既有尾矿库对邻近桥梁安全运行影响分析

王博文

(诚合瑞正风险管理咨询有限公司 北京 100855)

1 引言

桥梁施工经常存在邻近既有建(构)筑物的情况，对桥梁施工或运营存在一定的影响。国内外学者对既有建(构)筑物对邻近桥梁施工或运营的影响进行了大量的研究，李世仲[1]针对某过江隧道建立盾构开挖隧道施工仿真数值模型，分析了新建隧道施工过程中地表沉降、对既有桥桩的受力和变形的影响。孙雪兵[2]以武汉地铁3号线隧道下穿既有铁路桥梁工程为背景，在ANSYS平台上进行数值仿真分析，得出盾构下穿过程中，桥梁及其桩基主要发生沉降变形的结论。张翼鹏[3]对高速铁路沿线抽水井降水导致的桥梁基础沉降进行数值仿真分析，结果表明:抽水后场地沉降及孔隙水压力均呈漏斗状分布，抽水结束后土体最终沉降趋于稳定，桥梁桩基下半段以及桩底的正应力有所增加。倪恒[4]研究了河道开挖、弃土堆载对桥墩和承台的竖向位移、横向位移的影响规律。翟强[5]基于SPA法提出盾构隧道施工对邻近桥梁安全评价方法，以5座被下穿桥梁为例，对其进行安全风险评价和敏感度分析，相关研究成果可为施工前期盾构的选型和地质适应性研究提供依据。高宏伟[6]等以宁波滨海新建杭甬高速公路复线宁波段高架桥紧邻围垦工程为例，研究桥梁与海堤在不同距离情况下，新建桥梁施工、海堤施工、围垦填土等工序对邻近桥梁桩基的影响。杨静[7]以某高架桥下的基坑开挖工程为例，采用强度折减有限元方法，分析基坑开挖引发的边坡稳定性问题以及不同的基坑支护方案对邻近高架桥梁桩基础变形的影响。张凯[8]通过对开挖过程中基坑、桥梁基础变形监测数据进行对比分析，对管廊基坑邻近桥梁基础开挖防护施工技术进行总结。王凯[9]以北京地铁16号线下穿苏州桥为工程背景，探讨叠落隧道施工对邻近桥梁变形的影响机制及相应的保护措施。

虽然国内外学者对邻近既有桥梁施工，对其造成的影响进行了大量研究[10－12]，但是对既有废弃尾矿库对桥梁安全运营的影响分析还很少，本文以某公路桥邻近一废弃尾矿库为例，研究既有废弃尾矿库对桥梁安全运营的影响，以期为类似工程安全评估提供参考。

2 工程概况

某高速公路邻近一既有废弃尾矿库，该尾矿库库容约3.2万m3，坝顶高程约415.0 m，最大坝高约9.0 m。为了减少尾矿库对高速公路运行的影响，高速公路在尾矿库下游以桥梁形式通过，如图1所示。桥梁上部结构采用箱梁，梁高为1.8 m。目前该尾矿库废弃已久，其排洪系统和排水系统均缺失，在降雨汇流情况下可能发生滑坡和泥石流，对其下游的公路桥梁安全运营造成威胁，因此需要分析尾矿库一旦发出灾害对下游公路桥梁的影响。

图1 尾矿库与公路桥的相对位置关系

3 尾矿库安全性分析

3.1 渗流场分析

该尾矿库为山谷型尾矿库，相对于尾矿砂材料而言，尾矿库周边的山体基岩可以看作为不透水材料，因此在渗流分析中只考虑尾矿库自身的渗流作用。根据勘察单位提供的地质剖面资料确定计算剖面的几何边界及材料分层情况，材料参数如表1所示。建立有限元计算模型，如图2所示。

表1 库区土层物理力学参数

图2 坝体二维渗流有限元计算模型

由于该尾矿库已经废弃，目前没有正常水位，因此只需研究洪水作用下尾矿库的渗流场分布情况。根据勘察单位提供的资料，尾矿库最高洪水位为414.4 m，对该水位条件下尾矿库进行渗流场数值分析，可确定出浸润线，如图3所示，水力比降分布如图4所示。

图3 尾矿库洪水工况下坝体浸润线

图4 尾矿库洪水工况下水力比降

由图3可以看出，在洪水工况下，尾矿库内大部分浸润线位置较低，埋深较大。从图4可以看出，水力比降较大的区域分布在尾矿水入渗处和坝体上游坡面附近，最大值约为0.34。由此可见，在洪水作用工况下，尾矿库坝体内部浸润线埋深大，水力比降不大，尾矿库渗流稳定，能满足要求。

3.2 坝坡稳定性分析

为了全面分析该尾矿库的稳定性，对尾矿库的坝体抗滑稳定性进行分析，参考相关规范，采用“瑞典圆弧法”和“简化Bishop法”两种方法进行分析，坝体最危险的滑动面分布如图5所示。

图5 尾矿库抗滑稳定性计算结果

安全系数计算结果如表2所示。通过计算表明:洪水工况和地震工况下尾矿库的坝体抗滑安全系数均能够满足现行规范要求，表明坝体稳定。

表2 尾矿库坝坡抗滑稳定最小安全系数(临界滑动面)

3.3 尾矿库泥石流危险性分析

通过以上分析可知，尽管尾矿库的抗滑稳定性满足规范要求，但尾矿库排洪和排水设施已经失效，沉积滩不平整，一旦洪水超标入库后，可能发生洪水漫顶，导致该尾矿库溃坝，对下游桥梁安全产生影响。基于此，建立尾矿库溃坝数值模型，分析尾矿库溃坝后泥石流的演化规律，确定溃坝泥石流在公路桥位置的泥深和流速，以此为基础评价溃坝泥石流对公路桥的影响。

3.3.1 坝体溃决范围

洪水漫顶下尾矿库溃坝机理非常复杂，在洪水冲蚀作用下，形成坝面冲沟；随着冲沟的加深，冲沟两侧土体会发生崩塌或滑坡，崩塌后的土体被洪水带走。该过程反复进行，直至库内洪水排尽，且溃口边坡能保证稳定，整个溃坝过程才会终止。目前，尚没有一个公认的模型确定尾矿库的溃坝范围，一般参考洪水漫顶作用下水库土石坝的溃口模型进行计算:

式中:W为溃坝时的贮水量；B为溃坝时坝前水面宽度；H为溃坝时水头；K为与坝体材料有关的系数，文中取1.3。

尾矿库不完全雷同于水库土坝:水库中存水丰富且水位深，而溃坝以冲蚀为主，只考虑土坝的冲蚀作用即可，计算可参考堰流模型；尾矿库中只存在沉降滩，存水较少且水位浅，洪水在整个尾矿库库面上流动，后期冲蚀更类似于明渠，因此尾矿库溃坝范围尚应综合考虑尾矿坝自身稳定性。

考虑到在洪水冲蚀作用下，尾矿库的初期坝体在溃坝过程中往往被破坏，按照尾矿库初期坝全溃结合尾矿库坝体自身稳定性，确定尾矿库溃坝范围，如图6所示。尾矿坝单宽的总溃坝量为356 m3/m。在泥石流危险性分析中，其流体的模拟一般采用宾汉流体模型:

图6 尾矿库溃坝二维数值计算模型

式中:τ0为极限剪应力；μ为粘滞系数。

根据尾矿库材料及洪水流量，结合泥石流流变参数经验计算公式，可确定泥石流物理力学参数，如表3所示。

表3 溃坝泥石流物理力学参数

考虑到溃坝过程的复杂性，偏安全考虑，按瞬间全溃计算泥石流到达桥墩位置流速分布、泥石流埋深等典型参数。

3.3.2 桥梁位置泥石流泥深和流速

泥石流对结构物的冲击力与泥石流在该位置的泥深和流速直接相关，本文采用数值仿真分析溃坝泥石流在桥梁位置的演进规律，确定演进过程中桥梁位置最不利泥深和流速，以此分析泥石流对桥梁的影响。

桥梁位置泥石流流速随时间的变化规律如图7所示。由于尾矿库距桥梁位置较近，桥梁位置泥石流流速在短时间内迅速增加，在第3 s达到最大值，此时最大流速为6.8 m/s，随后流速逐渐减小，到150 s时基本趋近于0 m/s，表明泥石流在该位置基本停止演进。

图7 桥梁位置泥石流流速变化曲线

在桥梁位置泥深随时间的变化规律如图8所示。桥梁位置泥深在短时间内迅速增加，在第3 s达到最大值2.8 m，随后泥深逐渐减小，到150 s时泥深为0.8 m。结合图7综合判断，泥石流此时基本趋于稳定。

图8 桥梁位置泥石流泥深变化曲线

4 尾矿库溃坝对桥梁影响

4.1 溃坝对桥梁上部结构影响

根据泥石流泥深演进规律可知，泥石流在桥梁位置最大淹没标高为410 m，而桥面标高为416.8 m，因此尾矿库溃坝泥石流不会淹没公路桥桥面，不会威胁到路面行车安全。

该公路桥面标高为416.8 m，梁高为1.8 m，而泥石流最大淹没标高为410 m，因此泥石流不会对桥梁上部结构产生冲击，但可能会影响到桥墩的安全性。

4.2 溃坝对公路桥墩影响

根据以上分析，泥石流对桥梁的影响主要体现在对桥墩的冲击力上。考虑到尾矿库坝体主要由粉细砂和尾矿土构成，泥石流中不存在大的块石，因此可以不考虑大块石对桥墩的冲击，同时泥石流为稀性泥石流，根据«泥石流灾害防治工程设计规范»(DZ/T 0239—2014)，泥石流对单宽桥墩作用力:

式中:γc为泥石流容重；λ为桥墩迎流面形状系数；v为流速；α为桥墩受力面与泥石流的夹角；h为泥石流深度。代入相关数据得出:pc＝199 kN/m。根据设计资料，桥梁钢筋混凝土墩柱直径为1.6 m，其设计抗剪力[Vn]＝1 219.8 kN。

偏危险考虑，泥石流对桥墩的作用力为:V＝199×1.6＝318.4 kN<[Vn]，因此在泥石流冲击下，能够保证桥墩的安全性。

5 结束语

本文研究了既有废弃尾矿库对下游桥梁的影响，得出主要结论如下:

(1)对尾矿库进行渗流和稳定分析，结果表明尾矿库处于稳定状态，发生滑坡的可能性较小。

(2)考虑到尾矿库排洪系统缺失，超标洪水入库可能出现洪水漫顶导致溃坝，基于此，建立尾矿库溃坝数值仿真模型，分析溃坝泥石流的演进规律，确定出溃坝泥石流在桥梁位置的深度和演进流速；同时根据泥石流特征参数，计算泥石流对桥墩的冲击力。本文相关研究成果可为类似工程的安全分析提供参考。