水库库区蓄水初期公路病害防治对策研究

1 概述“三峡库区蓄水初期公路病害防治对策研究”为2002年交通部西部交通建设科技项目（合同编号：2002-318-000-49），项目研究起止年限为：2002年8月至2005年12月。

自交通部下达本研究项目以来，涉题各方通力合作，按照课题的要求，开展了卓有成效的研究，并于2006年7月15日通过了交通部科技司的验收和鉴定。

三峡库区为我国重力地质作用异常活跃的地区，三峡库区蓄水后，原有脆弱的地质环境加之库水位每年达30m左右的波动幅度，不但会加剧三峡库区地质灾害的频率和规模，也使一些已建库岸公路路基处在库水的升降范围之内。

由于这些公路在修建时大都受当时条件的限制，未考虑库水的作用。

在库水的浸泡下，路基岩土软化、强度降低，并且在库水下降时地下水的滞后渗流作用产生很大的动水压力，导致路基边坡及支挡结构的破坏。

对于库区的桥梁而言，位于水位145~175m之间的基础岩体，长期处在干湿循环变化段，岩体结构面会受到水的作用而弱化，导致桥基岩体承载力的降低，也可能引发各种桥梁病害。

根据对现状的调研和归纳分析，主要从三个层次，分为7个专题开展研究（如图1所示）：1、理论研究针对三峡库区水位在蓄水后随季节不同将发生大幅度上下变动的实际情况，本项目理论方面的主要研究包括：循环渗流下路基边坡、支挡结构的稳定性和承载力研究，桥梁地基的稳定性和承载力研究，波浪与水流对库岸路基边坡的侵蚀作用和稳定岸坡模式的研究。

该部分内容是本项研究的第一层面，即理论研究。

2、工程措施研究以理论研究成果为基础，本部分研究内容主要是针对可能出现破坏的路基、桥梁提出切实可行、经济实用的工程措施，论述已有的结构形式在三峡库岸公路工程灾害防护中的适宜性。

这是本项目的第二个层面，即满足工程设计人员的需要。

3、基于GIS的对策系统研究本部分内容主要包含两方面：一是建立一个库岸公路的综合信息系统，该系统将包含库区所有的公路、桥梁工程的基础信息；二是集成一个综合本项目所有研究成果的专家系统。

两者有机结合，可以满足不同层次管理部门对库岸公路实际情况的准确把握和正确决策。

这是本项目研究的第三个层面，满足管理部门的需要。

图1 项目主要研究内容构成2 主要研究内容2.1 岸坡稳定性风险分析方面岸坡类型特征是控制岸坡稳定的主要因素，包括岸坡岩性组合特征、岩体结构类型和岸坡结构类型，三者既有区别也有一定的联系，它们三者的组合往往构成了岸坡的基本地质模式，决定了岸坡的稳定状况及主要变形破坏方式和规模。

本专题研究从岸坡岩性组合特征、岩体结构类型和岸坡结构类型入手，将三峡库区岸坡分为4大类12亚类，并根据野外调查及理论分析总结了各种岸坡类型的主要变形破坏方式，为建立岸坡破坏风险分析的基本评价指标奠定基础；根据地质灾害成灾过程、灾情构成及风险分析的基本理论体系，结合三峡库区实际，建立了岸坡稳定性风险评价内容及其体系结构（如图2所示）。

图2 岸坡稳定性风险评价内容及其体系结构示意图确定了不同类型岸坡稳定性在不同精度条件下的危险性评价指标，如表1所列。

对于各种不同类型岸坡的破坏方式，提出了危险性评价指标体系及其量化方法，并选用影响因素综合评判法、模糊综合评判法和拓扑学方法进行风险稳定性分析。

并将该方法应用于示范路段，取得了良好的效果。

2.2 渗流作用下路基边坡稳定性研究方面1、库水作用下，路基土抗剪强度的研究进行路基边（滑）坡稳定性分析和支挡结构的计算，岩土抗剪强度参数的确定至关重要。

对于均质土可以用传统的土工试验就可以确定土体的抗剪强度，而对于库区中碎石土，往往很难用普通的土工试验来确定土体抗剪强度。

目前边（滑）坡治理工程中采用室内小试件试验是不够科学的，针对这个问题，采用室内中剪试验开展碎石土的强度试验研究，确定不同碎石含量与含水量对碎石土抗剪强度的影响规律，提出实用计算公式。

⎪⎩⎪⎨⎧>----≤=)()(*1)()(5555A P c c A A P c A P c c s c c cP （1）⎪⎩⎪⎨⎧>---+≤=)()(*1)()(5555A P A A P A P c s c c Pϕϕϕϕϕ （2） 式中，c c c ϕ、—纯土时的粘聚力和内摩擦角；s s c ϕ、—碎石含量为80％时的粘聚力和内摩擦角；A —临界含石量，当25.0<L I 时取0.2，当25.0>L I 时取0.4。

L I —细粒土的液性指数。

2、库水作用下，坡体内水位的变化规律与动水压力的研究 进行路基边坡稳定性的研究，首先应研究库水升降时坡体内浸润线的变化规律，然后才能确定坡体内的孔隙水压力分布以及动水压力的计算，库水位的下降属非稳定渗流问题，与库水的下降速度、滑体的渗透系数、给水度等因素有关。

正确的方法是考虑这些因素来确定浸润线，然后依据浸润线确定动水压力，由此再来进行稳定性分析。

然而目前在浸润线的确定上往往根据设计人员的经验，人为假定一条浸润线来进行稳定性分析，这可能导致治理工程的不安全。

产生这一问题的原因是目前对库水位下降情况下的滑坡稳定性研究不多，没有合适的工程应用算法。

另外，不同的部门在动水压力的计算上也存在分歧，不同的部门选用不同的计算公式。

针对这些问题，本研究从理论上推导浸润线的计算方法及动水压力的计算公式，并通过大型模型试验及数值分析来验证理论公式。

⎪⎩⎪⎨⎧≥+<≤+-+-+=)2()20()2319.29283.17501.01091.0(0,02340,0,ληλλλλληtV h t V h h t t tx （3）k vμβ=（4）⎩⎨⎧≥+<=)088.0(8218.00066.0)088.0(2989.9ββββη （5）式中，k —渗透系数(m/d)；m h —潜水流的平均厚度(m)，取2/)(,00,0t m h h h +=；0,0h —库水下降前的水位(m)； th ,0—t 时刻库水的水位(m)；μ—给水度；t —库水下降时间(d)。

3、传递系数法精度分析传递系数法以其简单适用的特点在我国得到了广泛应用，然而对于这么广泛使用的方法的精度分析研究却很少。

目前的一些分析结果表明，其分析结果在某些情况下产生的误差很大，并且偏于不安全。

本项研究表明：（1）滑面控制点处的倾角变化的大小对稳定系数的影响很大，变化角度越大，传递系数法误差越大。

一般情况下，传递系数法的稳定系数大于M-P 法，结果偏于不安全。

但当节点倾角变化值减小时，其稳定系数逐渐偏于安全，因而对于圆弧滑面，只要条分合理，可以得到与简化Bishop 法接近的结果。

（2）在滑面倾角变化相同的情况下，稳定系数的误差随内摩擦角的增大而减小，但其影响不大，通常可不考虑。

（3）在滑面倾角变化很小的情况下，传递系数法的安全系数与M-P 法很接近，并出现由偏大转为偏小的趋势，该趋势与内摩擦角有关，内摩擦角越大，转变为偏小的夹角差也大，反之越小，但其变化范围不大，该例在7.5 以内。

当滑面的倾角变化在7.5 以内时，误差都在3％以内。

（4）实际工程中，大部分滑面控制点处的倾角变化并不大，只有个别点处倾角变化较大，为此可将使用条件限制在10度以内。

当滑面控制节点处的滑面倾角变化量小于10度时，可以使用传递系数法。

对于转折点处的倾角变化量超过10 时，应对滑面进行处理，消除尖角效应。

（5）传递系数法隐式解与显式解求得的推力不同，其原因在于两种方法采用了不同的安全系数定义。

显式解采用的是增加自重的定义方式，考虑的是超载系数，但又不是严格意义上的超载系数，它仅考虑了下滑力的超载，而没有考虑超载引起的抗滑力提高。

这样的定义并不都是安全的，因为在滑面的反翘段，下滑力变成了阻止滑体运动的抗力，相当于提高了抗力系数，因此在这种情况下又是不安全的。

隐式解采用的是国际上边坡稳定分析中通用的安全系数定义，考虑的是材料的强度储备系数。

在计算推力时，若显示解法的安全系数取sF时，那么用隐式解法得到与之相同的推力所需要的安全系数将是2sF，这是要引起足够的注意。

因为若用显示解法算推力时，安全系数取1.2，那么要达到这么大的推力，用隐式解法得到的安全系数将是=1.44，这么大的安全储备势必造成投资增加。

2.3 桥梁基础岩体稳定性和承载力研究方面1、水对岩体弱化试验研究三峡水库蓄水以后，将会有许多原先处于天然风干状态的岩石长期处于浸水状态，为了测定在长期浸泡作用下岩石抗压强度的变化，进行了砂岩、灰岩岩块（试样高度10cm ，直径5cm ）长期浸水试验，测定长期浸泡以后砂岩岩块的单轴抗压强度的弱化规律。

表2 灰岩浸泡强度试验图3 灰岩浸水后抗压强度衰减规律试验图4 灰岩弹性变形参数变化图5 灰岩变形参数变化图6 试件轴压 与围压 曲线图（泥岩抗剪）图7 天然、饱和、干湿循环状态下的结果（泥岩抗剪）无论是长期浸泡试验还是干湿循环试验，岩块的长期单轴饱和强度比标准的单轴饱和强度低20%以上。

应当注意，室内试验要比实际岩体衰减大，因为水很难渗入到岩体中，而且实际岩体干燥与饱和程度都远比实验室试验弱。

2、地基承载力数值分析研究地基极限承载力的求解是经典的土力学问题，目前常用的计算方法仍然是基于Prandtl解的各种经验修正公式。

对于边界条件、荷载条件比较简单，材料均匀等比较理想的受力物体，这些常用的方法能够获得比较理想的结果。

然而在实际工程中，边界条件、荷载条件比较复杂，再加之材料的非均质等，依靠传统的计算方法很难得到可靠的解答。

在本项目的研究中，分别提出了极限分析上、下限有限元法、增量加载有限元法及有限元强度折减法等数值方法来求解地基的极限承载力及评判地基的稳定性的分析方法，特别是后两种方法，在国内尚属首次。

增量加载有限元方法在国际上虽然有人做过，但其误差太大，被认为无法应用。

本项研究有了重大进展，计算精度大大提高。

3、桥梁节理岩基承载力有限元分析岩石地基承载力的确定对岩体稳定及建筑物安全至关重要。

各部门的地基规范(如交通部、建设部和水利部等)都列出了岩体承载力的取值数据，从这些表中可以看到，岩石地基的容许承载力数值只有室内岩块单轴极限抗压强度值的几分之一到几十分之一。

这种方法的实质是以岩块强度作为确定岩体承载力的依据：岩块强度越高，岩体承载力就越大。

许多工程实践证明，它们之间并不是一个简单的比例关系，当岩体存在节理时这个问题更加突出。

有限元法的计算精度得到很大程度的改善，有限元的计算软件日臻成熟，为有限元法在桥梁岩基分析中的应用提供了有力的支持。

本章在采用增量超载有限元法基础上，提出了具有节理的桥梁岩基承载力有限元分析方法，并分析了节理对地基承载力的影响。

《公路桥涵地基与基础设计规范》中岩石地基容许承载力进行了改进。

2.4 浪流对岸坡及防护结构的作用研究方面1、波浪对库岸作用试验研究波浪正向入射试验在玻璃水槽内进行，斜向入射试验在港池内进行。