抵母河特大橋岸坡穩(wěn)定性研究＊

李春峰 羅 勇 曾 耀

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550001）

公路特大橋岸坡穩(wěn)定性問題是控制特大橋建設(shè)的關(guān)鍵因素。抵母河特大橋都格岸工程地質(zhì)條件復(fù)雜，本文以都格岸岸坡為研究對象，對其穩(wěn)定性進(jìn)行研究。橋型方案為懸索橋，樁號范圍K158＋533．965～K159＋460．643，主塔（墩）K158＋730、K159＋268，主跨538m，采用門型索塔，群樁基礎(chǔ)。橋梁荷載：橋梁豎向力N1＝900 600kN、順橋向水平力N2＝±29 590kN。橫橋單位寬度上，橋梁荷載為豎向力：n1＝N1／（4×2．8）＝80 410kN。順橋向水平力：n2＝N2／（4×2．8）＝±2 642kN。

首先對橋區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，查明橋區(qū)的工程地質(zhì)條件。根據(jù)橋區(qū)的地質(zhì)條件，建立穩(wěn)定性計(jì)算模型，計(jì)算各種工況下岸坡的穩(wěn)定性；然后基于快速拉格朗日有限差分法（FLAC3D），建立數(shù)值模擬模型，模擬各種工況下岸坡的位移，為橋梁設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)；最后根據(jù)上述方法計(jì)算分析結(jié)果，綜合分析岸坡穩(wěn)定性。

1 岸坡地質(zhì)條件

1．1 工程地質(zhì)條件

（1）地形地貌。抵拇河特大橋位于深切的V形河谷。都格岸岸坡較陡，坡口陡崖高度300～400m，河流岸坡總體走向138°，陡崖走向160°，近垂直。

（2）地層巖性。抵母河特大橋橋區(qū)上覆殘坡積層粘土（Qel＋dl）、崩塌和錯(cuò)落堆積的塊石土（Qc），下伏地層為二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組（P1q＋m）含燧石灰?guī)r、角礫巖，梁山組（P1l）泥巖、石英砂巖；石炭系中上統(tǒng)黃龍組、馬平組（C2－3h＋m）灰?guī)r。

（3）地質(zhì)構(gòu)造及地震。橋區(qū)位于六盤水?dāng)嘞菖璧赝幈蔽飨驑?gòu)造變形區(qū)東部，共有6條斷層分布，均為非活動(dòng)性斷層，僅F2斷層經(jīng)過橋位。F2位于 K159＋108，傾向70°～100°，傾角80°，破碎帶寬3～20m，由灰?guī)r、含燧石灰?guī)r角礫、碎塊、炭質(zhì)泥巖透鏡體及鈣、泥質(zhì)膠結(jié)物組成，膠結(jié)大多較差，為壓性斷層。

受斷層影響，橋區(qū)巖層產(chǎn)狀變化大，場區(qū)總體傾向NE，傾角緩，以F2斷層為界，上盤地層綜合產(chǎn)狀K線為50°∠20°，下盤地層綜合產(chǎn)狀K線為32°∠25°；都格岸為順向緩傾。橋區(qū)巖體節(jié)理也較發(fā)育，傾角陡，主要節(jié)理有3組，即走向10°～30°，80°～110°，320°～340°。

根據(jù)國家地震局頒布的《中國地震動(dòng)力參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306－2001），場區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0．35s，地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)為0．05g，場區(qū)地震基本烈度為VI度。

1．2 水文地質(zhì)條件

橋區(qū)內(nèi)地下水類型為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水3種，地下水總體由東西兩側(cè)坡體向抵母河內(nèi)排泄。

（1）松散層孔隙水。含水層為第四系坡殘積物，具季節(jié)性，干旱時(shí)不含水，富水性差。

（2）基巖裂隙水。含水巖組為二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）石英砂巖、泥巖，地下水以大氣降水通過地表風(fēng)化裂隙滲透，沿層間裂隙和構(gòu)造裂隙徑流，向地勢低洼部位以泉的形式排泄。

（3）碳酸鹽巖巖溶水。含水層為二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組（P1q＋m）含燧石灰?guī)r、石炭系中上統(tǒng)黃龍組、馬平組（C2－3h＋m）灰?guī)r，該兩含水層在橋位區(qū)因斷層作用合二為一。大氣降水沿溶隙、落水洞滲入補(bǔ)給，以溶隙、溶洞及暗河形式賦存運(yùn)移。由于抵母河河谷深切，地下水排泄基面低，該層地下水位埋深大，補(bǔ)給途徑較遠(yuǎn)，富水性中等～強(qiáng)。

1．3 溶蝕裂隙深度確定

都格岸發(fā)育可能影響岸坡穩(wěn)定的深裂隙，分別是K159＋255附近和K159＋350附近。

（1）勘察合理計(jì)算深度。根據(jù)勘察結(jié)果，以勘察溶蝕裂隙深度的2．5倍（確保安全）進(jìn)行計(jì)算，即勘察合理計(jì)算深度。都格岸K159＋255，K159＋350位置溶蝕裂隙勘察合理計(jì)算深度見表1。

表1 裂隙計(jì)算深度取值表 m

（2）極端條件下計(jì)算深度。根據(jù)岸坡地形地貌及大型結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，考慮到裂隙深切岸坡的可能性，設(shè)定裂隙極端條件下的切割深度，即極端條件下計(jì)算深度。都格岸K159＋255、K159＋350位置溶蝕裂隙極端條件下計(jì)算深度見表2。

表2 極端條件下裂隙計(jì)算深度取值表 m

2 岸坡剛體極限平衡穩(wěn)定性計(jì)算

2．1 計(jì)算模型及方法

根據(jù)都格岸的工程地質(zhì)條件，都格岸穩(wěn)定性主要由K159＋255及K159＋335～K159＋355溶蝕裂隙、岸坡順坡向軟弱層面控制，故計(jì)算模型見圖1。計(jì)算方法采用傳遞系數(shù)法、Bishop法及Jianbu法［1］。

圖1 都格岸岸坡穩(wěn)定性計(jì)算模型

2．2 工況及荷載

工況1。岸坡自重＋橋梁荷載。

工況2。岸坡自重＋橋梁荷載＋地震。

工況3。岸坡自重＋橋梁荷載＋暴雨（暴雨期間岸坡裂隙水頭20m）。

2．3 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察、室內(nèi)外試驗(yàn)、工程地質(zhì)類比及反演計(jì)算分析等方法綜合確定巖體力學(xué)參數(shù)取值，見表3。

表3 巖體力學(xué)參數(shù)取值表

2．4 計(jì)算結(jié)果

都格岸兩處裂隙的切割深度對岸坡穩(wěn)定性的影響很大。為綜合研究岸坡的穩(wěn)定性，按2種深度進(jìn)行計(jì)算。

（1）裂隙勘察計(jì)算深度計(jì)算結(jié)果顯示，岸坡安全系數(shù)普遍較高，符合設(shè)置主塔的岸坡穩(wěn)定性要求，其中各主塔位置最低安全系數(shù)見表4。

表4 裂隙勘察合理計(jì)算深度最低安全系數(shù)

（2）裂隙極端計(jì)算深度計(jì)算結(jié)果顯示，K159＋268位置往大樁號岸坡安全系數(shù)在1．2以上，符合設(shè)置主塔的岸坡穩(wěn)定性要求，各主塔位置最低安全系數(shù)見表5。

表5 裂隙極端計(jì)算深度最低安全系數(shù)

3 岸坡數(shù)值模擬

3．1 數(shù)值模型

本文應(yīng)用快速拉格朗日有限差分法（FLAC3D），采用平面應(yīng)變彈塑性力學(xué)模型，剖面厚度為單位厚度（1m）。假設(shè)橋塔位置K159＋268及K159＋298?？紤]大橋主塔置入岸坡深度45m，主塔寬度10m。模型左右邊界加水平向約束，底面邊界加豎向約束，上邊界為自由邊界［2－4］，數(shù)值模擬模型見圖2。模擬分2種工況：工況一，岸坡自重＋橋梁荷載；工況二，岸坡自重＋橋梁荷載＋地震荷載。地震荷載下，采用FLAC3D動(dòng)力學(xué)模型，施加水平向加速度0．1 g。

圖2 都格岸岸坡數(shù)值模擬模型

3．2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

（1）都格岸K159＋298主塔

工況一。大橋主塔引起的岸坡位移場略微向岸坡外側(cè)延伸。主塔下部巖體塑性區(qū)不明顯，巖體最大位移小于3．52mm，距離主塔樁基下部位置大于5m的岸坡巖體，位移值小于3．0mm，坡口位移值小于1．8mm。位移值向坡口方向逐漸減小，位移逐漸收斂。

工況二。岸坡坡口位移較大。主塔附近巖體未形成連續(xù)塑性區(qū)，岸坡坡口最大位移小于60 mm，主塔附近位移值小于50mm。

結(jié)果顯示，大橋都格岸K159＋298m主塔在2種工況下，岸坡均不會發(fā)生整體破壞。

（2）都格岸K159＋268主塔

工況一。大橋主塔引起的岸坡位移場略微向岸坡外側(cè)延伸。主塔下部巖體塑性區(qū)不明顯，巖體最大位移小于4．61mm，距離主塔樁基下部位置大于5m的岸坡巖體，位移值小于3．4mm，坡口位移值小于2．2mm。位移值向坡口方向逐漸減小，位移逐漸收斂。

工況二。岸坡坡口位移較大。主塔附近巖體未形成連續(xù)塑性區(qū)，岸坡坡口最大位移小于60 mm，主塔附近位移值小于50mm。

結(jié)果顯示，大橋都格岸K159＋268主塔在2種工況下位移值均較小，岸坡不會發(fā)生整體破壞。

4 結(jié)論

（1）剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果顯示，若主塔設(shè)在 K159＋268，K159＋278，K159＋288，K159＋298m位置，其岸坡穩(wěn)定性均符合抵母河岸坡安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，K159＋268，K159＋298m位置岸坡變形在60mm以內(nèi)。

（3）K159＋268臨近溶蝕裂隙，主塔位置由K159＋268移至K159＋288是基本適合的。

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