趙　川，付成華，歐陽朝軍，劉曉輝

(1.西華大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院·水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

?

水位下降對某懸索橋橋基邊坡穩(wěn)定性影響分析

趙川1,2,3，付成華1，歐陽朝軍2,3，劉曉輝1

(1.西華大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院·水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

懸索橋橋基邊坡由錨碇和橋墩構(gòu)成復(fù)雜的的結(jié)構(gòu)體系，其變形特點與天然邊坡有很大區(qū)別。為深入研究水位下降對橋基邊坡穩(wěn)定性的影響，以某擬建懸索橋橋基邊坡為例，采用有限元強(qiáng)度折減法計算了錨碇與橋墩耦合作用下水位下降不同高度邊坡的位移、塑性點和安全系數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著河道水位逐漸下降，邊坡發(fā)生主要水平位移的部位也隨之下移，錨碇附近巖體位移受降水前期影響大；坡體內(nèi)部塑性點主要分布在錨碇附近，分布范圍隨水位降低先增加后減少并最終趨于穩(wěn)定；邊坡安全系數(shù)隨水位的下降先減小后增加，水位下降40 m后安全系數(shù)穩(wěn)定在1.28；通過分析橋基邊坡潛在滑裂面，確定了錨碇受拉是橋基邊坡穩(wěn)定性大小的控制性因素。計算成果可為大橋修建過程中邊坡的穩(wěn)定性評估提供參考。

懸索橋；水位下降；錨碇；位移；安全系數(shù)

河道水位下降對涉水邊坡的穩(wěn)定性具有重要影響，據(jù)不完全統(tǒng)計，大約有60%的涉水邊坡失穩(wěn)是由于水位下降造成的。與天然狀態(tài)的涉水邊坡相比，橋基邊坡由于受外部荷載作用和水位變化綜合影響，其穩(wěn)定性大小影響因素也更加復(fù)雜。因此，研究河道水位下降過程中的橋基邊坡的穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實意義[1-3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水位變化過程中邊坡的穩(wěn)定性大小進(jìn)行了大量研究。Griffiths和 Lane[4-5]將邊坡內(nèi)的浸潤線假定為直線，采用有限元強(qiáng)度折減法分析了穩(wěn)定滲流條件下的土壩壩坡穩(wěn)定性大??；鄭穎人等[6]根據(jù)包辛涅斯克(Boussinesq)非穩(wěn)定滲流微分方程，通過拉普拉斯正變換和逆變換，得到了庫水位下降時坡體內(nèi)浸潤線的計算公式，并通過極限平衡法計算了水位下降高度對邊坡安全系數(shù)的影響；廖紅建等[7]利Geo-Slope軟件中的Seep滲流程序計算得到了水位下降期間不同滲透系數(shù)下坡體的滲流場，得到了庫區(qū)降水速度和滲透系數(shù)與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系；年廷凱等[8]在考慮邊坡土體的非飽和-非穩(wěn)定滲流過程的基礎(chǔ)上，研究了水位下降過程中岸坡的整體穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)水位下降速率對高滲透性土坡內(nèi)孔壓的影響顯著。

綜上所述，采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法對水位下降過程中邊坡穩(wěn)定性的研究已經(jīng)日趨成熟，但針對水位下降對錨碇與橋墩耦合作用的橋基邊坡影響的研究還很少，有必要進(jìn)行深入研究[9-11]。因此，本文以某擬建懸索橋橋基邊坡為例，采用有限元強(qiáng)度折減法定量分析水位下降不同高度時邊坡的穩(wěn)定性，并深入探討水位下降過程中坡體內(nèi)位移場和塑性區(qū)分布的變化規(guī)律。

1　計算方法簡介及合理性驗證

1.1有限元強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法最早是由Zienkiewics[12]在土工彈塑性有限元數(shù)值分析中提出的，此法廣泛應(yīng)用于各類土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。強(qiáng)度折減法是指將邊坡巖體的真實抗剪強(qiáng)度除以一個折減系數(shù)F后再進(jìn)行塑性計算，并逐漸增加F的大小，直到達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止，此時的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)[13-15]。其計算公式為：

(1)

(2)

式中：c和φ為巖土體真實的黏聚力和內(nèi)摩擦角；c′和φ′為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

1.2合理性驗證

為了驗證有限元強(qiáng)度折減法在水位下降過程中邊坡穩(wěn)定性計算的合理性，選取文獻(xiàn)[5]、[8]的案例進(jìn)行說明。驗證所采用的邊坡模型如圖1所示，其中L(-)、L(+)是指為以邊坡頂平面作為基準(zhǔn)，上、下水位的高度。邊坡模型幾何尺寸與材料參數(shù)如下：坡高H=10m，坡度為2:1，土體黏聚力10kPa，內(nèi)摩擦角20°，變形參數(shù)105kPa，泊松比取0.3，重度γ為20kN/m3。水位下降的模式與文獻(xiàn)相同，即認(rèn)為浸潤線為折線，且與邊坡水位同步下降。

圖1　邊坡降水模式 [5,8]

圖2　水位不同下降比與邊坡安全系數(shù)關(guān)系曲線

L/H表示水位下降比，以0.1為間隔(L為水位下降高度)，本文計算的相應(yīng)水位下降比與邊坡安全系數(shù)關(guān)系曲線如圖2a所示，圖2b為Spencer解、LANE解和年廷凱解。分析可知本文計算的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律與文獻(xiàn)[5]、[8]的計算結(jié)果很接近，安全系數(shù)最小值均在L/H=0.7處取得，本文計算最小值為1.31，年廷凱解為1.285，LANE解為1.30。說明采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行水位下降條件下邊坡穩(wěn)定性分析是可行的。

2　模型建立及計算條件

擬建懸索橋位于四川和云南交界處，橫跨金沙江而設(shè)，為主跨465 m雙塔單跨吊懸索橋，下部結(jié)構(gòu)采用雙樁柱式橋墩。橋位區(qū)表面覆蓋坡積層碎石土，厚1～5 m，河道左岸巖體為白云巖，按風(fēng)化程度劃分為強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層。其中強(qiáng)風(fēng)化層巖石裂隙發(fā)育，裂面可見黃褐色氧化鐵薄膜或斑點，巖芯呈碎塊狀、塊狀，個別為短柱狀，厚4.3～10.5 m；中風(fēng)化層巖石裂隙一般不發(fā)育，巖芯呈柱狀或塊狀，最大揭露厚度36.10 m。

圖3　橋基邊坡有限元模型

2.1模型建立

根據(jù)相關(guān)資料，并結(jié)合數(shù)值計算的需求，對實際邊坡進(jìn)行一定程度地簡化，最終建立的橋基邊坡有限元模型長543 m，高380 m。除了天然狀態(tài)的邊坡模型以外，模型還加入了錨碇、引橋和橋墩，錨碇位置高程637.00 m，引橋墩基礎(chǔ)頂面高程580.00 m，橋墩基礎(chǔ)頂面高程565.50 m，并考慮了水位下降的影響，最高水位高程為600 m，網(wǎng)格模型見圖3a，圖3b為有限元滲流耦合計算的滲流場，可以發(fā)現(xiàn)滲流場繞過樁基和主橋墩底部，說明滲流計算的結(jié)果是合理的。

表1　橋基邊坡模型有限元力學(xué)參數(shù)

2.2參數(shù)選取

根據(jù)橋基巖體地質(zhì)勘測資料，選取了邊坡各類巖體有限元物理力學(xué)參數(shù)，見表1。另外，在錨碇區(qū)施加最大等效拉應(yīng)力95 000 kN，引橋橋臺和主橋墩主要受壓，分別施加壓力4 500 kN和25 000 kN，由于彎矩數(shù)值相對較小，對計算結(jié)果影響不大，故在此不考慮彎矩的影響。

2.3工況設(shè)置

河道內(nèi)最高水位和最低水位高程分別為600 m和510 m，落差達(dá)90 m，而降水初期水面位于錨碇與橋墩之間，距離錨碇和橋墩位置很近，對錨碇和橋墩區(qū)域影響相對更大，降水后期影響則更小。故在設(shè)置降水梯度時，設(shè)置初期降水相對密集，最終設(shè)置降水高度分別為10 m、20 m、30 m、40 m、60 m和90 m。由于本文研究重點是水位下降高度對橋基邊坡穩(wěn)定性的影響，故設(shè)置降水速率為定值1 m/d。

3　計算結(jié)果及分析

3.1水位下降對橋基邊坡位移影響

為了研究水位下降過程中邊坡位移場的變化規(guī)律，圖4給出了水位不同下降高度時邊坡巖體的水平增量位移。所謂“增量位移”：是指僅相對于上一個階段發(fā)生的位移，例如圖4 b表示的是：水位下降10 m到下降20 m時發(fā)生的水平位移，是指以下降10 m為基準(zhǔn)，將已經(jīng)產(chǎn)生的位移清零，水位再次下降10 m而造成的水平方向位移，以此類推。規(guī)定水平位移以順坡向位移為正(向右)，逆坡向位移為負(fù)(向左)，由于篇幅限制，僅給出水位下降不同高度的水平增量位移。

分析可知，隨著河道內(nèi)水位的逐漸降低，邊坡內(nèi)部巖體將發(fā)生不同程度的水平位移。圖4 a表示了水位下降10 m時邊坡發(fā)生的水平位移，可以發(fā)現(xiàn)，水面從最高水位降低10 m后，邊坡錨碇區(qū)域附近發(fā)生的水平位移集中，最大值為0.119 mm，方向水平向右。距離錨碇越遠(yuǎn)，發(fā)生的位移也越小，其中引橋部位發(fā)生的位移很小，橋墩頂部位置相對大一些。

圖4　水位不同下降高度邊坡水平位移增量

圖5　水位不同下降高度邊坡塑性點分布

隨著河道水位的進(jìn)一步降低，邊坡巖體發(fā)生的位移集中區(qū)逐漸隨著水位的降低而下降，如圖4c和圖4d為水位下降30 m和40 m時發(fā)生的位移，此時發(fā)生水平位移的集中區(qū)域位于引橋和橋墩附近的表層碎石土，最大值分別為0.057 mm和0.106 mm，而錨碇區(qū)域內(nèi)巖體產(chǎn)生的位移很小，說明此時水位下降對錨碇區(qū)的影響已經(jīng)減小。圖4f為水面降低到最低水位時發(fā)生的水平方向位移(30 m落差)，此降水階段內(nèi)水面已經(jīng)逐漸遠(yuǎn)離橋基區(qū)域，距離錨碇更遠(yuǎn)。發(fā)生位移的區(qū)域也下降，位于最低水面表層的強(qiáng)風(fēng)化巖體，此階段內(nèi)發(fā)生最大的水平位移為0.34 mm，方向向右。

3.2水位下降對橋基邊坡塑性區(qū)影響

為進(jìn)一步分析水位下降過程中，橋基邊坡內(nèi)部巖體塑性區(qū)的變化規(guī)律，圖5給出了各降水階段內(nèi)邊坡內(nèi)部塑性點的分布情況。分析可知，在最高水位時，坡體內(nèi)部塑性點主要分布在錨碇末端附近巖體，并分別沿中風(fēng)化層和基巖界面向上部和下部擴(kuò)展，且在與錨碇夾角約60°位置形成貫通的拉斷破壞，見圖5a。另外，在引橋和橋墩底部分布有少量塑性點，對邊坡的穩(wěn)定性影響不大。

當(dāng)水位開始下降，如圖5b為下降10 m時坡體塑性點分布，此時，沿中風(fēng)化層和基巖界面的塑性點分布范圍增加明顯，向上部和下部巖體擴(kuò)張，不利于邊坡的整體穩(wěn)定。之后，隨著水位的進(jìn)一步降低，坡內(nèi)塑性點分布范圍逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定。

針對上述水位降低對坡體內(nèi)部塑性點分布的分析可以發(fā)現(xiàn)：錨碇區(qū)巖體塑性點集中分布，分布范圍隨著水位的降低呈現(xiàn)先增加后減少并最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢，表明水位下降過程中橋基邊坡存在一個最危險水位，此時邊坡的穩(wěn)定性最差。

3.3水位下降對橋基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響

為確定水位下降過程中橋基邊坡存在的最危險水位，采用強(qiáng)度折減法計算得到了水位下降過程中邊坡的安全系數(shù)，見表2所示。

表2　水位下降不同高度邊坡安全系數(shù)

分析可知，左岸邊坡最小安全系數(shù)發(fā)生在水位下降10 m左右位置，此時安全系數(shù)僅有1.23，原因是水位下降初期距離最危險的錨碇區(qū)最近，加上降水區(qū)邊坡的坡度較陡，所以降水初期對邊坡安全系數(shù)影響最大；之后，隨著水位的進(jìn)一步下降，安全系數(shù)有所增加，最終在降低40 m時邊坡安全系數(shù)為1.28，之后不再變化。這與上述邊坡內(nèi)部塑性點分析結(jié)論相同，即降水初期邊坡的穩(wěn)定最差。

圖6　水位下降不同高度邊坡內(nèi)部潛在滑裂面

通過上述分析可知：隨著水位的降低，左岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)先減小，后增加，最后趨于穩(wěn)定。這是因為河水的靜水壓力反向垂直作用于坡面，坡面越陡，靜水壓力水平方向的分力也越大，這有利于邊坡的穩(wěn)定。左岸邊坡降水初始階段涉及的邊坡坡度很陡，造成了邊坡安全系數(shù)明顯減小，而降水后期，隨著孔隙水壓力的消散，有效應(yīng)力逐漸增加，邊坡安全系數(shù)也有所增加，最終趨于穩(wěn)定，但低于最初的1.31。

由圖6水位降低不同高度時邊坡的潛在滑裂面分布可見，無論水位降低多少，左岸邊坡的滑裂面均相同：起于坡頂，終止于引橋橋墩上部位置，內(nèi)部與中風(fēng)化與基巖交界面相切，且在錨碇位置形成貫通的拉斷破壞區(qū)，說明錨碇受拉是左岸邊坡的穩(wěn)定性的控制性因素。

4　結(jié)論

基于有限元強(qiáng)度折減法，在考慮錨碇與橋墩耦合作用的基礎(chǔ)上，定量分析了水位下降對某橋基邊坡的位移、塑性區(qū)和安全系數(shù)變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)錨碇區(qū)巖體在水位下降初期發(fā)生較大水平位移，隨著水位的降低，受影響程度也越來越小；發(fā)生位移的部位主要位于水面附近巖體。

(2)塑性點主要分布在錨碇區(qū)內(nèi)部巖體附近，分布范圍隨著水位的下降呈現(xiàn)先增加后減少并最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

(3)錨碇受拉是懸索橋橋基邊坡穩(wěn)定性的控制性因素。邊坡安全系數(shù)隨著水位的降低呈先減小后增加的變化趨勢，并最后穩(wěn)定在1.28。水位下降10 m時安全系數(shù)最小，僅有1.23，應(yīng)重視降水初期橋基邊坡的穩(wěn)定性。

[1]時衛(wèi)民, 鄭穎人. 庫水位下降情況下滑坡的穩(wěn)定性分析[J]. 水利學(xué)報, 2004(3): 67-71.

[2]周火明, 吳萬平, 黃正加, 等. 西南某橋基邊坡穩(wěn)定性及加固措施研究[J]. 長江科學(xué)院院報, 2009, 26(1): 33-37.

[3]師華鵬, 余宏明, 陳鵬宇. 極端災(zāi)害天氣下臨河巖質(zhì)邊坡的傾覆穩(wěn)定性分析[J]. 災(zāi)害學(xué), 2016, 31(2): 176-181.

[4]Griffiths D V, Lane P A. Slope stability analysis by finite elements[J]. Geotechnique, 1999, 49(3): 387-403.

[5]Lane P A, Griffiths D V. Assessment of stability of slopes under drawdown conditions[J]. Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering, 2000, 126(5): 443-450.

[6]鄭穎人, 時衛(wèi)民, 孔位學(xué). 庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計算[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2004, 23(18):3203-3210.

[7]廖紅建, 盛謙, 高石夯, 等. 庫水位下降對滑坡體穩(wěn)定性的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005, 24(19):3454-3458.

[8]年廷凱, 萬少石, 蔣景彩, 等. 庫水位下降過程中土坡穩(wěn)定強(qiáng)度折減有限元分析[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(7): 2264-2269.

[9]胡松山, 童申家, 劉斌清, 等. 基于非均質(zhì)邊坡強(qiáng)度折減法的三維橋基邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué), 2014, 35(S2): 653-661.

[10]Stianson J R, Fredlund D G, Chand. Three-dimensional slope stability based on stresses from a stress-deformation analysis[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2011, 48(6): 891-904.

[11]李秀珍, 何思明.基于Mein-Larson入滲模型的淺層降雨滑坡穩(wěn)定性研究[J]. 災(zāi)害學(xué), 2015, 30(2): 16-20.

[12]Zienkiewics O C, Humpheson C, Lewis R W. Associated and non-associated visco-plasticity and Plasticity in soil mechanics[J]. Geotechnique, 1975, 25(4): 671-689.

[13]趙川, 付成華, 何歡, 等. 錦屏水電站纜機(jī)平臺高陡邊坡開挖支護(hù)數(shù)值模擬[J]. 長江科學(xué)院院報, 2015, 32(8): 94-98.

[14]鄭穎人, 陳祖煜, 王恭先, 等. 邊坡與滑坡工程治理[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

[15]鄭穎人, 趙尚毅, 張魯渝. 用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析[J]. 中國工程科學(xué), 2002, 4(10): 57-62.

Stability Analysis of a Suspension Bridge Foundation Slope under Drawdown Condition

ZHAO Chuan1,2,3, FU Chenghua1, OUYANG Chaojun2,3, LIU Xiaohui1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineeringofXihuaUniversity,Chengdu610039,China; 2.KeyLaboratoryofMountainHazardsandEarthSurfaceProcess,CAS,Chengdu610041,China; 3.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,CAS,Chengdu610041,China)

Suspensionbridgefoundationslopeisacomplexstructuresystemwithanchorandpier,thedeformationcharacteristicsareverydifferentfromthenaturalslope.Forfurtherstudyofthestabilityofthebridgefoundationslopeunderdrawdowncondition,aproposedsuspensionbridgefoundationslopeissimulatedbyfiniteelementstrengthreductionmethodtoanalyzetheslopedisplacement,plasticzonesandsafetycoefficientwhentheanchorageandpiercoupling.Theresultsshowthatwiththewaterleveldecreasinggradually,thepositionofmainhorizontaldisplacementsectionofslopeisalsodecreased,andthedisplacementoveranchorageisaffectedbyearlydrawdownseriously;theplasticpointsmainlyofslopeisdistributedinthevicinityoftheanchorage,rangesincreasingfirstlyandthendecreaseandfinallytendstobestablealongwiththedrawdown;theslopesafetycoefficientdecreasesfirstlyandthenincreases,stableat1.28aftertheleveldecreases40m;andanchortensionisthekeyfactorofthebridgefoundationslopestabilitybyanalysisofpotentialslippingsurface.Theconclusionscanprovidesomereferenceforthestabilityevaluationoftheslopeduringthebridgeconstruction.

suspensionbridge;drawdown;anchorage;displacement;safetyfactor

2016-02-29

2016-04-26

國家科技支撐計劃(2014BAL05B01); 西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室(重點研究基地)開放課題(szjj2015-039); 西部之光青年學(xué)者計劃A類; 中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃(STS計劃)(KFJ-EW-STS-094)

趙 川(1989-)，男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，研究方向為巖土工程穩(wěn)定及地質(zhì)災(zāi)害分析.

E-mail：zhaochuanvip@163.com

付成華(1978-)，女，湖北襄陽人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事水利水電工程的教學(xué)和研究工作.

E-mail：fuchh_xhu@163.com

TU43; P642; X43

A

1000-811X(2016)04-0134-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.023

趙川，付成華，歐陽朝軍，等. 水位下降對某懸索橋橋基邊坡穩(wěn)定性影響分析[J]. 災(zāi)害學(xué)，2016，31(4)：134-138. [ZHAO Chuan, FU Chenghua, OUYANG Chaojun,et al. Stability Analysis of a Suspension Bridge Foundation Slope under Drawdown Condition[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(4)：134-138. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.023.]