濤源金沙江大橋賓川岸岸坡的長期穩(wěn)定性研究

但路昭，鄧 琴，吳振君

(1.云南大永高速公路建設指揮部，云南 大理 671000; 2. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，武漢 430071)

隨著我國國民經濟建設的發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，高速公路正如火如荼地建設。同時，高速公路沿線的橋梁比例也不斷增大，橋梁跨度也在不斷增加[1]。目前關于橋梁岸坡的穩(wěn)定性研究主要沿用了傳統的邊坡穩(wěn)定性分析方法，主要包括工程地質類比法[2]、極限平衡法[3]和強度折減法[4]。然而，當橋梁位于水電站庫區(qū)內，橋址岸坡就會處于庫水浸泡狀態(tài)。因此，庫岸再造和邊坡穩(wěn)定性是分析岸坡穩(wěn)定的重要指標[5,6]。目前庫岸再造預測已經積累了多種方法，主要有卡丘金法[7]、岸坡結構法[8]和兩段法[9]等。其中，卡丘金法適用于黃土類土層及平原地區(qū)水庫的塌岸預測，也可用于南方山區(qū)峽谷型水庫的塌岸預測，但是預測結果偏于安全。岸坡結構法是由許強等提出的，適用于類似三峽這種山區(qū)河道型水庫的塌岸預測。坡兩段法由王躍敏等提出，主要適用于我國南方山區(qū)峽谷型水庫坍岸的預測。因此每種方法都有自己的適用條件，需結合地質進行選用。

擬建濤源金沙江大橋位于魯地拉水電站庫區(qū)內。該水電站的正常蓄水使得橋梁岸坡處于浸泡狀態(tài)。一旦岸坡失穩(wěn)將直接威脅到大橋的正常運行，因此岸坡的穩(wěn)定性是建設金沙江大橋所面臨和必須解決的工程地質問題之一。本文將首先對橋梁岸坡庫岸再造分析，然后對再造后的岸坡進行邊坡穩(wěn)定性分析。計算結果對于橋梁建設提供指導性建議。

1 工程簡介

1.1 工程概況

濤源金沙江大橋位于華坪至麗江高速公路K76+438處，為跨越金沙江所設，是整條路線的控制性工程之一。橋位處地勢起伏較大，為典型的“V”形河谷地段，河谷內為魯地拉電站蓄水庫淹沒區(qū)，江面寬度約400 m。濤源金沙江大橋軸線大致為南北向，南岸為賓川岸，北岸為永勝岸，如圖1所示。

1.2 工程存在的問題

濤源金沙江大橋賓川岸位于歷史滑坡堆積體和古堰塞湖沉積聯合作用形成的厚層堆積體上，上部靠近山體的部分主要是崩塌錯動破碎巖體，有潛在安全問題；永勝岸主要為相對較完整的泥盆系，中風化灰?guī)r，巖體穩(wěn)定性較好。

強烈的地殼運動、河流下切侵蝕、歷史崩滑和古堰塞湖綜合形成橋址區(qū)巨厚碎石、塊石和粉質黏土混合堆積體，長期地質演化過程中，這些巨厚松散體邊坡多處于準穩(wěn)定狀態(tài)，在地表水體和降雨作用下，形成多期崩滑蠕變運動。工程建設的擾動會極大地惡化和改變當前巨厚堆積體邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，同時前緣巨厚堆積體邊坡的運動又會牽引靠近山體的崩塌錯落體的變形加劇，這些均極大地威脅濤源金沙江賓川岸橋基安全(見圖2)。因此，需要研究歷經多期運動的巨厚堆積體邊坡與橋基相互作用下的安全性問題。

圖2 庫岸邊坡的多期運動跡象Fig.2 Historical multi-period motion signs of reservoir bank slope

水庫的存在使得橋址區(qū)存在典型的長期庫岸穩(wěn)定問題和塌岸對橋基邊坡穩(wěn)定的影響問題(見圖3)。因此，需要評價地表水體對堆積體的長期侵蝕和沖刷的影響，同時這些長期作用會造成橋基庫岸的影響范圍，不同橋基位置對該問題的安全響應。

圖3 塌岸問題Fig.3 Bank collapse

2 庫岸再造預測

2.1 計算模型

根據前述的工程介紹，選取賓川岸的橋軸線剖面進行分析，如圖4所示。

圖4 賓川岸地質剖面圖(單位：m)Fig.4 Geological section of Binchuan slope

從圖4可以看出，賓川岸邊坡從坡表至下100 m左右以碎石為主，夾雜少量的卵石和角礫巖，基巖主要是灰?guī)r，據此建立計算模型如圖5所示。

2.2 計算參數

目前在賓川岸下邊坡上部碎石土取樣進行了松散碎石土的部分現場試驗，得到自然條件下碎石土的內摩擦角在32°～35°之間，飽和條件下碎石土的內摩擦角在22°～25°之間。因橋位區(qū)試驗數據有限，且不同部位的碎石土強度參數差異較大，因此結合工程類比及反分析確定巖土層的參數，如表1所示。其中反分析原則是考慮原始邊坡在自然狀態(tài)和地震作用下安全系數均大于1，且地震時按Ⅶ度地震烈度考慮，峰值地震加速度取0.15[10]，地震效應折減系數取0.25。

圖5 賓川岸計算模型圖Fig.5 Calculation model of Binchuan slope

地層內聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)備注碎石土3833自然塊石土3532飽和狀態(tài)粉土3022飽和狀態(tài)粉砂1225飽和狀態(tài)

2.3 計算原理

庫岸再造是一個復雜、長期的歷史過程，受到區(qū)域、地質、岸坡結構與材料和水等大量因素的影響，王躍敏等[9]通過研究表明，“兩段法”適用于我國南方山區(qū)，且岸坡材料主要為黏性、碎石和砂性土等的峽谷型水庫。濤源金沙江大橋岸坡剛好符合“兩段法”的適用條件，因此這里選用“兩段法”進行預測分析。

“兩段法”的圖解過程如圖6所示，計算步驟為：①選取原河道多年最高洪水位與岸坡的交點為起點，以水下岸坡穩(wěn)定角α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線，該線延伸至設計洪水位加毛細水上升高度的高程點B；②以B點為起點, 以水上穩(wěn)定岸坡角β角為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線, 該線與原岸坡的交點C即為水上穩(wěn)定岸坡的終點。③水上穩(wěn)定岸坡線的起點B的高程所對應的原岸坡點D與該線終點C之間的水平距離, 即為“兩段法”預測的坍岸寬度Sk。

圖6 “兩段法”預測塌岸寬度圖解[8]Fig.6 Width of bank caving predicted by Two Section Method[8]

2.4 再造預測

根據2.3節(jié)的敘述，預測需要首先確定A點以及α角。根據勘察及水文資料，選取灰?guī)r與飽和碎石土在坡表交界處為A點。水下岸坡穩(wěn)定角α參考其他岸坡地質調查得到的水下穩(wěn)定坡腳統計資料[8]，結合橋位區(qū)碎石土具體情況，對剖面的水下穩(wěn)定坡腳取α=26°。由于岸坡材料為碎石土，因此這里認為毛細水上升高度H′=0。

水上穩(wěn)定坡角β采用綜合計算法，用增大內摩擦角的方法來考慮凝聚力c的影響，用式(1)計算β，通過計算得到碎石土的水上穩(wěn)定坡腳β=33°。

β=arctan [tanφ+c/(γH)]

(1)

據此，得到賓川岸岸坡的塌岸寬度示意圖7所示。庫岸再造寬度為40 m，橋梁主塔距庫岸邊緣約150 m，在庫岸再造影響范圍之外。

3 再造邊坡的穩(wěn)定性分析

建立賓川岸庫岸再造后邊坡穩(wěn)定性計算模型，如圖8所示。穩(wěn)定性計算采用畢巧普法自動搜索滑面，結果如表2所示。從表2可以看出，分析的4種計算工況下，庫岸再造后的邊坡均能達到工程穩(wěn)定性要求[10]，庫岸再造后的坡形就是穩(wěn)定坡形。

圖7 賓川岸岸坡塌岸寬度(單位:m)Fig.7 Width of bank caving predicted of Binchuan slope

圖8 考慮庫岸再造的邊坡模型Fig.8 Slope model by Reservoir bank rebuilding

工況自然地震水位驟降5m水位驟降10m安全系數1．321．041．241．16水面坡腳-滑面后緣距離/m75985048橋梁主塔基礎距庫岸再造邊線距離/m138

從計算結果可知，水面坡腳到水庫塌岸影響的最大水平距離40 m，庫岸再造后邊坡的最不利滑動面揭示的影響范圍最大為98 m，則兩者總和作用造成的最大安全距離為138 m，小于橋梁主塔距庫岸邊緣的距離(150 m)，因此橋基是穩(wěn)定的。

4 結 語

庫區(qū)水會橋址岸坡的穩(wěn)定性造成一定影響。本文以擬建的濤源金沙江大橋賓川岸橋基岸坡為研究對象，開展庫岸再造分析及再造后邊坡的穩(wěn)定性研究，結論如下。

(1)根據岸坡地質條件，選用“兩段法”開展庫岸再造分析。計算結果為岸坡塌岸寬度為40 m，橋梁主塔距庫岸邊緣(1 223 m水位)約150 m，因此主塔位于庫岸再造影響范圍之外。

(2)針對庫岸再造后的邊坡，開展正常蓄水、地震和庫水位驟降下的邊坡穩(wěn)定性分析。結果表明，再造岸坡在分析工況下均能滿足工程穩(wěn)定性要求。再造坡形是穩(wěn)定坡形。

塌岸的機制在于巖土體遇水軟化，水對土體造成的流土和潛蝕作用，粗顆粒架空坍塌，水沖刷、坡腳掏蝕，這些也會增加水位變化范圍內土體的破壞，長時間作用就會造成塌岸的加劇。庫區(qū)塌岸盡管是不可避免的，但是可以采取措施，控制其發(fā)生、發(fā)展的速度和規(guī)模。如岸頂截排、岸坡放浪和坡腳防沖加固等。在各項措施的配置中, 當采取工程防護措施時,貼坡護岸可以采用柔性結構(如鉛絲石籠、堆石、土袋壘筑、分層壓柳夯填等)。

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