潘永膽

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

0 引言

牛首漢江特大橋路線(xiàn)起于鄂豫兩省交界處的長(zhǎng)王集附近，向西改移，途徑馬集鄉(xiāng)、牛首鎮(zhèn)（西側(cè)跨越漢江）、臥龍鎮(zhèn)、吳集鄉(xiāng)、九集鎮(zhèn)，向南止于宜城市繞城公路，順接既有國(guó)道207線(xiàn)，全長(zhǎng)4458m。該橋跨越襄陽(yáng)漢江，與臥龍堤平交，其改建工程橋臺(tái)采用肋板臺(tái)和樁基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)為鋼箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩。筆者根據(jù)《防洪法》第27條“不得危害堤防工程安全”的要求，在調(diào)查牛首漢江歷史洪水資料的基礎(chǔ)上，采用有限元分析系統(tǒng)AutoBank軟件對(duì)臥龍堤典型斷面進(jìn)行二維滲流分析和穩(wěn)定性計(jì)算，并綜合分析了改建工程實(shí)施后對(duì)堤防及岸坡穩(wěn)定和防洪工程等的影響［1-3］，以期為該橋改建工程的防洪影響評(píng)價(jià)提供參考。

1 基本資料

1.1工程概況

牛首漢江特大橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁、鋼筋混凝土組合梁、預(yù)制小箱梁、斜拉橋，下部結(jié)構(gòu)橋墩擬采用柱式墩、門(mén)型塔、樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)擬采用肋板臺(tái)、樁基礎(chǔ)。工程河段堤防臥龍堤為2級(jí)堤防，在襄陽(yáng)城區(qū)，全長(zhǎng)40.433km，堤頂寬為2～6m，部分堤段為防洪墻，內(nèi)外邊坡均為1∶3，堤頂高程為74.4～68.2m。工程橋跨越臥龍堤，樁號(hào)為5+272，堤頂高程為74.4m，堤頂寬約為6m。橋位附近堤防的堤內(nèi)以農(nóng)田為主。

1.2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

牛首漢江特大橋橫跨漢江，位于湖北省襄陽(yáng)市牛首鎮(zhèn)附近，距離上游規(guī)劃的新集水利樞紐約7.3 km，距離下游唐白河口約25km，下距崔家營(yíng)航電樞紐約35.7km，屬于崔家營(yíng)航電樞紐庫(kù)區(qū)末端，水面比降較小。牛首至襄陽(yáng)河段為彎曲的汊道，汊道中有3個(gè)較大的江心洲，分別為李家洲、賈家洲、五姓洲。該段河寬變化較大，長(zhǎng)虹大橋以上一般為1500～5000m，枯水期灘地密布，支汊縱橫，水流紊亂，形成游蕩性河段。長(zhǎng)虹大橋至襄陽(yáng)河段寬度為500～800m，兩岸堤防堅(jiān)固。

橋址區(qū)屬漢江一級(jí)階地第四系沖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，地面高程約為58.87～72.54m。在大地構(gòu)造上，橋址區(qū)屬淮陽(yáng)山字型構(gòu)造、秦嶺構(gòu)造與新華夏沉降帶交匯處的南襄盆地南緣，處于幾個(gè)構(gòu)造體系的聯(lián)合及復(fù)合部位。盆地內(nèi)構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造線(xiàn)控制，呈近東西向、傾向北的新野大斷裂和青峰—襄陽(yáng)—廣濟(jì)大斷裂及次級(jí)斷裂，將南襄凹陷盆地分割成襄陽(yáng)凹陷、雙溝低凸、棗陽(yáng)凹陷幾個(gè)次級(jí)的構(gòu)造單元。場(chǎng)地屬襄陽(yáng)凹陷，無(wú)全新活動(dòng)斷裂通過(guò)。

橋址區(qū)地表水發(fā)育。地表水主要為河流，受大氣降水控制明顯，雨季水量增大，水位上升，旱季水量減小，水位下降；隨季節(jié)性變化影響較大?？辈炱陂g，漢江水面高程約為62.77m。通過(guò)調(diào)查，近年漢江水位年變幅一般為1.00～1.50m。橋址區(qū)地下水主要為第四系填土層上層滯水、沙、礫卵石層中的孔隙承壓水、基巖裂隙水，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和漢江水。上層滯水水量極小，基巖裂隙水埋深大，均未能實(shí)測(cè)水位，實(shí)測(cè)承壓水埋深為7.5～8.5m，對(duì)應(yīng)水位高程為62.5～64.04m。地下水和地表水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。

工程地質(zhì)典型橫斷面如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)典型橫斷面圖（4+173）Fig.1 Typical cross section of engineering geology（4+173）

2 堤防滲流穩(wěn)定分析

2.1 計(jì)算原理和方法

堤防的滲流場(chǎng)為典型的無(wú)壓滲流場(chǎng)，屬邊界非線(xiàn)性問(wèn)題，目前多采用固定網(wǎng)格法進(jìn)行計(jì)算。本次堤防滲流計(jì)算采用二維有限元滲流計(jì)算程序AutoBank，土層滲透系數(shù)按各向同性考慮［4］。AutoBank二維有限元滲流計(jì)算程序已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際，效果良好。

2.2 地質(zhì)資料

計(jì)算斷面為工程橋位左岸斷面，地質(zhì)資料采用本工程地質(zhì)勘測(cè)資料，各土層的垂直允許坡降為0.40～0.45，滲透系數(shù)如表1所示。

表1 左堤滲流計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Seepage calculation parameters of left embankment

2.3 計(jì)算工況

計(jì)算工況分為工程前和工程后2種。（1）工程前。上游取設(shè)計(jì)洪水位70.61m，下游水位取堤后地面最低點(diǎn)高程。（2）工程后?？紤]橋墩基礎(chǔ)與土體之間產(chǎn)生縫隙而使部分土體抗?jié)B性減弱，從對(duì)工程不利的角度出發(fā)，擬定橋墩附近深2m，一定寬范圍內(nèi)土體不參加抗?jié)B作用。本次概化范圍為堤內(nèi)200m，上游取設(shè)計(jì)洪水位，下游水位取堤后地面最低點(diǎn)高程。

2.4 結(jié)果分析

工程前、后典型斷面的滲流等勢(shì)線(xiàn)如圖2和圖3所示［5］，滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖2 斷面4+173工程前滲流等勢(shì)線(xiàn)圖Fig.2 Seepage equipotential line before section（4+173）engineering

圖3 斷面4+173工程后滲流等勢(shì)線(xiàn)圖Fig.3 Seepage equipotential line after section（4+173）engineering

由表2可知，臥龍堤設(shè)計(jì)洪水位為70.61m，水位較低，與堤腳高程相近。工程前，堤內(nèi)200m范圍內(nèi)的垂直滲透坡降在坡腳處最大，為0.025，其他部位垂直滲透坡降均較小，堤后垂直滲透坡降均小于上覆土層的允許滲透坡降，滿(mǎn)足滲流穩(wěn)定性要求。工程后，樁基處局部工程中較現(xiàn)狀有所增加，其中8＃橋墩處增幅較大。從計(jì)算結(jié)果可以看出，垂直滲透坡降在地層允許范圍內(nèi)，對(duì)堤防的抗?jié)B影響有限。

表2 臥龍堤樁號(hào)4+173現(xiàn)狀斷面及橋梁修建后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Tab.2 Present section of Wolong embankment（4+173）pile and seepage stability calculation after bridge reconstruction

3 堤坡穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算方法和條件

本次計(jì)算采用土石壩邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)（Auto-Bank）［6］，計(jì)算4個(gè)典型工況的滑動(dòng)面，分析最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及相應(yīng)的最小安全系數(shù)。

3.2 計(jì)算斷面與地質(zhì)資料

工程橋位為臥龍堤，計(jì)算斷面為橋位堤防斷面，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 臥龍堤土層物理力學(xué)參數(shù)表Tab.3 Soli physical and mechanics parameters of Wolong embankment

施工期，宜采用總應(yīng)力法計(jì)算，抗剪強(qiáng)度選取快剪指標(biāo)；穩(wěn)定滲流期，宜采用有效應(yīng)力法計(jì)算，抗剪強(qiáng)度選取慢剪或固結(jié)排水剪指標(biāo)；水位降落期，宜采用總應(yīng)力法計(jì)算，抗剪強(qiáng)度選取固結(jié)快剪指標(biāo)。

3.3 計(jì)算工況

分別計(jì)算工程興建前后改建工程接堤防處堤坡的抗滑穩(wěn)定。施工期，堤內(nèi)橋墩考慮承臺(tái)開(kāi)挖，開(kāi)挖坡比為1∶1，堤外主橋墩9＃橋墩采用鋼圍堰，計(jì)算模擬考慮鋼圍堰的影響。具體計(jì)算工況為以下4個(gè)。工況一：在設(shè)計(jì)洪水位（70.61m）時(shí)，背水側(cè)水位為現(xiàn)狀地面高程，計(jì)算堤防背水側(cè)岸坡穩(wěn)定。工況二：水位從設(shè)計(jì)洪水位（70.61m）驟降至68.61m時(shí)，考慮驟降時(shí)間為24h，計(jì)算臨水側(cè)堤坡的穩(wěn)定。工況三：枯水期施工時(shí)，堤防不擋水，計(jì)算堤防臨水側(cè)岸坡穩(wěn)定。工況四：枯水期施工時(shí)，計(jì)算堤防背水側(cè)岸坡穩(wěn)定。

3.4 結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，4種工況條件下堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.03、2.26、2.48、1.49，危險(xiǎn)滑弧如圖4～圖7所示。

圖4 工況一 斷面4+173抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation of section（4+173）anti-sliding stability of working condition1

圖5 工況二 斷面4+173抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation of section（4+173）anti-sliding stability of working condition2

圖6 工況三 斷面4+173抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果圖Fig.6 Calculation of section（4+173）anti-sliding stability of working condition3

圖7 工況四 斷面4+173抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation of section（4+173）anti-sliding stability of working condition4

改建橋梁處臥龍堤等級(jí)為2級(jí)。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286-2013），2級(jí)土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)正常運(yùn)用情況下為1.25，非正常運(yùn)用情況下為1.15。從表4中可以看出，改建橋梁處臥龍堤防各工況堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的允許值，滿(mǎn)足要求［7］。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）堤防滲流計(jì)算結(jié)果表明，工程前，堤內(nèi)200m范圍的垂直滲透坡降在坡腳處最大，為0.025，其他部位垂直滲透坡降均較小，堤后垂直滲透坡降均小于上覆土層的允許滲透坡降，滿(mǎn)足滲流穩(wěn)定性要求。但從計(jì)算結(jié)果可以看出，樁基礎(chǔ)局部工程滲透坡降較現(xiàn)狀有所增加，但都在地層允許范圍內(nèi)，對(duì)堤防的抗?jié)B影響有限。

（2）堤防穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明，改建橋梁跨越堤防處，各工況堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的允許值，滿(mǎn)足要求。

（3）改建工程與臥龍堤平交，為避免橋梁荷載對(duì)堤頂路面造成破壞，需對(duì)堤頂路面進(jìn)行加固。工程改建后，為避免堤坡岸坡產(chǎn)生滲流和滑動(dòng)破壞，建議對(duì)橋墩處堤防采取抗?jié)B防沖防護(hù)措施。