瓦廠特大橋桐梓端岸坡穩定性分析

蔡家鵬 賀玉龍 喻洪平 趙 文

(1.中鐵二院(成都)建設發展有限責任公司， 成都 610031；2.西南交通大學， 成都 610031)

新建瓦廠特大橋位于仁懷市，左線橋梁孔跨布置為(8×40) m+(95+2×180+95) m+(1×16) m，全長899.5 m；右幅橋梁孔跨布置為(9×40) m+(95+2×180+103) m+(1×16) m，全長941 m。橋梁采用樁基礎，主梁采用預應力混凝土連續剛構。桐梓岸11號主墩設置在峽谷緩坡地帶上，12號橋墩設置在谷深 150 m的深切峽谷岸坡上。

由于桐梓岸岸坡腳及坡頂均設置橋墩，岸坡穩定性及工程荷載條件下橋基安全距離是制約本橋建設的主要因素，也是岸坡治理工程設計的前提和依據。對該岸坡開展準確的岸坡穩定性分析，將為岸坡工程支護結構及工程荷載條件下橋基的設計參數的選取提供科學依據，對峽谷高陡岸坡線路方案的確定具有重要意義。

1 瓦廠特大橋工程地質概況

1.1 地形地貌

橋址區屬低山河谷地貌，地形起伏大，橋梁跨越一深切河谷，相對高差207 m，桐梓岸岸坡陡峻，懸崖壁立，基巖裸露。

1.2 地層巖性及地質構造

圖1 瓦廠特大橋工程地質縱斷面圖

區域處于川黔南北向構造帶與北東向構造帶交接復合部位，南部與早古生代黔中隆起相鄰，構造形跡主要為走向北東-南西的擠壓面及其相伴的構造形跡，構造線控制測區溝谷、陡崖等地貌發育方向。

橋址區線路左側約1 km近平行線路發育一條區域性逆斷層，延伸長度約10 km，斷層產狀86°∠70°。桐梓端左幅左側約15～25 m近平行線路發育瓦廠斷層F1，為一小型正斷層，斷層產狀95°/80°～90°，延伸長約530 m，錯距約5～10 m，斷層破碎帶寬2～5 m，重膠結較好，結合力較好，為局部構造應力場產物。受構造影響，橋區巖層產狀略有變化，巖體節理裂隙較發育，延伸性好。

1.3 水文地質

1.4 地震

根據橋址區歷史地震資料統計，距離橋址區最近的地震是2015年6月26日發生在習水縣的3.0級地震，距離橋址區約50 km，對橋位無影響。周邊200 km范圍內最大地震為2019年6月17日發生在四川宜賓長寧縣的6級地震，同樣對橋址區無影響。

根據GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》，場區地震動峰值加速度分區為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，抗震設防烈度6度，設計抗震分組屬第一組，屬構造穩定區。

2 桐梓端岸坡工程地質條件分析

2.1 巖體結構特征

瓦廠特大橋桐梓岸陡壁巖性為灰巖夾泥質灰巖，陡壁下方河溝兩岸出露砂頁巖，具上硬下軟的二元結構，其全貌如圖2所示。陡壁灰巖主要發育有三組貫通度較高的節理J1、J2、J3。

圖2 桐梓岸岸坡全貌圖

節理J1產狀為 104°～145°∠77°～88°，節理跡長3～5 m，間距120～180 cm，部分張開，最大隙寬5 cm，該節理與岸坡面基本垂直。節理J2產狀為168°～174°∠75°～85°，傾向與線路右側岸坡坡向相近，節理跡長3～5 m，間距120～150 cm，具有卸荷性質。節理J3產狀為245°～265°∠85°～88°，傾向與線路左側岸坡方向相近，節理跡長2～4 m，間距60～150 cm，具有卸荷性質。J1、J2和J3結構面起伏粗糙，調查期間無水。

受區域陡傾構造節理的影響，巖體沿J2、J3形成陡壁。P1m地層中發育有數層1～3 m厚泥質灰巖夾層，構成危巖基座。泥質灰巖基座風化溶蝕后形成凹槽，岸坡東側J1、J2和層理切割出的危巖塊體易產生墜落式崩塌破壞。

2.2 卸荷裂隙

桐梓岸左310 m至右300 m段為橫斷陡崖，陡崖坡度約75°～90°，局部呈倒懸狀，陡崖最高約110 m。根據地表調查、無人機勘察、地表槽探及物探剖面成果顯示，受局部應力場和峽谷卸荷應力影響，在陡崖頂部平行瓦廠斷層F1發育有卸荷裂隙，橋址區傾向南方向的結構面多呈張開狀態。在本段左側45 m至右側30 m范圍內地表及陡崖壁上主要發育有數條卸荷裂隙，最深可達20 m、頂部最寬2 m，裂縫發育方向為南西北東向，與線路斜交，近于平行陡崖發育方向，裂縫長3～25 m，普遍貫通性好，大部分裂縫有充填，對坡頂巖體的穩定性影響較大。

2.3 危巖體特征

瓦廠特大橋桐梓岸危巖帶位于線路12號墩基礎前方陡崖上，由裸露的巨厚層灰巖夾薄層泥質灰巖陡壁構成，陡壁坡度80°～90°，高度120～140 m，高程 912～1 020 m。對橋梁產生影響的寬度為130 m，連續分布，線路左側約80 m，右側50 m。危巖體積最小約57 m3，最大約 11 000 m3，為5號危巖體。

5號危巖體由厚層至巨厚層灰巖塊體構成，塊體主要受3組構造節理和層理圍切分割。結構面分別為平緩反傾的層理構成危巖塊的頂底面，一組與坡面近平行、一組與坡面大角度相交的高陡節理構成危巖體的前后、左右側面，主要危巖體呈較為規則的六面體，少數塊體受坡面變化影響呈后陡前楔的五面體。

3 桐梓端岸坡穩定性初步分析

結合現場調查、資料分析及鐵路巖石邊坡數據庫系統DARS對桐梓岸穩定性進行初步綜合評價結果，結合巖體結構特征，生成赤平投影圖(下半球投影)，如圖3所示。

圖3 赤平投影圖

從圖3可以看出，節理J2與邊坡坡向一致，J3與邊坡坡向垂直。根據DARS軟件的分析結果，采用模糊綜合評判該邊坡穩定概率為65.23%，較穩定概率為28.71%。采用范例推理評判表明，與該邊坡最類似的5個邊坡均為基本穩定，綜合評價桐梓岸邊坡整體基本穩定。

桐梓端岸坡陡崖的形成與云貴高原整體抬升及河流下切有關，現場調查表明，陡崖915～1 020 m高程范圍發育有危巖帶，約16 000 m3，存在崩塌落石的可能性，陡崖下分布巖堆，坡面落石均為該危巖帶產生，落石塊徑最大超過10 m，表明本危巖帶穩定性較差。根據危巖帶與線路的空間關系，危巖對線路11號主墩有較大影響，對12號墩影響較小。橋基施工加載后，垂直荷載引起的側向力可能會加劇岸坡巖體的崩塌。

4 岸坡穩定坡角的確定

由于橋基設置于天然岸坡中，橋基岸坡的穩定性與天然岸坡的穩定性密切相關，而天然岸坡的穩定坡角是岸坡在工程使用年限內自然演化后的穩定坡角，在此基礎上，可進一步分析在加載條件下，即橋基施工完成后的岸坡穩定性。采用岸坡巖體質量法經驗公式確定岸坡在天然狀態下的穩定坡角，考慮荷載作用對岸坡巖體應力分布的影響，計算得出荷載作用下橋基安全距離，從而確定橋基安全埋置線[1-4]。

4.1 天然岸坡穩定坡角的確定

4.1.1 天然岸坡穩定坡角經驗公式

西南交通大學蔣爵光教授等人于1989年完成的原鐵道部科研課題《鐵路巖石邊坡坡角的確定及穩定性分析》研究，提出了鐵路巖石邊坡穩定坡角的計算公式[5]：

α=arctan[γH×tan(-40+38lgRQ)]

(1)

由于巖塊的塊度與其回彈值的乘積反映了不同強度和組合時的巖體質量，式(1)中將巖體質量定義為：RQ=R×log(D)。

鐵路巖石邊坡穩定坡角的計算公式在鐵路邊坡穩定坡角的計算中得到了較多應用，但公式建立時的調查樣本較少，主要為鐵路巖石邊坡，且未考慮地下水等因素的影響。此后，隨著邊坡樣本的積累以及認識的深入，西南交通大學謝強教授等人根據對199個鐵路、公路邊坡的統計分析、數學擬合，提出了考慮地下水作用的巖體質量RQ與穩定邊坡坡度之間的經驗關系式[6]：

θ=γh[14.7ln(γwRlogD)+13]

(2)

式中：θ——岸坡穩定坡角；

γw——地下水折減系數，其取值如表1所示；

表1 地下水折減系數表

γh——高度折減系數，其取值如表2所示；

表2 高度折減系數表

R——HT75型回彈儀所測回彈值；

D——巖石的視塊度，由下式求得：

(3)

式中：di——野外所測巖體的節理間距；

n——野外所測巖體節理的組數。

若野外所測回彈值為巖石風化層的回彈值，則需進行如下轉化：

R=Rf/fR

(4)

式中：Rf——巖石風化層的回彈值；

fR——風化折減系數，其取值如表3所示。

表3 風化折減系數表

若回彈儀為HT225型，則要經過下式進行轉化：

208R75= 194.75R225- 595

(5)

自式(2)提出以來，已在水柏鐵路北盤江大橋、南昆鐵路清水河大橋、成貴高速鐵路鴨池河特大橋、朔黃鐵路黃河特大橋、鄭萬鐵路大寧河、梅溪河、神農溪特大橋、川藏鐵路大渡河、東久曲特大橋等數十座大橋、特大橋工點成功應用。

4.1.2 桐梓端岸坡天然穩定坡角的確定

根據現場調查及測試結構，確定式(2)中的各項參數如表4所示。

表4 巖體平均塊度計算表

現場采用HT225型回彈儀測得回彈值，測得桐梓岸基巖的露頭的回彈值平均值為41.5。根據式(5)，換算得到HT75型回彈儀對應的回彈值為35.9。

岸坡坡面以干燥為主，坡面地下水折減系數γw=0.9。

高度折減是考慮坡腳應力集中對邊坡穩定的影響，但該岸坡巖體為高強度灰巖，天然陡坡經過上百萬年地質歷史，說明坡腳應力集中對巖體穩定的影響可以忽略，因此可不對高度折減，高度折減系數γh取1。

匯總上述參數，按照式(2)計算得到瓦廠特大橋桐梓岸坡穩定坡角計算值如表5所示。

表5 岸坡穩定坡角計算匯總表

考慮坡頂面發育明顯的深大卸荷裂隙，需要對穩定坡角計算值進行修正，穩定坡角線應避開卸荷裂隙，修正后的岸坡自然穩定坡度為72°。

4.2 工程荷載條件下橋基安全距離的確定

橋基設置后，在工程荷載作用下，岸坡的整體穩定性取決于橋基工程荷載對岸坡坡面巖體應力狀態的影響程度。橋基工程荷載作用所產生的附加應力在高陡岸坡中有一定的影響范圍，基于應力影響范圍確定橋基位置的基本理論觀點認為：若橋基工程荷載對岸坡巖體的應力影響范圍未到達岸坡坡面，則岸坡坡面巖體應力不受橋基工程荷載影響，坡面巖體保持原始穩定狀態，岸坡不會產生整體破壞，橋基位置是可行的；若橋基工程荷載對岸坡的應力影響范圍到達坡面，則認為橋基工程荷載對坡面巖體產生了明顯的影響，坡面巖體可能達到不穩定狀態，這種情況下，橋基的位置不合理。

大量研究表明，橋基工程荷載作用對岸坡巖體的應力影響范圍主要與荷載強度、橋基寬度、岸坡坡度、岸坡巖體質量等因素有關。西南交通大學趙文提出了基于橋基工程荷載作用下巖體應力影響范圍確定橋基位置的方法，該方法利用巖體質量與強度參數的關系及巖體強度與應力影響系數的關系確定應力影響系數的安全限值，并利用應力影響系數與岸坡坡度、荷載強度、橋基寬度之間的關系，提出橋基安全距離經驗公式[7]：

Sf=0.03α1.48[(1-0.865 5B)q]0.696 5×

(0.5+RMR/200)-0.696 5

(6)

式中：Sf——橋基安全距離，即橋基外緣與坡面的水平距離(m)；

α——岸坡坡度(°)；

q——荷載強度(MPa)；

B——橋基寬度(m)；

RMR——邊坡巖體質量指標。

式(6)適合均質巖體邊坡，對于存在卸荷裂隙的巖體高邊坡，原則上橋基必須置于卸荷裂隙之后。

作為一種新的高陡邊坡橋基位置確定方法，式(6)中的參數在常規勘測中易獲取，工程實踐中應用較為方便，已在宜萬鐵路馬水河大橋和姚家灣大橋萬州岸、水柏鐵路北盤江大橋兩岸等鐵路橋基位置確定中得到了工程驗證，如表6所示。

表6 橋基安全距離經驗公式應用情況表

結合現場調查情況和橋基布設位置，通過線路縱剖面或橫剖面分析研究橋基是否位于安全距離之內。根據設計資料，橋基樁寬度取3 m，荷載強度取1 MPa。根據現場調查得RMR=52，由式(6)可得瓦廠特大橋桐梓端橋基安全距離Sf= 9.9 m，取整為10 m。瓦廠特大橋桐梓端岸坡穩定坡角線和橋基安全埋置線如圖4所示。

圖4 中線縱斷面穩定坡角線與橋基安全埋置線圖

5 結論

本文通過對瓦廠特大橋桐梓端岸坡穩定性進行分析，得出以下主要結論：

(1)瓦廠特大橋桐梓端岸自然穩定坡度為72°，12號墩橋基應設置在72°坡度線后安全距離10 m以外，基礎應埋置在該安全埋置線以下。

(2)桐梓岸坡危巖帶方量巨大，對11號主墩有重大影響，為確保橋梁安全，不留隱患考慮，危巖陡壁下方不宜設置橋墩。若因線路條件限制，不得不在危巖陡壁下巖堆上設墩時，則必須對陡壁危巖進行綜合處治[8]，確保11號主墩安全。