嘉陵江某特大橋工程堆積體的穩(wěn)定性分析

吳兆敬

（四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

從2010年開始，四川大力實施渡口改橋梁的建設(shè)。渡改橋是落實百姓出行安全的重要民生工程，也是打通區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)濟通道的重要樞紐。受兩端渡口人類活動及構(gòu)筑物影響，渡口附近橋梁位置的選擇有一定局限性，有時不得不放在堆積體或滑坡體上。對堆積體或滑坡體的穩(wěn)定性進行分析是確定橋址方案的關(guān)鍵一步。嘉陵江某特大橋工程的橋墩不得不選在堆積體上，本文就該堆積體的穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

擬建的嘉陵江某特大橋位于某水電站下游，屬于“國家渡改橋工程”項目。受場鎮(zhèn)、水電站等構(gòu)筑物條件影響，橋址位置受限，橋梁右端僅能在右岸堆積體上布置。其中主墩22號墩位于堆積體前緣、23號墩位于中部。因此分析堆積體穩(wěn)定狀態(tài)對橋梁的影響程度等是本項目的關(guān)鍵問題。

2 工區(qū)右岸邊坡工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于嘉陵江右岸（見圖1），邊坡地形上呈“較陡-緩-陡”狀。前緣較陡部位高程210m；中部平緩部位平均高程235m，微地貌上表現(xiàn)為緩坡平臺，在其后部形成了一條淺溝槽，與邊坡走向一致；后緣陡坡坡度一般52°，局部呈直立狀。整體邊坡坡頂高程294m，與前緣高差84m左右。邊坡堆積體由第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4me），崩坡積（Q4c+d）l含礫、塊粉質(zhì)黏土組成，下伏基巖為中生界侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）的砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。

圖1 橋址區(qū)河流右岸堆積體全貌

工程場地屬于新華夏構(gòu)造體系四川中坳陷區(qū)，處于川東南華鎣山隆起褶皺束與川中龍女寺隆起之間。在具體構(gòu)造上位于龍鳳場向斜的北西翼，地層產(chǎn)狀166°∠3°，構(gòu)造運動形跡微弱，無斷層通過。工程區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水和基巖風(fēng)化裂隙水。水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具輕微腐蝕性。

3 堆積體變形特征及其分區(qū)

橋址區(qū)右岸岸坡為覆蓋層邊坡。根據(jù)邊坡變形特征，可分為Ⅰ區(qū)及Ⅱ區(qū)（見圖2）。

圖2 堆積體分區(qū)

橋梁樁號K32+052至前緣為I區(qū)，地面堆積粉砂、細(xì)砂，同時堆積了較多大型孤石、塊石，植被發(fā)育，地表河流沖刷痕跡明顯。在軸線K32+052左側(cè)地表部位發(fā)育錯臺裂縫，錯臺高度約30cm，裂縫張開約2cm，延伸長度約30m（見圖3）。前緣局部產(chǎn)生了滑塌，總體上該區(qū)穩(wěn)定性較差。

圖3 地表變形特征

K32+052至后緣為Ⅱ區(qū)，受河流侵蝕影響較小，邊坡未見明顯變形開裂跡象，雖中部發(fā)育一條淺溝槽，但為人工形成，非邊坡變形所致。總體上該區(qū)邊坡穩(wěn)定性較好。

4 堆積體成因機制分析

Ⅰ區(qū)地面整體較陡，且距離河水位更近，河流沖刷強烈，地表可見大塊石、孤石出露，為河水沖走細(xì)粒土所致。下挫裂縫發(fā)生在陡坡至緩坡的交界處，為岸坡沖刷前緣土體變形所致，屬于岸坡穩(wěn)定問題。未見裂縫向堆積體后部發(fā)展的趨勢，其變形范圍僅在Ⅰ區(qū)范圍內(nèi)。Ⅱ區(qū)地面平緩，地表堆積薄層細(xì)砂，為洪水時沉積形成。根據(jù)地表調(diào)查測繪及鉆孔揭露，堆積體后緣、側(cè)緣均未見明顯近期變形特征，鉆孔揭示土體內(nèi)部無明顯的滑帶特征土；靠近基覆界限部位的土樣呈堅硬狀～硬塑狀，且含有部分泥質(zhì)角礫，無錯動、擦痕等滑面痕跡特征。

從后緣陡壁巖體特征來看，該處砂巖多發(fā)育兩組卸荷裂隙：L1，6°∠83°，L2，76°∠85°，與層面及其他裂隙構(gòu)成不穩(wěn)定塊體，邊坡的局部穩(wěn)定性差，在極端條件下，易發(fā)生崩塌、垮塌等地質(zhì)災(zāi)害。鉆探巖芯中的粉質(zhì)黏土及未完全風(fēng)化的角礫即為崩塌的泥巖風(fēng)化所致，大型塊石為砂巖崩塌體滾落所形成。因此，整個堆積體為原陡峻邊坡崩塌所致，至于堆積體表部形成的平臺，據(jù)調(diào)查，為10年前上游桐子壕水電站施工形成。

5 堆積體穩(wěn)定性評價

由于Ⅱ區(qū)無明顯滑動帶，計算整體穩(wěn)定性按照土體性質(zhì)差別較大的界面（基覆界面）作為最不利面，因Ⅰ、Ⅱ區(qū)變形特征區(qū)別較大，土體成分也明顯差別，堆積體穩(wěn)定程度按照Ⅰ、Ⅱ區(qū)分別考慮較為合理。

5.1 參數(shù)考慮

反演分析是滑帶強度參數(shù)的重要手段，通常結(jié)合室內(nèi)試驗成果，對滑帶力學(xué)參數(shù)進行綜合取值[1,2]。工區(qū)屬于地震低烈度區(qū)，計算工況僅考慮暴雨工況及300年一遇洪水工況。

由于Ⅰ區(qū)已變形開裂，且邊界清晰，該變形體在天然狀態(tài)下，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。取穩(wěn)定系數(shù)K=1.05，對此變形體進行參數(shù)反算后取c=17.0kPa，φ=8.5°，依據(jù)試驗成果及反算成果，綜合考慮到取樣誤差、試驗誤差，具體各工況下，土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 潛在滑動帶土體參數(shù)取值建議表

5.2 穩(wěn)定性評價

Ⅰ區(qū)地面整體較陡，且距離水面更近，河流沖刷強烈，地表可見大塊石、孤石出露，為河水沖走細(xì)粒土所致。在河水沖刷作用下，該段落局部已發(fā)生了滑塌，在陡坡至緩坡的交界處，產(chǎn)生了下挫裂縫。由于該區(qū)距離河水面較近，受河水潮落影響，土體力學(xué)性質(zhì)變化較大，極易產(chǎn)生變形，土體應(yīng)力狀態(tài)處于不斷變化中，在一定條件下變形協(xié)調(diào)以達到新的平衡狀態(tài)。前緣的滑塌裂縫正是這種條件下形成。在河水位不斷變化條件下，前緣變形將繼續(xù)發(fā)展，因此前緣滑塌體在天然狀態(tài)下即處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或洪水條件下可能處于失穩(wěn)狀態(tài)[3]。

Ⅱ區(qū)多以粉質(zhì)黏土為主，局部含有未完全風(fēng)化角礫、塊石等，未見明顯的滑帶特征土，不具備滑帶軟弱性或錯動等滑面痕跡特征。整個堆積體邊坡雖前緣變形對后部土體有牽引作用，但中后部含礫塊粉質(zhì)黏土呈硬塑狀為主，物理力學(xué)性質(zhì)相對較好，且中前段的基伏界線較緩，邊坡的抗滑阻力較大，對邊坡穩(wěn)定有利。從現(xiàn)場調(diào)查來看，中部及后緣未見明顯變形開裂跡象，因此自然狀態(tài)下Ⅱ區(qū)穩(wěn)定性較好。

5.3 穩(wěn)定性計算

計算結(jié)果顯示：Ⅰ區(qū)在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.05時，對應(yīng)在暴雨工況滑帶土飽水時穩(wěn)定系數(shù)為0.76，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。即邊坡在非正常工況條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

Ⅱ區(qū)在天然工況下，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)可達1.26，屬于穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.07，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲備不足；在300年一遇洪水情況下，穩(wěn)定系數(shù)小于1.0，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

需要說明的是：（1）在暴雨條件下雖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全富裕度已不高，如在附加外力或局部土體條件（橋梁施工）改變后，有發(fā)生較大變形的可能，進而可能產(chǎn)生較大的內(nèi)力，對構(gòu)筑物不利，需要進行處治。（2）在300年一遇洪水條件下，邊坡大部分處于水面以下，土體物理力學(xué)性質(zhì)急劇惡化，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

5.4 處治建議

鑒于地形特征、坡體結(jié)構(gòu)特征及穩(wěn)定性分析成果，可采用削坡減載的方式進行處理。但開挖后后緣巖質(zhì)邊坡范圍變大，且?guī)r體中存在不利結(jié)構(gòu)面及差異性風(fēng)化，表部塊體穩(wěn)定性相對較差，因此，需要對后壁巖質(zhì)邊坡采用錨桿等方式進行加固，以防止變形破壞影響橋墩安全。

邊坡安全系數(shù)大小受到邊坡坡面形式的影響[3]，建議沿22號橋墩臺面高程（217.4m）以1∶10坡率[4]將堆積體上部全部清除。經(jīng)驗算，開挖后堆積體邊坡在暴雨及300年一遇洪水條件下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，為防止河水沖刷岸坡，可進行設(shè)置岸坡防護措施。

6 結(jié)束語

綜上所述，對嘉陵江某特大橋工程堆積體進行穩(wěn)定性分析的結(jié)論如下：

（1）后緣陡壁巖體發(fā)育兩組卸荷裂隙，與層面及其他裂隙構(gòu)成不穩(wěn)定塊體，在極端條件下，易發(fā)生崩塌、垮塌等地質(zhì)災(zāi)害。整個堆積體即為原陡峻邊坡崩塌所致。

（2）Ⅰ區(qū)滑塌體自然狀態(tài)下邊坡已出現(xiàn)開裂變形，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。Ⅱ區(qū)在暴雨條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但安全富裕度已不高。如在附加外力或局部土體條件（橋梁施工）改變后，有發(fā)生較大變形的可能，進而可能產(chǎn)生較大的內(nèi)力，對構(gòu)筑物不利，需要進行處治。

（3）在300年一遇洪水條件下，邊坡大部分處于水面以下，土體物理力學(xué)性質(zhì)急劇惡化，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

建議：沿22號橋墩臺面高程（217.4m）以1∶10坡率將堆積體上部全部清除。為防止河水沖刷岸坡，可進行設(shè)置岸坡防護措施。對后壁巖質(zhì)邊坡采用錨桿等方式進行加固，以防止變形破壞影響橋墩安全。