天峨龍灘特大橋下老岸主橋拱座穩(wěn)定性研究

摘要：文章結(jié)合南丹至天峨下老高速公路天峨龍灘特大橋下老岸主橋拱座的地質(zhì)情況，通過地質(zhì)三維模型構(gòu)建和拱座巖體原位大型試驗，對下老岸主橋拱座岸坡穩(wěn)定性、主橋拱座地基穩(wěn)定性、拱座巖體穩(wěn)定性進行研究，并提出了相應(yīng)的處理方案。

關(guān)鍵詞：庫岸再造;地質(zhì)三維模型;拱座;穩(wěn)定性

中圖分類號：U443.23A371394

0 引言

我國正在進行大規(guī)?；üこ探ㄔO(shè)，其中跨越深切峽谷的特大型橋梁工程數(shù)量愈來愈多。該類型橋址區(qū)地質(zhì)條件具有其特殊性、復(fù)雜性，加之橋梁建筑物布置要求，解決橋址地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性、橋基適宜性等問題是建設(shè)跨越深切型峽谷特大型橋梁工程的重大研究課題，亟須一套關(guān)鍵技術(shù)手段[1]。

本文依托天峨龍灘特大橋橋址工程地質(zhì)技術(shù)難題，對其進行了深入細致的研究。

1 項目概況

天峨龍灘特大橋是南丹至天峨下老高速公路的一座特大橋，為控制性工程。該橋跨越龍灘水庫庫區(qū)，下游距龍灘水電站大壩約6 km。天峨龍灘特大橋左幅全長2 548.23 m，起止樁號為：ZK69+721.281～ZK72+269.510;右幅全長2 486.06 m，起止樁號為：K69+775.49～K72+261.55。擬建橋型為主橋采用上承式勁性骨架混凝土拱橋，計算跨徑為600 m，矢高為120 m，拱箱單肋采用單箱單室截面，截面高10 m，寬7.5 m。主墩、交界墩為矩形空心墩，拱座采用明挖擴大基礎(chǔ)。

2 地形地貌

橋位區(qū)位于龍灘水庫（紅水河）庫區(qū)，屬剝蝕低山丘陵地貌。橋址庫區(qū)河槽呈“U”形，庫區(qū)水流自北西向南東，兩岸山體走向總體與河槽一致。兩岸山嶺高聳峻峭、峰尖坡陡，峰脊狹窄，分水嶺明顯，山嶺連綿，溝谷縱橫，山間溝谷深切，海拔200～1 045 m，丘陵山頂高程在900～1 045 m。橋位區(qū)內(nèi)地形起伏較大，相對高差為200～500 m，局部相對高差達400～800 m。該特大橋兩岸拱座均坐落于“U”形河谷岸坡半坡。下老岸岸坡（含庫水面以下）坡度總體稍緩，坡度變化較穩(wěn)定，總體坡度為18°～35°。岸坡及溝谷多基巖裸露，巖性主要為三疊系碎屑巖類。山坡表層以粉質(zhì)黏土混碎石、粉質(zhì)黏土、碎石土為主。地表植被較發(fā)育，主要種植李子、橘子、板栗等果樹和杉木、松樹等經(jīng)濟林。橋位區(qū)山體坡腳有基巖出露，不良地質(zhì)主要為擬建南丹岸引橋及納老峰隧道出口段區(qū)域發(fā)育一處大型古滑坡堆積體。

3 地層巖性

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭示，場地內(nèi)地層主要由第四系殘坡積層（Qel+dl）及三疊系下統(tǒng)（T1）粉砂質(zhì)泥巖為主，含鈣質(zhì)，局部夾泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r。

4 水文地質(zhì)

本橋位地表水體主要為龍灘水庫以及兩岸溪溝。龍灘水庫低水位時段一般多為3～6月，高水位時段一般多為7月至次年2月。龍灘水庫正常蓄水位為375 m，最低蓄水位為335 m，遠期規(guī)劃水位為400 m。兩岸溪溝主要接受大氣降水補給，流量受季節(jié)影響較大，雨季時流量大，旱季時稍小，勘察期間水流量偏大。

5 下老岸拱座地質(zhì)三維模型構(gòu)建

下老岸拱座地質(zhì)條件復(fù)雜（圖1），巖體順層傾斜，拱座底面為臺階狀，建基面巖體形態(tài)不規(guī)則，傳統(tǒng)的二維地質(zhì)剖面難以全面、直觀地反映基低巖體分布的情況。為了獲取基低巖層分布形態(tài)，借助三維建?？梢暬夹g(shù)的優(yōu)勢，利用25個地質(zhì)鉆孔，建立了下老岸拱座三維地質(zhì)模型。下老岸拱座巖體主要可以劃分為三層：表層的強風化層、中間的破碎狀中風化層、底部相對完整中風化層。三維地質(zhì)模型直觀地顯示出：基坑底部左側(cè)主要為完整中風化，右側(cè)部分區(qū)域呈破碎狀中風化，其中右下角（靠近圍堰區(qū)）破碎巖體范圍較大，厚度較厚。

通過巖體波速測試，得出標高360～350 m/m2切剖面破碎巖體分布圖（圖2）。由平切圖可以看出，隨著高程的降低，拱座區(qū)破碎巖體的分布面積逐漸減小;根據(jù)各平切剖面，破碎巖體分布面積占比隨高程變化幅度，可以得出標高為356 m時，破碎巖體面積占比變化不大。由此分析可知：標高356 m為最優(yōu)建基面高程，破碎區(qū)主要分布于右下角（靠近圍堰區(qū)），占比為0.12。

6 下老岸拱座巖體原位大型試驗

下老岸拱座巖體原位主要開展了巖土變形試驗、巖體承載力試驗[2]、巖體回彈測試[3]等現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果如表1所示。強風化巖體變形模量范圍為0.45～0.83 GPa，彈性模量范圍為0.74～1.68 GPa，承載力特征值為1.1 MPa。根據(jù)現(xiàn)場試驗區(qū)域巖體的破碎程度、風化狀態(tài)、波速，并結(jié)合基坑356 m標高揭露巖體的巖性指標，可判斷試驗區(qū)巖體巖性與基坑356 m標高右下角區(qū)域巖體巖性相近，即356 m標高右下角破碎狀強風化巖體的地基承載力約為1.1 MPa，低于設(shè)計要求。

7 下老岸拱座穩(wěn)定性研究

7.1 下老岸拱座岸坡穩(wěn)定性分析

下老岸拱座邊坡坡向為70°，自然斜坡坡度約為35°～40°，巖層產(chǎn)狀：C3：84°～93°∠31°～38°，節(jié)理產(chǎn)狀J5：180°～200°∠45°～63°（3～5條/m）;節(jié)理J6：270°～300°∠60°～80°（3～5條/m）。根據(jù)邊坡坡向、巖層及節(jié)理裂隙產(chǎn)狀繪制赤平投影進行分析（見圖3）。

由圖3可知：下老岸拱座岸坡巖層產(chǎn)狀傾向與山體斜坡坡向相同，為順層邊坡，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)[4]。邊坡表層巖體風化強烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體稍破碎，結(jié)構(gòu)松散，但是覆蓋層、強風化帶較薄，內(nèi)部中風化巖體較完整，巖質(zhì)較硬，總體屬巖質(zhì)斜坡，現(xiàn)狀總體穩(wěn)定。但在人工開挖及暴雨季節(jié)地表水下滲等不利因素的影響下，表層結(jié)構(gòu)松散的覆蓋層及強風化巖體可能發(fā)生淺層滑塌。開挖便道及作業(yè)平臺應(yīng)注意防護，拱座基坑后壁應(yīng)采用預(yù)加固后開挖，開挖后的基坑后壁應(yīng)加強支護，防止順層滑塌災(zāi)害。

下老岸拱座岸坡水庫消落帶段，庫岸再造作用主要以侵蝕-剝蝕型為主。左側(cè)坡體基巖出露，在剝蝕、浪蝕作用下，薄層-中層巖體成碎裂狀、菱形塊體狀，巖層逐層剝落破壞，坡腳形成沖、剝蝕堆積物。右側(cè)坡體覆蓋層稍厚，為順層巖質(zhì)邊坡的側(cè)坡向，表層以土質(zhì)坡體為主，土質(zhì)坡體在庫水周期性漲落和浪蝕作下，易發(fā)生局部坍塌-滑移破壞。由此，須采用相關(guān)護坡工程，防止庫岸再造的不利影響。

7.2 下老岸主橋拱座地基穩(wěn)定性研究

下老岸拱座巖體主要可以劃分為三層：表層的強風化層、中間的破碎狀中風化層、底部的相對完整中風化層。三維地質(zhì)模型（圖4）直觀地顯示出：基坑底部左側(cè)主要為完整中風化，右側(cè)部分區(qū)域呈破碎狀中風化，其中以右下角（靠近圍堰區(qū)）破碎巖體范圍較大，厚度較大。通過巖體波速測試成果，得出標高350～360 m/m2切剖面破碎巖體分布。由平切剖面圖可以看出，隨著高程的降低，拱座區(qū)破碎巖體的分布面積逐漸減小。根據(jù)各平切剖面，破碎巖體分布面積占比隨高程變化幅度：標高<356 m，破碎巖體面積占比變化不大;標高356 m為最優(yōu)建基面高程，破碎區(qū)主要分布于右下角（靠近圍堰區(qū)），占比為0.12。根據(jù)現(xiàn)場試驗區(qū)域巖體的破碎程度、風化狀態(tài)，波速，并結(jié)合基坑356 m標高揭露巖體的巖性指標，可判斷試驗區(qū)巖體巖性與基坑356 m標高右下角區(qū)域巖體巖性相近，即356 m標高右下角破碎狀強風化巖體的地基承載力約為1.1 MPa，低于設(shè)計要求。

7.3 下老岸主橋拱座巖體穩(wěn)定性研究

下老岸主墩拱座位于朝向庫水的臨空順層陡坡上，該處拱座基坑后壁及基底下方邊坡，在水庫水位升降波動軟化、施工開挖擾動及拱座荷載作用下，易發(fā)生順層滑塌，建議先進行對坡體的加固，后進行基坑開挖。下老岸主橋拱座建基面發(fā)育粉砂質(zhì)泥巖，局部夾泥化夾層，易受水庫水位升降波動軟化，同時巖體閉合裂隙很發(fā)育，建議選擇擾動性較小的基坑開挖方式和封水堵水措施，對薄弱巖體定點清除，防止庫水對建基面巖體的浸泡，避免水庫水位升降波動對巖體的不利影響。

（1）拱座基坑巖質(zhì)邊坡?；訋r層產(chǎn)狀傾向與后側(cè)人工邊坡順層，屬于順層坡，前側(cè)邊坡屬于反傾邊坡，左右側(cè)邊坡為切向邊坡，后側(cè)順層邊坡穩(wěn)定性問題較為突出，易發(fā)生順層滑塌。加之后側(cè)坡體可能發(fā)育隱蔽性較強的卸荷裂隙，對后側(cè)邊坡穩(wěn)定性不利?？紤]順層邊坡后側(cè)卸荷裂隙的不利影響，應(yīng)加強邊坡防護。

（2）拱座后背抗力巖體。受埋深及變脊線風化不均勻影響，拱座后背抗力巖體左側(cè)整體為中風化巖體，往右側(cè)（上游側(cè)）逐漸過渡為強風化破碎巖體，順層發(fā)育軟弱夾層或泥化夾層，不利于后背的抗力性及變形控制。建議采用清除薄弱巖體、注漿等工程措施對拱背，尤其是拱背右側(cè)抗力巖體進行補強加固，改善其完整性及力學(xué)參數(shù)指標，以滿足拱背受力、變形等參數(shù)要求。

（3）拱座底部地基巖體。拱座巖體主要可以劃分為三層：表層的強風化層、中間的破碎狀中風化層、底部的相對完整中風化層?；拥撞孔髠?cè)主要為完整中風化，右側(cè)部分區(qū)域呈破碎狀中風化，其中以右下角（靠近圍堰區(qū)）破碎巖體范圍較大，厚度較大。根據(jù)現(xiàn)場試驗區(qū)域巖體的破碎程度、風化狀態(tài)、波速，并結(jié)合基坑356 m標高揭露巖體的巖性指標，可判斷試驗區(qū)巖體巖性與基坑356 m標高右下角區(qū)域巖體巖性相近，即356 m標高右下角破碎狀強風化巖體的地基承載力約為1.1 MPa。

（4）拱座左右兩側(cè)抗力巖體。由于橋位靠近右側(cè)（上游側(cè)），導(dǎo)致左右兩側(cè)山體厚薄不一。右側(cè)（上游側(cè)）山體規(guī)模偏薄;左側(cè)（下游側(cè)）山體厚度尚可。右側(cè)抗力巖體主要為破碎狀強風化和中風化粉砂質(zhì)泥巖，完整性偏差，局部軟化夾層或泥化夾層。建議對右側(cè)（上游側(cè)）側(cè)進行補強加固。

8 處理方案

針對基坑局部區(qū)域存在破碎巖體，力學(xué)參數(shù)不足，以及基坑滲水后巖體軟化的問題，基坑施工時在拱座基坑現(xiàn)有開挖標高356 m建基面上，根據(jù)現(xiàn)場開挖巖體的具體情況，采用樁基進行加固。

通過拱座地質(zhì)三維模型可以看出，左幅拱座基礎(chǔ)基本嵌入完整巖體中。越往右側(cè)（上游側(cè)），基礎(chǔ)埋深越淺，基低嵌入中風化巖體越薄，基坑右側(cè)（上游側(cè)）破碎巖體逐漸增多，尤其是右下角側(cè)（靠近圍堰區(qū)），破碎狀巖體分布較集中，厚度較大，這也是容易引起庫水滲漏基坑的主要徑流途徑。鑒于此，提出兩個方案：

方案1：采用樁基加固持力層，將拱座基底原設(shè)計標高350 m抬升至標高356 m，這樣可以縮短施工工期，減少后期庫水快速上升帶來的滲水涌水風險，避免巖體泡水進一步軟化。

方案2：保持原設(shè)計方案，開挖基低至標高350 m，但是需要克服以下困難：若發(fā)生基坑滲水，隨著庫水位繼續(xù)上升，基坑內(nèi)外水頭差及過水面積會繼續(xù)擴大，勢必加劇滲水量，增加止水帷幕及基坑開挖的施工難度，增大基底長時間泡水的風險，巖體強度衰減及基坑后側(cè)邊坡穩(wěn)定性問題將隨之出現(xiàn)（因泡水軟化了基坑邊坡的坡腳）。

9 結(jié)語

本文工程區(qū)河谷深切，為典型的“V”型谷，河谷兩岸自然邊坡陡峻。橋位區(qū)巖體經(jīng)歷了原生建造、構(gòu)造改造和表生改造三階段作用，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面的相互交接可能引起斜坡的變形失穩(wěn)，影響工程計劃的順利進行和安全運營。而工程開挖施工以后，將在區(qū)內(nèi)形成兩岸拱座基坑、拱座下趾高邊坡，開挖規(guī)模大，形成的工程邊坡高陡，一旦失穩(wěn)，即使是小規(guī)模的塊體，都會造成嚴重的后果。顯然，解決橋址地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性、橋基適宜性等問題是建設(shè)跨越深切型峽谷特大型橋梁工程的重大研究課題，對工程的安全和造價有著極大的影響，對其進行深入細致的研究具有十分重要的工程指導(dǎo)意義。

參考文獻

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作者簡介：

韋世貴（1979—），高級工程師，主要從事工程地質(zhì)勘察工作。