黃金輝　陳國棋　何磊　潘寒冰

摘 要：隨著交通工程與水利工程的大規(guī)模建設，交通工程與水利工程之間不可避免地相互影響，使得水庫正常蓄水運營后可能會影響公路安全。依托山區(qū)某新建水庫水利樞紐工程，采用數(shù)值分析軟件，對新建水庫運營后庫水位變化對庫區(qū)內(nèi)既有高速公路影響進行評價。

關鍵詞：水利工程;高速公路;路基;邊坡

中圖分類號：TV221.2;U442文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）29-0072-03

Impact Assessment of a New Reservoir Water Control Project on

Existing Expressway

HUANG Jinhui CHEN Guoqi HE Lei PAN Hanbing

（1.Fujian Academy of Building Research Co.， Ltd.， Fuzhou Fujian 350108;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology， Fuzhou Fujian 350108）

Abstract： With the large-scale construction of traffic engineering and water conservancy engineering， there is inevitable interaction between traffic engineering and water conservancy engineering. The normal water storage operation of the reservoir may affect the highway safety. Based on a new reservoir water control project in mountainous area， the impact of reservoir water level change on the existing expressway in the reservoir area after the operation of the new reservoir is evaluated by using numerical analysis software.

Keywords： hydraulic engineering;expressway;subgrade;side slope

近年來，隨著交通工程與水利工程的大規(guī)模建設，交通工程與水利工程之間不可避免地存在相互影響，或是新建道路穿越既有水利樞紐工程，或是新建水利樞紐工程浸沒既有路基。新建水利樞紐工程蓄水后，會淹沒既有公路部分橋梁墩（臺）及路基邊坡，不利于高速公路構(gòu)筑物的安全及路基的穩(wěn)定性。為保證公路的正常安全運營，有必要對既有公路庫區(qū)影響段進行穩(wěn)定性評價，繼而有針對性地對水庫影響范圍內(nèi)的公路進行加固[1-5]。筆者主要分析福建省泉州市某新建水庫水利樞紐工程對既有高速公路的影響，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 擬建水庫及既有高速公路簡介

擬建水庫位于福建省泉州市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)，壩址位于桃溪和東溪交匯處下游約50 m處。該水庫是一座以供水為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖、供電等綜合利用的中型水庫，為福建省重點建設項目。水庫正常蓄水位為483.00 m，相應庫容為843萬m³;死水位為455.00 m，死庫容為139萬m³，相應的興利庫容為704萬m3;水庫校核洪水位（P=0.1%）為484.58 m，總庫容為1 030萬m³。

既有高速公路已于2009年3月建成通車，為福建省高速公路網(wǎng)布局規(guī)劃中“三縱八橫”的重要組成部分。根據(jù)庫區(qū)浸沒影響范圍線，已建高速公路K87+222～K88+493段（總長1 271 m）位于庫區(qū)范圍內(nèi)。高速公路先于水庫建設，水庫建成后，正常蓄水位越高，水庫的興利庫容越大，調(diào)蓄性能越好，但對庫區(qū)內(nèi)的高速公路影響越嚴重。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場址區(qū)屬戴云山脈的主體部分，峰巒縱橫，嶺谷相間，區(qū)內(nèi)以剝蝕、沖蝕作用為主，山坡多較陡，河谷深切，工程區(qū)內(nèi)地形地貌比較復雜。水庫壩址區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，規(guī)模均較小，不存在活動斷層，地震基本烈度為Ⅵ度。通過對水庫工程進行地質(zhì)勘察可知，場區(qū)出露的地層巖性主要為侏羅系上統(tǒng)南園組第三段的凝灰熔巖、燕山晚期第三次侵入體的鉀長花崗巖及第四系全新統(tǒng)堆積層。

1.3 水庫蓄水后對淹沒段高速公路的影響

水庫建成運營后，當庫水位達到正常蓄水時，位于壩址右岸壩肩路基、南山Ⅰ號大橋、南山Ⅱ號大橋、2段填方邊坡及3段自然斜坡等高速公路構(gòu)筑物將被淹沒。在庫水位調(diào)蓄、水位驟升驟降這一干濕循環(huán)作用下，將對高速公路路基穩(wěn)定性造成較大影響，需要進行穩(wěn)定性分析，并對穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求的段落采取必要的防護加固措施。

2 水庫對既有高速公路影響段的穩(wěn)定性評估

2.1 理論依據(jù)

庫內(nèi)水位的漲落過程，尤其是驟升驟降，將導致庫岸邊坡地下水的變化，而地下水的升降易導致庫岸邊坡土體強度降低、下滑力增加，從而誘發(fā)庫岸滑坡、不均勻沉降等不良地質(zhì)現(xiàn)象。水庫蓄水后，將抬高庫岸邊坡的地下水位。浸水后的巖土體受到浸水作用，降低了其抗剪強度指標，不利于庫岸邊坡的穩(wěn)定性。水庫調(diào)洪后導致庫水位下降時，由于坡體內(nèi)飽和巖土體的孔隙水壓力來不及快速向坡外消散，形成了朝向邊坡外側(cè)的動水壓力，導致庫岸邊坡下滑力增加，可能誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。

2.2 采取的計算方法

選取橋梁墩臺及路基邊坡典型斷面，結(jié)合前期收集到的地層水文參數(shù)、鉆孔柱狀圖及剖面圖，運用飽和-非飽和滲流理論，利用有限元分析軟件GeoStudio中的Seep/W模塊模擬庫岸邊坡在暴雨和庫水位升降循環(huán)條件下的庫岸邊坡的水文響應行為。在進行滲流分析時，將原高速公路勘察和水庫工程勘察資料的地下水位作為初始水位，先設置90 d的枯水期使邊坡達到穩(wěn)定滲流的狀態(tài)，然后以此枯水位的穩(wěn)定滲流狀態(tài)為基礎，90 d水庫內(nèi)水位上升至水庫設計水位并設置365 d的延長期，以待達到新工況下的穩(wěn)定滲流狀態(tài)后，以5 m/d的速度，將庫水位由設計蓄水位驟降至枯水位。

將上述得到的不同庫水位下的孔隙水壓力曲線導入GeoStudio中的Slope/W模塊，并選用Morgenstern-Price這一剛體極限平衡分析法計算不同狀態(tài)下庫岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。同時，將Seep/W軟件對邊坡進行瞬態(tài)分析得到不同工況下的孔隙水壓力導入Sigma/W模塊，模擬計算水位循環(huán)變化下坡內(nèi)孔隙水壓力分布規(guī)律和應力應變變化規(guī)律。

2.3 計算工況及計算模型

既有高速公路屬重要基礎設施，路基失穩(wěn)將直接影響車輛的安全運營，對人們的生命財產(chǎn)安全造成威脅，同時大量的土方滑入水庫，將對水庫大壩造成一定的影響。根據(jù)《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL 386—2007）及《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）等規(guī)范的要求，考慮到庫岸邊坡失穩(wěn)對高速公路造成的危害，將擬建水庫庫岸邊坡等級定為1級。根據(jù)《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL 386—2007），對庫岸邊坡的正常運用條件、正常運用條件I和非正常運用條件Ⅱ進行穩(wěn)定性分析?？紤]到場地地震烈度為Ⅵ級，可不考慮非正常運用條件Ⅱ的穩(wěn)定性計算。這3種運用條件下又包含若干工況，為保證高速公路路基的穩(wěn)定性，本次評估考慮了以下4種工況進行計算。①工況Ⅰ：蓄水前;②工況Ⅱ：正常蓄水位;③工況Ⅲ：正常蓄水位驟降至坡腳;④工況Ⅳ：暴雨+正常蓄水位驟降至坡腳。

結(jié)合高速公路原設計資料和水庫設計資料，建立庫岸邊坡地質(zhì)計算模型，典型地質(zhì)模型如圖1所示。根據(jù)前期收集到的資料及現(xiàn)場踏勘，本次評估選取擬建水庫影響范圍內(nèi)K87+222～K88+493段的34處斷面136種工況進行耦合分析及穩(wěn)定性系數(shù)計算。

3 高速公路浸沒后不同受影響段的影響評價

3.1 K87+222.0～K87+271.0段壩址右岸壩肩路基

K87+222.0～K87+271.0段壩址右岸壩肩路基位于柴橋頭大橋及南山Ⅰ大橋之間。其中，高速公路以上部分為路塹邊坡，邊坡采用坡腳擋墻結(jié)合預應力錨索的防護措施;高速公路以下部分為自然斜坡，地面線陡峭，表層為砂質(zhì)亞黏土，現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)有局部小溜塌。水庫蓄水后，將浸沒至下邊坡上部，高速公路路基標高距水庫高差約3 m，并且二者平距較近。數(shù)值模擬分析表明，天然條件下高速公路上邊坡穩(wěn)定性系數(shù)略低于規(guī)范要求，安全儲備不足，且由于上邊坡距離庫水位平距較大，水庫正常運營后庫水位升降循環(huán)作用下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)不變，但若遇上暴雨+庫水位驟降的非正常條件，安全系數(shù)為0.964，潛在位移為20 mm（見圖2、圖3），遠低于規(guī)范要求，邊坡可能失穩(wěn)。因此，建議對上邊坡進行補強加固。在天然條件下，下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。在常蓄水狀態(tài)下，下邊坡體大部分位于蓄水位以下。坡面水壓力的反壓效應一定程度上提高了坡體的穩(wěn)定性系數(shù)，而水位驟降條件下坡內(nèi)孔隙水不易短時間內(nèi)排出，且土體泡水軟化后強度指標將顯著降低，在動水壓力作用下邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生局部坍塌，應進行必要的加固。

根據(jù)水庫設計資料，壩肩存在繞壩滲漏問題。繞壩滲流可能對背水坡一側(cè)產(chǎn)生滲流破壞，故下游段應做好導滲排水措施。壩工結(jié)構(gòu)開挖過程中擾動土體，對高速路路基造成不利影響，因此在施工過程中應做好防護加固措施。

3.2 南山Ⅰ號大橋

南山Ⅰ號大橋橋臺縱向邊坡地面線較陡，水庫蓄水后，將浸沒至邊坡上部;南山I號大橋0#～15#墩橫向邊坡地形線起伏明顯，其中靠近泉州臺及三明臺兩側(cè)的橋墩橫向邊坡（0#～4#、11#～15#）均高陡，而兩橋臺之間的橋墩（5#～10#）橫向邊坡較緩。水庫蓄水后，橋墩基本位于水位以下，水庫將浸沒邊坡中下部。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明：南山Ⅰ號大橋泉州臺縱向邊坡、部分橋墩橫向邊坡（0#～2#、6#、8#、11#～14#）及三明臺縱向邊坡天然條件下及正常庫水位條件下，既有橋臺縱向邊坡、橋墩橫向邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，與實際調(diào)查結(jié)果一致;而水位驟降條件下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求，且土體泡水軟化后承載力降低，加上庫水位驟降產(chǎn)生的動水壓力，邊坡可能發(fā)生局部坍塌，從而對橋墩、端墻等造成不利影響，應進行必要的加固。

3.3 南山Ⅱ號大橋

南山Ⅱ號大橋位于擬建水庫上游，水庫蓄水后，將淹沒位于上游的幾座橋墩。數(shù)值模擬分析表明，南山Ⅱ號大橋在庫水位驟降時右線三明臺縱向邊坡的穩(wěn)定性不滿足要求，而對泉州臺及左線三明臺幾乎無影響?？紤]到水流的下蝕和旁蝕作用，岸坡可能發(fā)生局部坍塌，會使穩(wěn)定岸線不斷后移，可能威脅橋墩安全，因此建議在坡面上做適當?shù)臐{砌片石護坡。

3.4 填方邊坡

高速公路水庫影響段高填路基共有兩處，即K87+855.0～K87+956.0段和K88+035.0～K88+132.0段。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，K87+855.0～K87+956.0段為填土路堤，共兩階，其中第一階平臺為原施工便道，水庫蓄水后，將淹沒該填方坡腳。K88+035.0～K88+132.0段為填土路堤，共兩階，坡腳為4 m高的漿砌片石擋墻，水庫蓄水后，將淹沒擋墻墻基。K87+855.0～K87+956.0段填方邊坡在各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài);K88+035.0～K88+132.0段填方邊坡在庫水位驟降時可能發(fā)生局部庫岸坍塌，且擋墻墻基土體長期浸泡軟化，承載力降低，威脅擋墻自身穩(wěn)定性，因此應進行必要的防護加固。

3.5 自然斜坡

高速公路淹沒影響范圍內(nèi)其他段落為自然斜坡，水庫蓄水后將不同程度地浸沒路堤邊坡。根據(jù)地質(zhì)鉆孔及現(xiàn)場測繪的地質(zhì)資料推測，場地范圍內(nèi)自然斜坡為二元結(jié)構(gòu)邊坡，上覆砂質(zhì)亞黏土，其下為不同風化程度的凝灰熔巖。數(shù)值模擬分析表明，K87+806.0～K87+855.0段和K87+968.0～K88+034.0段自然斜坡在水位驟降時邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應進行適當加固;K88+132.0～K88+167.0段自然斜坡地面線較緩，在各工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過對某新建水庫蓄水運營后庫水位變化對既有高速公路不同建構(gòu)筑物及路基的影響的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論。

①水庫蓄水后，坡體內(nèi)孔隙水壓力場重新分布，坡體內(nèi)浸潤線隨之上升，土體產(chǎn)生濕化變形，降低了土體抗剪強度，不利于岸坡的穩(wěn)定性。

②庫水位驟降過程中，坡內(nèi)地下水位降落速率滯后于坡前水位變化。庫岸邊坡內(nèi)地下水向外滲流產(chǎn)生較大的動水壓力，增加了邊坡下滑力，是誘發(fā)橋墩（臺）和路基失穩(wěn)的重要原因。

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