贵州河洋大桥南岸岩体稳定性分析

2013-01-21程新生李银海

中国港湾建设 2013年6期

程新生，李银海

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）

拟建河洋大桥位于贵州省普安县与水城县的交界处，是普安县连接水城县的一座横跨北盘江的大桥，该项目的建成将打通普安县的北大门。大桥北连水城，南接国道G320，属省级路网支线大桥，是普安及水城南北对外交通的控制性工程。

河洋大桥跨越北盘江，南岸位于普安县北部的龙吟镇河洋村境内，北岸位于水城县野钟乡。由于桥位区为高陡峡谷地段，地质构造异常发育、岸坡卸荷裂隙导致局部形成潜在崩塌岩体，滑坡是该区域突出的地质问题。无论在桥轴线、桥形及结构设计方面，都必须重点查明及论证这些问题以保证大桥建成后边坡稳定、拱座基础稳定以及大桥正常安全运营。本文以河洋大桥南岸陡倾岩体为例，对其整体稳定性及破坏模式进行简要分析。

1 影响岩体岸坡稳定性的因素

1.1 地形地貌

桥址区地貌属溶蚀-侵蚀中～低山地貌单元，境内山峦起伏，地势西北高东南低。桥位所在区内地势起伏较大，北盘江深切河谷为“V”字型，形成“S”形河曲由南向北延伸穿越勘区，两岸山体主要呈锥形，溶隙、溶沟、溶槽分布广泛，凸岸有浅滩，调查区域内北盘江总体流向约53°。桥位处南北岸均为陡峭山崖，基岩裸露，四周地貌分异明显。

1.2 地层岩性

该区主要岩性为页岩及灰岩，二者均以层状产出，在岩性变化段以互层形式过渡，研究区地层的沉积序列从下至上依次为灰岩—灰岩夹页岩—页岩夹灰岩—页岩组合，基岩产状约为310°～350°∠30°～50°，总体上地表出露岩体较为破碎。

根据岩体工程地质条件、出露部位及岩性差别，将场区内岩体分为下列三个岩组[1]：

Ⅰ：中厚层灰岩岩组，主要分布于北盘江南岸桥位附近靠岸边的陡崖区，主要为中厚层灰岩，大部分属于强风化，产状约为335°∠85°。水边处的岩体长期受到江水浸泡侵蚀及风化作用，偶见卸荷裂隙及小型岩块崩落现象。

Ⅱ：薄层灰岩岩组，为页岩和灰岩的过渡段，主要为薄层灰岩，偶夹炭质页岩，大部分强风化，强度一般，产状为 120～130°∠65～75°。该岩组为一紧闭背斜的南东翼，与Ⅰ岩组构成背斜构造。

Ⅲ：页岩夹薄层灰岩岩组，场区内大部分出露该岩组，为南桥位所在斜坡区的主要岩体，其产状为340°∠35°。一般其风化程度较高、强度较低，且夹薄层泥灰岩、硅质灰岩。

总之，研究区岩性多样、厚薄不均，风化强烈，岩体破碎，完整性差。

1.3 地质构造

本区段在大地构造上处于南岭纬向构造带北缘、普安山字型构造前弧北翼，前弧弧顶位于普安县城附近。受此构造控制，区内紧密褶皱极其发育，岩层破碎程度高，扭曲明显。北盘江两岸岩层垂直节理发育，常有崩塌发生。区内的构造自新生代以来表现较明显，新构造期表现为区域隆升，主要表现为深切河谷。

经查桥位区地质条件复杂，在南岸线位约200 m范围内，南北向发育了3个背斜、3个向斜构造，且该段岩体在东西向局部有扭曲，使得该段岩体极为破碎，且该段岩体主要发育地层为薄层石灰岩、薄层页岩，大部分区域内以薄层灰岩页岩互层状态存在；仅在南岸岸边发育一段约30 m左右中厚层灰岩，整个岩体受构造运动影响，整体完整性较差，裂隙极为发育。

1.4 不良地质作用

勘区不良地质作用主要有顺向坡及滑坡、崩塌、复杂地质构造等，主要特点如下：

1）顺向坡及滑坡：主要分布在桥位区南岸缓坡地带，基岩主要为薄层～极薄层页岩。从岸坡地表破坏形迹看，岸坡在形成发育期间，曾产生过很多小规模的顺层溜滑现象，这些溜滑体主要由一组或多组裂隙切割后，顺层面滑动，溜滑物质很少残留于坡面，而直接滑入河谷。

2）崩塌：桥位区南岸上下游约220 m的范围内形成了陡崖，该段岩体构造发育，在近岸地带主要发育中厚层、薄层石灰岩，岩层呈陡立状。根据现场地质调查揭示，近岸地段发育一紧密背斜，背斜的顶部受构造影响，岩体碎裂呈块状，受后期风化剥蚀作用，裂隙面受泥质充填，导致岩体整体完整性不高，且该层石灰岩主要以陡立形态存在，易发生崩塌破坏。

3）岩溶：区域内近岸部分主要发育基岩为薄层及中厚层石灰岩，地表浅层灰岩溶蚀现象较为发育。主要的溶蚀形迹为地表溶隙、溶槽、碟状溶洼、少量溶洞及溶沟。据钻探揭示，岩芯溶蚀现象不强烈，钻探深度内可见一定的溶蚀物，为长期地下水溶蚀形成，范围不大，钻进过程中未见掉钻等异常情况，钻孔深度内未见落水洞与暗河等地下岩溶通道现象。总之桥位区岩溶主要沿层面、陡倾裂隙发育，地表表现为小型溶蚀地貌景观，以垂直溶蚀形态为主，水平溶蚀形态次之，岩溶发育程度中等。

2 稳定性评价

2.1 顺向坡及滑坡分析

该顺向坡主要发育基岩为薄层～极薄层页岩，从岸坡地表破坏形迹看，岸坡在形成发育期间曾产生过很多小规模的顺层溜滑现象，这些溜滑体主要由一组或多组裂隙切割后，顺层面滑动，溜滑物质很少残留于坡面，而直接滑入河谷。本次勘察地质调查也显示勘区附近2 km范围内有较多顺层滑移现象。另外，值得注意的是，通过地质调查发现在桥位区下游约200 m处有一个滑坡发育。滑坡体宽度约240 m，滑坡后壁位于河洋村居民住宅下方堆土区处，滑坡舌位于水库水位线附近。整个山体滑动明显，地底裂缝最宽处达到30 cm以上，标志性植物醉汉林、歪倒树清晰可辨。经现场调查确认，该滑坡为浅层滑坡，主要形成机理为河洋村居民的修建逐渐形成填土堆砌造成了山体上部荷载增加，且近年来由于北盘江下游光照水电站的修建，水库水位不断上涨，对下部山体长时间浸泡，使得山体下部支撑减弱，造成了山体顺岩土交界面的顺层滑动。由于该滑坡位于桥位区下游，主要分布在页岩地区，对处于中厚层灰岩、薄层灰岩岩组的桥位区的稳定性影响不大。

2.2 崩塌及陡倾岩体变形破坏分析

2.2.1 南岸岩体构造发育

在近岸地带主要发育中厚层、薄层石灰岩，岩层呈陡立状。根据现场地质调查揭示，近岸地段发育一紧密背斜，背斜的顶部受构造影响，岩体碎裂呈块状，受后期风化剥蚀作用，裂隙面受泥质充填，导致岩体整体完整性不高。该层石灰岩主要以陡立形态存在，易发生崩塌破坏，对桥位的稳定有较大影响。临江岸坡陡倾岩体多为中厚层灰岩，岩层产状平均为335°∠85°，层间发育一组卸荷裂隙，最大宽度为0.3～0.6 m，充填物为强风化泥质灰岩，该裂隙产状为328°∠70°，且在基岩出露的上半部存在两处折断，折断面产状为160°∠19°与 340°∠21°。整个岩层主要发育两组节理：一组沿岩层层面发育，产状为328°∠70°，另一组沿剪切岩层层面发育，产状为236°∠80°。从岸坡陡倾岩体产生倾倒现象可以确定，临江岸坡陡倾岩体在缓倾向坡外或坡内的折断面切割后构成典型的弯曲—倾倒变形破坏（图1）。

图1 临江岩体弯曲—倾倒岩体照片

2.2.2 陡倾岩体受力分析

岩体中某一岩层在其上覆岩体的自重应力作用下，将引起其下伏岩体对它的侧向静山岩压力作用（F=λγH），其受力分析见图2，可知：垂直作用于层面的应力为F=λγH sinβ（λ为水平应力系数；γ为重度；μ为泊松比，取0.3）。说明β角越大，垂直于层面的应力作用越大，此力使得岩体沿平行于岸坡走向的原生结构面发生卸荷。由上述岩层产状可知，岩层均为陡倾岩层，倾角大于80°，因此，沿岩层层面卸荷裂隙比较发育，这与实际观察的情况相符合，其中还发育有2条宽为0.3～0.6 m的深大卸荷裂隙，从而为岩层的倾倒变形提供了空间。岩层在其上覆岩体的山岩压力作用下，沿原生结构面剪切，并围绕卸荷深度最大的点发生倾倒变形破坏，当变形量达到一定时，脆性岩石在力矩作用下将岩层折断，折断在岩层内进一步扩展就形成了缓倾角的折断面。根据现场观察，折断面有两组倾向，一组倾向岸坡内部、一组倾向岸坡外部。

图2 倾斜岩体应力分析图

2.2.3 破坏模式及受力模型

根据野外地质调查的岩体已发生的变形现象分析可知，临江岩体是在卸荷裂隙提供的变形空间基础上发生了弯曲—倾倒变形破坏，由此可以建立相应的力学模型（图3）。

图3 临江岩体破坏模式及力学模型

从图1照片中可以看出，由于形成了一组倾向坡体外部的缓倾角折断面，它与岩层层面、岩层内部的剪切节理组合，将岩体切割成块体，可能产生倾向坡外的潜在滑动，对桥墩所在岸坡稳定性有一定影响，因此，应对其稳定性作出评价。

2.2.4 稳定性计算

根据上述分析，倾向岸坡外部的缓倾角折断面与岩层层面及剪切结构面组合，将形成向坡外滑动的块体，其中沿层面卸荷节理的倾角β=85°，折断面的倾角α=21°，在块体滑动的稳定性计算中，块体沿折断面O-O′滑动（图4），不考虑裂隙面的阻滑作用，按岩体层面间强度c=70 kPa，φ=30°进行计算，并考虑天然条件和持续降雨条件下的两种计算工况，则可以建立以下计算模型[2]（图4）。

从地表观察情况来看，切割块体的平均高度H约为2 m，块体的厚度为0.12 m。按照公路行业规范[3]应计算如下两种状况下的稳定性：

1）天然条件下陡倾岩体稳定性计算[4]：

图4 折断块体滑动模式计算模型

可得：Fs=2.000

2）持续降雨条件下陡倾岩体稳定性计算[3]：

可得：Fs=1.099

由计算结果可见，岸坡整体稳定性较好，天然状态下陡倾岩体稳定安全系数为2.0，处于稳定状态，在持续降雨条件下陡倾岩体稳定性安全系数为1.099，处于基本稳定状态，安全储备程度不够。由于该处岩层为中厚层灰岩，为了避免大桥桥基所在的灰岩产生倾倒破坏，建议采用锚固支护岩体，增强岩体整体性，维持大桥正常运营。