庫水對香麗金沙江大橋麗江岸邊坡穩(wěn)定性影響

嚴 飛，文 海，鄧 琴，秦玉樵，王東英

(1. 云南省交通規(guī)劃設計研究院陸地交通氣象災害防治技術國家工程實驗室，昆明 650041；2. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，武漢 430071)

香格里拉位于云南省西北部川滇藏交匯處，三江并流區(qū)腹地，香麗高速公路是打通地區(qū)通道的重點工程，金沙江橋是該路線核心工程，香格里拉岸岸坡較陡，相對穩(wěn)定；麗江岸相對較緩，存在安全隱患。考慮到金沙江水量的豐富，未來存在梯級開發(fā)的可能。因此，麗江岸橋基邊坡的穩(wěn)定性至關重要，需要系統(tǒng)評價其有水和無水條件下的靜動力安全特性。

考慮庫水對邊坡變形破壞機制的研究主要集中在以下幾個方面：水對邊坡變形破壞機制的敏感性分析[1-5]；庫水帶來的流固耦合問題[6-8]；庫水的浮托作用和外荷載壓腳作用[9,10]。穩(wěn)定性評價方法有極限平衡法和有限強度折減法兩類[11-13]，涉及的評價指標有安全系數(shù)和變形指標兩類[14]。

本文以香麗金沙江橋麗江岸橋基邊坡為研究對象，利用Phase2D的有限元強度折減，采用擬靜力法，評價其在不同涉水工況下的靜力動力穩(wěn)定性，并給出工程建議措施。

1 工程概況及計算方案設計

1.1 香麗金沙江橋橋址工程地質條件簡介

香麗高速公路金沙江特大橋距虎跳峽鎮(zhèn)約3 km，距著名的虎跳石景點約3 km。香格里拉岸，山勢陡峭，平均自然坡度約50°，坡面基巖出露，坡崩積覆蓋層主要為碎石角礫土，覆蓋較薄。邊坡穩(wěn)定性相對較好。麗江岸，山體平均自然坡度約40°，隧道錨附近坡面約42°，主墩附近坡面約30°，山勢陡緩相間；巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育，山體卸荷作用強烈。斜坡表面見0～5 m的坡崩積塊碎石土、角礫土，坡面植被較發(fā)育。穩(wěn)定性需要引起重視(見圖1)。

圖1 橋址示意圖Fig.1 Schematic diagram of bridge site

麗江岸邊坡的安全性主要受板巖、劈理密集帶和軟弱夾層控制，其中板巖中發(fā)育兩組近于正交的反傾和緩傾結構面(見圖2)。

圖2 地質模型概畫圖Fig.2 Generalized geological model

勘察現(xiàn)場和室內試驗提供的巖體參數(shù)建議值，見表1。

表1 試驗材料參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Computing parameters used in simulation

1.2 計算工況設計

利用商業(yè)軟件Phase2D進行了比照室內模型試驗的有限元強度折減法計算。計算設計了不考慮水、考慮擬建水庫運行低水位1 910 m和正常蓄水位2 010 m等3個類工況(見圖3)。

圖3 不同計算工況數(shù)值模型及邊界條件Fig.3 Numerical models with different boundary and seismic load conditions

每類工況均按0.05 g間距遞增的0～0.50 g擬靜力法地震工況的計算(見表2)。

2 基于擬靜力法的華坪岸邊坡動力穩(wěn)定性評價

2.1 基于破壞模式及安全系數(shù)的穩(wěn)定性評價

有限元強度折減法的總位移及剪應變云圖揭示了邊坡的變形破壞機制見圖4(a)和圖4(b)；不同水平地震加速度下求得的強度折減安全系數(shù)，見圖4(c)。

表2 麗江岸靜動力穩(wěn)定性計算工況Tab.2 Static and seismic stability cases of Lijiang slope

圖4 穩(wěn)定性計算結果圖Fig.4 Computing results of slope stability

由圖4可知，麗江岸邊坡破壞的后緣在主墩橋基及重力式錨碇位置，主滑沿1-2層順層結構面，前緣剪出破壞。自然坡在0.25～0.30 g水平地震加速度下安全系數(shù)達到1.0附近，坡體失穩(wěn)；低水位坡在0.35～0.40 g水平地震加速度下坡體失穩(wěn)；正常蓄水位坡在0.45～0.50 g水平地震加速度下坡體失穩(wěn)。

綜上，未來水庫的建設，從坡面約束荷載的角度看有利于邊坡穩(wěn)定；同時也要看到庫水作用下坡體材料存在軟化的可能、塌岸長期影響、水位驟降帶來的超靜水壓力的不利作用等的影響。總體上，不同水位工況下自然坡體的安全系數(shù)均大于2.0，穩(wěn)定性有保障；動力穩(wěn)定性評價得到的地震臨界水平加速度在0.30 g，根據(jù)中國地震局地殼應力研究所《新建麗香鐵路重點工程場地地震安全性評價報告》，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15～0.30 g，則地震安全性也是有保證的，需要部分工程部強措施以滿足工程穩(wěn)定性要求。

2.2 基于變形的穩(wěn)定性評價

地基和結構穩(wěn)定性的評價一般需要滿足強度和變形兩個標準，在坡面選擇4個監(jiān)測點，測點位置見圖5(a)，位移監(jiān)測曲線見圖5(b)和圖5(c)。

圖5 不同工況下總位移和水平地震加速度曲線Fig.5 Curves of total displacement and horizontal seismic acceleration under different seismic load conditions

由圖5可知，0.20 g前后曲線簇的疏密發(fā)生變化，反映在位移值發(fā)生量級變化。自然數(shù)曲線是低地震作用下密集，大于0.20 g之后變疏，且水位高低帶來的變形抑制效果逐步顯著，隨著水位的增高破壞位移逐步降低。對數(shù)曲線，與自然數(shù)的疏密規(guī)律正好相反，其與規(guī)律類似。因此，基于變形的臨界水平地震加速度為0.20 g，橋基位置的預警位移可參考該值，無水工況下14 mm、低水位下9 mm、正常蓄水位下5 mm。

2.3 模型試驗驗證

根據(jù)勘察資料，在穩(wěn)定性評價的基礎上，設計了室內振動臺模型試驗，模擬了圖2邊坡在不同地震輸入波形下的動力穩(wěn)定性和破壞形態(tài)。模型幾何相似比1∶400，板巖相似材料通過鋼渣∶砂∶石膏∶水= 5∶4∶1.3∶2.2模擬；結構面通過灰紙板模擬。模擬分為無水、低水位、正常蓄水位3類工況，先從垂直再水平，從小震Ⅵ度到大震Ⅸ度的順序，模擬了麗江岸32個地震工況，初始模型見圖6(a)，破壞形態(tài)見圖6(b)。

圖6 模型試驗破壞圖Fig.6 Fail shape of model test for Lijiang bank slope

由圖6模型試驗破壞圖可知，破壞發(fā)生的位置在陡傾結構面橋基位置最明顯(第一條噴紅漆位置)，再往后發(fā)生沿重力錨碇位置(第二條噴漆位置)，前緣為沿緩傾結構面滑移和剪出。這些和數(shù)值模擬的結果基本吻合，低水位下的破壞揭示的臨界地震時程曲線峰值為0.30 g，考慮到擬靜力法夸大了地震荷載其臨界值應該比振動臺試驗的臨界值要小，所以基于變形確定的0.20 g臨界水平地震加速度是合適的。

2.4 安全性評價結論及工程建議措施

該橋址邊坡重要性和安全等級為一級，自然狀態(tài)下安全設防標準大于1.30，該邊坡當前和未來不同蓄水位下的邊坡穩(wěn)定性滿足工程穩(wěn)定性要求。場地地震作用下，安全性也是有保證的，不過局部需要增補工程加固措施。

工程建議措施如下：在主墩前部需要補強水平抗力作用，可采取抗滑加固措施；施工期間可盡量避免坡面擾動，不可避免出現(xiàn)時，需采取一定的固腳+護面措施；有條件下，可加強施工期安全監(jiān)控。

3 結 語

(1)香麗高速公路金沙江大橋麗江岸邊坡的破壞模式為：后緣為陡傾結構面控制，剪入破壞發(fā)生在橋基和重力式錨碇位置區(qū)域；沿緩傾結構面滑移，前緣沿緩傾結構面剪出。

(2)香麗高速公路金沙江大橋麗江岸邊坡無水、擬建水庫運行低水位和正常蓄水位工況下基于安全系數(shù)確定的臨界水平地震加速度0.30 g；基于變形確定的臨界值為0.20 g。

(3)根據(jù)地震安全性評價，工程區(qū)地震動峰值加速度0.15～0.30 g，因此在容易發(fā)生破壞的位置要增補部分工程加固措施，以滿足工程穩(wěn)定性要求。

(4)邊坡靜動力穩(wěn)定性評價，需要同時考慮強度和變形控制標準，該邊坡安全監(jiān)控的預警值可參考無水工況下14 mm、低水位下9 mm、正常蓄水位下5 mm。

□

[1] 羅先啟,劉德富,吳 劍,等. 雨水及庫水作用下滑坡模型試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2005,24(14):2 476-2 483.

[2] 石豫川,馮文凱,王學武,等. 庫水作用下公路土質岸坡穩(wěn)定性影響因素綜合評判[J]. 災害學,2005,(4):33-38.

[3] 喬 娟,羅先啟,張立仁,等. 三峽庫區(qū)水環(huán)境對庫岸斜坡失穩(wěn)的作用機理探討[J]. 水科學與工程技術,2005,(6):22-25.

[4] 喬 娟,羅先啟. 水對邊坡失穩(wěn)的作用機理探討[J]. 災害與防治工程,2005,(2):39-43.

[5] 郭 健,許 模,趙 勇,等. 黑水河庫區(qū)某古滑坡形成及復活機制[J]. 成都理工大學學報(自然科學版),2013,(6):721-728.

[6] 薛聰聰,盧書強. 庫水與降雨作用下三門洞滑坡滲流特征及穩(wěn)定性分析[J]. 武漢理工大學學報,2015,(5):70-75.

[7] 王 力,王世梅,向 玲. 庫水下降聯(lián)合降雨作用下樹坪滑坡流固耦合分析[J]. 長江科學院院報,2014,(6):25-31.

[8] 宋 琨,晏鄂川,朱大鵬,等. 基于滑體滲透性與庫水變動的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律研究[J]. 巖土力學,2011,(9):2 798-2 802.

[9] 艾劍峰,陳 剛. 庫水壓力對高速公路邊坡穩(wěn)定性影響分析[J]. 公路交通科技(應用技術版),2008,(S2):150-153.

[10] 趙代鵬,王世梅,談云志,等. 庫水升降作用下浮托減重型滑坡穩(wěn)定性研究[J]. 巖土力學,2013,(4):1 017-1 024.

[11] 鄭穎人,唐曉松,趙尚毅,等. 有限元強度折減法在涉水岸坡工程中的應用[J]. 水利水運工程學報,2009,(4):1-10.

[12] 鄭穎人,唐曉松. 庫水作用下的邊(滑)坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖土工程學報,2007,(8):1 115-1 121.

[13] 楊繼紅,王俊梅,董金玉,等. 水庫蓄水過程中堆積體邊坡瞬態(tài)穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學,2011,(S1):464-470.

[14] 晏鄂川,朱大鵬,宋 琨,等. 基于數(shù)值模擬的三峽庫區(qū)典型堆積層滑坡變形預測方法[J]. 吉林大學學報(地球科學版),2012,(2):422-429.