金陽河特大橋主要工程地質(zhì)穩(wěn)定性問題分析

李 博 廖文林

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610041)

1 工程概況

擬建國道356線金陽縣金陽河特大橋位于四川省西昌市金陽縣，擬建大橋為跨金陽河而建，起點位于金陽縣城的NW端(城邊)，止點位于金陽縣城的對岸(倉房村)境內(nèi)[1]。橋梁全長約759 m，推薦橋型主橋采用(116+2×200+115+40)m連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁最大墩高195.0 m，屬亞洲第三高[2]。橋梁位于高山峽谷區(qū)，地形地貌、地層巖性受構(gòu)造控制，兩岸卸荷裂隙發(fā)育，橋址區(qū)內(nèi)危巖、松動變形體、巖溶等不良地質(zhì)發(fā)育。

2 橋址區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

測區(qū)處于攀西高原的南側(cè)，金陽河由N向S斜穿橋軸線。測區(qū)分水嶺山脊海拔多在2 700 m左右，金陽河谷底海拔約1 020 m，相對高差大于1 680 m，場地為深切高山峽谷地形，屬侵蝕溶蝕構(gòu)造中高山地貌，見圖1。

金陽河右岸公路以下邊坡較陡，斜坡上植被茂密，多為雜草、芭茅和少許灌木。中部(金陽河河床以上)斜坡較緩，自然斜坡約10°～20°，斜坡多被墾為旱地，主要為玉米地，有少許農(nóng)舍分布。斜坡上為松散堆積層，未見基巖出露，僅在公路上邊坡處有零星的灰?guī)r出露。倉房村岸(左岸)橋臺下方地形陡峭，總體坡度約50°～60°，呈折線型，陡崖上有少許灌木。陡崖下方為斜坡地形，自然坡度約20°～28°，坡上植被茂密。第四系沿斜坡堆積，斜坡至河床未見基巖出露。橋臺及以上斜坡呈緩坡地形，自然斜坡約10°～15°，主要為當(dāng)?shù)鼐用竦氖卟撕陀衩追N植地。

2.2 地層巖性

塊石：褐黃色，石質(zhì)成分以灰?guī)r為主，棱角狀，多呈強(qiáng)風(fēng)化，余為粉粘粒，潮濕，稍密，透水性較好。主要分布于金陽岸斜坡，鉆探揭露最大厚度3.5 m。

含角礫粘土：棕黃色，含約35%的灰?guī)r、頁巖碎石及角礫，可塑狀～硬塑狀。主要分布于倉房村岸斜坡，鉆探揭露最大厚度15.3 m。

卵石：灰色，石質(zhì)成分主要為灰?guī)r、砂巖、花崗巖等，次圓狀～圓狀。飽和，中密，透水性好。結(jié)構(gòu)不均，局部砂、礫石分別富集。

該層主要分布于金陽河河床及河漫灘，鉆探揭露最大厚度33.5 m。

3)古生界奧陶系中統(tǒng)十字鋪組(O2s)。

灰?guī)r：灰～淺灰色，礦物成分以方解石為主，隱～微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。局部富泥質(zhì)，裂隙較發(fā)育，層間結(jié)合較差。

泥灰?guī)r：黑灰色，礦物成分主要為方解石，次為粘土礦物，泥晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，滴稀鹽酸起泡。結(jié)構(gòu)不均，裂隙發(fā)育，隙面附鐵銹色。

該層臥于松散層下，分布于倉房村岸，出露于左岸陡坎處，為橋位的主要持力層巖性，厚度大于15 m～77 m。

4)奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)。

灰?guī)r：灰～淺灰色，礦物成分以方解石為主，隱～微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中層狀構(gòu)造。局部富泥質(zhì)，網(wǎng)狀裂隙較發(fā)育，隙面附鐵銹色，層間結(jié)合較差。

砂質(zhì)頁巖：灰色、黃灰色～深灰色，以粘土礦物為主，石英、長石次之，鈣質(zhì)膠結(jié)，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)不均，局部粉砂質(zhì)富集而呈砂質(zhì)頁巖，頁理不發(fā)育，沿頁理面附鐵銹色，巖質(zhì)較軟，用手可刻劃，全層含少量鉛鋅礦。

該層臥于松散及十字鋪組(O2s)層下，分布于整個場地及出露于左岸陡坎處，為橋位的主要持力層巖性，厚度大于166 m～262 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震基本烈度

場地內(nèi)區(qū)域金陽斷層于橋位上游約500 m處通過，該斷層全長52 km。斷層所切地層主要為上元古界，斷裂對地層破壞較大，斷面傾向W，傾角約80°，巖石擠壓明顯，為一向E俯沖的壓性斷裂[5]。

場地位于南北向的扭枯背斜的SE側(cè)，經(jīng)調(diào)查橋位巖層產(chǎn)狀單斜，巖層產(chǎn)狀為145°～180°∠15°～28°。優(yōu)勢產(chǎn)狀：150°∠20°。在巖體中主要發(fā)育有二組節(jié)理：L1：35°～60°∠55°～70°，隙面平整、起伏，延伸大于1 m，切深0.1 m，間距0.1 m～0.2 m，L2：210°～270°∠245°～75°，隙面平直，延伸大于1.0 m，切深大于1.0 m，間距0.3 m～1 m，巖體中微裂隙發(fā)育，巖體在層面、節(jié)理的切割下呈碎片狀結(jié)構(gòu)。

區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動的特點以上升運動為主，形成高山狹谷，區(qū)內(nèi)地震活動頻繁而強(qiáng)烈，但震中多遠(yuǎn)離場地，場地僅受異地地震的波及及影響。根據(jù)GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖國家標(biāo)準(zhǔn)，橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，場地對應(yīng)地震基本烈度為7度。

2.4 水文及水文地質(zhì)

2.4.1水文

場地內(nèi)金陽河為金沙江的支流，金陽河由N向S穿過橋軸，在下游約5 km～8 km處匯入金沙江，場地屬金沙江水系。

勘察期間，金陽河常水量小于10 m3/s，洪期水位可高出枯水期約3 m～5 m。金陽河為橋位處最低侵蝕基準(zhǔn)面和各類地表水及地下水的排泄通道。

2.4.2地下水

場地內(nèi)地下水類型主要有：第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水、巖溶水。

基巖裂隙水：賦存于場地O1m地層中的構(gòu)造裂隙中，主要接受大氣降水、上覆松散堆積物孔隙水和巖溶水的補(bǔ)給，向河及河下游排泄。由于砂巖、頁巖呈夾層狀分布于O1m地層中，在場地地形陡峻的影響下，降水及斜坡上的地下水向河谷中排泄迅速，故斜坡上的地下水貧乏。

2.4.3巖溶水

巖溶水賦存于O2s與O1m碳酸鹽類巖石的溶蝕孔洞、溶蝕溝、槽及溶蝕裂隙組成的含水層中。地下水沿溶蝕裂隙、孔洞和層間裂隙順坡向下或向溝谷徑流排泄，以點滴狀、侵潤狀產(chǎn)出，雨季時以小股狀、股涌狀產(chǎn)出，經(jīng)調(diào)查地表未見泉水點出露，表明巖體滲透性較差，富水性較差。地下水主要接受大氣降水和遠(yuǎn)程地下水的補(bǔ)給，受季節(jié)控制明顯，枯水期地下水水量??；雨季時期水量相對較大。

3 金陽河特大橋主要工程地質(zhì)問題及評價

3.1 松動變形體

在河谷兩岸斜坡，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體在卸荷、重力等自然應(yīng)力作用下，以及地下水溶蝕等作用下，臨坡裂(溶)隙寬張最大達(dá)0.20 m～0.30 m，隙內(nèi)充填粉質(zhì)粘土，巖體受寬張裂隙影響松動變形強(qiáng)烈。在平面上，巖體松動變形帶寬3 m～5 m，局部可達(dá)10 m，一般寬4.0 m；在垂向上，松動變形帶發(fā)育深度受巖性、構(gòu)造、地形制約，深度切層。據(jù)調(diào)查，強(qiáng)烈松動變形帶位于橋軸線的上下游，在選擇橋軸線時已避開，對橋梁工程不會有大的影響。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在左岸平孔上方右側(cè)15 m處見一寬約45 cm，長約15 m的寬張裂隙，在左岸平孔上方右側(cè)8 m處見一寬約40 cm，長約10 m的寬張裂隙，該危巖均在橋軸線的上方，對橋梁有一定的危害，建議清除。

3.2 巖溶

橋位區(qū)基巖為O2s與O1m碳酸鹽類巖石，斜坡地表未見溶蝕孤石、溶蝕漏斗發(fā)育，僅見少量溶縫及溶蝕裂隙，場地內(nèi)以小型溶蝕地貌為主，沿層面及陡傾節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶形態(tài)以垂直形態(tài)分布為主，水平溶蝕形態(tài)次之。溶孔、溶隙：在地表與地下均有發(fā)育，溶隙主要是地表水沿裂隙滲流溶蝕所形成，寬幾毫米～十幾厘米，長度可見幾米至十幾米；溶孔多為溶蝕孔隙，呈蟲孔狀，蜂窩狀，孔徑地表較地下寬大，據(jù)地質(zhì)調(diào)查地表溶孔孔徑一般0.05 cm～2 cm，經(jīng)地表水溶蝕擴(kuò)大后形成孔洞。

部分鉆孔中有少量φ2 mm～φ5 mm溶孔發(fā)育，個別孔徑大于1 cm，孔內(nèi)充填方解石晶體。其中ZK21中15.1 m～19.5 m揭露一溶洞，充填物主要以稍密狀深灰色的卵石及細(xì)砂為主。但場地陡崖處未見有溶洞等出水點，同時結(jié)合地表地調(diào)成果并據(jù)TB 10027—2001鐵路工程不良地質(zhì)工質(zhì)勘察規(guī)范表E.0.2的規(guī)定及《巖溶工程地質(zhì)》(1984)等有關(guān)資料，區(qū)域巖溶強(qiáng)度等級為巖溶弱發(fā)育，對路線影響較小，但由于巖溶發(fā)育的不均勻性以及巖溶發(fā)育具隱伏性特征，在鉆孔控制范圍以外不排除存在較大的溶洞及暗河的分布，建議開挖至基底后，進(jìn)一步查明基底以下5 m～8 m范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，若路基開挖基底發(fā)現(xiàn)溶洞及溶隙發(fā)育時，應(yīng)進(jìn)行處治，以確保樁基及橋梁墩、臺基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定性。同時建議在施工橋梁墩、臺時，加強(qiáng)施工驗證工作，以保證橋梁墩、臺基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定。

3.3 河床及岸坡的穩(wěn)定性評價

金陽河谷深切，橋位處河流彎曲，河床縱坡較大，水的動力作用主要以側(cè)蝕下切為主。

縱向上：河床縱坡較大，雨季時期，金陽河水流速、流量較大，金陽河河床由卵石、碎石、粘土、塊石構(gòu)成，在河水的下蝕作用下仍存在下切2 m～3 m的可能；橫向上：河岸由卵石、碎石、粘土、塊石構(gòu)成，抗沖刷、淘蝕能力較差，在長期水流的作用下，導(dǎo)致發(fā)生緩慢后退引起上覆的土體失穩(wěn)，故河岸的穩(wěn)定性不高。

3.4 斜坡穩(wěn)定性評價

橋位區(qū)左岸(倉房村岸)自然斜坡陡緩不均，左岸下部斜坡(河床以上)，斜坡相對較緩，自然坡度一般在30°～35°，呈折線型，第四系覆蓋層厚度較大，上部為崩坡積層，中下部為沖洪積層，下伏基巖，斜坡植被發(fā)育較差，多為雜草、芭茅，坡腳受河水沖刷，自然斜坡穩(wěn)定性不高，開挖后斜坡土體易產(chǎn)生坍塌或滑動。

河谷中上部斜坡較陡，呈懸崖狀，為基巖裸露的逆向斜坡，自然坡度一般60°～70°，有兩組節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層傾向坡內(nèi)，斜坡穩(wěn)定不受巖層控制。根據(jù)節(jié)理裂隙切割關(guān)系分析，控制斜坡的主要結(jié)構(gòu)面為L1,L2兩組裂隙，巖體受L1,L2組裂隙的切割和層面的控制，其破壞模式為結(jié)構(gòu)面切割巖體失穩(wěn)，斜坡基巖為灰?guī)r、砂巖，巖體呈裂隙層狀結(jié)構(gòu)，工程施工開挖切坡擾動易誘發(fā)斜坡巖體失穩(wěn)。橋墩施工前建議將表層松動巖體清除，并將橋墩埋置于相對穩(wěn)定的巖層中，使其對橋墩安全不構(gòu)成危害。

橋臺及以上自然斜坡平緩，自然坡度一般10°～20°，近直線型，斜坡土體主要為第四系崩坡積層，厚度不大，主要為含碎石粘土，自然斜坡穩(wěn)定。橋梁工程對其擾動不大，不會導(dǎo)致斜坡土體沿巖土界面大規(guī)模失穩(wěn)。

橋位區(qū)右岸自然斜坡相對較緩，一般在20°～30°，呈折線型。坡表為第四系覆蓋層，厚度較大，上部為崩坡積層，下部為基巖，斜坡植被發(fā)育較差，多為雜草、芭茅，土質(zhì)自然斜坡穩(wěn)定。右岸斜坡為二元結(jié)構(gòu)，第四系覆蓋層為稍密狀的塊碎石及含塊石粘土，坡表呈折線型，巖土界面呈起伏狀，覆蓋層厚度不均，根據(jù)鉆孔揭露，厚約1.5 m～31.7 m。下伏基巖為古生界湄潭組的灰?guī)r及砂質(zhì)頁巖?；?guī)r由于裂隙發(fā)育，灰?guī)r多呈碎塊狀，砂質(zhì)頁巖相對較完整，巖層傾向與坡向小角度相交，為順層切向坡，斜坡穩(wěn)定性受巖層控制。斜坡基巖為灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖，巖體呈裂隙層狀結(jié)構(gòu)，但受其下伏傾斜巖面影響，其穩(wěn)定性不高，由于土層厚度較大，開挖后斜坡土體易沿巖土界面產(chǎn)生滑動；而下伏基巖為順向坡，巖層傾向河谷，傾角15°～28°，優(yōu)勢值20°，基本已超過軟質(zhì)巖層層面的綜合摩擦角，斜坡上基巖面陡緩不均，局部巖層層面暴露于臨空面或土層中，致使暴露于土體中的層面以上巖體穩(wěn)定性差，受力后易產(chǎn)生滑動破壞。建議斜坡開挖期間加強(qiáng)位移監(jiān)測、預(yù)警，為減少對坡體的擾動，盡量采用機(jī)械成孔，避免采用人工爆破方式成孔。

4 結(jié)論及建議

1)測區(qū)新構(gòu)造運動表現(xiàn)為上升運動，場地中的區(qū)域臭水井?dāng)鄬訛榉腔顒有詳鄬?，場地?nèi)巖層不會受新構(gòu)造運動的影響而發(fā)生變形、斷裂、錯動、位移而導(dǎo)致的地基失穩(wěn)、失效的可能。

2)根據(jù)GB 18306—2005中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，場地地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征值為0.45 s，場地對應(yīng)地震基本烈度為7度，場地較穩(wěn)定，可修建特大橋。

3)場地橋梁地基的地層主要為橋位O2s與O1m灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、石英砂巖，強(qiáng)風(fēng)化帶巖石裂隙發(fā)育，巖體破碎，不宜作橋梁基礎(chǔ)持力層，中風(fēng)化帶巖體較完整，穩(wěn)定性好，承載力較高，為良好的橋梁基礎(chǔ)持力層。但金陽岸巖層暴露于土層中的層面以上巖體穩(wěn)定性差，不能做大橋基礎(chǔ)持力層。

4)⑧號、⑨號橋墩位于可溶巖地層內(nèi)，鉆孔揭示有溶洞發(fā)育，在橋基開挖后應(yīng)驗證基底以下一定范圍內(nèi)有無巖溶發(fā)育，以便采取工程措施，保證橋墩安全。

5)建議金陽岸采用摩擦樁，倉房村岸采用勘巖樁。建議斜坡開挖期間加強(qiáng)位移監(jiān)測、預(yù)警，為減少對坡體的擾動，盡量采用機(jī)械成孔，避免采用人工爆破方式成孔。

6)根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)普查資料，場地地下水質(zhì)類型為HCO3-Ca2+型，一般對混凝土具微腐蝕。