渝黔铁路乌江大桥左岸边坡稳定性评价

李晓凡，徐正宣，王佳亮

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

渝黔铁路工程是我国正在规划建设中的大型重点工程之一，线路全长345 km，设计速度250 km/h，建成后，列车运行时间将从现在的11 h缩短至1 h36 min。整条线路横跨我国西南一系列深山峡谷，铁路工程建设在很大程度上受到新构造运动、活动断裂及内外动力联合作用所产生的各类地质灾害的制约。受地形条件限制，线路主要采用桥梁、隧道工程方式穿越高山巨川。其中乌江大桥全长为430.68 m，桥址区为黔北中低山溶蚀地貌，地面高程605～826 m，相对高差221 m。边坡上基岩大量出露，由于边坡高陡，节理发育且跨度较大，该桥是整个线路的制约性工程之一。科学预测边坡潜在变形破坏模式，合理评价其稳定性是该桥梁安全施工和正常运营的重要保障。

1 工程地质条件

乌江为深切河谷，拟建桥横跨乌江。该段河流流向为正东向，河床呈“V”字型，岸坡陡峭，局部达70°。两侧坡体基岩大量出露。

左岸桥址处岩层主要为灰岩、白云岩。自斜坡顶部至下部可分为4层。

顶层为巨厚层状～厚层状灰岩，层理面明显，局部裂隙发育，主要为卸荷裂隙，顶部植被茂密。

中上部为中厚层泥岩，浅黄色，表层基本被植被及黏土覆盖，基岩出露不明显。

中下部为中厚层状白云岩，灰白色，弱风化，局部裂隙发育，与层面交错，有落石现象发生。

底部岩体为薄～中厚层白云岩，灰白色，刀砍状构造(图1)，层理明显，裂隙发育，靠近乌江水边溶蚀现象明显。

图1 刀砍状构造

乌江左岸岩层产状N5°E/NW∠15°，岩层走向与线路呈小角度相交。区内岩体受构造影响较严重，发育3 组构造节理:J1，N80°E/NW∠88°;J2，N30°E/SE∠75°～85°;J3，N30°W/NE∠75°～ 86°。3 组节理均与线路呈小角度相交。均为陡倾角状，节理面多呈闭合状，间距0.3～1.0 m，延伸长度一般0.5～3.0 m，部分＞10 m。

2 荷载作用下岸坡变形破坏模式

基于赤平投影分析，乌江左岸对稳定性影响最大的为两组结构面，即J1和J2，为分析在桥梁荷载作用下岸坡变形破坏模式，采用二维离散元软件进行模拟。

计算时在坡面上选择6个关键点，记录这些关键点的位移变化，分析在桥梁荷载作用下岸坡的变形规律，位移记录关键点在坡面上的分布如图2所示，其中A点位于坡顶，B，C，D，F均位于变坡点处，E点位于主墩基底处。

图2 左岸边坡位移记录点

桥梁荷载作用下岸坡岩体位移趋势如图3所示。从图中可以看出，桥梁荷载作用仅影响到基座附近岩体的运动，基座附近岩体受荷载影响，位移有所增加。越往岸坡内部则岩体位移越来越小，坡面岩体受荷载影响较大的块体主要分布在基座附近。桥梁荷载增加了边坡岩体运动的趋势，故认为桥梁荷载一定程度上导致了岩体的位移和破坏，但主要集中在坡面上。

图3 桥梁荷载作用下岸坡岩体位移趋势

图4 桥梁荷载作用下边坡岩体位移变化曲线

桥梁荷载作用下岸坡关键点岩体位移变化曲线如图4所示。由图4(a)可以看出，水平位移最大点位于C点，其次为变坡点B点，基座下方岩体水平位移先指向坡内，然后随着岩体的运动，水平位移逐渐指向坡外，这与节理倾角较陡有关，总的来说水平位移量不大。由图4(b)可以看出，桥梁荷载作用下竖向位移最大出现在变坡点处。岸坡底部及顶部岩体竖向位移受荷载影响较小，说明桥梁荷载的影响范围是有限的。

根据边坡岩体位移量及运动趋势可知，荷载产生的岩体位移对坡面岩体的运动和破坏有一定的影响，特别是桥墩基座附近的岩体，估计荷载作用后边坡可能产生崩塌落石的范围参见图3，相对于天然状态下的可能崩塌落石范围，桥墩基座附近岩体受影响范围增大，但可能崩塌区域仍在稳定坡角线以外，不影响边坡和桥基的整体稳定。

3 岸坡稳定性评价

野外调查表明，乌江大桥左岸边坡高陡，边坡局部应力集中，但层间结合较好，边坡稳定性主要受控于贯通裂隙，坡面局部崩塌落石是两岸边坡破坏的主要形式，桥位附近存在楔形危岩体破坏的可能。通过赤平投影法进行稳定性初步分析表明，被不同数量的贯通裂隙切割的坡体稳定性系数有显著的不同。

在定性分析基础上采用有限元对边坡稳定性进行计算，本构模型采用D-P模型，岩体采用平面8节点Plane82单元，坡体附近网格加密。边界条件为横向左右边界水平方向(X方向)约束，底边界全约束。

3.1 天然状态下岸坡稳定性

图5为天然状态下边坡岩体应力分布云图，从图中能清楚地看到岸坡主应力的分布规律。可见，最大主应力与埋深呈线性关系，坡脚及变坡点附近形成应力集中区，最大主应力可达3 MPa以上，但仍远低于岩体的抗压强度。剪应力在坡脚和变坡点附近同样形成应力集中现象，特别是坡脚，剪应力值较大，最大可达1 MPa左右，在陡坡与缓坡的变坡点处，剪应力也较大。

图5 天然状态下边坡岩体应力分布云图(单位:Pa)

通过有限元强度折减法得到，边坡在自然状态下的安全系数为1.70，处于稳定状态。

3.2 桥梁荷载作用下岸坡稳定性

图6 桥梁荷载作用下桥基附近岩体应力分布云图(单位:Pa)

图6为桥梁荷载作用下桥梁基础附近岩体应力分布云图。由图6(a)可见，与天然状态相比基底附近岩体最大主应力状态发生了明显的改变，特别是基础底部，均产生了应力集中现象，应力值明显增大，但应力集中的范围并不大，远离基础的岩体应力并未受到太大的影响。基础附近岩体最大主应力全为压应力。基础附近岩体开挖后，最下部桥基处出现最大主应力集中现象，应力可达1.0 MPa以上。由图6(b)可见，除边坡变坡点附近存在剪应力集中现象以外，受荷载影响，基底还存在局部剪应力集中现象，其中最下部主墩基础底部剪应力集中的范围较大，其它基础底部剪应力集中程度及范围均较小。剪应力集中表明该区域岩体存在剪切破坏的可能性较大。

通过有限元强度折减法得到，边坡在桥梁荷载作用下的安全系数为1.40，整体处于稳定状态。

4 结论

1)桥梁荷载作用主要影响桥墩基座附近岩体的位移，主要表现为在一定程度上增大了岩体的竖向位移，同时加速了桥墩基座上方岩体的运动，对岩体稳定不利。

2)天然状态下，两岸谷底及陡坡段坡脚存在最大主应力集中现象，但最大主应力远低于岩体抗压强度，坡面和坡顶局部存在拉应力，对边坡岩体的稳定不利。

3)桥梁荷载作用使原本远离桥基的塑性应变区向桥基下方岩体中发展，使桥基下方岩体中出现局部塑性区。

4)强度折减法有限元计算结果表明，岸坡整体稳定性较好，天然状态下稳定性系数为1.70，桥梁荷载作用下稳定性系数为1.40。

5)边坡整体稳定，但坡面岩体局部会产生崩塌落石，建议清除墩台基础以上坡面危岩落石，必要时对坡面岩体进行防护。桥基下方岩体在桥梁荷载作用下产生局部塑性区，建议采取加固措施。

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