牛首漢江特大橋改建工程對臥龍堤安全影響分析

潘永膽

（長江工程職業技術學院，湖北 武漢 430212）

0 引言

牛首漢江特大橋路線起于鄂豫兩省交界處的長王集附近，向西改移，途徑馬集鄉、牛首鎮（西側跨越漢江）、臥龍鎮、吳集鄉、九集鎮，向南止于宜城市繞城公路，順接既有國道207線，全長4458m。該橋跨越襄陽漢江，與臥龍堤平交，其改建工程橋臺采用肋板臺和樁基礎，上部結構為鋼箱梁，下部結構采用柱式橋墩。筆者根據《防洪法》第27條“不得危害堤防工程安全”的要求，在調查牛首漢江歷史洪水資料的基礎上，采用有限元分析系統AutoBank軟件對臥龍堤典型斷面進行二維滲流分析和穩定性計算，并綜合分析了改建工程實施后對堤防及岸坡穩定和防洪工程等的影響［1-3］，以期為該橋改建工程的防洪影響評價提供參考。

1 基本資料

1.1工程概況

牛首漢江特大橋上部結構采用鋼箱梁、鋼筋混凝土組合梁、預制小箱梁、斜拉橋，下部結構橋墩擬采用柱式墩、門型塔、樁基礎，橋臺擬采用肋板臺、樁基礎。工程河段堤防臥龍堤為2級堤防，在襄陽城區，全長40.433km，堤頂寬為2～6m，部分堤段為防洪墻，內外邊坡均為1∶3，堤頂高程為74.4～68.2m。工程橋跨越臥龍堤，樁號為5+272，堤頂高程為74.4m，堤頂寬約為6m。橋位附近堤防的堤內以農田為主。

1.2工程地質與水文地質條件

牛首漢江特大橋橫跨漢江，位于湖北省襄陽市牛首鎮附近，距離上游規劃的新集水利樞紐約7.3 km，距離下游唐白河口約25km，下距崔家營航電樞紐約35.7km，屬于崔家營航電樞紐庫區末端，水面比降較小。牛首至襄陽河段為彎曲的汊道，汊道中有3個較大的江心洲，分別為李家洲、賈家洲、五姓洲。該段河寬變化較大，長虹大橋以上一般為1500～5000m，枯水期灘地密布，支汊縱橫，水流紊亂，形成游蕩性河段。長虹大橋至襄陽河段寬度為500～800m，兩岸堤防堅固。

橋址區屬漢江一級階地第四系沖積平原區，地勢平坦開闊，地面高程約為58.87～72.54m。在大地構造上，橋址區屬淮陽山字型構造、秦嶺構造與新華夏沉降帶交匯處的南襄盆地南緣，處于幾個構造體系的聯合及復合部位。盆地內構造受區域構造線控制，呈近東西向、傾向北的新野大斷裂和青峰—襄陽—廣濟大斷裂及次級斷裂，將南襄凹陷盆地分割成襄陽凹陷、雙溝低凸、棗陽凹陷幾個次級的構造單元。場地屬襄陽凹陷，無全新活動斷裂通過。

橋址區地表水發育。地表水主要為河流，受大氣降水控制明顯，雨季水量增大，水位上升，旱季水量減小，水位下降；隨季節性變化影響較大?？辈炱陂g，漢江水面高程約為62.77m。通過調查，近年漢江水位年變幅一般為1.00～1.50m。橋址區地下水主要為第四系填土層上層滯水、沙、礫卵石層中的孔隙承壓水、基巖裂隙水，主要補給來源為大氣降水和漢江水。上層滯水水量極小，基巖裂隙水埋深大，均未能實測水位，實測承壓水埋深為7.5～8.5m，對應水位高程為62.5～64.04m。地下水和地表水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。

工程地質典型橫斷面如圖1所示。

圖1 工程地質典型橫斷面圖（4+173）Fig.1 Typical cross section of engineering geology（4+173）

2 堤防滲流穩定分析

2.1 計算原理和方法

堤防的滲流場為典型的無壓滲流場，屬邊界非線性問題，目前多采用固定網格法進行計算。本次堤防滲流計算采用二維有限元滲流計算程序AutoBank，土層滲透系數按各向同性考慮［4］。AutoBank二維有限元滲流計算程序已廣泛應用于工程實際，效果良好。

2.2 地質資料

計算斷面為工程橋位左岸斷面，地質資料采用本工程地質勘測資料，各土層的垂直允許坡降為0.40～0.45，滲透系數如表1所示。

表1 左堤滲流計算參數表Tab.1 Seepage calculation parameters of left embankment

2.3 計算工況

計算工況分為工程前和工程后2種。（1）工程前。上游取設計洪水位70.61m，下游水位取堤后地面最低點高程。（2）工程后?？紤]橋墩基礎與土體之間產生縫隙而使部分土體抗滲性減弱，從對工程不利的角度出發，擬定橋墩附近深2m，一定寬范圍內土體不參加抗滲作用。本次概化范圍為堤內200m，上游取設計洪水位，下游水位取堤后地面最低點高程。

2.4 結果分析

工程前、后典型斷面的滲流等勢線如圖2和圖3所示［5］，滲流穩定計算結果如表2所示。

圖2 斷面4+173工程前滲流等勢線圖Fig.2 Seepage equipotential line before section（4+173）engineering

圖3 斷面4+173工程后滲流等勢線圖Fig.3 Seepage equipotential line after section（4+173）engineering

由表2可知，臥龍堤設計洪水位為70.61m，水位較低，與堤腳高程相近。工程前，堤內200m范圍內的垂直滲透坡降在坡腳處最大，為0.025，其他部位垂直滲透坡降均較小，堤后垂直滲透坡降均小于上覆土層的允許滲透坡降，滿足滲流穩定性要求。工程后，樁基處局部工程中較現狀有所增加，其中8＃橋墩處增幅較大。從計算結果可以看出，垂直滲透坡降在地層允許范圍內，對堤防的抗滲影響有限。

表2 臥龍堤樁號4+173現狀斷面及橋梁修建后滲流穩定計算結果Tab.2 Present section of Wolong embankment（4+173）pile and seepage stability calculation after bridge reconstruction

3 堤坡穩定計算

3.1 計算方法和條件

本次計算采用土石壩邊坡穩定分析系統（Auto-Bank）［6］，計算4個典型工況的滑動面，分析最危險滑動面及相應的最小安全系數。

3.2 計算斷面與地質資料

工程橋位為臥龍堤，計算斷面為橋位堤防斷面，各土層物理力學參數如表3所示。

表3 臥龍堤土層物理力學參數表Tab.3 Soli physical and mechanics parameters of Wolong embankment

施工期，宜采用總應力法計算，抗剪強度選取快剪指標；穩定滲流期，宜采用有效應力法計算，抗剪強度選取慢剪或固結排水剪指標；水位降落期，宜采用總應力法計算，抗剪強度選取固結快剪指標。

3.3 計算工況

分別計算工程興建前后改建工程接堤防處堤坡的抗滑穩定。施工期，堤內橋墩考慮承臺開挖，開挖坡比為1∶1，堤外主橋墩9＃橋墩采用鋼圍堰，計算模擬考慮鋼圍堰的影響。具體計算工況為以下4個。工況一：在設計洪水位（70.61m）時，背水側水位為現狀地面高程，計算堤防背水側岸坡穩定。工況二：水位從設計洪水位（70.61m）驟降至68.61m時，考慮驟降時間為24h，計算臨水側堤坡的穩定。工況三：枯水期施工時，堤防不擋水，計算堤防臨水側岸坡穩定。工況四：枯水期施工時，計算堤防背水側岸坡穩定。

3.4 結果分析

經計算，4種工況條件下堤防抗滑穩定安全系數分別為2.03、2.26、2.48、1.49，危險滑弧如圖4～圖7所示。

圖4 工況一 斷面4+173抗滑穩定計算結果Fig.4 Calculation of section（4+173）anti-sliding stability of working condition1

圖5 工況二 斷面4+173抗滑穩定計算結果Fig.5 Calculation of section（4+173）anti-sliding stability of working condition2

圖6 工況三 斷面4+173抗滑穩定計算結果圖Fig.6 Calculation of section（4+173）anti-sliding stability of working condition3

圖7 工況四 斷面4+173抗滑穩定計算結果Fig.7 Calculation of section（4+173）anti-sliding stability of working condition4

改建橋梁處臥龍堤等級為2級。根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013），2級土堤邊坡抗滑穩定安全系數正常運用情況下為1.25，非正常運用情況下為1.15。從表4中可以看出，改建橋梁處臥龍堤防各工況堤坡抗滑穩定安全系數均大于規范要求的允許值，滿足要求［7］。

4 結語

（1）堤防滲流計算結果表明，工程前，堤內200m范圍的垂直滲透坡降在坡腳處最大，為0.025，其他部位垂直滲透坡降均較小，堤后垂直滲透坡降均小于上覆土層的允許滲透坡降，滿足滲流穩定性要求。但從計算結果可以看出，樁基礎局部工程滲透坡降較現狀有所增加，但都在地層允許范圍內，對堤防的抗滲影響有限。

（2）堤防穩定計算結果表明，改建橋梁跨越堤防處，各工況堤坡抗滑穩定安全系數均大于規范要求的允許值，滿足要求。

（3）改建工程與臥龍堤平交，為避免橋梁荷載對堤頂路面造成破壞，需對堤頂路面進行加固。工程改建后，為避免堤坡岸坡產生滲流和滑動破壞，建議對橋墩處堤防采取抗滲防沖防護措施。