貴州河洋大橋南岸巖體穩定性分析

程新生，李銀海

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

擬建河洋大橋位于貴州省普安縣與水城縣的交界處，是普安縣連接水城縣的一座橫跨北盤江的大橋，該項目的建成將打通普安縣的北大門。大橋北連水城，南接國道G320，屬省級路網支線大橋，是普安及水城南北對外交通的控制性工程。

河洋大橋跨越北盤江，南岸位于普安縣北部的龍吟鎮河洋村境內，北岸位于水城縣野鐘鄉。由于橋位區為高陡峽谷地段，地質構造異常發育、岸坡卸荷裂隙導致局部形成潛在崩塌巖體，滑坡是該區域突出的地質問題。無論在橋軸線、橋形及結構設計方面，都必須重點查明及論證這些問題以保證大橋建成后邊坡穩定、拱座基礎穩定以及大橋正常安全運營。本文以河洋大橋南岸陡傾巖體為例，對其整體穩定性及破壞模式進行簡要分析。

1 影響巖體岸坡穩定性的因素

1.1 地形地貌

橋址區地貌屬溶蝕-侵蝕中～低山地貌單元，境內山巒起伏，地勢西北高東南低。橋位所在區內地勢起伏較大，北盤江深切河谷為“V”字型，形成“S”形河曲由南向北延伸穿越勘區，兩岸山體主要呈錐形，溶隙、溶溝、溶槽分布廣泛，凸岸有淺灘，調查區域內北盤江總體流向約53°。橋位處南北岸均為陡峭山崖，基巖裸露，四周地貌分異明顯。

1.2 地層巖性

該區主要巖性為頁巖及灰巖，二者均以層狀產出，在巖性變化段以互層形式過渡，研究區地層的沉積序列從下至上依次為灰巖—灰巖夾頁巖—頁巖夾灰巖—頁巖組合，基巖產狀約為310°～350°∠30°～50°，總體上地表出露巖體較為破碎。

根據巖體工程地質條件、出露部位及巖性差別，將場區內巖體分為下列三個巖組[1]：

Ⅰ：中厚層灰巖巖組，主要分布于北盤江南岸橋位附近靠岸邊的陡崖區，主要為中厚層灰巖，大部分屬于強風化，產狀約為335°∠85°。水邊處的巖體長期受到江水浸泡侵蝕及風化作用，偶見卸荷裂隙及小型巖塊崩落現象。

Ⅱ：薄層灰巖巖組，為頁巖和灰巖的過渡段，主要為薄層灰巖，偶夾炭質頁巖，大部分強風化，強度一般，產狀為 120～130°∠65～75°。該巖組為一緊閉背斜的南東翼，與Ⅰ巖組構成背斜構造。

Ⅲ：頁巖夾薄層灰巖巖組，場區內大部分出露該巖組，為南橋位所在斜坡區的主要巖體，其產狀為340°∠35°。一般其風化程度較高、強度較低，且夾薄層泥灰巖、硅質灰巖。

總之，研究區巖性多樣、厚薄不均，風化強烈，巖體破碎，完整性差。

1.3 地質構造

本區段在大地構造上處于南嶺緯向構造帶北緣、普安山字型構造前弧北翼，前弧弧頂位于普安縣城附近。受此構造控制，區內緊密褶皺極其發育，巖層破碎程度高，扭曲明顯。北盤江兩岸巖層垂直節理發育，常有崩塌發生。區內的構造自新生代以來表現較明顯，新構造期表現為區域隆升，主要表現為深切河谷。

經查橋位區地質條件復雜，在南岸線位約200 m范圍內，南北向發育了3個背斜、3個向斜構造，且該段巖體在東西向局部有扭曲，使得該段巖體極為破碎，且該段巖體主要發育地層為薄層石灰巖、薄層頁巖，大部分區域內以薄層灰巖頁巖互層狀態存在；僅在南岸岸邊發育一段約30 m左右中厚層灰巖，整個巖體受構造運動影響，整體完整性較差，裂隙極為發育。

1.4 不良地質作用

勘區不良地質作用主要有順向坡及滑坡、崩塌、復雜地質構造等，主要特點如下：

1）順向坡及滑坡：主要分布在橋位區南岸緩坡地帶，基巖主要為薄層～極薄層頁巖。從岸坡地表破壞形跡看，岸坡在形成發育期間，曾產生過很多小規模的順層溜滑現象，這些溜滑體主要由一組或多組裂隙切割后，順層面滑動，溜滑物質很少殘留于坡面，而直接滑入河谷。

2）崩塌：橋位區南岸上下游約220 m的范圍內形成了陡崖，該段巖體構造發育，在近岸地帶主要發育中厚層、薄層石灰巖，巖層呈陡立狀。根據現場地質調查揭示，近岸地段發育一緊密背斜，背斜的頂部受構造影響，巖體碎裂呈塊狀，受后期風化剝蝕作用，裂隙面受泥質充填，導致巖體整體完整性不高，且該層石灰巖主要以陡立形態存在，易發生崩塌破壞。

3）巖溶：區域內近岸部分主要發育基巖為薄層及中厚層石灰巖，地表淺層灰巖溶蝕現象較為發育。主要的溶蝕形跡為地表溶隙、溶槽、碟狀溶洼、少量溶洞及溶溝。據鉆探揭示，巖芯溶蝕現象不強烈，鉆探深度內可見一定的溶蝕物，為長期地下水溶蝕形成，范圍不大，鉆進過程中未見掉鉆等異常情況，鉆孔深度內未見落水洞與暗河等地下巖溶通道現象。總之橋位區巖溶主要沿層面、陡傾裂隙發育，地表表現為小型溶蝕地貌景觀，以垂直溶蝕形態為主，水平溶蝕形態次之，巖溶發育程度中等。

2 穩定性評價

2.1 順向坡及滑坡分析

該順向坡主要發育基巖為薄層～極薄層頁巖，從岸坡地表破壞形跡看，岸坡在形成發育期間曾產生過很多小規模的順層溜滑現象，這些溜滑體主要由一組或多組裂隙切割后，順層面滑動，溜滑物質很少殘留于坡面，而直接滑入河谷。本次勘察地質調查也顯示勘區附近2 km范圍內有較多順層滑移現象。另外，值得注意的是，通過地質調查發現在橋位區下游約200 m處有一個滑坡發育。滑坡體寬度約240 m，滑坡后壁位于河洋村居民住宅下方堆土區處，滑坡舌位于水庫水位線附近。整個山體滑動明顯，地底裂縫最寬處達到30 cm以上，標志性植物醉漢林、歪倒樹清晰可辨。經現場調查確認，該滑坡為淺層滑坡，主要形成機理為河洋村居民的修建逐漸形成填土堆砌造成了山體上部荷載增加，且近年來由于北盤江下游光照水電站的修建，水庫水位不斷上漲，對下部山體長時間浸泡，使得山體下部支撐減弱，造成了山體順巖土交界面的順層滑動。由于該滑坡位于橋位區下游，主要分布在頁巖地區，對處于中厚層灰巖、薄層灰巖巖組的橋位區的穩定性影響不大。

2.2 崩塌及陡傾巖體變形破壞分析

2.2.1 南岸巖體構造發育

在近岸地帶主要發育中厚層、薄層石灰巖，巖層呈陡立狀。根據現場地質調查揭示，近岸地段發育一緊密背斜，背斜的頂部受構造影響，巖體碎裂呈塊狀，受后期風化剝蝕作用，裂隙面受泥質充填，導致巖體整體完整性不高。該層石灰巖主要以陡立形態存在，易發生崩塌破壞，對橋位的穩定有較大影響。臨江岸坡陡傾巖體多為中厚層灰巖，巖層產狀平均為335°∠85°，層間發育一組卸荷裂隙，最大寬度為0.3～0.6 m，充填物為強風化泥質灰巖，該裂隙產狀為328°∠70°，且在基巖出露的上半部存在兩處折斷，折斷面產狀為160°∠19°與 340°∠21°。整個巖層主要發育兩組節理：一組沿巖層層面發育，產狀為328°∠70°，另一組沿剪切巖層層面發育，產狀為236°∠80°。從岸坡陡傾巖體產生傾倒現象可以確定，臨江岸坡陡傾巖體在緩傾向坡外或坡內的折斷面切割后構成典型的彎曲—傾倒變形破壞（圖1）。

圖1 臨江巖體彎曲—傾倒巖體照片

2.2.2 陡傾巖體受力分析

巖體中某一巖層在其上覆巖體的自重應力作用下，將引起其下伏巖體對它的側向靜山巖壓力作用（F=λγH），其受力分析見圖2，可知：垂直作用于層面的應力為F=λγH sinβ（λ為水平應力系數；γ為重度；μ為泊松比，取0.3）。說明β角越大，垂直于層面的應力作用越大，此力使得巖體沿平行于岸坡走向的原生結構面發生卸荷。由上述巖層產狀可知，巖層均為陡傾巖層，傾角大于80°，因此，沿巖層層面卸荷裂隙比較發育，這與實際觀察的情況相符合，其中還發育有2條寬為0.3～0.6 m的深大卸荷裂隙，從而為巖層的傾倒變形提供了空間。巖層在其上覆巖體的山巖壓力作用下，沿原生結構面剪切，并圍繞卸荷深度最大的點發生傾倒變形破壞，當變形量達到一定時，脆性巖石在力矩作用下將巖層折斷，折斷在巖層內進一步擴展就形成了緩傾角的折斷面。根據現場觀察，折斷面有兩組傾向，一組傾向岸坡內部、一組傾向岸坡外部。

圖2 傾斜巖體應力分析圖

2.2.3 破壞模式及受力模型

根據野外地質調查的巖體已發生的變形現象分析可知，臨江巖體是在卸荷裂隙提供的變形空間基礎上發生了彎曲—傾倒變形破壞，由此可以建立相應的力學模型（圖3）。

圖3 臨江巖體破壞模式及力學模型

從圖1照片中可以看出，由于形成了一組傾向坡體外部的緩傾角折斷面，它與巖層層面、巖層內部的剪切節理組合，將巖體切割成塊體，可能產生傾向坡外的潛在滑動，對橋墩所在岸坡穩定性有一定影響，因此，應對其穩定性作出評價。

2.2.4 穩定性計算

根據上述分析，傾向岸坡外部的緩傾角折斷面與巖層層面及剪切結構面組合，將形成向坡外滑動的塊體，其中沿層面卸荷節理的傾角β=85°，折斷面的傾角α=21°，在塊體滑動的穩定性計算中，塊體沿折斷面O-O′滑動（圖4），不考慮裂隙面的阻滑作用，按巖體層面間強度c=70 kPa，φ=30°進行計算，并考慮天然條件和持續降雨條件下的兩種計算工況，則可以建立以下計算模型[2]（圖4）。

從地表觀察情況來看，切割塊體的平均高度H約為2 m，塊體的厚度為0.12 m。按照公路行業規范[3]應計算如下兩種狀況下的穩定性：

1）天然條件下陡傾巖體穩定性計算[4]：

圖4 折斷塊體滑動模式計算模型

可得：Fs=2.000

2）持續降雨條件下陡傾巖體穩定性計算[3]：

可得：Fs=1.099

由計算結果可見，岸坡整體穩定性較好，天然狀態下陡傾巖體穩定安全系數為2.0，處于穩定狀態，在持續降雨條件下陡傾巖體穩定性安全系數為1.099，處于基本穩定狀態，安全儲備程度不夠。由于該處巖層為中厚層灰巖，為了避免大橋橋基所在的灰巖產生傾倒破壞，建議采用錨固支護巖體，增強巖體整體性，維持大橋正常運營。

2.3 巖溶穩定性分析

根據該項目聲波測試，其結果大部分在1 000～1 500 m/s[1]，區內地層受構造運動極為破碎，且巖體一般呈石灰巖、頁巖互層狀交替出現，未發現大型溶洞或對項目建設有較大影響的巖溶現象，整體上看，對項目建設的影響不大。建議在建設過程中加強觀測及超前探測，進一步探明橋梁基礎附近巖溶發育情況。

3 結論及建議

本文以貴州省河洋大橋南岸陡傾巖體為例，簡要介紹了對該類型巖體的穩定性分析方法，并通過建立力學模型進行了整體穩定性定量計算，得出了巖體破壞模式、穩定性安全系數，對工程實際有一定的指導意義。

但在復雜的地質環境下，由于巖體穩定性受地理環境、地質構造、水文氣象、人工作用等各種不同因素的綜合影響，地質的穩定性有一定的不確定性，通過單一因素的判斷具有一定的局限性，因此建議在實際工程中宜綜合運用多種手段，以確保項目的順利實施。

[1] 李銀海.貴州普安縣河洋大橋工程地質勘察報告[R].武漢：中交第二航務工程勘察設計院有限公司，2010.

[2] 晏鄂川，李其良，蔡玲玲，等.貴州省普安縣河洋大橋巖土工程專題研究報告[R].武漢：中國地質大學（武漢）勘察建筑設計研究院，2010.

[3]JTGD63—2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[4] 唐輝明，劉佑榮.巖體力學[M].武漢：中國地質大學出版社，1999.