庫區蓄水對鐵路大橋岸坡的穩定性影響

莊旭峰　韋波立　田祖濤

(中國中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限公司，貴州貴陽　550000)

跳蹬河鐵路大橋孔跨布置為2×32 m+(52+88+52) m預應力混凝土連續梁+2×32 m+1×24 m，全長360.1 m。本橋24 m、32 m簡支梁采用圓柱面鋼支座，主橋連續梁采用LQZ(E)系列球形支座。3號為固定支座，4號為活動支座。3號、4號橋墩采用圓端形空心橋墩，樁徑為1.5 m的鉆孔樁基礎。大橋橋址位于規劃區水庫庫區范圍內(如圖1所示)。水庫蓄水后，將引起橋區地下水循環系統的變化，岸坡巖體及結構面物理力學性質也隨之改變，岸坡穩定性系數將可能低于鐵路橋基岸坡的安全系數要求。其中3號墩臺岸坡為順向坡，受水位變化影響較大。準確判定右岸岸坡蓄水后的穩定性，對大橋及規劃水庫的正常運行致為重要。

圖1　橋區三維地貌

1　地質環境條件

1.1　地形地貌

橋址區屬云貴高原東部低中山切割地貌，大橋3號承臺位于跳蹬河高階地上，承臺高程1 178.64 m，溝谷正常水面高程1 141.4 m。區內地勢總體北西高南東低，地表水由西向東排泄。

1.2　地層巖性

橋址區上覆第四系全新統坡殘積(Q4dl+el)黏土、粉質黏土。下伏基巖為：三疊系下統茅草鋪組(T1m)灰巖、夜郎組(T1y)厚層狀灰巖及二疊系上統龍潭組(P2l)泥質灰巖夾灰巖、炭質頁巖及煤層。斷層破碎帶主要為黏性土夾碎塊石組成，結構較松散，含水量較大，力學性質較差。

1.3　地質構造

橋址區地質構造強烈，跳蹬河右岸發育有跳蹬河1號正斷層及跳蹬河2號逆斷層。受斷層影響，右岸岸坡節理裂隙發育，巖體破碎，巖層產狀為：N50°E/36°N，代表性節理產狀為：①N60°W/68°N、②E-W/61°S、③N25°E/60°S、④N40°W/47°N。

1.4　水文地質條件

基巖裂隙含水量少。地下水受大氣降水及地表溝水補給，通過基巖裂隙、孔隙徑流，巖溶水通過巖溶管道向跳蹬河內排泄，蓄水后補給條件將發生變化。

2　坡體結構特征及破壞機理

2.1　結構特征

在地殼抬升河谷強烈下切時期[1]，右岸邊坡卸荷強烈，受到后期右岸斷層的影響，巖體破碎，節理裂隙較為發育(如圖2所示)。

圖2　坡體結構示意

巖層面和節理面的赤平投影如圖3所示。由各組結構面的組合情況看，岸坡易產生較大的不穩定塊體。

圖3　結構面赤平投影

2.2　破壞機理分析

岸坡巖體在應力釋放及重力等綜合因素作用下，向臨空方向卸荷回彈變形明顯，使得卸荷裂隙較發育；另外，石灰巖溶蝕裂隙(凹腔)較發育。這些裂隙與層面(層間錯動帶)、構造裂隙等構成了岸坡失穩的邊界條件。加之卸荷風化等表生改造作用[2]，使得邊坡淺表部的巖體結構趨于復雜化，變形破壞多樣化。推測岸坡的破壞模式為整體滑移剪切破壞模式：岸坡順坡方向存在強卸荷裂隙，裂隙順坡向延伸較好，將石灰巖切分成板裂狀，淺表部強風化、強卸荷，呈碎裂狀。岸坡的失穩方式是：沿順坡向卸荷面滑動(蠕滑)，剪斷巖體鎖固段，然后沿石灰巖層面整體剪出而滑落(如圖4所示)。蓄水后，在靜水及動水壓力作用下，卸荷裂隙發展到一定的連通率時，岸坡將失穩。

圖4　整體剪出失穩模式示意

3　岸坡穩定性評價

3.1　參數的選取

巖土體物理力學參數的準確度是岸坡穩定性計算的關鍵，結合試驗資料，類比相似工程，并查閱相關規范，得到蓄水前后岸坡巖體物理力學參數(如表1、表2所示)。

表1　蓄水前巖土體物理力學參數

表2　蓄水后巖土體物理力學參數

3.2　模擬分析

模擬蓄水前后岸坡坡體內部的應力、變形等分布特征，根據研究材料的特性，使用相應的本構方程，比較真實達到實際材料的力學變形效果[3]。

(1)模型建立

通過對地質原型進行概化，岸坡模型分為三塊：龍潭組的炭質頁巖、斷層破碎帶、順坡向厚層狀石灰巖。建立模型并進行離散化(如圖5所示)，模型離散節點總數11 233個，單元格總數22 124個。

圖5　岸坡離散化模型

(2)邊界條件的確定

考慮岸坡水平荷載191.56 kN/m，垂向荷載9 361.7 kN/m及自重，不考慮構造應力。模型側緣底部均采用約束邊界，側緣分別提供Y方向和X方向約束，底面采用固定約束。

(3)云圖分析

蓄水前：由順坡向位移云圖(如圖6所示)看出：蓄水前岸坡在重力下變形量較小，斷層破碎帶上部會出現微小變形。

圖6　蓄水前順坡向位移云圖

蓄水后：岸坡蓄水后，坡體垂向應力重新分布，坡體肩部和坡腳出現張拉變形區，斷層與灰巖接觸帶出現應力峰值(如圖7所示)。由圖8、圖9可以看出岸坡易沿層面出現較為明顯的位移。在層面附近出現較大的塑性變形區。

圖7　蓄水后垂向應力分布

圖8　蓄水后順坡向位移云圖

圖9　蓄水前橫坡向位移云圖

通過模擬分析得出：①蓄水后岸坡出現較大變形；②找到了最不利結構面。

3.3　穩定性計算

(1)計算模型

結合岸坡的地形、巖體結構及模擬結果，得出簡化計算模型(見圖10)。

圖10　穩定性計算模型

(2)計算結果

采用《建筑邊坡工程技術規范》中坡體穩定性計算公式[4]，得出蓄水前后岸坡穩定性系數(見表3、表4)。

表3　蓄水前岸坡穩定性計算結果

表4　蓄水后岸坡穩定性計算結果

(3)結果分析

岸坡在蓄水后穩定系數小于1.35，低于鐵路大橋岸坡的安全系數。

4　結束語

通過以上分析，可以得出：①蓄水后跳蹬河大橋岸坡的穩定系數低于了鐵路大橋岸坡的安全系數；②模擬分析能夠直觀的反應坡體內部應力、應變的分布特征；③模擬分析和數值計算相結合能夠較為準確的判斷岸坡的穩定性，找出最不利結構面，指導工程建設。

[1]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社，1993

[2]黃潤秋，許強.中國典型災難性滑坡[M].北京：科學出版社，2008

[3]劉波，韓彥輝(美國).FLAC原理、實例及應用指南[M].北京：人民交通出版社，2005

[4]鄭慶生，鄭穎人，李耀剛，等.建筑邊坡工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002