庫水對香麗金沙江大橋麗江岸邊坡穩(wěn)定性影響

嚴(yán) 飛，文 海，鄧 琴，秦玉樵，王東英

(1. 云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650041；2. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430071)

香格里拉位于云南省西北部川滇藏交匯處，三江并流區(qū)腹地，香麗高速公路是打通地區(qū)通道的重點(diǎn)工程，金沙江橋是該路線核心工程，香格里拉岸岸坡較陡，相對穩(wěn)定；麗江岸相對較緩，存在安全隱患?？紤]到金沙江水量的豐富，未來存在梯級(jí)開發(fā)的可能。因此，麗江岸橋基邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要，需要系統(tǒng)評價(jià)其有水和無水條件下的靜動(dòng)力安全特性。

考慮庫水對邊坡變形破壞機(jī)制的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：水對邊坡變形破壞機(jī)制的敏感性分析[1-5]；庫水帶來的流固耦合問題[6-8]；庫水的浮托作用和外荷載壓腳作用[9,10]。穩(wěn)定性評價(jià)方法有極限平衡法和有限強(qiáng)度折減法兩類[11-13]，涉及的評價(jià)指標(biāo)有安全系數(shù)和變形指標(biāo)兩類[14]。

本文以香麗金沙江橋麗江岸橋基邊坡為研究對象，利用Phase2D的有限元強(qiáng)度折減，采用擬靜力法，評價(jià)其在不同涉水工況下的靜力動(dòng)力穩(wěn)定性，并給出工程建議措施。

1 工程概況及計(jì)算方案設(shè)計(jì)

1.1 香麗金沙江橋橋址工程地質(zhì)條件簡介

香麗高速公路金沙江特大橋距虎跳峽鎮(zhèn)約3 km，距著名的虎跳石景點(diǎn)約3 km。香格里拉岸，山勢陡峭，平均自然坡度約50°，坡面基巖出露，坡崩積覆蓋層主要為碎石角礫土，覆蓋較薄。邊坡穩(wěn)定性相對較好。麗江岸，山體平均自然坡度約40°，隧道錨附近坡面約42°，主墩附近坡面約30°，山勢陡緩相間；巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育，山體卸荷作用強(qiáng)烈。斜坡表面見0～5 m的坡崩積塊碎石土、角礫土，坡面植被較發(fā)育。穩(wěn)定性需要引起重視(見圖1)。

圖1 橋址示意圖Fig.1 Schematic diagram of bridge site

麗江岸邊坡的安全性主要受板巖、劈理密集帶和軟弱夾層控制，其中板巖中發(fā)育兩組近于正交的反傾和緩傾結(jié)構(gòu)面(見圖2)。

圖2 地質(zhì)模型概畫圖Fig.2 Generalized geological model

勘察現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)提供的巖體參數(shù)建議值，見表1。

表1 試驗(yàn)材料參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Computing parameters used in simulation

1.2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

利用商業(yè)軟件Phase2D進(jìn)行了比照室內(nèi)模型試驗(yàn)的有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算。計(jì)算設(shè)計(jì)了不考慮水、考慮擬建水庫運(yùn)行低水位1 910 m和正常蓄水位2 010 m等3個(gè)類工況(見圖3)。

圖3 不同計(jì)算工況數(shù)值模型及邊界條件Fig.3 Numerical models with different boundary and seismic load conditions

每類工況均按0.05 g間距遞增的0～0.50 g擬靜力法地震工況的計(jì)算(見表2)。

2 基于擬靜力法的華坪岸邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性評價(jià)

2.1 基于破壞模式及安全系數(shù)的穩(wěn)定性評價(jià)

有限元強(qiáng)度折減法的總位移及剪應(yīng)變云圖揭示了邊坡的變形破壞機(jī)制見圖4(a)和圖4(b)；不同水平地震加速度下求得的強(qiáng)度折減安全系數(shù)，見圖4(c)。

表2 麗江岸靜動(dòng)力穩(wěn)定性計(jì)算工況Tab.2 Static and seismic stability cases of Lijiang slope

圖4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖Fig.4 Computing results of slope stability

由圖4可知，麗江岸邊坡破壞的后緣在主墩橋基及重力式錨碇位置，主滑沿1-2層順層結(jié)構(gòu)面，前緣剪出破壞。自然坡在0.25～0.30 g水平地震加速度下安全系數(shù)達(dá)到1.0附近，坡體失穩(wěn)；低水位坡在0.35～0.40 g水平地震加速度下坡體失穩(wěn)；正常蓄水位坡在0.45～0.50 g水平地震加速度下坡體失穩(wěn)。

綜上，未來水庫的建設(shè)，從坡面約束荷載的角度看有利于邊坡穩(wěn)定；同時(shí)也要看到庫水作用下坡體材料存在軟化的可能、塌岸長期影響、水位驟降帶來的超靜水壓力的不利作用等的影響?？傮w上，不同水位工況下自然坡體的安全系數(shù)均大于2.0，穩(wěn)定性有保障；動(dòng)力穩(wěn)定性評價(jià)得到的地震臨界水平加速度在0.30 g，根據(jù)中國地震局地殼應(yīng)力研究所《新建麗香鐵路重點(diǎn)工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15～0.30 g，則地震安全性也是有保證的，需要部分工程部強(qiáng)措施以滿足工程穩(wěn)定性要求。

2.2 基于變形的穩(wěn)定性評價(jià)

地基和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評價(jià)一般需要滿足強(qiáng)度和變形兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在坡面選擇4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)位置見圖5(a)，位移監(jiān)測曲線見圖5(b)和圖5(c)。

圖5 不同工況下總位移和水平地震加速度曲線Fig.5 Curves of total displacement and horizontal seismic acceleration under different seismic load conditions

由圖5可知，0.20 g前后曲線簇的疏密發(fā)生變化，反映在位移值發(fā)生量級(jí)變化。自然數(shù)曲線是低地震作用下密集，大于0.20 g之后變疏，且水位高低帶來的變形抑制效果逐步顯著，隨著水位的增高破壞位移逐步降低。對數(shù)曲線，與自然數(shù)的疏密規(guī)律正好相反，其與規(guī)律類似。因此，基于變形的臨界水平地震加速度為0.20 g，橋基位置的預(yù)警位移可參考該值，無水工況下14 mm、低水位下9 mm、正常蓄水位下5 mm。

2.3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)勘察資料，在穩(wěn)定性評價(jià)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，模擬了圖2邊坡在不同地震輸入波形下的動(dòng)力穩(wěn)定性和破壞形態(tài)。模型幾何相似比1∶400，板巖相似材料通過鋼渣∶砂∶石膏∶水= 5∶4∶1.3∶2.2模擬；結(jié)構(gòu)面通過灰紙板模擬。模擬分為無水、低水位、正常蓄水位3類工況，先從垂直再水平，從小震Ⅵ度到大震Ⅸ度的順序，模擬了麗江岸32個(gè)地震工況，初始模型見圖6(a)，破壞形態(tài)見圖6(b)。

圖6 模型試驗(yàn)破壞圖Fig.6 Fail shape of model test for Lijiang bank slope

由圖6模型試驗(yàn)破壞圖可知，破壞發(fā)生的位置在陡傾結(jié)構(gòu)面橋基位置最明顯(第一條噴紅漆位置)，再往后發(fā)生沿重力錨碇位置(第二條噴漆位置)，前緣為沿緩傾結(jié)構(gòu)面滑移和剪出。這些和數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合，低水位下的破壞揭示的臨界地震時(shí)程曲線峰值為0.30 g，考慮到擬靜力法夸大了地震荷載其臨界值應(yīng)該比振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的臨界值要小，所以基于變形確定的0.20 g臨界水平地震加速度是合適的。

2.4 安全性評價(jià)結(jié)論及工程建議措施

該橋址邊坡重要性和安全等級(jí)為一級(jí)，自然狀態(tài)下安全設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)大于1.30，該邊坡當(dāng)前和未來不同蓄水位下的邊坡穩(wěn)定性滿足工程穩(wěn)定性要求。場地地震作用下，安全性也是有保證的，不過局部需要增補(bǔ)工程加固措施。

工程建議措施如下：在主墩前部需要補(bǔ)強(qiáng)水平抗力作用，可采取抗滑加固措施；施工期間可盡量避免坡面擾動(dòng)，不可避免出現(xiàn)時(shí)，需采取一定的固腳+護(hù)面措施；有條件下，可加強(qiáng)施工期安全監(jiān)控。

3 結(jié) 語

(1)香麗高速公路金沙江大橋麗江岸邊坡的破壞模式為：后緣為陡傾結(jié)構(gòu)面控制，剪入破壞發(fā)生在橋基和重力式錨碇位置區(qū)域；沿緩傾結(jié)構(gòu)面滑移，前緣沿緩傾結(jié)構(gòu)面剪出。

(2)香麗高速公路金沙江大橋麗江岸邊坡無水、擬建水庫運(yùn)行低水位和正常蓄水位工況下基于安全系數(shù)確定的臨界水平地震加速度0.30 g；基于變形確定的臨界值為0.20 g。

(3)根據(jù)地震安全性評價(jià)，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.15～0.30 g，因此在容易發(fā)生破壞的位置要增補(bǔ)部分工程加固措施，以滿足工程穩(wěn)定性要求。

(4)邊坡靜動(dòng)力穩(wěn)定性評價(jià)，需要同時(shí)考慮強(qiáng)度和變形控制標(biāo)準(zhǔn)，該邊坡安全監(jiān)控的預(yù)警值可參考無水工況下14 mm、低水位下9 mm、正常蓄水位下5 mm。

□

[1] 羅先啟,劉德富,吳 劍,等. 雨水及庫水作用下滑坡模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(14):2 476-2 483.

[2] 石豫川,馮文凱,王學(xué)武,等. 庫水作用下公路土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性影響因素綜合評判[J]. 災(zāi)害學(xué),2005,(4):33-38.

[3] 喬 娟,羅先啟,張立仁,等. 三峽庫區(qū)水環(huán)境對庫岸斜坡失穩(wěn)的作用機(jī)理探討[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù),2005,(6):22-25.

[4] 喬 娟,羅先啟. 水對邊坡失穩(wěn)的作用機(jī)理探討[J]. 災(zāi)害與防治工程,2005,(2):39-43.

[5] 郭 健,許 模,趙 勇,等. 黑水河庫區(qū)某古滑坡形成及復(fù)活機(jī)制[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,(6):721-728.

[6] 薛聰聰,盧書強(qiáng). 庫水與降雨作用下三門洞滑坡滲流特征及穩(wěn)定性分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,(5):70-75.

[7] 王 力,王世梅,向 玲. 庫水下降聯(lián)合降雨作用下樹坪滑坡流固耦合分析[J]. 長江科學(xué)院院報(bào),2014,(6):25-31.

[8] 宋 琨,晏鄂川,朱大鵬,等. 基于滑體滲透性與庫水變動(dòng)的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律研究[J]. 巖土力學(xué),2011,(9):2 798-2 802.

[9] 艾劍峰,陳 剛. 庫水壓力對高速公路邊坡穩(wěn)定性影響分析[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2008,(S2):150-153.

[10] 趙代鵬,王世梅,談云志,等. 庫水升降作用下浮托減重型滑坡穩(wěn)定性研究[J]. 巖土力學(xué),2013,(4):1 017-1 024.

[11] 鄭穎人,唐曉松,趙尚毅,等. 有限元強(qiáng)度折減法在涉水岸坡工程中的應(yīng)用[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2009,(4):1-10.

[12] 鄭穎人,唐曉松. 庫水作用下的邊(滑)坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2007,(8):1 115-1 121.

[13] 楊繼紅,王俊梅,董金玉,等. 水庫蓄水過程中堆積體邊坡瞬態(tài)穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué),2011,(S1):464-470.

[14] 晏鄂川,朱大鵬,宋 琨,等. 基于數(shù)值模擬的三峽庫區(qū)典型堆積層滑坡變形預(yù)測方法[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2012,(2):422-429.