跨河桥梁对堤防安全稳定的影响分析

杨春瑞 张琼琼

跨河桥梁工程在堤防附近布置桥墩，桥墩采用钻孔灌注桩基，桩基施工破坏了堤身正常的土压力平衡。大桥建成后，由于汽车动荷载对桩基扰动作用，在土体和桩体之间形成空隙，易产生类似接触冲刷等渗流破坏，需进行堤防渗透稳定复核。本文针对大桥工程对堤防安全稳定的影响进行计算分析，提出了跨河桥梁对堤防安全稳定分析的方法，为堤防管理部门对堤防保护及管理提供了一些参考依据。

一、概述

随着人类社会经济的发展，交通建设步伐也随之加快，桥梁作为交通建设的重要组成部分，其数量也在急剧增加。跨河桥梁工程的桥墩采用钻孔灌注桩基，近堤脚桩基施工破坏了堤身正常的土压力平衡。桥墩建成后汽车动荷载对桩基扰动作用，在土体和桩体之间形成空隙，易产生类似接触冲刷等渗流破坏，需进行堤防安全稳定复核分析，分析大桥建成对堤防安全稳定的影响程度，采用有效措施减少不利影响。

本文运用跨河桥梁工程实例进行堤防安全稳定分析，实例为沙颍河下游段跨河桥梁工程。该桥梁工程于颍上闸下游31.5km处跨越沙颍河，下距沙颍河口约13.6km，颍河河道193+220，颍左堤7+845，颍河右堤183+992。大桥设计荷载采用城-A级，人群荷载采用3.5kN/m2，桥面宽22.0m，桥跨布置：桥台3.0m+左岸引桥先简支后连续预应力混凝土预制箱梁（5×30m+6×30m）+钢箱提篮拱桥70m+等截面预应力混凝土现浇箱梁2×45m+跨主河槽钢箱提篮拱桥160m+先简支后连续预应力混凝土预制箱梁（2×33+跨右堤40+33）m+右岸引桥先简支后连续预应力混凝土预制箱梁 （5×30m+4×30m）+桥台3.0m，全长1065m。该工程涉及颍河两岸堤防分别为淮北大堤颍左堤和颍河右堤，其中颍左堤为1级堤防，颍河右堤为2级堤防。

二、计算方法

1.渗流及渗透稳定计算

（1）计算条件

正常期：迎水侧设计洪水位，背水侧无水的不利工况。

陡降期：迎水侧由设计洪水位在48h内陡降到堤脚。

根据工程地质勘察报告。桩体附近土层看作透水性较好的土层。

（2）计算方法

依据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）中有关渗流及渗透稳定计算的规定，选用河海大学工程力学研究所研制的《水工结构有限元分析系统（AutoBANKv 7.0）》堤防渗流场计算程序，对堤防进行渗流及渗透稳定分析。计算原理如下：

对于稳定渗流，符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程：

式中：=（x，y）为待求水头势函数；x，y为平面坐标；kx，ky为 x，y轴方向的渗透系数。

1）在上游边界上水头已知

2）在逸出边界水头和位置高程相等

3）在某边界上渗流量q已知

其中：lx，ly为边界表面向外法线在x，y方向的余弦。

式中：[H]为渗透矩阵；{}为渗流场水头；{F}为节点渗流量。

求解以上方程组可以得到节点水头，据此求得单元的水力坡降，流速等物理量。求解渗流场的关键是确定浸润线位置，采用节点流量平衡法通过迭代计算自动确定浸润线位置和渗流量。

（3）计算结果

按计算条件所选定工况、参数和计算方法所确定的计算理论，对堤基进行渗透稳定分析，计算结果见表1。

2.抗滑稳定计算

（1）计算条件

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），堤防抗滑稳定计算工况取：①正常运用条件：设计洪水位，堤后无水，背水坡的稳定情况；设计洪水位骤降期迎水坡的稳定。稳定渗流期堤身稳定采用瑞典圆弧滑动法中的有效应力法进行计算，骤降期堤身稳定采用瑞典圆弧滑动法中的总应力法进行计算。②非常运用条件：多年平均水位+7度地震时的稳定情况，地质参数见表2.1-1。

（2）计算方法

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），稳定计算采用瑞典圆弧滑动计算，公式如下：

式中：W—土条重量（kN）；

Q、V—水平和垂直地震惯性力（V向上为负，向下为正）（kN）；

表1 堤防渗透稳定计算成果表

表2 堤防边坡稳定计算成果表

u—作用于土条底面的孔隙压力（kN/m2）；

α—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角（°）；

b—土条宽度（m）；

c'、'—土条底面的有效凝聚力（kN/m2）和有效内摩擦角（°）；

Mc—水平地震惯性力对圆心的力矩（kN·m）；

R—圆弧半径（m）。

计算结果见表2，

三、计算结果分析

从表1和表2计算结果知，考虑桥墩桩基贯穿覆盖层的不利影响，颍河左、右堤渗流及抗滑稳定复核均满足规范要求。近堤脚桥墩桩基布置穿透堤基覆盖层，增加了堤防发生渗漏、管涌的可能性，桥墩基础施工直接扰动堤基，车辆通行动载荷会对桥墩附近地基土层产生不利影响。虽然渗流稳定计算满足规范要求，但从计算图中可以看出，受近堤脚桥墩的影响，各种工况下计算水力坡降最大值均出现在桥墩和堤基的结合部位，该处易成为堤基渗透稳定的薄弱环节，施工中应加强质量控制，并作桥墩局部防渗处理。

四、采取措施

桥梁桩基施工后回填前基坑内积水应提前排除干净，混凝土、弃渣、浸泡表层土清除。近堤脚不具备放坡条件的承台基坑，回填土采用蛙式打夯机分层夯实，每层厚度按20cm控制，压实度根据堤防等级确定：颍左堤为0.95，颍河右堤为0.93。回填平压后，再拔除钢板（管）桩，桩孔立即做粘土球回填处理。迎水侧基坑待自然固结1月后，安排粘土灌浆处理，再实施桥墩局部防渗。

桥墩局部防渗处理设计原则：迎水侧采用截渗措施，从源头堵截渗流通道；背水侧采用导渗处理，将渗水安全导出降压，保护基土不随渗水流失而产生渗流破坏。此次防渗处理选用现行技术较为成熟、安全性较高的土工织物加反滤结构，即对迎水侧桥墩承台施工基坑开挖扰动部位用复合土工膜作截渗处理，土工膜上部回填夯实20cm厚的粘土封闭层，其上再砌筑12cm厚混凝土预制块护面作为保护层，并起到防冲作用；对背水侧桥墩承台施工基坑开挖扰动部位用土工布作反滤保护处理，土工布上分别铺筑10cm厚粗砂和级配碎石过渡层，其上再砌筑12cm厚混凝土预制块护面作为保护层。

桥面排水孔会对堤防土质堤坡及近堤脚护堤地造成较严重冲刷，因此在堤身及护堤地范围内大桥应避免设置排水孔，对受影响的堤坡、护堤地做必要防护。

五、结论与建议

跨河桥梁项目工程应合理安排施工进度计划，近堤桥墩桩基施工应避开高水位，尽量减少对基底土的扰动，避免堤基渗透破坏。对影响范围内的近堤脚桥墩基础作局部防渗处理和堤防迎水坡进行工程防护。通过有效措施的防护处理，大桥工程对堤防安全稳定的影响程度降到最低，为堤防保护及管理提供了参考依据