楊春瑞 張瓊瓊

跨河橋梁工程在堤防附近布置橋墩，橋墩采用鉆孔灌注樁基，樁基施工破壞了堤身正常的土壓力平衡。大橋建成后，由于汽車動荷載對樁基擾動作用，在土體和樁體之間形成空隙，易產(chǎn)生類似接觸沖刷等滲流破壞，需進行堤防滲透穩(wěn)定復核。本文針對大橋工程對堤防安全穩(wěn)定的影響進行計算分析，提出了跨河橋梁對堤防安全穩(wěn)定分析的方法，為堤防管理部門對堤防保護及管理提供了一些參考依據(jù)。

一、概述

隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，交通建設步伐也隨之加快，橋梁作為交通建設的重要組成部分，其數(shù)量也在急劇增加?？绾訕蛄汗こ痰臉蚨詹捎勉@孔灌注樁基，近堤腳樁基施工破壞了堤身正常的土壓力平衡。橋墩建成后汽車動荷載對樁基擾動作用，在土體和樁體之間形成空隙，易產(chǎn)生類似接觸沖刷等滲流破壞，需進行堤防安全穩(wěn)定復核分析，分析大橋建成對堤防安全穩(wěn)定的影響程度，采用有效措施減少不利影響。

本文運用跨河橋梁工程實例進行堤防安全穩(wěn)定分析，實例為沙潁河下游段跨河橋梁工程。該橋梁工程于潁上閘下游31.5km處跨越沙潁河，下距沙潁河口約13.6km，潁河河道193+220，潁左堤7+845，潁河右堤183+992。大橋設計荷載采用城-A級，人群荷載采用3.5kN/m2，橋面寬22.0m，橋跨布置：橋臺3.0m+左岸引橋先簡支后連續(xù)預應力混凝土預制箱梁（5×30m+6×30m）+鋼箱提籃拱橋70m+等截面預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁2×45m+跨主河槽鋼箱提籃拱橋160m+先簡支后連續(xù)預應力混凝土預制箱梁（2×33+跨右堤40+33）m+右岸引橋先簡支后連續(xù)預應力混凝土預制箱梁 （5×30m+4×30m）+橋臺3.0m，全長1065m。該工程涉及潁河兩岸堤防分別為淮北大堤潁左堤和潁河右堤，其中潁左堤為1級堤防，潁河右堤為2級堤防。

二、計算方法

1.滲流及滲透穩(wěn)定計算

（1）計算條件

正常期：迎水側(cè)設計洪水位，背水側(cè)無水的不利工況。

陡降期：迎水側(cè)由設計洪水位在48h內(nèi)陡降到堤腳。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告。樁體附近土層看作透水性較好的土層。

（2）計算方法

依據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）中有關滲流及滲透穩(wěn)定計算的規(guī)定，選用河海大學工程力學研究所研制的《水工結構有限元分析系統(tǒng)（AutoBANKv 7.0）》堤防滲流場計算程序，對堤防進行滲流及滲透穩(wěn)定分析。計算原理如下：

對于穩(wěn)定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數(shù)滿足微分方程：

式中：=（x，y）為待求水頭勢函數(shù)；x，y為平面坐標；kx，ky為 x，y軸方向的滲透系數(shù)。

1）在上游邊界上水頭已知

2）在逸出邊界水頭和位置高程相等

3）在某邊界上滲流量q已知

其中：lx，ly為邊界表面向外法線在x，y方向的余弦。

式中：[H]為滲透矩陣；{}為滲流場水頭；{F}為節(jié)點滲流量。

求解以上方程組可以得到節(jié)點水頭，據(jù)此求得單元的水力坡降，流速等物理量。求解滲流場的關鍵是確定浸潤線位置，采用節(jié)點流量平衡法通過迭代計算自動確定浸潤線位置和滲流量。

（3）計算結果

按計算條件所選定工況、參數(shù)和計算方法所確定的計算理論，對堤基進行滲透穩(wěn)定分析，計算結果見表1。

2.抗滑穩(wěn)定計算

（1）計算條件

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013），堤防抗滑穩(wěn)定計算工況取：①正常運用條件：設計洪水位，堤后無水，背水坡的穩(wěn)定情況；設計洪水位驟降期迎水坡的穩(wěn)定。穩(wěn)定滲流期堤身穩(wěn)定采用瑞典圓弧滑動法中的有效應力法進行計算，驟降期堤身穩(wěn)定采用瑞典圓弧滑動法中的總應力法進行計算。②非常運用條件：多年平均水位+7度地震時的穩(wěn)定情況，地質(zhì)參數(shù)見表2.1-1。

（2）計算方法

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013），穩(wěn)定計算采用瑞典圓弧滑動計算，公式如下：

式中：W—土條重量（kN）；

Q、V—水平和垂直地震慣性力（V向上為負，向下為正）（kN）；

表1 堤防滲透穩(wěn)定計算成果表

表2 堤防邊坡穩(wěn)定計算成果表

u—作用于土條底面的孔隙壓力（kN/m2）；

α—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角（°）；

b—土條寬度（m）；

c'、'—土條底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效內(nèi)摩擦角（°）；

Mc—水平地震慣性力對圓心的力矩（kN·m）；

R—圓弧半徑（m）。

計算結果見表2，

三、計算結果分析

從表1和表2計算結果知，考慮橋墩樁基貫穿覆蓋層的不利影響，潁河左、右堤滲流及抗滑穩(wěn)定復核均滿足規(guī)范要求。近堤腳橋墩樁基布置穿透堤基覆蓋層，增加了堤防發(fā)生滲漏、管涌的可能性，橋墩基礎施工直接擾動堤基，車輛通行動載荷會對橋墩附近地基土層產(chǎn)生不利影響。雖然滲流穩(wěn)定計算滿足規(guī)范要求，但從計算圖中可以看出，受近堤腳橋墩的影響，各種工況下計算水力坡降最大值均出現(xiàn)在橋墩和堤基的結合部位，該處易成為堤基滲透穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)，施工中應加強質(zhì)量控制，并作橋墩局部防滲處理。

四、采取措施

橋梁樁基施工后回填前基坑內(nèi)積水應提前排除干凈，混凝土、棄渣、浸泡表層土清除。近堤腳不具備放坡條件的承臺基坑，回填土采用蛙式打夯機分層夯實，每層厚度按20cm控制，壓實度根據(jù)堤防等級確定：潁左堤為0.95，潁河右堤為0.93。回填平壓后，再拔除鋼板（管）樁，樁孔立即做粘土球回填處理。迎水側(cè)基坑待自然固結1月后，安排粘土灌漿處理，再實施橋墩局部防滲。

橋墩局部防滲處理設計原則：迎水側(cè)采用截滲措施，從源頭堵截滲流通道；背水側(cè)采用導滲處理，將滲水安全導出降壓，保護基土不隨滲水流失而產(chǎn)生滲流破壞。此次防滲處理選用現(xiàn)行技術較為成熟、安全性較高的土工織物加反濾結構，即對迎水側(cè)橋墩承臺施工基坑開挖擾動部位用復合土工膜作截滲處理，土工膜上部回填夯實20cm厚的粘土封閉層，其上再砌筑12cm厚混凝土預制塊護面作為保護層，并起到防沖作用；對背水側(cè)橋墩承臺施工基坑開挖擾動部位用土工布作反濾保護處理，土工布上分別鋪筑10cm厚粗砂和級配碎石過渡層，其上再砌筑12cm厚混凝土預制塊護面作為保護層。

橋面排水孔會對堤防土質(zhì)堤坡及近堤腳護堤地造成較嚴重沖刷，因此在堤身及護堤地范圍內(nèi)大橋應避免設置排水孔，對受影響的堤坡、護堤地做必要防護。

五、結論與建議

跨河橋梁項目工程應合理安排施工進度計劃，近堤橋墩樁基施工應避開高水位，盡量減少對基底土的擾動，避免堤基滲透破壞。對影響范圍內(nèi)的近堤腳橋墩基礎作局部防滲處理和堤防迎水坡進行工程防護。通過有效措施的防護處理，大橋工程對堤防安全穩(wěn)定的影響程度降到最低，為堤防保護及管理提供了參考依據(jù)