基于拟建桥梁保护的某地质灾害加固治理设计分析

黄承忠

（重庆中煤科工工程技术咨询有限公司，重庆 400042）

0 引言

我国西部山区地形复杂、峡谷密布、山高坡陡［1］，随着城市土地资源的日益紧缺，基础设施建设也面临越来越复杂的地质环境问题，原本不适宜建设的地质灾害场地也面临因建设需要而进行开发利用，尤其是修建桥梁工程等基础设施时，地质灾害加固治理设计显得尤为重要。随着我国基础设施建设的日益发展，滑坡等地质灾害对桥梁安全影响研究引起了各方面的广泛关注，国内学者也进行了相关研究，取得了具有探索性的成果［2］，但对基于市政桥梁保护下的滑移型库岸和滑坡加固治理设计工程案例较少，同时鉴于地质灾害的复杂性和岩土体的不确定性，导致加固治理措施往往缺少针对性和有效性。重庆市某县城位于三峡库区低山丘陵地带，地质条件复杂、地质灾害频发，三峡库区蓄水更进一步加剧了地质灾害的复杂性。但由于土地资源的紧缺性，需要在地质灾害体上修建桥梁工程，该工程前期已经通过了桥梁建设活动的地质灾害危险性评估及对地质灾害的影响安全论证。通过工程实例，对基于桥梁保护的地质灾害加固治理设计过程进行了分析，在分析地质灾害稳定性及剩余下滑力的基础上，提出采用抗滑桩+预应力锚索+截排水系统的加固治理方案，再采用规范法和数值模拟相结合的方法对地质灾害稳定性、抗滑桩的内力、位移、锚索的轴力及桥梁的变形和安全性进行分析了分析和论证，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 地质灾害概况

拟建桥位区位于整体稳定的特大型古滑坡体前缘，且依次通过了该特大型古滑坡前缘的3个地质灾害点，地质环境复杂。由于篇幅有限，文中以稳定的特大型古滑坡前缘的第3个地质灾害体加固设计作为主要论述对象。

工程地质灾害体为滑移型库岸地质灾害体，宽约98m，主滑方向长320m，覆盖层厚度22～32m，破坏模式为上覆土体沿基岩面产生折线滑动破坏。该库岸地质灾害体于2007年经过三峡库区三期地质灾害治理，治理方式为削坡+反压+格构锚杆，治理后达到了地质灾害防治Ⅲ级的要求。由于拟建桥梁的修建，地质灾害体防治等级需提高到Ⅱ级，因此需要对该库岸地质灾害体进行加固。

1.2 拟建桥梁概况

拟建桥梁全长385m，桥面宽度为13m，上部结构为3×（4×30m）预应力钢筋混凝土现浇连续箱梁，下部结构为桩柱式墩、肋式台，其中桩基础直径为1.8m、为端承桩，柱直径为1.6m。

1.3 地形地貌

场地区域上属溶蚀-侵蚀浅-中切割河谷低中山地貌，长江是区内最低的侵蚀基准面。场地微地貌属于长江库岸斜坡地貌，最低点位于河床、高程约120m，最高点位于斜坡坡顶的居民区、高程约270m，高差达150m。

1.4 地质构造

场地地质构造上位于罗门峡背斜南东翼近轴部，岩层产状160°∠40°，基岩中发育两组构造裂隙：裂隙J1产状300°∠50°，裂隙J2产状180°∠79。

1.5 地层岩性

场地地层岩性主要为第四系崩坡（Q4col+dl）碎石土及三叠系下统嘉陵江组（T1j）灰岩。碎石土：松散～稍密，块碎石主要为灰岩、块径多为10～50cm，含量50～80%；灰岩：中厚层状构造，强风化层岩体破碎，岩芯呈碎块状，中风化层岩质坚硬，大部分基岩有溶蚀蜂窝状孔隙，岩体较破碎。

1.6 水文地质

地下水类型主要为松散类孔隙潜水和基岩孔隙裂隙水。松散层孔隙水：分布于岸坡、河漫滩及河床地段，赋存于碎石土层及松散填土中，受大气降雨和长江的补给，地下水水位与河水一致，水量丰富。基岩孔隙裂隙水：主要赋存于基岩风化网状裂隙孔隙及构造裂隙中，受大气降水和松散层孔隙水补给，大宁河为本区最低侵蚀基准面，风化带网状裂隙水一般顺层面及裂隙面向低洼处排泄。

2 地质灾害加固治理设计

2.1 岩土计算参数

岩土力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

2.2 计算工况及安全系数

结合三峡库水位运行特点，库岸段地质灾害防治等级由原防治等级Ⅲ级提高到Ⅱ级后，其稳定性按文献［3］和文献［4］进行计算，其中工况①、②、④、⑤为涉水工况，工况⑦、⑧为非涉水工况：

（1） 工况①：自重+建筑荷载+现状水位；抗滑稳定系数K=1.20。

（2） 工况②：自重+建筑荷载+现状水位+20年一遇暴雨（非汛期）；抗滑稳定系数K=1.20。

（3） 工况④：自重+建筑荷载+坝前175m降至常年枯水位；抗滑稳定系数K=1.15。

（4） 工况⑤：自重+建筑荷载+坝前175m降至常年枯水位+20年一遇暴雨（非汛期）；抗滑稳定系数K=1.15。

（5） 工况⑦：自重+建筑荷载；抗滑稳定系数K=1.20。

（6） 工况⑧：自重+建筑荷载+20年一遇暴雨；抗滑稳定系数K=1.15。

2.3 现状稳定性分析

地质灾害体沿主滑动面及2个次级滑动面的现状稳定性计算结果见表2，滑面位置如图1所示。

图1 加固治理方案典型剖面图

表2 地质灾害体现状稳定性计算成果

由表2可知，该地质灾害体经过2007年治理后，沿主滑面和一级滑面滑动时，各工况下均处于稳定状态；在沿二级滑面滑动时，天然工况下稳定系数均大于1.20，处于稳定状态；暴雨工况下稳定系数为1.12，安全储备不满足要求，因此修建拟建市政桥梁工程时需要进行加固治理。

2.4 地质灾害加固治理方案

滑坡通常可采用抗滑桩支挡、减载、反压，并结合排水工程进行综合治理。项目不具备卸载和反压条件，抗滑桩具有水平刚度较大、施工工艺成熟、有大量成功案例等特点，锚索施加的预应力能较好的控制滑坡体的变形、减小抗滑桩的内力。因此加固治理方案采用抗滑桩+预应力锚索+综合排水系统。

经计算地质灾害体沿二级滑面滑动剩余下滑力为1086kN/m。由于拟建桥梁正好位于二级滑面前出口位置，设计在拟建桥梁上部和下部各设置一排抗滑桩，如图1所示。上排抗滑桩截面尺寸为1.8m×2.8m，共设置22根，平均桩长36.5m，嵌岩深度为8m，每根桩上设置2排预应力锚索，鉴于场地灰岩相对破碎，因此采用压力分散型锚索，采用17根1×715.2预应力钢绞线。桥梁下部抗滑桩桩截面尺寸为1.4m×2.2m，共设置20根，嵌入潜在滑面以下不小于10m，平均桩长17.2m。

2.5 工程建设限制性要求

（1） 拟建桥梁应采用桩基础、以稳定的中等风化基岩作为持力层，地质灾害体滑面以上的桩基与周边土层间设置软性材料隔离层，使桥梁荷载传递至滑面以下稳定岩土层。

（2） 遵循先治理、后建设的原则，即先进行地质灾害加固治理，待达到相应的要求后，方可进行拟建桥梁的施工。

（3） 施工和使用期间严禁对地质灾害体进行加载，严禁大开挖。

3 有限元数值模拟分析

3.1 计算模型的建立

（1） 结构参数取值。桥梁结构及支挡结构参数取值见表3。

表3 结构参数取值

（2） 概化模型。选择典型设计剖面作为计算剖面，计算模型及单元划分如图2所示。有限元模型长334m，高166m，单元数12741，节点数12763。

图2 计算模型

（3） 本构模型。地质灾害岩土体采用二维平面应变单元，抗滑桩采用梁单元，锚索采用桁架单元，桥梁桩基础及柱墩采用梁单元，此外抗滑桩嵌固段与周边岩土体作用采用接触单元模拟。

（4） 边界条件。底部采用水平向和竖向固定边界条件，两侧采用水平向固定边界条件，顶部采用自由边界条件。

（5） 荷载。①拟建桥梁汽车荷载为城-A级、人群荷载为3.5kN/m2；②已建平湖东路车行荷载按20kN/m2考虑，既有建筑荷载按20kN/m2/层考虑；③桥梁基础采用嵌岩桩，滑面以上采用应力隔离措施，因此桥梁荷载不对滑动土体加载；④桥梁支座反力竖向荷载N=9600kN，水平荷载Q=328kN，计算时近似为墩柱荷载。

（6） 计算施工顺序。弹塑性材料最终应力和变形与加载历史有关，为了尽可能地模拟真实状态，根据施工先后，按照以下步骤进行计算：①计算现状库岸斜坡原始应力状态，作为计算的初始应力状态，对位移进行清零；②实施加固抗滑桩及预应力锚索；③实施拟建桥梁。

3.2 加固治理地质灾害稳定性分析

采用Midas GTS4.2的SAM法对加固治理后地质灾害沿二级滑面滑动稳定性进行了计算，暴雨工况下的稳定性计算结果及对应的塑性分布如图3所示。从图中可知，采用抗滑桩加固后地质灾害稳定系数（暴雨工况下）由1.12提高至1.24，满足安全系数要求。

图3 加固治理后稳定系数及塑性区分布

3.3 加固治理结构内力分析

抗滑桩内力分布如图4～图8所示。采用有限元和理正岩土软件计算得出的上排抗滑桩桩身内力计算结果对比如表4所示。

表4 上排抗滑桩内力对比

图4 上排加固抗滑桩弯矩图

图5 上排加固抗滑桩剪力图

图6 上排加固锚索轴力图

图7 下排加固抗滑桩弯矩图

图8 下排加固抗滑桩剪力图

从计算结果可知，上排抗滑桩桩身弯矩、剪力以及锚索轴力的有限元计算结果与理正岩土软件计算结果基本一致，即采取不同手段互为补充、相互印证，进一步提高了加固设计的可靠性。

3.4 抗滑桩及拟建桥梁结构变形分析

抗滑桩及桥梁基础的最终变形如图9、图10所示。

图9 抗滑桩及桥梁结构水平位移图

图10 抗滑桩及拟建桥梁结构竖向位移图

从图中可知，上排抗滑桩（图中最左侧）桩顶水平位移为1.8mm、竖向位移为1.2mm，下排抗滑桩（图中最右侧）桩顶水平位移为1.5mm、竖向位移为3.3mm，满足规范要求。桥梁左侧桩基础地表处水平位移为2.8mm、竖向位移为2.7mm，右侧桩基础地表处水平位移为2.4mm、竖向位移为3.4mm，满足设计要求的6mm允许值。计算相邻桥墩的沉降差变化很小，最大为0.011%，满足文献［5］规定的相邻墩台间不均匀沉降值，即不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡。

3.5 桥梁施工完成后地质灾害体应力分布

桥梁施工完成后地质灾害体水平应力和竖向应力分布规律如图11、图12所示。由于上排抗滑桩承担了地质灾害体的绝大部分滑坡推力，而传至桥梁的滑坡推力则大为减少，图11、图12中显示的滑体部位水平应力集中区位于上排抗滑桩及其后部也正好印证这点，这种受力模式对拟建桥梁安全而言是极为重要的。

图11 水平应力分布图

图12 竖向应力分布图

4 结语

通过基于拟建桥梁保护的地质灾害加固治理设计工程实例分析，可得出结论如下：

（1） 经过2007年治理后，地质灾害体稳定系数均达到了Ⅲ级的要求。但随着拟建桥梁的修建、防治工程等级提高至Ⅱ级后，地质灾害体安全储备不足，修建桥梁前需要进行加固治理。

（2） 采用规范法和数值模拟相结合的方法进行地质灾害加固治理设计，并对抗滑桩的内力、位移及桥梁的变形进行分析了分析，进一步确认了加固治理设计方案的合理性和桥梁结构的安全性。

（3） 鉴于地质灾害的复杂性和岩土体的不确定性，应加强施工期间的变形监测和竣工后的效果监测，后期应根据监测结果进一步验证设计的安全性与合理性。