花江北盤江大橋六枝岸高陡邊坡穩定性評價①

李軍偉， 胡弘毅， 梅松華， 任虎程， 賀建清

（1.湖南省自然資源調查所，湖南 長沙 410014；2.湖南科技大學，湖南 湘潭 411201；3.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

擬建的花江北盤江大橋是貴州省六枝至安龍高速公路跨越北盤江大峽谷的一座特大橋梁，系六枝至安龍高速公路的控制性工程。 橋址區位于貴州省關嶺縣花江鎮科力寨村至貞豐縣花江村，地形為深切河谷，受北盤江沖刷侵蝕，河谷呈“V”字型，兩岸呈陡坎地形；可見一級河流階地，屬于中切峰叢峽谷地貌。 由于擬建大橋地處高山峽谷，兩岸地形變化劇烈，起伏大，橋位岸坡的整體穩定性對保證大橋順利建設和長期安全運營有著決定性影響［1］。 根據大橋初步設計，在橋位（K 線）選擇主跨1 366 m 鋼桁梁懸索橋方案為初步設計方案［2］。

如何在穩定性分析中反映大橋岸坡的巖體結構特征以及變形破壞模式，是準確判斷岸坡穩定與否的關鍵［3］。 本文根據地勘成果，利用工程類比和經驗方法初步確定邊坡巖土體物理力學參數，針對推薦方案，建立北盤江大橋六枝岸（北岸）邊坡地質概化模型，采用極限平衡分析法和基于強度折減原理的三維有限差分FLAC3D軟件，對花江北盤江大橋六枝岸（北岸）邊坡進行整體穩定性計算分析，綜合評價自然邊坡和工程邊坡的穩定性，為大橋初步設計方案論證提供科學依據。

1 邊坡工程地質分析

花江北盤江大橋六枝岸地層巖性為三疊系中統楊柳井組（T2y）厚層、中厚層狀白云巖［2］。 近北盤江巖層產狀為30°～36°∠30°～35°，巖層傾向與橋軸線呈79°相交且巖層傾向與坡向相反（見圖1），為反傾向層狀結構邊坡，巖層產狀有利于邊坡的整體穩定。 雖然局部受風化裂隙、節理影響發生崩塌現象，但規模一般小于5 m3。 邊坡中上部巖層產狀為195°～220°∠45°～66°，巖層產狀呈上緩下陡的形態分布，巖層傾向與橋軸線呈63°～73°相交，為中傾-陡傾順層邊坡。 其中索塔位置巖層為210°∠66°。

圖1 六枝岸橋軸線邊坡工程地質縱剖面

六枝岸邊坡中上部自然邊坡坡角小于巖層傾角，有利于邊坡穩定；邊坡下部為一反傾層狀構造的陡崖，相當于給中上部中傾-陡傾順層邊坡壓腳，邊坡整體穩定性好，不會發生整體順層滑動破壞。 因下伏基巖為中厚層中風化三疊系中統楊柳井組（T2y）白云巖、灰巖，也不會發生滑移-彎曲破壞型（潰曲）破壞。

六枝岸垂直于橋軸線邊坡，巖層傾向與橋軸線垂直線呈79°夾角，巖層傾角11°，邊坡自然坡度9°～18°，為典型的層狀正交邊坡，整體穩定性較好。邊坡表面覆蓋層厚度3～10 m，有可能因施工擾動出現覆蓋層沿基巖面或沿弧形滑裂面的局部破壞。

六枝岸邊坡節理主要有J1（25°∠8°）和J2（110°∠78°）兩組。 J1 節理間距0.15 ～0.4 m，平直、微張、延伸大于1.5 m；J2 節理間距0.2 ～0.4 m，平直、微張、延伸大于2.0 m。

基巖未見有明顯切腳，其周圍亦無規模較大的邊坡變形破壞，邊坡處于穩定狀態，但溶溝、溶槽、石牙等溶蝕現象發育。

六枝岸邊坡可能的變形破壞模式為：由于巖體節理、層面、各種裂隙切割形成的楔形體滑移和局部塊體掉塊、崩塌以及覆蓋層沿基巖面或沿弧形滑裂面的局部破壞。

2 邊坡穩定性安全系數選取標準及巖土體力學參數選取

2.1 邊坡穩定性安全系數選取標準

目前，我國與特大型橋梁建設有關的邊坡工程還沒有相關設計規范，在橋梁邊坡設計與校核過程中，邊坡允許安全系數的取值問題一直是設計人員十分關心而目前尚未徹底解決的問題。 為此，專門收集、研究了國內相關行業邊坡工程設計規范［3-7］中關于邊坡安全系數標準規定以及國內有影響的重大水電工程、橋梁工程邊坡安全系數取值情況，來確定花江北盤江大橋邊坡的安全系數選取標準。 綜合考慮花江北盤江大橋橋位區的工程地質條件、工程重要性等級等因素，將其邊坡安全系數設計標準初步擬定為：正常工況（自然狀態、巖體自重＋橋梁荷載）條件下取1.35，地震工況條件下取1.10，暴雨工況條件下取1.20。

2.2 邊坡巖土體力學參數選取

在北盤江大橋六枝岸（北岸）邊坡的穩定性分析中，除了按傳統的工程地質綜合評價方法確定強度指標外，還采用Hoek-Brown 建議的經驗公式［8-11］，結合相關邊坡工程的經驗，確定了節理巖體強度推薦范圍值，如表1 所示。

表1 花江北盤江大橋邊坡巖土體及橋墩材料物理力學參數推薦值

3 邊坡穩定性分析

本次邊坡穩定性計算分析采用Slide.v6007 以及FLAC3D6.0 對橋址區邊坡分別進行二維極限平衡分析和三維有限差分分析。

3.1 計算工況

計算工況見表2。 暴雨工況主要通過對巖土體強度參數折減的方式進行模擬，計算過程中強度參數折減系數取0.85。

表2 花江北盤江大橋六枝岸邊坡穩定性計算工況表

二維極限平衡分析所取分析邊坡為單位寬度，對承臺底部荷載應按承臺單位寬度所受荷載進行施加。因此在二維計算過程中，在對單寬剪力和單寬軸向壓力合成后按照合力的方位施加于承臺底。 三維計算過程中荷載（壓力、剪力）以面力形式施加到橋梁索塔及錨碇基坑底面。 地震慣性力參照SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規范》［12］附錄D2 的有關規定計算。 巖體自重＋橋梁荷載見表3。

表3 六枝岸邊坡穩定計算巖體自重＋橋梁荷載表

3.2 邊坡穩定性二維分析

3.2.1 二維地質概化模型

根據計算要求及工程地質條件，不同邊坡潛在失穩模式不同，需根據工程地質條件進行概化，建立工程地質概化模型。 考慮到橋梁的主要水平荷載方向為順橋軸向和垂直于橋軸線方向，在二維計算時，一般選擇橋位橋軸線縱剖面邊坡和主塔位置垂直于橋軸線橫斷面邊坡來進行分析。 因主塔位置垂直于橋軸線橫斷面邊坡整體穩定性較好，本文不做分析。 圖2 為六枝岸橋軸線縱剖面邊坡計算概化模型。

圖2 六枝岸橋軸線縱剖面邊坡計算概化模型

3.2.2 邊坡穩定性極限平衡分析

對于沿圓弧滑動面破壞的邊坡，極限平衡分析一般先采用滑裂面自動搜索，然后采用M-P 法、Bishop法和Janbu 法計算安全系數，取三者中的最低值為邊坡計算安全系數。 對于沿層面或接觸面破壞的邊坡，在巖層接觸面及巖層內設置數條滑裂面（一般按照滑裂面所處位置的深度設置表層、淺層以及深層等假定滑裂面），對每個滑裂面采用3 種計算方法計算安全系數，選擇其中安全系數最低的滑裂面作為潛在滑裂面，再計算邊坡安全系數，取三者中的最低值為邊坡計算安全系數。 六枝岸橋軸線縱剖面邊坡二維極限平衡法分析結果見表4。

表4 花江北盤江大橋六枝岸橋軸線縱剖面邊坡穩定性極限平衡分析結果

3.3 邊坡穩定性三維分析

3.3.1 三維地質概化模型

計算模型坐標系：平行橋軸線方向為Y軸（方位角47°），以朝安龍側位Y軸為正向，垂直橋軸線為X軸，豎直方向為Z軸，向上為正。

六枝岸邊坡三維計算范圍（見圖3）：X軸方向（垂直橋軸線方向），以橋軸線為基準，向上下游方向各延伸300 m；Y軸方向（平行橋軸線方向），以索塔中心為原點，向北側延伸700 m，向南側延伸650 m；Z軸方向（豎直方向），從高程400 m 至地表。 計算模型采用四面體、五面體和六面體混合網格單元進行離散，共劃分單元105 560 個，節點21 248 個，三維網格見圖4。

圖3 邊坡三維計算模型范圍示意圖

三維數值模型中，錨碇與索塔的位置如圖5 所示。

圖5 邊坡三維計算模型中錨碇與索塔的位置

在3 個相鄰的邊坡剖面布置監測點（見圖6），監測各點在三維強度折減計算中的速度和位移，根據各監測點速度和位移的收斂情況，判斷坡體的臨界安全系數，即邊坡穩定性安全系數。

圖6 三維計算模型中位移與速度監測點

3.3.2 邊坡穩定性三維有限差分強度折減分析

工況3 條件下，邊坡表面各監測點位移及速度變化特征的計算結果如圖7 所示。 其縱坐標為位移及速度大小，橫坐標為強度折減系數，不同曲線代表相應坡表不同位置的監測點。 不同部位變形響應的差異顯示了各部位穩定性的不同。

圖7 邊橋梁荷載作用下邊坡數值監測結果與折減系數關系曲線（X=0 剖面）

從圖7 可見，監測點的速度和位移分別在安全系數1.80 左右開始出現不收斂特征，監測點的速度和位移接近同時發散。 綜合判定邊坡在工況3 下安全系數為1.80。 其他工況條件下，安全系數的獲取以此類推。

圖8～10 以臨界狀態總位移和剪切應變的形式給出了邊坡在失穩狀態下的潛在滑面。 由圖可見，邊坡各剖面的失穩模式基本以近似圓弧型整體失穩，失穩模式與二維計算獲取的結果一致。

圖8 橋梁荷載作用下邊坡潛在滑裂面示意圖（X=0 剖面）

圖9 橋梁荷載＋地震作用下邊坡潛在滑裂面示意圖（X=0 剖面）

圖10 橋梁荷載＋暴雨作用下邊坡潛在滑裂面示意圖（X=0 剖面）

3.4 邊坡穩定性計算結果

各工況條件下二維、三維穩定性計算結果對比見表5。 由表可以看出，二維、三維穩定性分析結果規律一致，均滿足邊坡穩定性設計要求，且有一定安全裕度。 相較于二維極限平衡法，三維有限差分強度折減法計算得到的安全系數略大，這是三維條件下邊坡受三維方向的約束作用而導致其計算結果比極限平衡分析結果偏大，符合一般規律。

表5 花江北盤江大橋六枝岸邊坡穩定性計算結果對比

4 結 論

系統研究了花江北盤江大橋推薦橋位六枝岸邊坡工程地質特征，分析了邊坡可能出現的變形破壞形式；根據地勘結果，利用工程類比和經驗方法初步確定邊坡巖土體物理力學參數；基于大橋初步設計橋型方案，采用極限平衡分析和三維有限差分方法（FLAC3D），分別評價了花江北盤江大橋六枝岸邊坡的穩定性，得到如下主要結論：

1） 各工況條件下，二維、三維穩定性分析結果規律一致，均滿足邊坡穩定性設計要求，且有一定安全裕度；邊坡各剖面的失穩模式基本以近似圓弧型整體失穩。

2） 相較于二維極限平衡法，三維有限差分強度折減法計算得到的安全系數略大。