某新建水库对既有高速公路的影响评价

黄金辉　陈国棋　何磊　潘寒冰

摘 要：随着交通工程与水利工程的大规模建设，交通工程与水利工程之间不可避免地相互影响，使得水库正常蓄水运营后可能会影响公路安全。依托山区某新建水库水利枢纽工程，采用数值分析软件，对新建水库运营后库水位变化对库区内既有高速公路影响进行评价。

关键词：水利工程;高速公路;路基;边坡

中图分类号：TV221.2;U442文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）29-0072-03

Impact Assessment of a New Reservoir Water Control Project on

Existing Expressway

HUANG Jinhui CHEN Guoqi HE Lei PAN Hanbing

（1.Fujian Academy of Building Research Co.， Ltd.， Fuzhou Fujian 350108;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology， Fuzhou Fujian 350108）

Abstract： With the large-scale construction of traffic engineering and water conservancy engineering， there is inevitable interaction between traffic engineering and water conservancy engineering. The normal water storage operation of the reservoir may affect the highway safety. Based on a new reservoir water control project in mountainous area， the impact of reservoir water level change on the existing expressway in the reservoir area after the operation of the new reservoir is evaluated by using numerical analysis software.

Keywords： hydraulic engineering;expressway;subgrade;side slope

近年來，随着交通工程与水利工程的大规模建设，交通工程与水利工程之间不可避免地存在相互影响，或是新建道路穿越既有水利枢纽工程，或是新建水利枢纽工程浸没既有路基。新建水利枢纽工程蓄水后，会淹没既有公路部分桥梁墩（台）及路基边坡，不利于高速公路构筑物的安全及路基的稳定性。为保证公路的正常安全运营，有必要对既有公路库区影响段进行稳定性评价，继而有针对性地对水库影响范围内的公路进行加固[1-5]。笔者主要分析福建省泉州市某新建水库水利枢纽工程对既有高速公路的影响，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 拟建水库及既有高速公路简介

拟建水库位于福建省泉州市某乡镇，坝址位于桃溪和东溪交汇处下游约50 m处。该水库是一座以供水为主，兼顾防洪、养殖、供电等综合利用的中型水库，为福建省重点建设项目。水库正常蓄水位为483.00 m，相应库容为843万m³;死水位为455.00 m，死库容为139万m³，相应的兴利库容为704万m3;水库校核洪水位（P=0.1%）为484.58 m，总库容为1 030万m³。

既有高速公路已于2009年3月建成通车，为福建省高速公路网布局规划中“三纵八横”的重要组成部分。根据库区浸没影响范围线，已建高速公路K87+222～K88+493段（总长1 271 m）位于库区范围内。高速公路先于水库建设，水库建成后，正常蓄水位越高，水库的兴利库容越大，调蓄性能越好，但对库区内的高速公路影响越严重。

1.2 工程地质条件

工程场址区属戴云山脉的主体部分，峰峦纵横，岭谷相间，区内以剥蚀、冲蚀作用为主，山坡多较陡，河谷深切，工程区内地形地貌比较复杂。水库坝址区断裂构造不发育，规模均较小，不存在活动断层，地震基本烈度为Ⅵ度。通过对水库工程进行地质勘察可知，场区出露的地层岩性主要为侏罗系上统南园组第三段的凝灰熔岩、燕山晚期第三次侵入体的钾长花岗岩及第四系全新统堆积层。

1.3 水库蓄水后对淹没段高速公路的影响

水库建成运营后，当库水位达到正常蓄水时，位于坝址右岸坝肩路基、南山Ⅰ号大桥、南山Ⅱ号大桥、2段填方边坡及3段自然斜坡等高速公路构筑物将被淹没。在库水位调蓄、水位骤升骤降这一干湿循环作用下，将对高速公路路基稳定性造成较大影响，需要进行稳定性分析，并对稳定性系数不满足规范要求的段落采取必要的防护加固措施。

2 水库对既有高速公路影响段的稳定性评估

2.1 理论依据

库内水位的涨落过程，尤其是骤升骤降，将导致库岸边坡地下水的变化，而地下水的升降易导致库岸边坡土体强度降低、下滑力增加，从而诱发库岸滑坡、不均匀沉降等不良地质现象。水库蓄水后，将抬高库岸边坡的地下水位。浸水后的岩土体受到浸水作用，降低了其抗剪强度指标，不利于库岸边坡的稳定性。水库调洪后导致库水位下降时，由于坡体内饱和岩土体的孔隙水压力来不及快速向坡外消散，形成了朝向边坡外侧的动水压力，导致库岸边坡下滑力增加，可能诱发边坡失稳破坏。

2.2 采取的计算方法

选取桥梁墩台及路基边坡典型断面，结合前期收集到的地层水文参数、钻孔柱状图及剖面图，运用饱和-非饱和渗流理论，利用有限元分析软件GeoStudio中的Seep/W模块模拟库岸边坡在暴雨和库水位升降循环条件下的库岸边坡的水文响应行为。在进行渗流分析时，将原高速公路勘察和水库工程勘察资料的地下水位作为初始水位，先设置90 d的枯水期使边坡达到稳定渗流的状态，然后以此枯水位的稳定渗流状态为基础，90 d水库内水位上升至水库设计水位并设置365 d的延长期，以待达到新工况下的稳定渗流状态后，以5 m/d的速度，将库水位由设计蓄水位骤降至枯水位。

将上述得到的不同库水位下的孔隙水压力曲线导入GeoStudio中的Slope/W模块，并选用Morgenstern-Price这一刚体极限平衡分析法计算不同状态下库岸边坡的稳定性系数。同时，将Seep/W软件对边坡进行瞬态分析得到不同工况下的孔隙水压力导入Sigma/W模块，模拟计算水位循环变化下坡内孔隙水压力分布规律和应力应变变化规律。

2.3 计算工况及计算模型

既有高速公路属重要基础设施，路基失稳将直接影响车辆的安全运营，对人们的生命财产安全造成威胁，同时大量的土方滑入水库，将对水库大坝造成一定的影响。根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386—2007）及《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）等规范的要求，考虑到库岸边坡失稳对高速公路造成的危害，将拟建水库库岸边坡等级定为1级。根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL 386—2007），对库岸边坡的正常运用条件、正常运用条件I和非正常运用条件Ⅱ进行稳定性分析。考虑到场地地震烈度为Ⅵ级，可不考虑非正常运用条件Ⅱ的稳定性计算。这3种运用条件下又包含若干工况，为保证高速公路路基的稳定性，本次评估考虑了以下4种工况进行计算。①工况Ⅰ：蓄水前;②工况Ⅱ：正常蓄水位;③工况Ⅲ：正常蓄水位骤降至坡脚;④工况Ⅳ：暴雨+正常蓄水位骤降至坡脚。

结合高速公路原设计资料和水库设计资料，建立库岸边坡地质计算模型，典型地质模型如图1所示。根据前期收集到的资料及现场踏勘，本次评估选取拟建水库影响范围内K87+222～K88+493段的34处断面136种工况进行耦合分析及稳定性系数计算。

3 高速公路浸没后不同受影响段的影响评价

3.1 K87+222.0～K87+271.0段坝址右岸坝肩路基

K87+222.0～K87+271.0段坝址右岸坝肩路基位于柴桥头大桥及南山Ⅰ大桥之间。其中，高速公路以上部分为路堑边坡，边坡采用坡脚挡墙结合预应力锚索的防护措施;高速公路以下部分为自然斜坡，地面线陡峭，表层为砂质亚黏土，现场踏勘发现有局部小溜塌。水库蓄水后，将浸没至下边坡上部，高速公路路基标高距水库高差约3 m，并且二者平距较近。数值模拟分析表明，天然条件下高速公路上边坡稳定性系数略低于规范要求，安全储备不足，且由于上边坡距离库水位平距较大，水库正常运营后库水位升降循环作用下边坡的稳定性系数不变，但若遇上暴雨+库水位骤降的非正常条件，安全系数为0.964，潜在位移为20 mm（见图2、图3），远低于规范要求，边坡可能失穩。因此，建议对上边坡进行补强加固。在天然条件下，下边坡处于稳定状态。在常蓄水状态下，下边坡体大部分位于蓄水位以下。坡面水压力的反压效应一定程度上提高了坡体的稳定性系数，而水位骤降条件下坡内孔隙水不易短时间内排出，且土体泡水软化后强度指标将显著降低，在动水压力作用下边坡处于不稳定状态，可能发生局部坍塌，应进行必要的加固。

根据水库设计资料，坝肩存在绕坝渗漏问题。绕坝渗流可能对背水坡一侧产生渗流破坏，故下游段应做好导渗排水措施。坝工结构开挖过程中扰动土体，对高速路路基造成不利影响，因此在施工过程中应做好防护加固措施。

3.2 南山Ⅰ号大桥

南山Ⅰ号大桥桥台纵向边坡地面线较陡，水库蓄水后，将浸没至边坡上部;南山I号大桥0#～15#墩横向边坡地形线起伏明显，其中靠近泉州台及三明台两侧的桥墩横向边坡（0#～4#、11#～15#）均高陡，而两桥台之间的桥墩（5#～10#）横向边坡较缓。水库蓄水后，桥墩基本位于水位以下，水库将浸没边坡中下部。数值模拟分析结果表明：南山Ⅰ号大桥泉州台纵向边坡、部分桥墩横向边坡（0#～2#、6#、8#、11#～14#）及三明台纵向边坡天然条件下及正常库水位条件下，既有桥台纵向边坡、桥墩横向边坡均处于稳定状态，与实际调查结果一致;而水位骤降条件下，边坡稳定性系数不满足规范要求，且土体泡水软化后承载力降低，加上库水位骤降产生的动水压力，边坡可能发生局部坍塌，从而对桥墩、端墙等造成不利影响，应进行必要的加固。

3.3 南山Ⅱ号大桥

南山Ⅱ号大桥位于拟建水库上游，水库蓄水后，将淹没位于上游的几座桥墩。数值模拟分析表明，南山Ⅱ号大桥在库水位骤降时右线三明台纵向边坡的稳定性不满足要求，而对泉州台及左线三明台几乎无影响。考虑到水流的下蚀和旁蚀作用，岸坡可能发生局部坍塌，会使稳定岸线不断后移，可能威胁桥墩安全，因此建议在坡面上做适当的浆砌片石护坡。

3.4 填方边坡

高速公路水库影响段高填路基共有两处，即K87+855.0～K87+956.0段和K88+035.0～K88+132.0段。根据现场踏勘，K87+855.0～K87+956.0段为填土路堤，共两阶，其中第一阶平台为原施工便道，水库蓄水后，将淹没该填方坡脚。K88+035.0～K88+132.0段为填土路堤，共两阶，坡脚为4 m高的浆砌片石挡墙，水库蓄水后，将淹没挡墙墙基。K87+855.0～K87+956.0段填方边坡在各工况下均处于稳定状态;K88+035.0～K88+132.0段填方边坡在库水位骤降时可能发生局部库岸坍塌，且挡墙墙基土体长期浸泡软化，承载力降低，威胁挡墙自身稳定性，因此应进行必要的防护加固。

3.5 自然斜坡

高速公路淹没影响范围内其他段落为自然斜坡，水库蓄水后将不同程度地浸没路堤边坡。根据地质钻孔及现场测绘的地质资料推测，场地范围内自然斜坡为二元结构边坡，上覆砂质亚黏土，其下为不同风化程度的凝灰熔岩。数值模拟分析表明，K87+806.0～K87+855.0段和K87+968.0～K88+034.0段自然斜坡在水位骤降时边坡处于不稳定状态，应进行适当加固;K88+132.0～K88+167.0段自然斜坡地面线较缓，在各工况下均处于稳定状态。

4 结论

通过对某新建水库蓄水运营后库水位变化对既有高速公路不同建构筑物及路基的影响的数值模拟分析，得出以下结论。

①水库蓄水后，坡体内孔隙水压力场重新分布，坡体内浸润线随之上升，土体产生湿化变形，降低了土体抗剪强度，不利于岸坡的稳定性。

②库水位骤降过程中，坡内地下水位降落速率滞后于坡前水位变化。库岸边坡内地下水向外渗流产生较大的动水压力，增加了边坡下滑力，是诱发桥墩（台）和路基失稳的重要原因。

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