摘 要：新建跨河橋梁基礎(chǔ)會對汛期堤防滲流場產(chǎn)生一定影響，造成堤防的滲透破壞，需采取相應(yīng)防治與補(bǔ)救措施。總結(jié)了現(xiàn)有跨堤橋梁不同的防滲處理措施及適用情況，選取馬鞍山公鐵大橋作為典型案例進(jìn)行了穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型計算，分析了涉河橋梁建設(shè)對堤防滲流場的影響和不同防滲措施的效果，提出了不同防滲處理措施的適用情況。

關(guān)鍵詞：涉河橋梁；防洪影響；堤防防滲

中圖分類號：TV85 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

長江中下游地區(qū)岸坡巖性多為二元結(jié)構(gòu)，下部為砂性土，上部為黏性土，堤身及堤基表層多為素填土或雜填土。近堤段橋墩的建設(shè)會改變汛期堤防的滲流場分布，可能對堤防滲流穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。在施工期，樁基成孔較深，易打通砂層和堤內(nèi)地表的水力連系，造成樁基鉆孔內(nèi)產(chǎn)生涌水、涌砂；橋墩建成后，在汛期外高水頭作用下，樁基礎(chǔ)與堤基土層之間可能發(fā)生接觸沖刷。為消除以上不利影響，需合理安排施工順序，禁止汛期施工，并采取一定的滲控措施。目前的滲控處理思路主要有兩種，一種是對橋梁跨堤段的堤防采取滲控措施，延長滲徑或采用反濾結(jié)構(gòu)保護(hù)堤后溢出點(diǎn)不發(fā)生滲透破壞，具體措施包括設(shè)置垂直防滲墻、堤后壓浸平臺、堤后反濾井等；另一種則是對橋墩基礎(chǔ)周圍進(jìn)行處理，以防止沿橋墩基礎(chǔ)的接觸沖刷，具體措施包括沿橋墩基礎(chǔ)周圍的劈裂灌漿防滲、黏土回填壓實加復(fù)合土工膜防滲、沿樁基噴射高壓旋噴樁防滲等。

為研究橋梁實施對堤防滲流穩(wěn)定的影響，并綜合評價滲控措施實施后的效果，有必要對建橋前后及采取滲控措施后的堤防滲流場進(jìn)行研究。本文采用一種變分不等式方法對自由面進(jìn)行處理，建立了穩(wěn)定和非穩(wěn)定有限元模型，通過對長江下游馬鞍山公鐵大橋跨堤段堤防滲流場的計算分析，研究不同滲控措施的適用條件。

1 滲流有限元分析方法

求解滲流問題的方法主要有解析法、數(shù)值法和電擬法。解析法較精確，但只能解決一些簡單的問題。數(shù)值法主要包括有限單元法、有限差分法、邊界元法有限體積法等。有限元法在模擬復(fù)雜曲線邊界和非均質(zhì)各向異性滲透介質(zhì)方面有較大的靈活性，是求解滲流問題的一種最常用的方法。

采用有限元法求解滲流問題的基本步驟為：

（1）采用三角網(wǎng)格法將滲流區(qū)域離散成為若干有限單元組合體。

（2）選取恰當(dāng)?shù)男魏瘮?shù)，用以表征水頭在單元內(nèi)的分布規(guī)律，通過單元節(jié)點(diǎn)水頭來描述單元內(nèi)任一點(diǎn)的水頭。設(shè)單元一共有n個結(jié)點(diǎn)，第i結(jié)點(diǎn)處的水頭為hi，則單元內(nèi)任一點(diǎn)的水頭可以表示為

式中：Ni為形函數(shù)。

（3）從滲流微分方程和定解條件出發(fā)，采用變分法或加權(quán)余量法等，建立節(jié)點(diǎn)水頭的單元支配方程。

（4）對單元支配方程進(jìn)行整體組裝，建立以滲流區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)水頭為未知值的整體有限元方程組，并對方程組求解，即可得到節(jié)點(diǎn)水頭，從而獲得整個滲流區(qū)域內(nèi)的水頭分布情況。

有限元法求解滲流場的方法包括變網(wǎng)格法和固定網(wǎng)格法兩類。由于變網(wǎng)格法在迭代過程中需要重新剖分有限元網(wǎng)格，存在計算量大、收斂性差等局限性，而固定網(wǎng)格法計算量較小且收斂性較好，因此目前多采用固定網(wǎng)格法。典型的固定網(wǎng)格法有Desai等[1]的剩余流量法、Bathe等[2]的單元滲透矩陣調(diào)整法，張有天等[3]提出的初流量法等。以上方法通過自由面迭代確保干區(qū)內(nèi)的滲流量遠(yuǎn)低于濕區(qū)內(nèi)的滲流量，不足之處在于理論不夠嚴(yán)密，難以對滲流出滲點(diǎn)和自由面進(jìn)行準(zhǔn)確定位，且計算結(jié)果具有顯著的網(wǎng)格依賴性。鄭宏等[4]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，提出了有自由面穩(wěn)定滲流問題的橢圓型變分不等式，在理論上克服了溢出點(diǎn)的奇異性問題。以此為基礎(chǔ)，陳益峰等[5]針對無壓非穩(wěn)定滲流問題，提出了理論嚴(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，并在實際工程應(yīng)用中取得了良好效果?；谏鲜鲅芯砍晒?，本文將改進(jìn)的固定網(wǎng)格法應(yīng)用到堤防穩(wěn)定－非穩(wěn)定滲流分析中。

2 穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型計算

2.1 工程概況

馬鞍山公鐵兩用長江大橋為巢馬鐵路跨越長江的重要通道，位于馬鞍山公路長江橋上游2.3 km處，橋梁按四線鐵路+雙向六車道城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。采用（56+168+392+168+56）m的斜拉橋方案跨越長江右汊。擬建大橋與右岸馬鞍山側(cè)長江大堤位置關(guān)系如下：副汊航道橋F4主塔和F5輔助墩分別位于馬鞍山側(cè)長江大堤的迎水側(cè)和背水側(cè)，基礎(chǔ)邊緣距長江大堤最小距離分別為64.2 m和36 m，馬鞍山側(cè)長江大堤堤頂標(biāo)高為11.3 m，堤頂凈高21 m。F4主塔基礎(chǔ)采用啞鈴形承臺，平面尺寸為29 m×88 m，承臺厚6.5 m，布置36根3.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。F5輔助墩采用實心板式墩，平面尺寸為38 m×3.5 m，基礎(chǔ)為整體式基礎(chǔ)，采用直徑2 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。擬建大橋與堤防平面位置關(guān)系如圖1所示。

2.2 模型建立

建立二維有限元模型，計算范圍為堤外260 m（延伸至河床）至堤內(nèi)200 m，底部高程至相對不透水基巖層。根據(jù)地質(zhì)勘察成果，堤基主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土，下部夾有粉砂層，與河床深泓粉砂層相連。為精確計算滲流場，對橋墩基礎(chǔ)周圍和堤身部位網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理。最大網(wǎng)格剖分長度為1.5 m，收斂判定標(biāo)準(zhǔn)為兩次計算的相對變化≤0.1%。

2.3 參數(shù)計算

各土層滲透系數(shù)如表1所示。在非穩(wěn)定滲流分析中，需要給定給水度μ和單位貯水系數(shù)Ss，這兩個參數(shù)的確定方法包括經(jīng)驗公式法、室內(nèi)試驗法和野外抽水試驗示蹤法[6]?？紤]到自由面水頭變化引起的土體壓縮較小，因此忽略掉土體壓縮引起的貯水量和排水量變化，即取Ss = 0。采用經(jīng)驗公式計算得出給水度μ，表征土體在重力排水作用下的水體積與土體體積之比。

式中：n為土體孔隙率；k為滲透系數(shù)。

2.4 計算工況

計算工況及水位邊界條件如表2所示。工況1、2分別為建橋前后堤防滲流場，工況3、4用于分析不同滲控措施的防滲效果，工況5、6用于分析設(shè)計洪水位驟降條件下堤外坡滲透穩(wěn)定。

2.5 穩(wěn)定滲流計算結(jié)果分析

設(shè)計洪水條件下，建橋前后穩(wěn)定滲流期，堤防滲流場分別見圖2、圖3。結(jié)果顯示：橋墩修建前后，堤防滲流場總體變化不大，特別是堤身浸潤線變化不明顯；堤內(nèi)坡溢出點(diǎn)高程在建橋前后沒有明顯變化，溢出點(diǎn)滲透坡降由0.30提高至0.31，變化不明顯，且均小于堤身土體允許滲透坡降，堤身不會發(fā)生滲透破壞。但為避免沿樁基礎(chǔ)的接觸沖刷，還需對橋墩基礎(chǔ)周圍進(jìn)行防滲處理，可在樁基礎(chǔ)周圍一定范圍設(shè)黏性土加復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)，沿樁基設(shè)高壓旋噴樁結(jié)構(gòu)，或采用劈裂灌漿等措施[7-8]。

由于堤身填土成分一般不詳，特別是下游黏性土缺乏的河段，堤身填土有大量砂性土，加之部分堤段歷史上出現(xiàn)過滲透險情。因此，從工程安全考慮，應(yīng)對堤防采取一定的滲控措施，具體包括沿堤身設(shè)垂直防滲墻以及在堤后設(shè)置壓浸平臺。圖4、圖5分別為采取沿堤身設(shè)垂直防滲墻和在堤后設(shè)置壓浸平臺的堤防滲流場。可知，設(shè)置防滲墻后，堤防滲流場發(fā)生了明顯變化，滲流等勢線在防滲墻附近發(fā)生了明顯的集中現(xiàn)象，說明防滲墻方案能明顯延長滲徑。各穩(wěn)定滲流工況條件下的堤后溢出點(diǎn)滲透坡降如表3所示，設(shè)置防滲墻后，堤后溢出點(diǎn)高程降低了4.17 m，滲透坡降由0.31降低至0.03，防滲墻的防滲效果非常明顯。相比之下，采用堤后設(shè)壓浸平臺方案，堤基滲流場并未發(fā)生明顯變化，只是堤身浸潤線有所降低，堤后溢出點(diǎn)高程降低了3.4 m，溢出點(diǎn)滲透坡降由0.31降低至0.29，降低不明顯。對比兩種防滲方案，垂直防滲墻可延長滲徑，對于降低溢出點(diǎn)高程和滲透坡降有明顯效果，且不增加占地面積，缺點(diǎn)是造價相對較高；堤后壓浸平臺方案能夠明顯降低溢出點(diǎn)高程，對溢出點(diǎn)具有反濾保護(hù)作用，造價較低，但占用堤后面積較大，適用于堤后空間充足的堤段。

2.6 非穩(wěn)定滲流計算結(jié)果分析

在堤外高水位驟降的條件下，堤外坡易發(fā)生滲透破壞。圖6給出了堤外水位由設(shè)計洪水位驟降2 m條件下，堤身浸潤面的變化情況。可知，當(dāng)?shù)掏馑惑E降時，堤身浸潤線并不是瞬時下降的，而是經(jīng)歷一個緩慢下降的過程，且堤外側(cè)浸潤線下降速率要快于堤內(nèi)浸潤線溢出點(diǎn)的下降速率，這說明堤內(nèi)土體中的自由水總是沿著勢能更小的方向排出。

表4展示了水位驟降各時刻堤外坡最大滲透坡降。可知在驟降初期，滲透坡降最大，驟降后期，滲透坡降逐漸減小。這是因為模型假設(shè)在高水位期，堤身已形成穩(wěn)定滲流，從穩(wěn)定滲流狀態(tài)到驟降初期，堤外坡滲透坡降最大。結(jié)合表3結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堤外坡在水位驟降工況下，其滲透坡降仍然明顯小于堤內(nèi)坡溢出點(diǎn)滲透坡降，加之堤外坡一般都鋪設(shè)有硬質(zhì)護(hù)坡加砂碎石墊層，可起到一定的反濾保護(hù)作用。因此，堤外坡發(fā)生滲透破壞的可能性較低，在長江中下游的工程實踐中，堤外坡滲透破壞情況也極少，堤防滲控重點(diǎn)仍然是堤內(nèi)坡和堤內(nèi)堤基。

3 結(jié) 論

本文采用穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流有限元模型，對馬鞍山公鐵大橋跨堤段在不同工況下的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，分析了涉河橋梁建設(shè)對堤防滲流場的影響和不同防滲措施的效果，提出了不同防滲處理措施的適用情況。主要結(jié)論如下：

（1）穩(wěn)定滲流分析結(jié)果表明，橋墩修建前后，設(shè)計洪水條件下堤防滲流場變化不明顯，溢出點(diǎn)滲透坡降略有增加，但增加幅度不超過4%，且小于允許滲透坡降。說明橋墩建設(shè)對堤防滲流的不利影響很小，堤防一般不會發(fā)生滲透破壞。

（2）對于堤身填土存在質(zhì)量問題，或歷史上出現(xiàn)過滲透破壞險情的堤段，應(yīng)對堤身采取一定的防滲措施。垂直防滲墻的截滲效果較好，能明顯降低溢出點(diǎn)高程和滲透坡降，但造價較高；壓浸平臺方案能對溢出點(diǎn)起到反濾保護(hù)作用，造價較低，但僅適用于堤后空間充足的堤段。

（3）非穩(wěn)定滲流分析結(jié)果表明，堤外側(cè)水位驟降期，堤外坡滲透坡降隨著時間推移逐漸減小，最危險情況出現(xiàn)在驟降初期。由于驟降期堤外坡最大滲透坡降仍明顯小于穩(wěn)定滲流期堤內(nèi)坡滲透坡降，且堤外坡一般設(shè)有護(hù)坡和墊層結(jié)構(gòu)，因此堤防的防滲仍應(yīng)以高水位穩(wěn)定滲流期堤內(nèi)坡及堤內(nèi)堤基為重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 《工程地質(zhì)手冊》編委會. 工程地質(zhì)手冊. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

Seepage Control Measures for Embankment-crossing Sections of River-crossing Bridges

XING Yuling1，PAN Wenhao2，LU Jin3，WAN Yuanyuan3

（1. Water Authority of Wuhu City，Wuhu 241000，China；2. Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China；3. Water Resources Bureau of Tongzhou District of Nantong City，Nantong 226399，China）

Abstract：The foundation of newly constructed bridge across river will affect the seepage field of the embankment during flood season and cause infiltration damage to the embankment. Corresponding preventive and remedial measures are essential. We summarize current seepage control measures for embankment-crossing bridges and their applicability. Taking the Ma’anshan Highway-Railway Bridge as a case study，we conducted mathematical computations of the steady and unsteady seepage. Through analyzing the impact of river-crossing bridge construction on the seepage field of embankment and the effect of different seepage control measures，we propose the applicability of different seepage control treatment measures.

Key words：river-crossing bridge；flood control influence；embankment seepage control