓滲流場時(shí)，通常采用固定網(wǎng)格法。典型的固定網(wǎng)格法有剩余流量法、單元滲透矩陣調(diào)整法、加密高斯點(diǎn)法以及初流量法等[1～4]。這些方法的不足之處是理論不夠嚴(yán)密，難以對滲流出滲點(diǎn)和自由面進(jìn)行準(zhǔn)確定位，且計(jì)算結(jié)果具有顯著的網(wǎng)格依賴性。

Zheng等人通過將濕區(qū)中的Darcy定律延拓至全域，并將潛在溢出邊界條件提為Signorini型互補(bǔ)邊界條件，提出涵蓋自由面穩(wěn)定滲流問題的橢圓型變分不等式，該提法在理論上克服了溢出點(diǎn)的奇異性問題[5]。以此為基礎(chǔ)，Chen等針對無壓非穩(wěn)定滲流問題，提出了理論上嚴(yán)密的拋物Signorini型變分不等式方法，并建立了基于子結(jié)構(gòu)、變分不等式和自適應(yīng)罰函數(shù)相結(jié)合的含復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)滲流問題的數(shù)值模擬方法(簡稱SVA方法)，較為成功地解決了含排水孔幕等復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流問題，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好效果[6]。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

虎渡河大橋位于湖北省公安縣，是岳陽至宜昌高速公路石首至松滋段的控制性橋梁。該橋上部引橋采用20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，主橋采用(68+120+68)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和50 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，下部橋墩采用柱式墩或?qū)嶓w墩，橋臺采用肋式臺，樁基采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2.2 計(jì)算模型

為精確模擬橋基修建前后堤防及岸坡中的滲流場，本文基于地質(zhì)勘察資料建立了虎渡河右堤K6+940斷面附近的三維有限元模型，如圖1所示。該模型范圍自堤軸線向堤內(nèi)70 m，堤外150 m，底部高程為-20 m，模型共包括節(jié)點(diǎn)數(shù)為39 442，單元數(shù)為35 124，并細(xì)化了橋墩與堤基、岸坡交叉處單元網(wǎng)格。

圖1 虎渡河右堤K6+940三維有限元模型網(wǎng)格

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，各土層滲流計(jì)算參數(shù)取值如表1所示。本文中，由于自由面的下降所引起的土體壓縮和彈性釋放水量與自由面下降所排出的水量相比甚小，因此可以略去土體和水的壓縮性，即Ss取值為零。參數(shù)μ的確定采用經(jīng)驗(yàn)公式法，經(jīng)驗(yàn)公式如下[7]

μ=1.137n(0.000 117 5)0.6076+lgk

(1)

圖2 工況一條件下虎渡河右堤K6+940總水頭等值線(橋墩修建前)(k單位為cm/s，下同)

土層名稱滲透系數(shù)k/(cm·s-1)給水度μ允許溢出坡降堤身土6．68×1040．0030．50粉質(zhì)粘土1．0×1060．0040．46淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土4．94×1040．0030．47粉質(zhì)粘土夾砂6．79×1030．0050．44淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土2．35×1040．0030．47粉質(zhì)粘土8．94×1040．0040．41粉質(zhì)粘土2．62×1050．0040．38

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)采用試驗(yàn)指標(biāo)建議值，如表2所示。表中所列抗剪強(qiáng)度均為飽和固結(jié)快剪指標(biāo)。

2.4 計(jì)算工況

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，堤防岸坡三維滲流有限元分析的計(jì)算工況及邊界水位條件如表3所示。

表2 虎渡河右堤K6+940斷面各土層物理力學(xué)指標(biāo)

表3 滲流計(jì)算工況及特征水位條件

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，并與三維滲流計(jì)算分析工況相對應(yīng)，堤防岸坡抗滑穩(wěn)定性計(jì)算工況如表4所示。

表4 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算工況及特征水位條件

2.5 滲流計(jì)算成果分析

工況一和工況三下橋墩修建前后的滲流規(guī)律見圖2～5。計(jì)算結(jié)果表明，虎渡河右堤K6+940的滲流場在修建橋墩前后差距甚小，等水頭線在橋墩修建前后相差不大，等水壓線分布平順，堤防岸坡內(nèi)的自由面降落緩慢，并在堤腳附近逸出。

虎渡河右堤K6+940各層土體最大水力坡降如表5所示。由表5可見，橋墩修建前土體中最大滲透坡降發(fā)生在堤身土層中，其值為 0.403，小于其允許滲透坡降 0.50；橋墩修建后，各層土體最大水力坡降均有所增大，工況一條件下堤身土體最大滲透坡降為 0.441，仍小于該層土體允許滲透坡降 0.50。

圖3 工況一條件下虎渡河右堤K6+940總水頭等值線(橋墩修建后)

圖4 工況二條件下虎渡河右堤K6+940總水頭等值線(橋墩修建前)

圖5 工況三條件下虎渡河右堤K6+940總水頭等值線(橋墩修建后)

橋墩修建前后，工況一和工況三條件下，堤防、岸坡均滿足滲透穩(wěn)定性要求。

表5 虎渡河右堤K6+940各層土體水力坡降

堤防、岸坡的非穩(wěn)定滲流是由于堤外水位的變化引起的。其中，堤外水位的驟降對堤防的滲透穩(wěn)定性最為不利。根據(jù)各時(shí)刻非穩(wěn)定滲流場的分布規(guī)律，其最大滲透坡降及位置如表6所示。

由表6可知，滲透坡降在水位驟降1 h后達(dá)到最大值 0.673，表明水位驟降初期是最容易引起臨水坡滲透破壞的時(shí)期。所以應(yīng)對堤防、岸坡進(jìn)行反濾保護(hù)，以保證在水位驟降時(shí)堤防岸坡也能滿足滲透穩(wěn)定性要求。

表6 工況二各時(shí)刻最大滲透坡降

2.6 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果分析

由于三維極限平衡分析方法運(yùn)用尚不廣泛，此次堤防、岸坡抗滑穩(wěn)定性分析中聯(lián)合運(yùn)用了二維極限平衡分析法與瑞典圓弧法?？够€(wěn)定計(jì)算中，選取橋墩所在剖面并將浸潤線導(dǎo)入抗滑穩(wěn)定二維計(jì)算模型；將橋墩視為混凝土材料進(jìn)行考慮，未考慮其對樁周土的壓密作用。

橋墩修建前，工況一和工況三條件下，堤防、岸坡背水側(cè)抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.436和1.572；橋墩修建后，工況一和工況三條件下，堤防、岸坡背水側(cè)抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.667和1.790。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)，2級堤防土坡的抗滑穩(wěn)定性不小于1.25，因此橋墩修建前后的兩種工況下，虎渡河右堤K6+940均滿足抗滑穩(wěn)定性要求。由于橋墩阻滑作用，橋墩修建后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)較修建前有所提高。

堤防、岸坡抗滑穩(wěn)定臨界滑弧如圖6～7所示。

圖6 虎渡河右堤K6+940抗滑穩(wěn)定臨界滑弧(工況一)

圖7 虎渡河右堤K6+940抗滑穩(wěn)定臨界滑弧(工況三)

工況二條件下，將每個(gè)時(shí)刻的自由面位置作為堤防、岸坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算的水位條件，可以計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻的安全系數(shù)。堤外側(cè)水位 42.717 m驟降2 m，以1 m/d的速度下降，考慮堤外坡抗滑穩(wěn)定。工況二的安全系數(shù)如表7所示，最小值為 2.225?？梢钥闯觯鱾€(gè)時(shí)段的安全系數(shù)均滿足《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)的要求。堤防、岸坡抗滑穩(wěn)定臨界滑弧如圖8所示。

表7 虎渡河右堤K6+940非穩(wěn)定滲流各時(shí)刻的臨水坡安全系數(shù)

圖8 虎渡河右堤K6+940抗滑穩(wěn)定臨界滑弧(工況二)

3 結(jié) 論

(1) 三維穩(wěn)定滲流分析表明，橋基的修建對堤防、岸坡的滲流場影響較小，橋基各土層的滲透坡降最大值雖有所增大，但均在允許范圍之內(nèi)，堤防、岸坡的滲透穩(wěn)定性可滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 三維非穩(wěn)定滲流分析表明，臨水側(cè)水位驟降時(shí)，最大滲透坡降隨著時(shí)間的推移而減小，滲透坡降最大值出現(xiàn)在水位驟降1 h之后，臨水坡滲透坡降達(dá)到 0.673。因此，堤防、岸坡的反濾防滲設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行條件,并考慮臨水側(cè)水位變化或驟降工況。

(3) 抗滑穩(wěn)定分析表明，橋基修建后，堤防、岸坡在穩(wěn)定滲流及非穩(wěn)定滲流工況下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，橋基的建設(shè)對堤防、岸坡抗滑穩(wěn)定影響較小。

[1] DESAI C S, LI G C. A residual flow procedure and application for free surface in porous media[J]. Advances in Water Resources, 1983, 6(1): 27-35.

[2] BATHE K J, KHOSHGOFTAAR M R. Finite element free surface seepage analysis without mesh iteration[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1979, 3(1): 13-22.

[3] 周創(chuàng)兵, 熊文林, 梁業(yè)國. 求解無壓滲流場的一種新方法[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展, 1996, 11(5): 528-534.

[4] 張有天, 陳 平, 王 鐳. 有自由面滲流分析的初流量法[J]. 水利學(xué)報(bào), 1988, 8(1): 18-26.

[5] ZHENG H, LIU D F, LEE C F, et al. A new formulation of Signorini's type for seepage problems with free surfaces[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2005, 64(1): 1-16.

[6] CHEN Y F, ZHOU C B, ZHENG H. A numerical solution to seepage problems with complex drainage system[J]. Computers and Geotechnics, 2008, 35(3): 383-393.

[7] 毛昶熙. 滲流計(jì)算分析與控制[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1990.

(編輯：朱曉紅)

2017-09-15

長江口北支改善平面形態(tài)治理技術(shù)研究(2013BAB12B04);長江口北支水沙鹽輸運(yùn)模擬技術(shù)研究(2013BAB12B03)

鄭華康，男，長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司江河整治公司，工程師，博士.

1006-0081(2017)11-0103-04

U443.1

A