三峡库区蓄水初期公路病害防治对策研究（研究报告简本）

西部交通建设科技项目合同号：200231800049三峡库区蓄水初期公路病害防治对策研究（研究报告简本）****市公路局***交通大学***交通科研设计院***后勤工程学院***科技有限公司***年***月 本项研究针对三峡库区蓄水诱发公路工程病害及其防治这一课题，以大量的现场调查和对库岸公路工程病害的分析为基础，对其形成机制、评价方法和防治措施进行了研究，获得了一套系统完善的研究成果：（1）从发育规模、活动频率和次生灾害三个方面对公路工程灾害的危害程度进行了研究，提出了用线变形破坏密度来评价其发育规模；总结了岸坡稳定性风险分析的理论方法，建立了适合三峡库区岸坡稳定性风险评价的指标体系和量化方法；（2）推导了以渗透力表述的边坡稳定分析条分法公式，对传递系数法的精度进行了系统研究，指出了该方法的使用条件及减小误差的措施；（3）从包辛涅斯克非稳定渗流微分方程入手，通过拉普拉斯变换，导出了库水位下降时坡体内浸润线的计算公式，结合有限元的分析结果对公式进行了修正；（4）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；（5）进行了多种斜坡的波浪作用试验，建立了适用于三峡库区的应用方便的平板斜坡小波高破波冲击压力计算公式；提出了三峡库区土质岸坡演变过程的预测方法。建议了岸坡防护结构参数的确定方法。（6）基于SupermapIS开发完成了“库区蓄水诱发公路工程灾害防治对策支持系统”，集成了课题的研究成果，实现了灾害数据的网上发布和资源共享。研究成果对三峡库岸公路的防灾减灾具有重要的理论和实际意义。Theresearchsetfocusonhighwayengineeringhazardsinducedbyreservoirimpoundingandgneralizedhazardstypeofreservoirbankhighwaysandbridgesbasedonfieldinvestigation.Thisresearchcopecoveredfromhazardsformingmechanism,evaluationmethodstopreventionstructure.Theachievementsarelistedasfollows.(1)Proposedtheconceptionofbandingengineeringriskevaluation;establishedtheindicesofembankmentsloperiskevaluation..(2)Theformulaofslicemethodofslopestabilityanalysisexpressedbyseepageforcewasproposed;Theprecisionofthetransfercoefficientmethodwassystematicstudiedandnotedthattheconditionsandmethodsofuseofmeasurestoreduceerror;(3)TheBoussinnesqdifferentialequationforonedimensionunsteadyseepageflowappliedforanalyzingthephreaticline.ThecomputationalformuladuringreservoirdrawdownisderivedformLaplace’stransformandmodifiedtheformulabyFEMsimulationresults;(4)Proposedmethodsofobtainfoundationbearingcapacityanditsstabilitybylimitanalysis,shearstrengthreductionmethodandelastoplasticFEMthroughsteploading;(5)ConductedmodeltestsofwaveforceonembankmentandestablishedcompactforcecalculationformulaofThreegorgesarea.(6)Developed“Decision-makingsystemofengineeringhazardsprevention”,whichintegratedtheresearchfindingsandreactednewpublishinganddatashare.Theresearchachievementsmayhavegreatreferencevaluetohazardspreventionand reducingofreservoirbankhighwaysatThreegorgesarea.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。表1不同岸坡稳定性灾害潜在危险性评价指标简表评价阶段可研勘察初步勘察详细勘察崩塌滑坡历史灾害数量、平均密度；区域地层岩性条件；区域构造单元、新构造运动；区域地貌类型；区域气候类型与暴雨强度；区域社会经济类型、人口密度、城镇密度、耕地密度与超采率；库水位变幅历史活动数量、规模、频次；潜在灾害体数量、密度、危害面积；岩石类型、风化程度；断裂发育程度；现今构造活动程度；地貌类型、高程、切割深度；年降水量、暴雨强度；地下水类型、特征及其作用程度；库水位波动作用、风浪作用、河流作用程度；人类工程活动程度历史活动规模、频次；潜在灾害体规模；岩石性质（类型、密度、容重、含水量、内聚力、内摩擦角、内摩擦系数、抗剪强度）、岩石结构（节理裂隙发育程度、软弱结构面）；断裂规模、性质、产状；地震活动及现今构造活动程度；地应力；地下水类型、静水压力、动水压力、浮托力、渗透系数、天然动态及人工动态；库水位动态特征及影响、风浪动态特征及浪蚀力、河流侵蚀及磨蚀力；岸坡高度、坡度、形态、临空面特征；年降水量、暴雨频次与强度；人工爆破、振动、开挖、排水、堆弃等 塌岸历史灾害分布情况及规模；区域地层岩性条件；区域构造单元、新构造运动；区域地貌类型；区域社会经济类型、人口密度、城镇密度、耕地密度；库水位变幅历史活动数量、规模、速率；潜在灾害体数量、危害面积；岩土体类型、特征及风化程度；断裂发育程度；现今构造活动程度；地貌类型、高程、切割深度；地下水类型、特征及其作用程度；库水位波动作用、风浪作用、河流作用程度历史活动规模、速率；潜在灾害体规模；岩土体性质（类型、密度、容重、含水量、内聚力、内摩擦角、内摩擦系数、抗剪强度、休止角）、岩土体结构（节理裂隙发育程度、软弱结构面、松散堆积体级配）；断裂构造、地震活动及现今构造活动程度；地下水类型、静水压力、动水压力、浮托力、渗透系数、天然动态及人工动态；库水位动态特征及影响、风浪动态特征及浪蚀力、河流侵蚀及磨蚀力；岸坡坡度、形态、临空面特征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）（2）式中，—纯土时的粘聚力和内摩擦角； —碎石含量为80％时的粘聚力和内摩擦角；—临界含石量，当时取0.2，当时取0.4。—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。（3）（4）（5）式中，—渗透系数(m/d)；—潜水流的平均厚度(m)，取；—库水下降前的水位(m)；—t时刻库水的水位(m)； —给水度；—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，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灰岩浸泡强度试验组数试件状态抗压强度(MPa)1天然41.12浸泡1d36.43浸泡15d33.94浸泡30d29.8528.6图3灰岩浸水后抗压强度衰减规律试验 浸泡60d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。表3节理岩体石地基容许承载力表建议值完整性结构面发育程度结构面抗剪断强度容许承载力（MPa）组数平均间距（m）产状粘聚力（MPa）内摩擦角（°）软质岩硬质岩大块状1~2>1.0α>65°,α<25°>0.22>372.5~35~625°≤α≤65°2~2.54~52~30.4~1.0α>65°,α<25°0.12~0.2229~3725°≤α≤65°1.5~23~4碎块状2~30.4~1.0α>65°,α<25°0.12~0.2229~3725°≤α≤65°1.25~1.52.5~3≥30.2~0.4α>65°,α<25°0.08~0.1219~2925°≤α≤65°1~1.252~2.5 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。采用有机玻璃板做成光滑斜坡、不同颗粒大小的碎石堆成自然散体斜坡，然后采用压力传感器及自动采集系统施测和记录波压力。共进行了平板边坡、碎石边坡在多种波要素、入射波向、坡度、碎石边坡颗粒等各种组合下700余组试验。图8平面斜坡最大波压比较图9相对计算波压与波陡的关系对于各种坡度，可用如下关系式进行表达：(6)式中，Cm1、Cm2为只与斜坡坡度或坡率有关的系数，可由下式给出。(7)由式（6）可知，波压并不是随坡度越陡而越大，也不是随坡度越缓而越小；而是存在一个坡度，使其波压最大。2、波浪作用下土质库岸宏观变形及破坏特征研究 该部分的研究从试验研究、现场观测两方面展开。试验土体由三峡库区奉节段实地取样。试验在波浪水槽内进行，将土样筑成试验需要坡度的概化岸坡，然后造波对其进行淘刷，并间隔一定时间施测岸坡形态，直到变形不十分明显为止。试验进行了6组波要素、18°和35°两种坡度共30组试验图10波浪作用下粘性岸坡基本变形形态平衡点的演变：（8）最远冲距：（9）最大冲深：最大淤厚：3、浪流对防护结构稳定性的影响（1）破波冲击时刻： 抗滑稳定系数：(10)抗倾稳定系数：(11)抗浮稳定系数：(12)（2）波浪爬高时刻：抗滑稳定系数：K：(13)抗倾稳定系数：(14)抗浮稳定系数：(15)（3）水流回落时刻：抗滑稳定系数：(16)抗倾稳定系数：(17)抗浮稳定系数：(18)2.5公路路基与桥涵设施灾害防治对策及措施研究1、库区公路边坡支挡结构及桥梁地基基础病害类型和破坏形式 （1）倾覆破坏主要表现为挡土墙整体倾覆失稳，与相邻挡土墙产生位移，且位移成上大下小的楔形；（2）整体破坏主要表现为砌体产生较大的裂缝，整体倾斜或下沉，严重时砌体发生墙身断裂或倒塌；（3）基础冲刷淘空基础冲刷淘空是公路水毁的一种主要形式，且危害较大。处于暴雨集中、雨水冲刷严重或沿河、冲沟地段的挡土墙，常因雨水急速局部冲刷基础，使底部材料被形成的涡流冲蚀、卷起带走，随着冲刷深度和范围的增大，导致基础脱空，如不及时处理，则会进一步导致结构物失稳破坏；（4）挡墙滑移主要表现为挡土墙整体外移，与相邻挡土墙产生错位，且上、下位移大致相等。（5）桥台基础发生沉降水的作用进一步恶化岩土体的力学性能，超载造成的桥梁上部荷载偏大都会增加桥梁基础的沉降。（6）桥台基础发生滑动和倾覆基础倾覆或倾斜除了地基的强度和变形原因外，往往发生在承受较大的单向水平推力而其合力作用点又离基础底面的距离较高的结构上，如高桥台在侧向土压力作用下可能引起倾覆，而水的作用弱化了基底土体的性质，再加之水流的淘蚀作用，桥台基础下面部分土体会被淘蚀，这样桥台可能加剧桥台发生倾覆；而且水的作用降低了基础与地基之间的摩擦系数，还可能导致基础发生滑动。2、公路边坡、支挡结构及桥涵设施病害治理规划 根据本项研究的成果，并遵循库区蓄水调度总体规划，结合实际情况，合理布局，为库区交通发展服务和以人为本，改善和保证库区交通畅通，确保库区人民出行便利两大原则，对库区公路边坡、支挡结构及桥涵设施病害治理作了简要规划。对于桥梁的规划，本规划具体到了每一座桥梁，对于公路边坡由于点多面广，本次规划对典型路段的边坡作了规划，对其他未纳入本次规划的边坡提供了经统计得出的岩土体参数，根据本项研究提出的稳定性计算方法，分奉节、云阳、万州三个地区进行了初步计算。2.6基于GIS的系统开发方面系统开发是把地理信息系统（GIS）的海量信息管理能力和良好的人机交互方式与三峡库岸公路工程灾害评价及防治对策有机结合，开发集重庆三峡库岸公路基本信息管理、公路工程灾害评价及防治对策为一体的系统软件。因此，系统的开发思路从GIS本身入手，建立三峡库岸公路基本信息库，同时根据课题的研究成果及各功能模块的数据需求建立专业数据库，在此基础上开发评价三峡库岸公路工程灾害的专业模块。（1）数据管理搭建公路灾害防治对策研究的基础框架和应用平台。平台的应用服务采用B/S结构,系统维护采用C/S结构，通过统一的系统结构设计、数据库结构设计、功能模块设计和组件化开发方法，实现地理信息系统与决策支持系统的紧密结合及相互灵活调用,构建统一空间辅助决策软件平台。采用C/S结构体系，由具有专业背景的系统管理员对空间数据库、综合信息数据库、操作流程与用户界面进行管理与维护。数据分为空间数据和业务数据，空间数据以SuperMapSDX方式存储在SQL Server数据库，业务数据存储在SqlServer数据库中。通过数据访问，系统将基础空间、业务信息整理、整合后，以各种不同的主题形式展现给用户。①构造公路基础信息数据结构，搭建库岸公路基础信息数据库；②构造库岸公路灾害预测分析、灾害评估模型库结构；③开发库岸公路灾害管理综合信息系统。（2）专业模块①开发了公路边坡工程灾害评估功能模块；②开发了渗流作用下路基边坡稳定性评价模块；③开发了库区浪流作用功能模块；④开发了公路支挡结构物稳定性及设计计算模块；⑤开发了桥梁地基灾害程度判断模块。3、创新点（1）提出了用线变形破坏密度来评价公路工程灾害发育规模；总结了岸坡稳定性风险分析的理论方法，建立了适合三峡库区岸坡稳定性风险评价的指标体系和量化方法。将该方法应用于库区典型岸坡，评价结果与现场调查吻合良好。（2）提出了以渗透力表述的边坡稳定分析条分法公式。以渗透力取代土条中的孔隙水压力，推导出了用渗透力表述的滑坡稳定分析的条分法公式。并首次对我国普遍使用的传递系数法的精度进行了系统研究，指出了其误差产生的原因，提出了该方法的使用条件及减小误差的措施，这些成果被《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）采用。（3）提出了库水作用下浸润线确定的实用方法。重庆市地方标准《地质灾害防治工程勘察规范》（DB50/143-2003 ）吸取了项目的研究成果，采用了本项研究提出的库水作用下坡体中浸润线的计算方法以及用渗透力表述的滑坡稳定性评价公式，并且在库区地质灾害治理中得到了应用。（4）提出了极限分析上、下限有限元法、增量加载有限元法和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，特别是后两种方法，在国内尚属首次，并由此提出了有软弱结构面岩石地基极限承载力的计算方法。（5）进行了多种斜坡的波浪作用试验，建立了适用于三峡库区的应用方便的平板斜坡小波高破波冲击压力计算公式；提出了三峡库区土质岸坡演变过程的预测方法。建议了岸坡防护结构参数的确定方法。（6）开发完成了基于GIS软件开发平台的“库区蓄水诱发公路工程灾害防治对策支持系统”，该系统不仅具有通用GIS的强大数据管理和图形显示功能，且集成了课题的研究成果，并实现了灾害数据的网上发布和资源共享。