库水位变化对桥梁岸坡稳定性的影响研究

叶 子

（江西科信水利工程勘测设计有限公司，江西 上饶 334000）

我国沿江河湖布置的交通工程占比大，拥有大量的库岸桥梁、公路及铁路[1]。库区水位变化对岸坡岩土体物理力学性能影响较大，水位变化将改变岩土体的饱和-非饱和状态，使岩土体基质吸力与孔隙水压力发生改变，从而影响岸坡岩土层的变形沉降，甚至能诱发岸坡滑坡、崩塌等地质灾害，进而影响岸坡稳定性以及库岸桥梁等结构的安全性[2-8]。因此，研究含桥梁结构库岸边坡在不同水位变化下的稳定性状况，对保障岸坡的稳定性及桥梁等结构的安全运营具有重要意义。目前，学者们主要研究了库区水位变化对常规边坡与桥梁等结构基础的稳定性影响，鲜有考虑桥梁的汽车荷载。本文依托某库岸桥梁边坡工程，采用GTS-NX 软件建立含桥梁结构岸坡的有限元模型，分析高低恒水位和骤降变水位工况下岸坡的应力变形分布、桥墩变形特征与岸坡稳定性状况，对既有桥梁结构岸坡进行安全评估。

1 工程概况

为研究库区水位变化对含桥梁结构岸坡的稳定性影响，选取四川盆地东南部某水库的含桥梁结构岸坡为研究对象。桥梁为整体式，全长260 m，设计为2桥台、5桥墩，上部结构采用6×40 m简支T梁，下部结构为双柱式桥墩，桥台为“U”形重力式桥台。含桥梁岸坡地区属低中山地貌区，场地地形处于冲沟两侧，地势总体南北高、中间低，左右两岸斜坡坡度角为27°～35°和35°～42°。库岸桥区地层为第四系崩坡堆积层和侏罗系下统珍珠冲组，以泥岩、泥质砂岩、砂岩为主，岩石较致密，裂隙较发育。岩层呈单斜产出，产状305°∠55°，区内未见断层结构，属单一构造区。

2 数值模型的建立

2.1 有限元数值模型

为分析不同水位情况下含桥梁结构岸坡的稳定性，利用GTS-NX 软件建立了含桥梁结构岸坡的有限元计算模型。如图1 所示，模型包括桥梁结构和岸坡，其中桥梁桩基深度从左至右分别为19.7、23.0、18.0、19.0 和10.0 m。梁体、桩体采用1D 梁单元进行模拟，单元网格尺寸为1 m×1 m；岸坡实体采用混合网格进行划分，混合网格尺寸为1 m×1 m。岸坡地层从上至下主要为碎块石土、泥岩、砂岩，砂岩和泥岩物理力学参数为现场试验结果，碎石土参照工程地质手册取的经验值，具体参数详见表1。岩土体采用M-C屈服准则，结构采用线弹性材料。

图1 数值计算模型及其网格划分

表1 地层及材料参数

2.2 边界条件及计算工况

为获得不同实际工况下含桥梁结构岸坡的力学响应特征，数值计算考虑了汽车荷载、重力恒载和水压力荷载等作用。首先对整体边坡网格组施加重力，然后施加水荷载及车辆荷载，水荷载体现于岩土体材料的饱和、天然状态的变化，桥梁车辆荷载根据计算得到的质点反力施加于各个桥墩的墩顶，桥墩从左至右施加反力分别为14 711、15 124、11 151、14 760和15 280 kN（桥墩编号依次为1#—5#）。边界条件设置如下：底部约束水平和竖向位移，左右两侧约束水平位移。计算工况设置为：低水位（水位高程1 238 m）、高水位（水位高程1 273 m）和骤降水位（水位高程1 273 m 降至1 238 m）3 种水位工况。水位线以上岩土体取天然黏聚力、天然内摩擦角、天然容重，而水位线以下岩土体则取饱和状态参数。模型计算时，通过设定不同水位线从而赋予岩土体材料不同状态下的力学指标，即静水位时水位线为水平线、水位骤降时水位线为浸润线。

3 结果及分析

3.1 含桥梁结构岸坡的应力变形特征

数值模拟获得了3 种水位工况下含桥梁结构岸坡的位移变化与应力分布特征，如图2 所示。对于低水位工况，由于岸坡水位较低，岸坡所受荷载主要为桥梁上的车辆荷载，最大水平位移出现于右岸5#桥墩附近的岩土体为0.87 mm，最大竖向位移出现于3#桥墩顶部为6.07 mm；对于高水位工况，水库蓄水至高水位，使得水位线以下土体变为饱和状态，最大水平位移出现于左岸土体为2.62 mm，最大竖向位移出现于左岸坡体为15.9 mm；对于骤降水位工况，最大水平位移出现于左岸土体为2.58 mm，最大竖向位移出现于右岸坡体为13.62 mm。总体而言，水位的变化对岸坡变形影响较小。

图2 高水位工况下含桥梁结构岸坡的位移云图

提取出各桥墩及桥台底部岸坡位移值详见表2，发现3 种工况下左右桥台最大水平位移相差不大，在1 mm以内；最大竖向位移出现于高水位工况，达到15.44 mm，较低水位和骤降水位工况分别增加了15.97 mm和3.34 mm。对于1#—5#桥墩，最大水平位移和最大竖向位移均出现于高水位工况，分别为2.29 mm和11.24 mm，较低水位和骤降水位工况分别增加了2.18 mm和0.32 mm、13.52 mm和5.18 mm。总而言之，高水位工况对含桥梁结构岸坡的变形影响最大。此外，通过岸坡的应力分布云图发现：岸坡最大拉应力出现在右岸桥墩位置，为0.42 MPa；最大压应力均出现于库区底部，最大值为2.61 MPa，小于基岩强度，表明水位的变化对桥墩的变形和内力影响较小。

表2 不同水位工况下各桥墩底部岸坡位移值 mm

3.2 含桥梁结构岸坡的稳定性分析

数值模拟得到了不同水位工况下含桥梁结构岸坡的稳定性系数。为更好研究桥梁结构与上覆汽车载荷对岸坡稳定性的影响，设计了无桥梁结构的普通岸坡模拟对照组（包括左岸边坡和右岸边坡2组模型）。结果发现，对于含桥梁结构岸坡，由于桥梁的桩体结构对岸坡稳定性具有一定的加固作用，3种水位工况下最危险滑弧均出现于左岸，如图3所示，最小稳定性系数为1.40，出现于水位骤降工况。对于无桥梁结构的普通岸坡，由于没有桥梁结构的加固作用，高水位和水位骤降条件下，岸坡稳定性系数均减小；由于左岸坡度角更大影响，左岸边坡稳定性系数均小于右岸，其中左岸边坡在水位骤降工况时的稳定性系数最小为1.05，而右岸边坡稳定性系数为1.22。此外，还发现左岸最危险滑弧剪出口在坡脚位置，在低水位和高水位时最危险滑弧剪出口位置较水位骤降工况时更高，沿堆积层土岩分界线分布。根据水利水电工程边坡设计规范，左岸边坡属于欠稳定状态，需要对其进行加固处理。如对碎石土层较薄处可进行清方处理，对于厚度较大的碎石土层可采用抗滑桩加固等措施。

图3 骤降水位工况下岸坡最大剪切应变云图

4 结论

基于GTS-NX 软件建立了含桥梁结构的岸坡稳定性计算模型，分析了3 种水位工况下岸坡应力变形分布、桥墩桥台变形特征与岸坡稳定性状况，获得以下结论。

（1）3 种工况下岸坡最大水平位移和竖向位移分别为0.87～2.62 mm 和6.07～15.9 mm；高水位工况对桥梁岸坡变形影响最大，此时岸坡水平位移和竖向变形分别为2.62 mm和15.9 mm。

（2）3 种工况下左右桥台最大水平位移相差小，最大竖向位移出现于高水位工况，为15.44 mm；桥墩的最大水平位移和竖向位移出现于高水位工况，分别为2.29 mm和11.24 mm。

（3）由于桥梁对岸坡的加固作用，桥梁岸坡最小稳定性系数为1.40，不同水位工况下最危险滑弧均在左岸；无桥梁岸坡的左岸稳定性系数小于右岸，在水位骤降工况下左、右岸坡稳定性系数最小，分别为1.05 和1.22，左岸边坡为欠稳定状态，需对其进行加固处理。