库岸滑坡视角下桥梁下部结构损伤机理及处治分析

通过有限元强度折减法计算出岸坡在不同库区水位循环次数下的稳定性安全系数，得到了岸坡稳定性长期演变规律，即：在库区水位周期性变动作用下，稳定性安全系数呈非线性下降，下降速率随循环次数的增加而减小；安全系数最大降幅出现在首次库区水位循环升降后，在经历 14 次库区水位循环升降后，岸坡已由稳定状态转变为不稳定状态。
第一章 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

随着我国经济的高速发展，对能源的需求也在不断提升。面对传统能源紧缺、不可再生、污染环境的严峻局面，近二十多年来，我国可再生能源产业得到大力发展，特别是在水利水电资源开发上已形成一系列可规模化开发利用的成熟技术。开发水利水电资源离不开水库的修建，水库作为常见的基础设施，在发电、防洪、河道治理等方面发挥着重要作用，但水库修建完成后，伴随着其运营调度，库区水位反复变动，使库区内的水文地质条件和水动力状态产生一系列变化，改变岸坡原有稳定，引发一系列的地质灾害。大量事实表明，水是致使边坡失稳破坏的重要外因，九成以上的滑坡灾害都与

水的作用密切相关[1]，而库岸边坡的稳定性更是受到库区水体的极大影响。以三峡大坝为例，自库区全面蓄水以来，库水位呈现出“冬涨夏泄”的调度特点，水位每年都会在 145m~175m 高程之间升降变化。库水位周期性循环升降将改变岸坡原有稳定状态，引发库岸边坡变形滑动甚至是失稳破坏。据不完全统计，自三峡大坝建成以来，在库区蓄水影响范围内发生的滑坡共计 1190 余个，175m 水位高程以下滑坡体、崩滑体等有 1302 处，总面积达 1.5115 亿 m2，总体积达 33.34 亿 m3，崩塌体积大于 500 万 m3 的共计 127 处[2]。在水库运营调度前，地下水位较低，坡体被浸泡部分较少，岸坡受库水影响较小；当水库正常运营调度后，地下水位会随着库区水位的变动而变动，更大体积的坡体受到库水影响发生水岩作用，致使岩土体物理力学参数及力学效应发生改变，从而影响岸坡稳定性。由库区水位周期性变动引起的失稳破坏已俨然成为库区发生频次最高且影响程度最大的地质灾害，对邻近的既有路基和桥梁桩基、墩台产生不利影响，严重危及沿岸公路、桥梁运营安全。重庆三峡库区某大桥引桥受多年库区水位周期性变动影响，桥址区岸坡覆盖土层发生变形滑动，导致该大桥北岸引桥部分墩柱朝江心方向纵向偏移，其中 6#墩偏移最为显著，墩顶向江心最大偏移量达 62.7cm。在对其上部结构进行检测，发现支座出现滑移、变形，且部分支座脱空，垫石碎裂、梁端封锚混凝土碎裂等病害，第 7 孔 T 梁靠岸侧梁端实际已位于第 6 孔靠江侧支承垫石上，致使第六孔 T梁已支承于相应垫石的边缘处，整体处于极为不利状态，严重危及桥梁运营安全。桥梁病害如图 1-1 所示。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水岩相互作用研究进展

水岩相互作用（Water-Rock Interaction）主要有两大研究方向：水化学研究和水动力学研究。发展至今，水岩相互作用已成为热点研究领域，吸引了环境学领域、地质学领域、岩土工程领域等学者研究。水岩作用具有多重属性，不同专业学科研究的侧重点不一样，针对于库岸边坡稳定性这一课题，国内外专家学者主要集中于对水动力学和岩土体强度弱化这两方面的理论、试验研究。水岩相互作用将改变岩土体的力学性质，加剧其强度的劣化破坏，进而影响库岸边坡稳定性。王思敬等[3]探讨了水岩相互作用类型、机制，将水岩相互作用总结为软化、潜蚀、冲刷、固结、崩解等。王士天等[4]论述了水环境、岩土体环境及地应力环境对岸坡稳定性的影响机制，归纳了库区水岩相互作用的类型及其特征，总结了水岩相互作用引发相关病害的类型及其产生机理。仵彦卿[5]将水岩相互作用系统划分为物理作用、化学作用和力学作用，研究了地下水与岩土体相互作用引起滑坡等地质灾害的力学机制。

第二章 周期变动水位作用下库岸边坡稳定性分析

2.1 周期变动水位下的水岩相互作用研究

2.1.1 库岸水岩相互作用

随着库区水位周期性变动，地下水位会随之做出相应变动，并对岸坡岩土体产生物理、化学及力学三种相互作用，对沿岸涉水边坡的稳定性带来复杂影响。水岩物理作用是指库水对岸坡岩土体的软化、润滑、侵蚀等作用；水岩化学作用主要是指在库水的作用下，发生离子交换吸附、水解与水化、溶解与沉淀、氧化还原等过程；水岩力学作用主要是指库区水位变动对岩土体产生的水压力作用。水岩相互作用不仅改变了岸坡岩土体物理力学性质，同时还改变了地下水的成分，它们相互作用，共同影响着库岸边坡岩土体的工程性质。

①水与岩土体的物理作用

1）软化作用

水与岩土体的软化作用是指岸坡岩土体在水的浸泡下出现强度下降的现象，它是通过减小岩土体的内摩擦角和粘聚力来改变岩土体物理力学性质，其作用程度可以用软化系数 K 来量化，软化系数 K 越大，表示岩土体越难被软化。软化系数 K 值大小取决于岩土体的自身组成成分，不同岩土体的软化系数 K 存在着显著差异，如高强度结晶岩，抗软化能力较强，其软化系数 K 通常大于 0.9；泥质岩类抵抗软化能力较弱，其强度软化系数 K 通常小于 0.7；胶结较差的松散岩类或胶结破坏的风化岩，其软化系数 K 通常低于 0.5。所以，岩土体的胶结程度及强度对软化作用程度有极大影响。王学武等[70]通过开展软弱岩层强度试验，研究了水与软弱岩层的软化作用，试验结果表明：软弱层状岩体的吸水性越强，其抗剪强度下降幅值越大。

2.2 周期变动水位作用下库岸边坡变形破坏机理

2.2.1 库岸边坡稳定性的影响因素

库岸边坡稳定性受诸多因素影响，总结归纳可分为两大类：内部因素与外部因素。内部因素是指：岸坡地质构造、地形地貌、坡内地应力及岩土层工程性质等；外部因素是指：库区水位作用、气象条件、地震作用、工程荷载作用及其他人类活动等。内部因素对库岸边坡的稳定性起着主导作用，它决定了库岸边坡失稳破坏范围及其模式，是影响库岸稳定性根本因素；而外部因素往往是引发边坡变形失稳的诱因，虽然不能直接控制库岸边坡的稳定性，但是对边坡变形失稳起到一个不可忽视的促进作用。

2.2.2 周期变动水位作用下库岸边坡变形破坏机理分析

三峡水库全面蓄水运营后，库水位呈现以一年为一个周期的升降特点，其最高运行水位高至 175m，最低运行水位低至 145m，库区水位变幅达到 30m。库区水位大幅度循环往复的升降将加剧水与岩土体的物理、化学、力学作用，破坏岸坡原有平衡，劣化岩土体力学性质，对沿岸涉水岸坡的稳定性带来不利影响。为了能够更加清楚地分析周期变动水位作用下库岸边坡变形破坏机理，本节将对库区水位一次循环过程所经历的四个阶段展开分析。

第三章 滑坡作用下桥梁下部结构损伤机理研究 .........................34

3.1 岸坡上桥梁桩基承载机理及受力分析................................................. 34

3.2 数值模拟的理论基础............................................................................. 42

3.3 周期变动水位作用下桥梁下部结构仿真分析..................................... 49

3.4 不同因素下桥梁下部结构响应对比..................................................... 62

第四章 岸坡—桥梁结构综合处治方法..........................................70

4.1 岸坡防护加固......................................................................................... 70

4.2 桥梁纠偏加固处治................................................................................. 79

4.3 本章小结................................................................................................. 87

第五章 岸坡—桥梁结构综合处治工程应用..................................88

5.1 概述......................................................................................................... 88

5.2 综合处置方案......................................................................................... 88

5.3 桥墩纠偏施工监控及长期监测............................................................. 99

第五章 岸坡—桥梁结构综合处治工程应用

5.1 概述

2018 年 7 月通过对三峡库区某大桥进行检测，发现该大桥北岸引桥部分墩柱朝江心方向纵向偏移，其中 6#墩偏移最为显著，6#墩墩顶上、下游侧朝江心方向偏移 62.7cm、58.3cm。在对其上部结构进行检测时，发现支座出现滑移、变形，且部分支座脱空，垫石碎裂、梁端封锚混凝土碎裂等病害，第 7 孔 T 梁靠岸侧梁端实际已位于第 6 孔靠江侧支承垫石上，致使第六孔 T 梁已支承于相应垫石的边缘处，整体处于极为不利状态，6 号墩向江心侧偏位严重。在对 6#墩墩底进行检查时，发现墩柱周边有明显塌陷现象，地面线以下桩身与周边土体有明显间隙。根据本文前面章节的研究并结合工程实际情况分析可推断，致使该桥桥墩偏移的主要原因是：受多年库区水位周期性变动影响，桥址区岸坡覆盖土层强度参数劣化严重，岸坡处于不稳定状态，基岩上覆盖土层发生明显的向下变形滑动，墩身受到较为严重的、指向江心的不平衡压力，导致桥墩发生偏移。桥墩偏位及其他病害的出现已严重影响到桥梁正常使用，为保证桥梁安全性能和延长桥梁使用寿命，本章将以三峡库区某大桥 6#桥墩偏位及其他病害为例提出有针对性的综合处治方案，并对桥墩顶推复位过程开展施工监控，对纠偏加固后的桥墩开展连续观测和长期监测，为类似项目提供有效参考
第六章 结论与展望

本文首先系统阐述了水与岩土体物理、化学、力学作用及“浸泡—风干”水岩循环作用机理，总结了周期变动水位作用下的库岸边坡变形破坏特点，对库区水位循环升降作用下的岸坡稳定性进行了分析；然后基于岸坡的稳定性演变规律，结合工程实例，建立库岸边坡与桥梁下部结构相互作用模型，分析岸坡覆盖土层变形滑动对桥梁下部结构受力性能及其变形特性影响，探究了桥梁下部结构损伤机理；并在岸坡变形滑动作用效应下，研究了不同因素对桥梁下部结构受力及变形影响；最后根据分析结果并结合工程实例，提出有针对性的岸坡防治及桥梁下部结构纠偏加固成套技术。本文主要结论如下：

（1）通过有限元强度折减法计算出岸坡在不同库区水位循环次数下的稳定性安全系数，得到了岸坡稳定性长期演变规律，即：在库区水位周期性变动作用下，稳定性安全系数呈非线性下降，下降速率随循环次数的增加而减小；安全系数最大降幅出现在首次库区水位循环升降后，在经历 14 次库区水位循环升降后，岸坡已由稳定状态转变为不稳定状态。

（2）结合岸坡位移及其塑性应变区演变情况，分析了研究区岸坡在服役阶段的变形及渐进破坏特性，分析表明：在水位循环初期，岸坡后缘覆盖土层沿岩土交界面发生变形滑动，随着水位循环次数增加，岸坡前缘覆盖土层出现变形滑动，当水位循环 13 次后，岸坡前缘覆盖土层位移量突增，最终在水位循环 14 次时发生失稳破坏，覆盖土层沿圆弧形滑面滑出。同时，通过分析塑性应变区演变情况，得到研究区岸坡存在两个潜在滑动面，为岸坡防护加固提供了依据。

（3）依托工程实例，建立了岸坡与桥梁下部结构的相互作用模型，通过有限元分析得到岸坡变形滑动是导致桥墩产生较大偏位的主要原因。同时，还得到了桥梁下部结构在库区水位循环升降作用下的受力及变形规律：在岸坡覆盖土层变形滑动作用下，桩基及桥墩在土体滑动方向位移显著，且最大位移出现在墩顶处，位移增速随水位循环次数增加而增加，岸坡处于欠稳定状态时，位移增长最为明显；在不同水位循环次数下，桥墩应力变化相对较小，桩基应力变化相对较大，桩身应力峰值出现在岩土交界面处且应力增量随水位循环次数的增加而增大。