深切河谷岸坡穩(wěn)定性分析

陳 江，段光武

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

成貴高鐵設(shè)計(jì)速度為250km/h，在畢節(jié)市大方縣跨越西溪河深切河谷，河谷下切深度達(dá)260 余m，河谷兩岸懸崖絕壁高達(dá)180 余m，大部分懸崖近于90°直立，崖壁及崖頂發(fā)育卸荷裂隙及節(jié)理，兩岸岸坡的穩(wěn)定性決定橋址可行性、橋跨大小及技術(shù)難度，設(shè)計(jì)按分析得出的岸坡穩(wěn)定線進(jìn)行設(shè)計(jì)，2019 年建成通車，現(xiàn)狀使用良好。

1 工程概況

1.1 工點(diǎn)概況

成都至貴陽高鐵樂山至貴陽段正線全長約515km，設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h，西溪河大橋全長493.60m，軌面至河面高差255.7m，主跨240m。孔跨式樣為3×32m簡支箱梁+1×240m 上承式鋼管混凝土拱橋+4×32m 簡支箱梁，屬大跨特殊結(jié)構(gòu)重點(diǎn)橋梁。

1.2 地形地貌

橋址區(qū)屬高原侵蝕、溶蝕深切河谷地貌，西溪河下切深度達(dá)260 余m，成都岸絕壁高137m，坡度60°～85°，貴陽岸絕壁高141m，一面直立崖壁至頂，局部倒懸。西溪河長年流水，流量隨季節(jié)變化較大，平常流量較小[1]。

1.3 地層巖性

橋址河床內(nèi)為第四系沖洪積（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土及卵石土，兩岸斜坡零星覆有第四系全新統(tǒng)坡殘積（Q4dl+el）紅黏土。大橋兩端橋臺(tái)處基巖有三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組二段（T1yn2）泥巖、泥質(zhì)白云及泥質(zhì)灰?guī)r；河谷兩岸絕壁及壁頂上部斜坡基巖為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組一段（T1yn1）石灰?guī)r，該地層為全橋各墩臺(tái)基礎(chǔ)持力層，也是決定河谷兩岸岸坡穩(wěn)定性的主要地層；河床及兩側(cè)高約35m 范圍為三疊系下統(tǒng)夜郎組三段（T1y3）泥巖、砂質(zhì)泥巖。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造及地震

1.4.1 地質(zhì)構(gòu)造

橋址區(qū)無斷裂構(gòu)造，巖層傾角平緩起伏變化，成都岸灰?guī)r產(chǎn)狀為N20°～50°E/4°～7°SE，貴陽岸灰?guī)r產(chǎn)狀為N30°～70°W/4°～6°SW，河底測(cè)到泥巖產(chǎn)狀為N80°W/4°SW。

成都岸陡崖主要節(jié)理為N20°E/90°、N85°E/90°，節(jié)理間距0.5～2.0m，延伸長度3～15m，貫通性較好，微張至張開型，其中N20°E/90°走向與河谷走相近。

貴陽岸懸崖頂上發(fā)育N20°W/90°、N20°E/90°、N50°W/90°、N40°E/90°、N60°E/90°等節(jié)理，間距為2.0～5.0m，長度大于5m，其中N20°W/90°節(jié)理面與陡崖面相近一致，其貫通性較好，幾組節(jié)理相互組合對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響較大。

1.4.2 地震

對(duì)近場(chǎng)地震資料分析得知，近場(chǎng)迄今僅發(fā)生過1次Ms≥4.7 級(jí)破壞性地震。自20 世紀(jì)70 年代至今，近場(chǎng)內(nèi)記錄到的地震約63.64%為ML＜3.0 級(jí)的小震活動(dòng)，ML≥3.0 級(jí)地震約占36.36%左右；迄今為止，記錄到的最大地震是1930 年9 月23 日發(fā)生在近場(chǎng)東北部的貴州金沙級(jí)破壞性地震。

1.5 不良地質(zhì)

1.5.1 巖溶

橋址區(qū)主地層為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組一段（T1yn1）石灰?guī)r，根據(jù)地表溶蝕、巖溶形態(tài)及鉆孔揭示溶洞遇洞率，橋址區(qū)巖溶發(fā)育程度為中等[2]。

15.2 卸荷裂隙

由于河流深切，河谷兩岸形成高陡臨空面，巖體應(yīng)力釋放和調(diào)整產(chǎn)生裂隙，受重力、風(fēng)化及岸坡的物理地質(zhì)作用裂隙進(jìn)一步張開，張開寬度往往上寬下窄，形成卸荷裂隙[3]。

橋址區(qū)河谷兩岸陡立、直立的絕壁上部發(fā)育較多卸荷裂隙，卸荷裂隙主要沿陡傾節(jié)理擴(kuò)張，成都岸卸荷裂隙主要沿N20°E/90°節(jié)理擴(kuò)張形成，張開寬度約5～20cm，深度約大于20m；貴陽岸卸荷裂隙主要沿N20°W/90°、N20°E/90°、N40°E/90°節(jié)理擴(kuò)張形成，張開寬度為5～40cm，深度大于30m。

1.6 水文地質(zhì)特征

西溪河屬長江流域?yàn)踅担掠螀R入烏江源，雨季洪水來時(shí)汛猛，雨后消退也快，是典型的山區(qū)河流，平常流量較小，枯水季節(jié)水深僅0.1～1.0m。

地下水主要為巖溶裂隙水和基巖裂隙水，由于河谷深，排泄基準(zhǔn)面低[4]，河谷兩岸巖溶裂隙水和基巖裂隙水受大氣降雨補(bǔ)給后快速沿巖溶通道、節(jié)理裂隙徑流排泄于西溪河，常以巖溶下降泉的形式流出，多在河谷兩岸近底部的灰?guī)r與泥巖接觸帶出露。

1.7 巖體結(jié)特征分析

通過巴頓（Barton）模型的等效抗剪強(qiáng)度計(jì)算，西溪河大橋岸坡巖體以灰?guī)r為主，兩岸絕壁發(fā)育N20°E/90°、N40°E/90°、N60°E/90°、N20°W/90°、N50°W/90°等卸荷裂隙及節(jié)理，間距為2.0～5.0m 或大于5m，其中N20°E/90°、N20°W/90°兩組卸荷裂隙面與陡崖面近一致，延伸性、貫通性較好，張開寬度5～30cm，其他方位裂隙卸荷面較少，延伸性較差。

2 岸坡巖體赤平投影分析

2.1 成都岸赤平投影分析

成都岸赤平投影如圖1 所示，表1 為成都邊坡巖體片（節(jié)）理走向和傾角傾向，表2 為成都邊坡巖體片（節(jié)）理交線走向和交線傾角傾向。對(duì)此進(jìn)行分析，可知存在直角傾角巖層，由圖1 可見坡面投影區(qū)穿越單滑面1、2、3，雙滑面13、23，以及墜落體G，故不在邊坡面上形成滑塌體，而只有雙滑面12（層理L 和節(jié)理J1 共同切割所形成的楔形體）的滑塌形式是在邊坡臨空面出露的潛在滑塌體，且滑動(dòng)方向僅沿滑面1 即層理面方向滑動(dòng)，滑面2 在此處僅起切割巖體的作用，潛在滑動(dòng)方向與線路走向夾角為58°。但由于滑面1（即被層理L 所在平面所切割構(gòu)成的滑面）的穩(wěn)定系數(shù)為9.14，故西溪河特大橋成都端岸坡不會(huì)產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象[5]。

表1 成都邊坡巖體片（節(jié)）理走向和傾角傾向

表2 成都邊坡巖體片（節(jié)）理交線走向和交線傾角傾向

圖1 成都岸赤平投影

2.2 貴陽岸赤平投影分析

貴陽岸赤平投影如圖2 所示，表3 為貴陽邊坡巖體層（節(jié)）理走向和傾角傾向，表4 為貴陽邊坡巖體層（節(jié)）理交線走向和交線傾角傾向。對(duì)此進(jìn)行分析，可知存在直角傾角巖層，由圖2 可見坡面投影區(qū)穿越單滑面1、2、3，雙滑面13、23，以及墜落體G，故不在邊坡面上形成滑塌體，而只有雙滑面12（層理L 和節(jié)理J1 共同切割所形成的楔形體）的滑塌形式是在邊坡臨空面出露的潛在滑塌體，且滑動(dòng)方向僅沿滑面1 即層理面方向滑動(dòng)，滑面2 在此處僅起切割巖體的作用，潛在滑動(dòng)方向與線路走向夾角為40°。但由于滑面1（即被層理L 所在平面所切割構(gòu)成的滑面）的穩(wěn)定系數(shù)為22.42，故西溪河特大橋貴陽端端岸坡不會(huì)產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象。

表3 貴陽邊坡巖體層（節(jié)）理走向和傾角傾向

表4 貴陽邊坡巖體層（節(jié)）理交線走向和交線傾角傾向

圖2 貴陽巖赤平投影

3 岸坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算分析

3.1 有限元數(shù)值模擬分析

有限元數(shù)值計(jì)算分析如下。

（1）大橋兩岸岸坡在自然狀態(tài)下，岸坡巖體的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)分析結(jié)果顯示為穩(wěn)定。

（2）成都岸開挖、加載狀態(tài)下強(qiáng)度分析如圖3 所示，主橋墩基礎(chǔ)底部巖體在橋梁荷載作用下出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，在陡坡坡腳坡面線轉(zhuǎn)折部位也出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象。分析結(jié)果符合荷載作用下岸坡巖體應(yīng)力分布規(guī)律，強(qiáng)度特征狀態(tài)。兩剪切破壞部位不存在貫通性破壞聯(lián)系。建議對(duì)主橋墩基礎(chǔ)巖體加固處理，提高巖體剪切強(qiáng)度。

圖3 成都岸開挖、加載狀態(tài)下強(qiáng)度分析

（3）貴陽岸開挖、加載狀態(tài)下強(qiáng)度分析如圖4 所示，主橋墩基礎(chǔ)底部巖體在橋梁荷載作用下出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，在陡坡坡腳坡面線轉(zhuǎn)折部位上下方也出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象。分析結(jié)果符合荷載作用下岸坡巖體應(yīng)力分布規(guī)律，強(qiáng)度特征狀態(tài)。兩剪切破壞部位不存在貫通性破壞聯(lián)系。建議對(duì)主橋墩基礎(chǔ)巖體加固處理，提高巖體剪切強(qiáng)度。對(duì)坡腳上方出現(xiàn)剪切破壞坡面適當(dāng)加固處理，增強(qiáng)坡面穩(wěn)定性。

圖4 貴陽岸開挖、加載狀態(tài)下強(qiáng)度分析

3.2 離散元數(shù)值模擬分析

（1）成都岸在自然狀態(tài)下模擬過程中相對(duì)時(shí)間t=6400、7400、8400 次時(shí)，模型的位移變化不大，且模型的不平衡力已經(jīng)為0，說明成都端岸坡在自然狀態(tài)下穩(wěn)定，與實(shí)際情況相符。

（2）貴陽岸在自然狀態(tài)下模擬過程中相對(duì)時(shí)間t=3800、4800、5800 次時(shí)，模型的位移變化不大，且模型的不平衡力已經(jīng)為0，說貴陽端岸坡在自然狀態(tài)下穩(wěn)定，與實(shí)際情況相符。

在橋基開挖加載的狀態(tài)下，貴陽端岸坡巖體的位移小于4.5cm，成都端岸坡巖體的位移小于20cm.，岸坡穩(wěn)定性較貴陽端稍差，可以認(rèn)為該橋位兩端岸坡整體是穩(wěn)定的。需對(duì)橋基巖體加固處理，提高巖體強(qiáng)度[6]。

4 結(jié)論

（1）綜合巖體質(zhì)量分析，工程地質(zhì)對(duì)比和地質(zhì)模型模擬分析，建議成都端岸坡穩(wěn)定角為65°左右，貴陽端岸坡穩(wěn)定角為70°左右。

（2）成都端及貴陽端岸坡巖體的剪切破壞均是由于施加橋荷載后，橋基礎(chǔ)周圍巖體強(qiáng)度偏低所致，故建議盡可能減小橋荷載，并在兩端拱座基底進(jìn)行適當(dāng)加固，以減少橋荷載對(duì)岸坡表層巖體的影響，還應(yīng)注意對(duì)陡崖下方的坡腳處進(jìn)行適當(dāng)加固。

綜上所述，巖性、地質(zhì)構(gòu)造、卸荷裂隙及其他不良地質(zhì)是影響岸坡穩(wěn)定的主要因素，實(shí)地查清影響因素是分析岸坡穩(wěn)定的基本條件。