1、西部交通建設科技項目合同號：2002 318 000 49三峽庫區蓄水初期公路病害防治對策研究（研究報告簡本）*市公路局*交通大學*交通科研設計院*后勤工程學院*科技有限公司*年*月本項研究針對三峽庫區蓄水誘發公路工程病害及其防治這一課題，以大量的現場調查和對庫岸公路工程病害的分析為基礎，對其形成機制、評價方法和防治措施進行了研究，獲得了一套系統完善的研究成果：（1）從發育規模、活動頻率和次生災害三個方面對公路工程災害的危害程度進行了研究，提出了用線變形破壞密度來評價其發育規模；總結了岸坡穩定性風險分析的理論方法，建立了適合三峽庫區岸坡穩定性風險評價的指標體系和量化方法；（2）推導了以滲透力表

2、述的邊坡穩定分析條分法公式，對傳遞系數法的精度進行了系統研究，指出了該方法的使用條件及減小誤差的措施；（3）從包辛涅斯克非穩定滲流微分方程入手，通過拉普拉斯變換，導出了庫水位下降時坡體內浸潤線的計算公式，結合有限元的分析結果對公式進行了修正；（4）提出了極限分析上、下限有限元法、增量加載有限元法及有限元強度折減法等數值方法來求解地基的極限承載力及評判地基的穩定性；（5）進行了多種斜坡的波浪作用試驗，建立了適用于三峽庫區的應用方便的平板斜坡小波高破波沖擊壓力計算公式；提出了三峽庫區土質岸坡演變過程的預測方法。建議了岸坡防護結構參數的確定方法。（6）基于supermap is 開發完成了“庫區蓄水

3、誘發公路工程災害防治對策支持系統”，集成了課題的研究成果，實現了災害數據的網上發布和資源共享。研究成果對三峽庫岸公路的防災減災具有重要的理論和實際意義。the research set focus on highway engineering hazards induced by reservoir impounding and gneralized hazards type of reservoir bank highways and bridges based on field investigation. this research cope covered from hazards f

4、orming mechanism , evaluation methods to prevention structure. the achievements are listed as follows .(1)proposed the conception of banding engineering risk evaluation ; established the indices of embankment slope risk evaluation . .(2) the formula of slice method of slope stability analysis expres

5、sed by seepage force was proposed; the precision of the transfer coefficient method was systematic studied and noted that the conditions and methods of use of measures to reduce error; (3) the boussinnesq differential equation for one dimension unsteady seepage flow applied for analyzing the phreati

6、c line. the computational formula during reservoir drawdown is derived form laplaces transform and modified the formula by fem simulation results;(4) proposed methods of obtain foundation bearing capacity and its stability by limit analysis, shear strength reduction method and elastoplastic fem thro

7、ugh step loading ;(5) conducted model tests of wave force on embankment and established compact force calculation formula of three gorges area .(6) developed “decision-making system of engineering hazards prevention ”, which integrated the research findings and reacted new publishing and data share

8、.the research achievements may have great reference value to hazards prevention and reducing of reservoir bank highways at three gorges area. 1 概述“三峽庫區蓄水初期公路病害防治對策研究”為2002年交通部西部交通建設科技項目（合同編號：2002-318-000-49），項目研究起止年限為：2002年8月至2005年12月。自交通部下達本研究項目以來，涉題各方通力合作，按照課題的要求，開展了卓有成效的研究，并于2006年7月15日通過了交通部科技司的驗

9、收和鑒定。三峽庫區為我國重力地質作用異常活躍的地區，三峽庫區蓄水后，原有脆弱的地質環境加之庫水位每年達30m左右的波動幅度，不但會加劇三峽庫區地質災害的頻率和規模，也使一些已建庫岸公路路基處在庫水的升降范圍之內。由于這些公路在修建時大都受當時條件的限制，未考慮庫水的作用。在庫水的浸泡下，路基巖土軟化、強度降低，并且在庫水下降時地下水的滯后滲流作用產生很大的動水壓力，導致路基邊坡及支擋結構的破壞。對于庫區的橋梁而言，位于水位145175m之間的基礎巖體，長期處在干濕循環變化段，巖體結構面會受到水的作用而弱化，導致橋基巖體承載力的降低，也可能引發各種橋梁病害。根據對現狀的調研和歸納分析，主要從三個

10、層次，分為7個專題開展研究（如圖1所示）：1、理論研究針對三峽庫區水位在蓄水后隨季節不同將發生大幅度上下變動的實際情況，本項目理論方面的主要研究包括：循環滲流下路基邊坡、支擋結構的穩定性和承載力研究，橋梁地基的穩定性和承載力研究，波浪與水流對庫岸路基邊坡的侵蝕作用和穩定岸坡模式的研究。該部分內容是本項研究的第一層面，即理論研究。2、工程措施研究以理論研究成果為基礎，本部分研究內容主要是針對可能出現破壞的路基、橋梁提出切實可行、經濟實用的工程措施，論述已有的結構形式在三峽庫岸公路工程災害防護中的適宜性。這是本項目的第二個層面，即滿足工程設計人員的需要。3、基于gis的對策系統研究本部分內容主要包

11、含兩方面：一是建立一個庫岸公路的綜合信息系統，該系統將包含庫區所有的公路、橋梁工程的基礎信息；二是集成一個綜合本項目所有研究成果的專家系統。兩者有機結合，可以滿足不同層次管理部門對庫岸公路實際情況的準確把握和正確決策。這是本項目研究的第三個層面，滿足管理部門的需要。圖1 項目主要研究內容構成2 主要研究內容2.1 岸坡穩定性風險分析方面岸坡類型特征是控制岸坡穩定的主要因素，包括岸坡巖性組合特征、巖體結構類型和岸坡結構類型，三者既有區別也有一定的聯系，它們三者的組合往往構成了岸坡的基本地質模式，決定了岸坡的穩定狀況及主要變形破壞方式和規模。本專題研究從岸坡巖性組合特征、巖體結構類型和岸坡結構類型

12、入手，將三峽庫區岸坡分為4大類12亞類，并根據野外調查及理論分析總結了各種岸坡類型的主要變形破壞方式，為建立岸坡破壞風險分析的基本評價指標奠定基礎；根據地質災害成災過程、災情構成及風險分析的基本理論體系，結合三峽庫區實際，建立了岸坡穩定性風險評價內容及其體系結構（如圖2所示）。圖2 岸坡穩定性風險評價內容及其體系結構示意圖確定了不同類型岸坡穩定性在不同精度條件下的危險性評價指標，如表1所列。表1 不同岸坡穩定性災害潛在危險性評價指標簡表評價階段可研勘察初步勘察詳細勘察崩塌滑坡歷史災害數量、平均密度；區域地層巖性條件；區域構造單元、新構造運動；區域地貌類型；區域氣候類型與暴雨強度；區域社會經濟類

13、型、人口密度、城鎮密度、耕地密度與超采率；庫水位變幅歷史活動數量、規模、頻次；潛在災害體數量、密度、危害面積；巖石類型、風化程度；斷裂發育程度；現今構造活動程度；地貌類型、高程、切割深度；年降水量、暴雨強度；地下水類型、特征及其作用程度；庫水位波動作用、風浪作用、河流作用程度；人類工程活動程度歷史活動規模、頻次；潛在災害體規模；巖石性質（ 類型、密度、容重、含水量、內聚力、內摩擦角、內摩擦系數、抗剪強度）、巖石結構（節理裂隙發育程度、軟弱結構面）；斷裂規模、性質、產狀；地震活動及現今構造活動程度；地應力；地下水類型、靜水壓力、動水壓力、浮托力、滲透系數、天然動態及人工動態；庫水位動態特征及影響

14、、風浪動態特征及浪蝕力、河流侵蝕及磨蝕力；岸坡高度、坡度、形態、臨空面特征；年降水量、暴雨頻次與強度；人工爆破、振動、開挖、排水、堆棄等塌岸歷史災害分布情況及規模；區域地層巖性條件；區域構造單元、新構造運動；區域地貌類型；區域社會經濟類型、人口密度、城鎮密度、耕地密度；庫水位變幅歷史活動數量、規模、速率；潛在災害體數量、危害面積；巖土體類型、特征及風化程度；斷裂發育程度；現今構造活動程度；地貌類型、高程、切割深度；地下水類型、特征及其作用程度；庫水位波動作用、風浪作用、河流作用程度歷史活動規模、速率；潛在災害體規模；巖土體性質（ 類型、密度、容重、含水量、內聚力、內摩擦角、內摩擦系數、抗剪強度

15、、休止角）、巖土體結構（節理裂隙發育程度、軟弱結構面、松散堆積體級配）；斷裂構造、地震活動及現今構造活動程度；地下水類型、靜水壓力、動水壓力、浮托力、滲透系數、天然動態及人工動態；庫水位動態特征及影響、風浪動態特征及浪蝕力、河流侵蝕及磨蝕力；岸坡坡度、形態、臨空面特征 對于各種不同類型岸坡的破壞方式，提出了危險性評價指標體系及其量化方法，并選用影響因素綜合評判法、模糊綜合評判法和拓撲學方法進行風險穩定性分析。并將該方法應用于示范路段，取得了良好的效果。2.2 滲流作用下路基邊坡穩定性研究方面1、庫水作用下，路基土抗剪強度的研究進行路基邊（滑）坡穩定性分析和支擋結構的計算，巖土抗剪強度參數的確定

16、至關重要。對于均質土可以用傳統的土工試驗就可以確定土體的抗剪強度，而對于庫區中碎石土，往往很難用普通的土工試驗來確定土體抗剪強度。目前邊（滑）坡治理工程中采用室內小試件試驗是不夠科學的，針對這個問題，采用室內中剪試驗開展碎石土的強度試驗研究，確定不同碎石含量與含水量對碎石土抗剪強度的影響規律，提出實用計算公式。 （1） （2）式中， 純土時的粘聚力和內摩擦角；碎石含量為80時的粘聚力和內摩擦角；臨界含石量，當時取0.2，當時取0.4。細粒土的液性指數。2、庫水作用下，坡體內水位的變化規律與動水壓力的研究進行路基邊坡穩定性的研究，首先應研究庫水升降時坡體內浸潤線的變化規律，然后才能確定坡體內的孔

17、隙水壓力分布以及動水壓力的計算，庫水位的下降屬非穩定滲流問題，與庫水的下降速度、滑體的滲透系數、給水度等因素有關。正確的方法是考慮這些因素來確定浸潤線，然后依據浸潤線確定動水壓力，由此再來進行穩定性分析。然而目前在浸潤線的確定上往往根據設計人員的經驗，人為假定一條浸潤線來進行穩定性分析，這可能導致治理工程的不安全。產生這一問題的原因是目前對庫水位下降情況下的滑坡穩定性研究不多，沒有合適的工程應用算法。另外，不同的部門在動水壓力的計算上也存在分歧，不同的部門選用不同的計算公式。針對這些問題，本研究從理論上推導浸潤線的計算方法及動水壓力的計算公式，并通過大型模型試驗及數值分析來驗證理論公式。 （3

18、） （4） （5）式中，滲透系數(m/d)；潛水流的平均厚度(m)，取； 庫水下降前的水位(m)；t時刻庫水的水位(m)；給水度；庫水下降時間(d)。3、傳遞系數法精度分析傳遞系數法以其簡單適用的特點在我國得到了廣泛應用，然而對于這么廣泛使用的方法的精度分析研究卻很少。目前的一些分析結果表明，其分析結果在某些情況下產生的誤差很大，并且偏于不安全。本項研究表明：（1）滑面控制點處的傾角變化的大小對穩定系數的影響很大，變化角度越大，傳遞系數法誤差越大。一般情況下，傳遞系數法的穩定系數大于m-p法，結果偏于不安全。但當節點傾角變化值減小時，其穩定系數逐漸偏于安全，因而對于圓弧滑面，只要條分合理，可以

19、得到與簡化bishop法接近的結果。（2）在滑面傾角變化相同的情況下，穩定系數的誤差隨內摩擦角的增大而減小，但其影響不大，通常可不考慮。（3）在滑面傾角變化很小的情況下，傳遞系數法的安全系數與m-p法很接近，并出現由偏大轉為偏小的趨勢，該趨勢與內摩擦角有關，內摩擦角越大，轉變為偏小的夾角差也大，反之越小，但其變化范圍不大，該例在7.5以內。當滑面的傾角變化在7.5以內時，誤差都在3以內。（4）實際工程中，大部分滑面控制點處的傾角變化并不大，只有個別點處傾角變化較大，為此可將使用條件限制在10度以內。當滑面控制節點處的滑面傾角變化量小于10度時，可以使用傳遞系數法。對于轉折點處的傾角變化量超過1

20、0時，應對滑面進行處理，消除尖角效應。（5）傳遞系數法隱式解與顯式解求得的推力不同，其原因在于兩種方法采用了不同的安全系數定義。顯式解采用的是增加自重的定義方式，考慮的是超載系數，但又不是嚴格意義上的超載系數，它僅考慮了下滑力的超載，而沒有考慮超載引起的抗滑力提高。這樣的定義并不都是安全的，因為在滑面的反翹段，下滑力變成了阻止滑體運動的抗力，相當于提高了抗力系數，因此在這種情況下又是不安全的。隱式解采用的是國際上邊坡穩定分析中通用的安全系數定義，考慮的是材料的強度儲備系數。在計算推力時，若顯示解法的安全系數取 時，那么用隱式解法得到與之相同的推力所需要的安全系數將是 ，這是要引起足夠的注意。因

21、為若用顯示解法算推力時，安全系數取1.2，那么要達到這么大的推力，用隱式解法得到的安全系數將是 =1.44，這么大的安全儲備勢必造成投資增加。2.3 橋梁基礎巖體穩定性和承載力研究方面1、水對巖體弱化試驗研究三峽水庫蓄水以后，將會有許多原先處于天然風干狀態的巖石長期處于浸水狀態，為了測定在長期浸泡作用下巖石抗壓強度的變化，進行了砂巖、灰巖巖塊（試樣高度10cm，直徑5cm）長期浸水試驗，測定長期浸泡以后砂巖巖塊的單軸抗壓強度的弱化規律。表2 灰巖浸泡強度試驗組數試件狀態抗壓強度(mpa)1天然41.12浸泡1d36.43浸泡15d33.94浸泡30d29.85浸泡60d28.6圖3 灰巖浸水后

22、抗壓強度衰減規律試驗圖4 灰巖彈性變形參數變化圖5 灰巖變形參數變化圖6試件軸壓 與圍壓 曲線圖（泥巖抗剪）圖7天然、飽和、干濕循環狀態下的結果（泥巖抗剪）無論是長期浸泡試驗還是干濕循環試驗，巖塊的長期單軸飽和強度比標準的單軸飽和強度低20%以上。應當注意，室內試驗要比實際巖體衰減大，因為水很難滲入到巖體中，而且實際巖體干燥與飽和程度都遠比實驗室試驗弱。2、地基承載力數值分析研究地基極限承載力的求解是經典的土力學問題，目前常用的計算方法仍然是基于prandtl解的各種經驗修正公式。對于邊界條件、荷載條件比較簡單，材料均勻等比較理想的受力物體，這些常用的方法能夠獲得比較理想的結果。然而在實際工程

23、中，邊界條件、荷載條件比較復雜，再加之材料的非均質等，依靠傳統的計算方法很難得到可靠的解答。在本項目的研究中，分別提出了極限分析上、下限有限元法、增量加載有限元法及有限元強度折減法等數值方法來求解地基的極限承載力及評判地基的穩定性的分析方法，特別是后兩種方法，在國內尚屬首次。增量加載有限元方法在國際上雖然有人做過，但其誤差太大，被認為無法應用。本項研究有了重大進展，計算精度大大提高。3、橋梁節理巖基承載力有限元分析巖石地基承載力的確定對巖體穩定及建筑物安全至關重要。各部門的地基規范(如交通部、建設部和水利部等)都列出了巖體承載力的取值數據，從這些表中可以看到，巖石地基的容許承載力數值只有室內巖

24、塊單軸極限抗壓強度值的幾分之一到幾十分之一。這種方法的實質是以巖塊強度作為確定巖體承載力的依據：巖塊強度越高，巖體承載力就越大。許多工程實踐證明，它們之間并不是一個簡單的比例關系，當巖體存在節理時這個問題更加突出。有限元法的計算精度得到很大程度的改善，有限元的計算軟件日臻成熟，為有限元法在橋梁巖基分析中的應用提供了有力的支持。本章在采用增量超載有限元法基礎上，提出了具有節理的橋梁巖基承載力有限元分析方法，并分析了節理對地基承載力的影響。公路橋涵地基與基礎設計規范中巖石地基容許承載力進行了改進。表3 節理巖體石地基容許承載力表建議值完整性結構面發育程度結構面抗剪斷強度容許承載力（mpa）組數平均

25、間距（m）產狀粘聚力（mpa）內摩擦角（）軟質巖硬質巖大塊狀121.065,0.22372.535625 6522.545230.41.0 65, 65, 65, 250.080.12192925 6511.2522.52.4 浪流對岸坡及防護結構的作用研究方面1、波浪對庫岸作用試驗研究波浪正向入射試驗在玻璃水槽內進行，斜向入射試驗在港池內進行。采用有機玻璃板做成光滑斜坡、不同顆粒大小的碎石堆成自然散體斜坡，然后采用壓力傳感器及自動采集系統施測和記錄波壓力。共進行了平板邊坡、碎石邊坡在多種波要素、入射波向、坡度、碎石邊坡顆粒等各種組合下700余組試驗。 圖8 平面斜坡最大波壓比較 圖9 相對計

26、算波壓與波陡的關系 對于各種坡度，可用如下關系式進行表達： (6)式中，cm1、cm2為只與斜坡坡度或坡率有關的系數，可由下式給出。 (7)由式（6）可知，波壓并不是隨坡度越陡而越大，也不是隨坡度越緩而越小；而是存在一個坡度，使其波壓最大。2、波浪作用下土質庫岸宏觀變形及破壞特征研究該部分的研究從試驗研究、現場觀測兩方面展開。試驗土體由三峽庫區奉節段實地取樣。試驗在波浪水槽內進行，將土樣筑成試驗需要坡度的概化岸坡，然后造波對其進行淘刷，并間隔一定時間施測岸坡形態，直到變形不十分明顯為止。試驗進行了6組波要素、18和35兩種坡度共30組試驗圖10 波浪作用下粘性岸坡基本變形形態平衡點的演變： （

27、8）最遠沖距： （9）最大沖深：最大淤厚：3、浪流對防護結構穩定性的影響（1）破波沖擊時刻：抗滑穩定系數： (10)抗傾穩定系數： (11)抗浮穩定系數： (12)（2）波浪爬高時刻：抗滑穩定系數： k： (13)抗傾穩定系數： (14)抗浮穩定系數： (15)（3）水流回落時刻：抗滑穩定系數： (16)抗傾穩定系數： (17)抗浮穩定系數： (18)2.5公路路基與橋涵設施災害防治對策及措施研究1、庫區公路邊坡支擋結構及橋梁地基基礎病害類型和破壞形式（1）傾覆破壞主要表現為擋土墻整體傾覆失穩，與相鄰擋土墻產生位移，且位移成上大下小的楔形；（2）整體破壞主要表現為砌體產生較大的裂縫，整體傾斜或

28、下沉，嚴重時砌體發生墻身斷裂或倒塌；（3）基礎沖刷淘空基礎沖刷淘空是公路水毀的一種主要形式，且危害較大。處于暴雨集中、雨水沖刷嚴重或沿河、沖溝地段的擋土墻，常因雨水急速局部沖刷基礎，使底部材料被形成的渦流沖蝕、卷起帶走，隨著沖刷深度和范圍的增大，導致基礎脫空，如不及時處理，則會進一步導致結構物失穩破壞；（4）擋墻滑移主要表現為擋土墻整體外移，與相鄰擋土墻產生錯位，且上、下位移大致相等。（5）橋臺基礎發生沉降水的作用進一步惡化巖土體的力學性能，超載造成的橋梁上部荷載偏大都會增加橋梁基礎的沉降。（6）橋臺基礎發生滑動和傾覆基礎傾覆或傾斜除了地基的強度和變形原因外，往往發生在承受較大的單向水平推力而

29、其合力作用點又離基礎底面的距離較高的結構上，如高橋臺在側向土壓力作用下可能引起傾覆，而水的作用弱化了基底土體的性質，再加之水流的淘蝕作用，橋臺基礎下面部分土體會被淘蝕，這樣橋臺可能加劇橋臺發生傾覆；而且水的作用降低了基礎與地基之間的摩擦系數，還可能導致基礎發生滑動。2、公路邊坡、支擋結構及橋涵設施病害治理規劃根據本項研究的成果，并遵循庫區蓄水調度總體規劃，結合實際情況，合理布局，為庫區交通發展服務和以人為本，改善和保證庫區交通暢通，確保庫區人民出行便利兩大原則，對庫區公路邊坡、支擋結構及橋涵設施病害治理作了簡要規劃。對于橋梁的規劃，本規劃具體到了每一座橋梁，對于公路邊坡由于點多面廣，本次規劃對

30、典型路段的邊坡作了規劃，對其他未納入本次規劃的邊坡提供了經統計得出的巖土體參數，根據本項研究提出的穩定性計算方法，分奉節、云陽、萬州三個地區進行了初步計算。2.6基于gis的系統開發方面系統開發是把地理信息系統（gis）的海量信息管理能力和良好的人機交互方式與三峽庫岸公路工程災害評價及防治對策有機結合，開發集重慶三峽庫岸公路基本信息管理、公路工程災害評價及防治對策為一體的系統軟件。因此，系統的開發思路從gis本身入手，建立三峽庫岸公路基本信息庫，同時根據課題的研究成果及各功能模塊的數據需求建立專業數據庫，在此基礎上開發評價三峽庫岸公路工程災害的專業模塊。（1）數據管理搭建公路災害防治對策研究的基礎框架和應用平臺。平臺的應用服務采用b/s結構, 系統維護采用c/s結構，通過統一的系統結構設計、數據庫結構設計、功能模塊設計和組件化開發方法，實現地理信息系統與決策支持系統的緊密結合及相互靈活調用, 構建統一空間輔助決策軟件平臺。采用c/s結構體系，由具有專業背