鲁地拉水库金鸡达旦河拱桥段库岸稳定性评价

鲁志强，徐伟然

(1.云南省交通规划设计研究院陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室，昆明 650041；2.云南大永高速公路建设指挥部 云南 大理 671000)

0 前 言

桥梁经常被用来跨越地表水体，地表水体的库岸和工程结构会形成相互作用，桥梁必须选址在不存在整体稳定问题和塌岸不严重地段。因此，作为线路控制性工程的桥梁一般必须先进行桥基岸坡稳定性评价，避免长期作用会威胁桥基安全的地段。

当前对于库岸稳定性的研究，多利用历史库岸资料，形成经验公式对其塌岸宽度进行预测，水利水电工程领域的研究成果较多[1-8]；利用数值模型和物理模型试验，研究水力作用下库岸的长期稳定性，预测塌岸宽度，一般针对大型工程，航道部门的研究成果居多[9-13]；利用数值分析，计算库岸边坡的稳定性，研究成果多集中岩土工程领域[14-18]。总体而言，目前尚未有统一的计算理论和方法，多数为地区经验公式。本文以金鸡达旦河拱桥跨越鲁地拉水库段库岸为研究对象，利用历史库岸调查、塌岸宽度预测经验公式和slide极限平衡法等定性和定量相结合的方法，评价库岸稳定性，探讨库岸稳定和工程结构的相互影响机制，建议最优选址方案，给出兼顾整体和局部稳定、当前与长期稳定的工程建议措施。

1 工程概况及计算方案设计

1.1 金鸡达旦河拱桥桥址区工程地质条件简介

金鸡达旦河拱桥起点里程K73+936，止点里程K74+414，桥梁全长478 m，为跨越金鸡达旦河所设，是整条路线的控制性工程之一。桥址区有省道(S220)及通村公路通达，交通条件便利。金鸡达旦河大桥两岸从表露的岩层条件看，岩体相对松软，破碎。烧香岛岸为历史崩滑扰动岩体，公路岸坡面有近期工程弃渣堆积，库水易对坡体形成冲刷侵蚀，形成塌岸，影响岛岸桥基的长期稳定性。两岸地形条件见图1。

图1 金鸡达旦河拱桥桥位示意图Fig.1 Site of the Jinjidadan river arch bridge

拟建桥址区位于片角镇下六村，属永胜县所辖(图2)。拟建大桥从下六村东侧烧香岛跨越鲁地拉水电站库区-达旦河，小里程大理岸位于烧香岛，大里程永胜岸位于既有公路岸。岛岸侧向塌岸问题突出，邻村一侧和沿山脊方向塌岸规模相对较小。

图2 桥址及剖面位置平面图Fig.2 Plan of the Taoyuan bridge site and profile

拟建大桥从下六村东侧烧香岛跨越鲁地拉水电站库区-达旦河而设，原地面高程1 200(原沟底)～1 297 m(烧香岛顶)，库水位1 212～1 223 m，属河流侵蚀堆积河谷。

拟建桥址区范围内地层岩性十分复杂，自上而下分别如下：①第四系全新统崩坡积层(Qcol+dlh)，粉质黏土(单元层代号为①-1)，碎石土(单元层代号为①-2)。②第四系全新统冲洪积层(Qal+plp)，圆砾夹卵石(单元层代号为②)。③第四系全新统冲湖积层(Qal+plp)，粉细砂(单元层代号为③)，粉土(单元层代号为④)。④二叠系下统(D2)，灰岩(单元层代号为⑤)，未钻穿。桥轴线工程地质纵断面揭示的地层空间关系见图3。

图3 桥轴线工程地质纵断面图Fig.3 Bridge axial engineering geologic profile

根据勘察土工试验成果、原位测试(标准贯入试验及动力触探试验等)、数值反分析并结合工程类比，综合确定各岩土层的主要物理力学指标见表1。

表1 主要岩土层计算参数建议值Tab.1 Computing parameters for main strata

拟建桥址区属侵蚀剥蚀堆积地貌，属不均匀地基，处于中甸～大理地震带内，地震活动相对强烈，故桥址区划分为对建筑抗震不利地段。拟建桥址区为中硬土类型，覆盖层厚度大于5 m，场地类别为II类。拟建桥址区为粉细砂土层为第四系更新统近半成岩，不存在砂土液化问题。

根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2015，测区地震动峰值加速度为0.30 g，地震动反应谱特征周期0.45 s，与之对应的地震基本烈度为Ⅷ度。

拟建桥址区主要地表水为鲁地拉水库，地下水为松散孔隙水。

1.2 计算工况设计

库岸稳定性的计算与评价共包括两部分：水库塌岸预测；库岸边坡稳定性评价。现将该部分研究涉及的计算方法、计算理论和评价标准，论述如下。

1.2.1 水库塌岸预测

库岸再造是一个十分复杂的地质历史过程,受诸多因素的控制和影响,塌岸预测难度很大，经验方法众多，本文选择王跃敏提出的适用于我国南方山区的峡谷型水库的两段法进行塌岸宽度预测，其原理见图4。

图4 两段法预测塌岸宽度图解Fig.4 Diagram of Two-segment method for bank slump width prediction

以原河道多年最高洪水位与岸坡交点A为起点, 以α为倾角绘出水下稳定岸坡线, 该线延伸至设计洪水位加毛细水上升高度的高程点B, 再以B点为起点, 以β角为倾角绘出水上稳定岸坡线, 该线与原岸坡的交点C即为水上稳定岸坡的终点。水上稳定岸坡线的起点B的高程所对应的原岸坡点D与该线终点C之间的水平距离, 即为“两段法”预测的坍岸宽度Sk, 使用“两段法”首先要解决以下问题:

(1)从水库的洪、枯水面线图及回水曲线图中, 准确地计算出各库岸段的设计洪水位, 确定沿库岸的最高淹没边界。

(2)对岸坡地层取多组试样试验, 以得出较准确的C、φ、γ、γs、H′试验结果, 确保β、α计算准确。

(3)对条件相似的水库资料, 应现场调查、收集多组β、α数据, 再与计算出的数据比较选用。

通过综合计算法计算水上稳定坡角，用增大内摩擦角的方法来考虑凝聚力c的影响，用式(1)计算φ0。

φ0=arctan[tanφ+c/(γH)]

(1)

经过王跃敏的研究，其推荐的不同土性和岩性的物理力学性质下的水下稳定坡角统计列于表2。

表2 水下稳定坡角调查结果统计表Tab.2 Statistical table of underwater stable slope angle

1.2.2 再造库岸边坡稳定性计算

库岸边坡等级参考公路路基设计规范(JTG D30-2015)以及相关的滑坡防治工程技术要求，并考虑其可能造成的危害及对涛源金沙江大桥基础的影响，边坡防治等级拟定为1级边坡。

计算采用《公路路基设计规范》JTG D30-2015推荐的极限平衡法，对于圆弧滑面，采用简化Bishop法；对于非圆弧滑面，采用严格满足力和力矩平衡的Morgenstern-Price法。

边坡安全控制标准，参考《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中高速公路、一级公路的路堑边坡相关要求以及相关滑坡防治工程技术要求，并考虑其可能造成的危害大小，拟定为1级边(滑)坡，其安全系数控制标准为1.20～1.30。参考水利行业标准《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)，按一级边坡考虑，库水骤降条件下边坡安全系数为1.20～1.25。对于地震荷载下边坡安全系数控制，《公路工程抗震规范》(JTG B02 2013)规定，高速公路路基边坡高度大于20 m的，边坡抗震稳定安全系数不应小于1.15；边坡高度小于等于20 m的，边坡抗震稳定安全系数不应小于1.1。

计算工况分为3类，①自然条件：考虑包括岩土体自重、孔隙水压力和作用在边坡表面的外荷载。②库水骤降：考虑库水由正常蓄水位降低5 m和10 m两种情况。③地震作用：依据场区地震评价结果，地震工况下水平地震加速度取0.3 g。地震荷载依据公路工程抗震设计规范处理方法如下：

Ens=CiC2KnGs

(2)

式中：Ens为水平地震荷载；Ci为重要性修正参数，取Ci=1.3；C2为综合影响系数，C2=0.25；Kn为水平地震系数；Gs为重力。

2 基于历史调查的库岸稳定性评价

2.1 历史调查资料揭示的库岸稳定性

金鸡达旦河拱桥桥址区地质情况相对简单，根据历史资料的搜集和整理，该区库岸经历过多次规模不一的人类工程活动的改造，其中公路建设在靠近公路一侧主要是堆积了部分弃渣；水库建设主要是对既有库岸的侵蚀作用。由于岛岸上部地层为土体，其水稳性相对较差，在水位变动范围形成高度不一的塌岸陡壁，岛岸库岸稳定性相对较差，需要注意其长期安全性对桥基墩台的影响；公路岸地形相对较缓，表层土体已经历一段时期库水的作用，目前来看库岸稳定，库岸长期稳定对该侧墩台的影响有限。历史库岸见图5。

图5 历史库岸照片Fig.5 Historical reservoir banks

可以看出，老金鸡达旦河桥主要是跨越金鸡达旦河，运行多年，且桥基稳定，但通行能力不高。鲁地拉水库建成蓄水后淹没，蓄水后流速减缓，河流下切侵蚀减缓，库水位波动范围内在烧香岛岸存在一定库岸稳定问题，没有大规模库岸稳定问题。

2.2 现状调查揭示的库岸稳定性

经过现场踏勘和地面调查,金鸡达旦河大桥两岸库岸边坡没有明显的变形滑移迹象，烧香岛山脊边坡和二级公路岸边坡处于稳定状态，可以作为桥梁选址，现状地形和库岸见图6。

图6 桥址区现状库岸照片Fig.6 Current reservoir banks of bridge site

从图6可知，大理岸坐落在烧香岛山脊临村一侧，桥轴线和临村侧地形相对较缓，既有公路岸地形相对较缓，桥基边坡整体稳定。现状库岸不存在大规模变形迹象，可以作为桥梁选址。

2.3 库岸再造现象

鲁地拉电站蓄水仅两年，在相对松散的地段出现库岸水的崩塌，特别是在金鸡达旦河大桥烧香岛岸沿桥轴线横断面方向库岸已有部分崩岸现象，临公路侧塌岸程度要比临村侧严重，见图7。

图7 典型塌岸Fig.7 Historical evidences of typical bank slump

崩塌主要发生在松散碎石土和湖相沉积地层位置，这些地层在库水位变化范围内容易形成冲刷、掏蚀破坏，本身水稳定较差。不过规模有限，不存在整体库岸稳定问题。

2.4 未来一段时期库岸潜在问题及其影响预测

金鸡达旦河大桥沿桥轴线两岸库岸的稳定性不存在问题，二级公路岸的库岸稳定性问题对桥基墩台基础的长期影响有限，只需要考虑历史填土的适当工程加固措施即可。烧香岛岸需要考虑横断面方向库岸坍塌问题带来的桥基墩台的长期安全问题，可以考虑将墩台往地形稍缓的临村方向偏移，同时需要采取加固措施以减缓和有效控制塌岸速度及规模。

3 基于塌岸预测和再造库岸边坡稳定性评价的库岸稳定性评价

3.1 塌岸预测

3.1.1 烧香岛岸

水下碎石土的稳定坡角为29°，库水位以下坡形的角度小于29°，取水下坡形的最缓角度26°。即α=26°；β按照综合计算法取值为32°。经过计算，得到烧香岛岸剖面的库岸再造宽度为28 m。

图8 桥轴线剖面塌岸预测计算图(单位:m)Fig.8 Bank slump computing map for bridge axial profile

目前塔基中心线距库岸边缘的距离为30 m，因为塌岸将对桥基产生影响，需要加固处理。

3.1.2 既有公路岸

水下角砾的稳定坡角为32°，库水位以下坡形的角度小于32°，根据水下坡形情况，选取水下稳定坡角α=16°；水上稳定坡角根据碎石土的内摩擦角，结合综合角度法得到β=33°。经过计算，得到既有公路岸剖面的库岸不存在库岸再造问题。见图9。

图9 桥轴线剖面塌岸预测计算图(单位:m)Fig.9 Bank slump computing map for bridge axial profile

目前塔基距离库岸边缘的距离仅为31 m，需要局部加固，防止边坡出现坍塌。

3.2 再造库岸边坡稳定性评价

3.2.1 烧香岛岸

根据塌岸预测，该地段存在塌岸问题，塌岸会影响桥基稳定。库岸再造后边坡的稳定性是在此基础上进行的，计算模型见图10。结果统计列于表3。

图10 桥轴线剖面库岸再造边坡稳定性计算图Fig.10 Stability computing map of slope changed by bank slump for bridge axial profile

库岸再造宽度/m自然地震水位骤降5m水位骤降10m281.591.151.331.19

由表3中数据可知，烧香岛岸在考虑库岸再造的基础上，桥址岸坡的稳定性均满足工程稳定性要求，说明桥梁选址没有问题。但该区需要注意水库塌岸对桥基长期稳定性的威胁，尤其是横断面临公路侧的塌岸影响，该侧地形陡峻，塌岸问题较临村侧严重，需要采取固脚+护面措施。

3.2.2 既有公路岸

金鸡达旦河大桥既有公路岸没有显著的塌岸问题，库岸再造速度和规模有限。但是在该桥轴线剖面上部有一部分填土。因此，对其稳定性计算包括局部和整体两部分，见图11。结果统计列于表4。

图11 桥轴线剖面库岸再造边坡稳定性计算图Fig.11 Stability computing map of slope changed by bank slump for bridge axial profile

库岸再造宽度/m局部稳定性自然地震整体稳定性水位骤降5m自然地震水位骤降10m自然地震01.241.031.721.271.651.24

由表4中数据可知，既有公路岸，库岸边坡不存在整体失稳的可能；但是上部填土边坡，在地震条件下，存在局部失稳的可能，会影响桥基墩台的长期稳定性，需要对其采取加固措施。

3.3 定量评价结论与建议

根据水库塌岸预测和考虑地形再造后边坡的稳定性计算，安全距离是在塌岸预测宽度+库岸再造边坡稳定性分析结果基础上综合评价得到。金鸡达旦河大桥评价了桥基部位的库岸影响，结果统计列于表5。

表5 库岸稳定性评价结果统计表Tab.5 Statistical table of bank stability estimation results

由表5可知，金鸡达旦河大桥两岸均需采取加固措施，以减缓或者有效控制库岸问题的速度和规模。具体措施可参考堤坝工程。

4 综合评价结论与建议

4.1 结 论

(1)基于历史和现状稳定性调查的库岸稳定性评价表明：历史和现状坡面稳定性调查均支持未来一段时期内库岸边坡是稳定的，不会发生大规模整体滑移破坏。

(2)根据水库塌岸预测和考虑地形再造后边坡的稳定性计算，金鸡达旦河大桥两岸均存在塌岸+库岸再造边坡影响范围大于结构物到当前水位距离，库岸长期稳定性威胁结构物地基基础的长期安全问题，需要采取加固措施。

(3)金鸡达旦河大桥墩台横断面临公路侧坍岸作用强烈，应加强该部位坡脚的防护加固。具体加固措施可参考堤坝防治坡面冲刷和水力侵蚀作用措施。

(4)当前库岸坡脚均堆积有不同规模的历史填土，其存在具有一定的反压坡脚作用，未来建设和水库 运行过程中，严禁在该部位改变现状地形和对其进行开挖清除作业。

4.2 建 议

从塌岸预测和地形改造后库岸边坡稳定性计算结果看，该区桥梁及其附属结构的选址没有问题。

但应注意到该区临近程海断裂带，应该对构造活动和侧后方高陡边坡的活动进行长期安全监控或者定期巡查，以确保安全预警和防灾减灾。

工程区存在水稳性较差的粉砂地层，如未来切穿该层位造成暴露和与库水直接接触，应该对其采取护面或加固隔离措施。

安全监控应采取施工安全监测和长期稳定性监控的有机结合，以检验工程措施的合理性，积累基础数据，为今后类似工程积累经验和基础研究资料。同时为公路的安全运行管理提供指导。

□

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