赵守良 刘 品

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

贵州作为我国唯一没有平原支撑的省份，沟谷纵横的地形地貌为大中型水库的建设提供了有利条件，其中不免影响到某些为跨越大型沟谷而修筑的公路桥梁，此时如何保证水库运行期间岸坡的稳定对桥梁安全至关重要。王浩宇等[1]以三峡库区某古滑坡为例，研究了库水位变化作用下滑坡稳定性；仉文岗等[2]采用数值模拟方法对库区水位下降期间各因素变化对边坡稳定性系数的影响进行了分析。本文基于以上研究，以某高速公路桥梁岸坡为例，分析了水库建成运行后对桥梁岸坡稳定性的影响。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

拟建水库位于长江流域乌系三岔河左岸一级支路上，区内总体地势北高南低，水库处于山间不对称“V”字形河谷地带。水库周围山体环绕，两岸山顶高程1 429～1 623 m，河谷高程1 210～1 250 m，相对高差218～373 m，库区地形地貌属于中山溶蚀-侵蚀地貌。该水库校核洪水位为1 256.18 m，相应的总库容为2 170万m3，正常蓄水位1 255.0 m，相应的库容为2 034万m3，死水位1 235 m，死库容494万m3，调节库容1 540万m3，库容系数0.12，为年调节水库，工程规模为中型。

拟建水库区存在一已通车高速公路桥梁，该大桥为分离式桥梁，左幅桥梁全长853.28 m，右幅桥梁全长824.37 m，桥型布置为左幅30 m T梁+8×40 m T梁+66.0 m+3×120 m+66.0 m(连续刚构)/右幅8×40 m T梁+66.0 m+3×120 m+66.0 m(连续刚构)。桥区构造侵蚀、溶蚀、冲蚀作用较强烈，地势起伏较大。大桥横跨河流，附近海拔1 212.0～1 430.0 m，相对高差218.0 m，桥轴线地面高程为121 2.0～1 314.0 m之间，相对高差102.0 m，两桥台地形较陡、基岩裸露，桥区中部局部有基岩出露。水库正常蓄水后，该大桥2号～4号和7号～11号墩柱均会淹没在水库中，其中11号墩柱靠近河流，淹没水深最大为29.2 m。库区桥梁全貌见图1。

图1 库区桥梁全貌

1.2 地质条件

桥区内地层主要由第四系残坡积层(Qel+dl)粉质黏土、冲洪积层(Qal+pl)卵石土，三叠系下统夜郎组二段(T1y2)灰岩夹泥岩组成。其中粉质黏土层为黄褐色，可塑状，含5%～10%粒径为20～40 mm的灰岩碎石，据钻探揭露厚10～30 m之间，地势低洼处有分布；卵石土层分布于河流两岸及河床附近。

场区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区，地处龙井坝断层西北盘，受断层影响，桥区地层产状平缓，岩层间见波状起伏变化，地层产状为50°∠6°，岩石节理裂隙发育，地质构造简单。场区桥梁岸坡大致分为2类：土质岸坡和破碎岩质岸坡。本文着重分析8号、9号墩土质岸坡，工程地质平面见图2。

图2 研究区工程地质平面图

2 水库蓄水对桥梁岸坡的影响分析

2.1 工程地质模型及计算参数

由图2可见，此区域整体上处于一个斜坡上，地形走势是桥梁左侧高，右侧低，中间以一条贯穿的冲沟分割，局部地面横坡较陡。结合勘察资料，此区域第四纪粉质黏土覆盖层较厚，为10～30 m不等, 地质条件较为单一，8号、9号墩台处为土质岸坡。水库水位升降对土质岸坡产生的影响主要体现在2个方面：①库水位上升时，大范围的岸坡土体在水的浸泡作用下软化，导致土体抗剪强度大幅度降低，直接影响岸坡稳定；②由于黏性土坡本身渗透较差，在水位降落尤其是骤降过程中，坡内土体浸润线的下降速度将远小于坡外水位下降速度。因此，库水位骤降后，坡体内浸润面仍处于较高水平，孔隙水压力也维持在较高状态，从而影响岸坡稳定性。由于水库水位波动存在间歇性，土质库岸一般为渐进性破坏，遵循着冲刷坍滑→松弛变形→牵引蠕变的滑移破坏规律。现选取典型地质剖面1-1′、2-2′结合GEO5岩土软件进行计算分析，工程地质剖面见图3。

图3 工程地质剖面图(水位高程：m)

根据大量的室内试验数据，经分析统计并结合地区经验，采用工程类比手段综合确定岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2.2 分析工况及安全控制标准

根据场区边坡的地质条件，结合SL 386-2007 《水利水电工程边坡设计规范》[3]和JTG D30-2015 《公路路基设计规范》[4]的相关规定：正常运用条件下岸坡处于天然状态且库水位处于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的各种水位及其正常性降落；非正常运用条件下岸坡处于暴雨状态或库水位非正常性降落。决定岸坡稳定性计算采用以下4种工况。工况1：正常工况，岸坡自重+正常蓄水位(1 255 m)；工况2：正常工况，岸坡自重+最低泄洪水位(1 235 m)。工况3：非正常工况，岸坡自重+水位骤降至死水位；工况4：非正常工况，岸坡自重+正常蓄水位+暴雨。

GB 50330-2013 《建筑边坡工程技术规范》[5]中规定，边坡稳定性状态分为稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定4种状态，可根据边坡稳定性系数按表2确定。

表2 边坡稳定性状态划分

本文着重讨论库岸边坡对高速公路桥梁的影响，故以JTG D30-2015《公路路基设计规范》的相关规定为准，并考虑到边坡工作条件和边坡破坏后对大桥的危害极重，故安全系数取规范高值，并结合类似工程经验综合确定该大桥岸坡稳定性安全系数控制标准：正常工况Fst= 1.30、非正常工况Fst=1.20。即当岸坡计算结果大于此安全系数时，表明岸坡处于稳定状态，反之，则参照表2进行岸坡稳定性状态划分。

2.3 分析方法

土质岸坡稳定性采用JTG D30-2015 《公路路基设计规范》推荐的极限平衡简化Bishop法计算，并同时采用有限元强度折减法作为对比分析。

结合2.1节水位波动对土质岸坡的影响分析，对于工况3(库水位骤降工况)，做如下简化：①库水位骤降为一瞬时状态，不考虑时间效应；②计算区域主要为黏性土坡，其本身渗透系数很小，属于微弱透水层。在库水位骤降状态下，土坡内的水来不及排出，土体饱和且未形成稳定渗流，水压作用简化为瞬态静孔隙水压考虑。由此得出库水位骤降条件下的极限平衡计算式。

u0=γwh0

式中：Fs为安全系数；ci′为第i计算条块滑面有效黏聚力，Pa；φi′为第i计算条块有效内摩擦角，(°)；bi为第i计算条块滑面宽度，m；θi为第i计算条块滑面倾角，(°)；Wi为第i计算条块单位宽度自重，kN/m；u0为条块滑弧面上的孔隙水压力，其中：h0分为2种情况计算：①库水位骤降前初始水位在地面线以上，骤降后水位线在地面以下，此时骤降后的水压高度采用计算点P1到地表的距离h0代替,如图4中剖面①；②初始水位线与骤降后水位线一样，都在地表以上，此时h0为计算点P2到骤降后的水位高度，如图4中剖面②。

图4 水位骤降简化计算

针对渗透性较差的黏性土坡，在水位骤降这种瞬时特定条件下，该计算方法通过合理的假设，即坡体内的孔隙水压力和浸润线不随坡外水位的骤降而变化，短暂忽略坡体内渗流场对边坡稳定性的影响，极大地简化了计算步骤。

2.4 极限平衡简化Bishop法计算结果

采用采用简化Bishop法自动搜索不同工况下的岸坡滑移面，并计算安全系数。限于文章篇幅，仅将不利工况3：岸坡自重+水位骤降至死水位条件下的计算结果示意见图5。各工况下的详细计算结果见表3。

根据表3计算结果，水库正常运行后，1-1′剖面在不同计算工况下的稳定性系数均不满足正常工况1.30、非正常工况1.20的安全控制标准，整体处于不稳定～基本稳定状态，水位骤降工况最为不利，稳定系数仅为0.59，表明此时岸坡已失稳。2-2′剖面在工况1、4条件下的稳定性系数满足正常工况1.30、非正常工况1.20的安全控制标准，最不利工况与1-1′剖面相同，为水位骤降工况，此时稳定系数为0.70，表明岸坡已失稳。

图5 水位骤降工况下计算结果

表3 不同工况下的岸坡稳定性计算结果

2.5 有限元数值模拟计算结果

上节的计算结果清晰表明水库蓄水运行后，对桥梁岸坡稳定性影响最大的为水位骤降工况，此条件下桥梁岸坡已处于失稳状态，稳定性系数最低，滑坡推力最大，支挡防护设计应以此工况计算结果为依据。另外，《水库滑坡与防治技术》[6]中介绍，通过对不同工况下(包括水库蓄水前、蓄水过程中及水位骤降条件下)岸坡稳定性计算，得出最不利工况为水位骤降过程，此时滑坡体整体处于不稳定或临界稳定状态。与本文计算结论相一致。

为给桥梁岸坡的支挡防护设计提供一定的参考，同时验证上述极限平衡法计算结果，选取最不利工况-水位骤降工况，采用有限元强度折减法进行模拟计算。

有限元强度折减法的基本原理是将土的抗剪强度参数c、tanφ同时除以一个折减系数F，得到强度折减参数c′、φ′，并以此开展有限元计算，通过动态调整折减系数迭代分析，最后土体达到临界失稳状态的折减系数即为边坡安全系数。

1-1′剖面有限元模型网格节点8 878个，划分单元格5 080个；2-2′剖面有限元模型网格节点9 375个，划分单元格5 398个。模型边界条件：坡内外初始水位齐平，模型底部和水位以上为零流量边界。模型底面设置为全约束条件，侧面施加侧向位移约束。计算结果采用等效塑性应变结合模型位移矢量来表征，以此可清晰分辨滑面位置，并得出稳定性系数。计算结果见图6。

图6 水位骤降工况下数值模拟结果

将岸坡稳定性有限元数值模拟结果与极限平衡简化Bishop法计算结果汇总于表4，对比分析得出以下结论：①水位骤降工况下，2种计算方法不同剖面的稳定性系数均小于1，表明桥梁岸坡已失稳。②对于1-1′剖面，不同计算方法的稳定性系数一致，均为0.59。有限元模拟显示滑体成圆弧状于桥梁桩基承台处剪出。③对于2-2′剖面，极限平衡法和有限元强度折减法计算的稳定性系数分别为0.70、0.75，两者差值0.05，基本一致。滑面形态与剪出位置与1-1′剖面类似。综上分析可得，在水位骤降工况下，桥梁岸坡稳定性系数远小于安全控制标准1.20，在水库蓄水前需进行支挡防护。

表4 极限平衡简化Bishop法和有限元强度折减法计算结果对比分析

4 结论

1) 通过现场地质调查、钻探资料，结合地形地貌及岩土体性质初步判断水库蓄水运行后桥梁岸坡会发生牵引式圆弧滑动破坏。将库水位骤降视为瞬时发生，忽略时间效应，结合黏性土的微弱透水特性，将土骨架与孔隙流体整体分析，提出简易的极限平衡计算方法。

2) 运用极限平衡简化Bishop法对不同工况下的桥梁岸坡稳定性进行分析计算，结果表明最不利工况为库水位骤降至死水位工况，此工况下1-1′、2-2′剖面的稳定性系数分别为0.59、0.70，均小于1，表明此时桥梁岸坡已失稳。

3) 采用有限元数值模拟方法对库水位骤降工况进行分析计算，结果1-1′、2-2′剖面的稳定性系数分别为0.59、0.75，与极限平衡简化Bishop法计算结果基本一致，表明计算结果真实可靠。