张吉怀铁路酉水大桥岸坡岩体稳定性数值分析

杨 松

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引言

新建张家界至吉首至怀化铁路（简称张吉怀铁路）位于湖南省湘西地区。自张家界西站引出，经湘西州吉首市，南连怀化南站，线路正线长约246 km。酉水特大桥位于湖南省湘西州古丈县芙蓉镇，跨越酉水河、X019县道及229省道。桥垮布置形式为主跨348 m上承式拱桥。

桥位处酉水河峡谷呈“U”形陡立，两岸山坡陡峻，岸坡上植被发育，有基岩出露。岸坡稳定分析是桥梁设计的关键，本文结合现场调查，采用数值分析的方法对酉水桥岸坡稳定性进行研究。

2 工程地质及水文地质特征概况

2.1 地形地貌

桥址区属侵蚀剥蚀低山河谷地貌，地面高程221.00～465.00 m，最大高差约244 m，桥位跨越酉水河。酉水河河道顺直，河水自西北向东南方向流动，水流平缓，河面宽约180 m，河水深约30 m。桥址区整体地势为西南、东北两侧山坡高，中部河谷低，酉水河两岸地形陡峻，起伏较大。

2.2 地层岩性

2.3 地质构造

酉水大桥岸坡岩体主要是灰岩组成的层状岩体。岩层面产状327°～335°∠15°～19°，间距0.2～1.5 m，隙宽0.2～5 mm，潮湿，结构面平直粗糙。张家界岸岸坡的岩层方向与岸坡方向近于垂直，对岸坡的整体稳定性影响小；怀化岸正向坡坡度25°，与岩层方向近于垂直，岩层面对岸坡的整体稳定性影响小。

在华夏构造体系和新华夏构造体系时期应力的作用下，张吉怀铁路酉水大桥岸坡形成两组共轭剪节理。其中与龙溪车-集风坪扭性断裂近于平行的一组节理定为J1，是桥址区主要控制性节理；另一组节理与木鱼坪-湾秋压扭性断裂近于平行，定为J2，是桥址区次要控制性节理［1-2］。

2.4 水文地质条件

桥址区主要的地表水为酉水河。本段河道是凤滩水库主要库区河道之一。凤滩水库位于沅陵县境内沅水支流酉水下游，下距沅陵县城45 km。水库以发电为主，兼有防洪、航运等作用。水库总库容17.33亿m3，正常水位205m，死水位170m，河水深度最大50 m，属季调节水库。本次野外调查时，桥址区酉水河水位185.6m。张家界岸桥墩附近冲沟处有溪水流出，水量较大，主要受大气降雨和地下水补给。

3 数值模型的建立

本文采用三维有限差分方法［3-6］，建立酉水大桥岸坡三维仿真数值模型，分析建桥前后两岸岸坡的力学行为。

本构模型的选择与岸坡岩体结构相关。酉水河大桥两岸岸坡岩体结构具有较大的差别，张家界岸受贯通性节理J1切割，形成板裂结构，是岸坡的主要工程地质问题，建立的岸坡岩体数值模型应考虑节理J1方向与其法向的力学性质不同，故采用横观各向同性本构模型。怀化岸右侧50 m处大型冲沟的南东侧为顺层坡，建立的岸坡岩体数值模型应考虑岩层面方向与其法向的力学性质不同，故采用横观各向同性本构模型［7-9］。桥梁基础采用弹性本构模型。结合该段工程地质报告及经验数据，相关力学参数如表1所示。

表1 材料力学参数

建立张家界岸三维仿真有限差分模型。模型尺寸500 m×100 m×400 m，划分网格共16万个，节点17万个；怀化岸三维仿真有限差分模型尺寸400 m×140 m×400 m，划分网格共25万个，节点26万个。模型底部及四周采用固定边界条件，其中底边界约束z方向，左右边界约束x方向，前后边界约束y方向。重力加速度取10 m/s2，桥基荷载作用位置为现行设计的桥基位置［10-12］。

首先建立建桥前岸坡的有限差分数值模型，分析岸坡的应力特征，并确保模型的计算精度。然后再施加桥梁荷载，分析桥梁荷载作用下岸坡的力学行为特征，重点分析应力状态的变化特征，评价现有桥梁方案对岸坡岩体力学行为的影响。本文主要分析岸坡岩体的最大主应力、最小主应力及位移。

4 建桥前岸坡岩体力学行为特征

（1）张家界侧

计算得到建桥前张家界岸岸坡岩体在自重工况下的最小主应力状态见图1，图中负值表示受压。总体而言，埋深增大，最小主应力呈近似线性增大，模型底部的最小主应力达到3.8 MPa。当岸坡坡度发生变化时，地表应力发生变化。张家界岸岸坡坡脚处及施工便道边坡坡脚处均为岸坡内凹点，为最小主应力力集中区。岸坡为下陡上缓型，岸坡凸起点处最小主应力小，局部出现拉应力。由于岩体的抗压强度小，拉应力区往往具有卸荷性质，使得节理张开，这与现场调查的情况一致。

图1 张家界岸岸坡最大主应力云图（建桥前）

（2）怀化侧

建桥前怀化岸岸坡岩体在自重工况下的主应力状态见图2，图中负值表示受压。埋深增大，最大主应力呈近似线性增大，模型底部的最大主应力达到7.8 MPa。岸坡坡脚处应力集中，最大主应力约为6.4 MPa，最小主应力约为0.8 MPa。省道S229公路边坡坡脚处应力集中，最大主应力约为6.7 MPa，最小主应力约为0.9 MPa。在S229公路以上10 m处也出现拉应力。

图2 怀化岸岸坡最大主应力云图（建桥前）

对比分析两岸岸坡，张家界岸岸坡内凹点处的最大主应力及最小主应力均较大，而凸点处的最小主应力为拉应力；怀化岸岸坡坡脚及S229公路边坡坡脚处的应力集中区的应力相对较小，产生的拉应力大小及范围也小于张家界岸岸坡，可以初步判断张家界岸岸坡的稳定性更差。

5 建桥后岸坡岩体力学行为特征

（1）张家界侧

计算得到建桥后张家界岸岸坡岩体在桥梁荷载下的主应力状态见图3，图中负值表示受压。总体而言，桥梁荷载对模型整体的应力分布没有产生特别大的影响，岸坡应力仍然表现为随着埋深增大，最大主应力呈近似线性增大，模型底部的最大主应力达到12 MPa。岸坡地面局部位置出现拉应力。

图3 张家界岸岸坡最大主应力云图（建桥后）

图4为桥梁荷载作用下岩体最大主应力影响系数等值线图。从图中可以看出，荷载对边坡岩体应力的影响主要集中在桥梁桩基附近，其中张家界岸主墩附近岩体的最大主应力是建桥前的1.8倍以上；远离基础时，最大主应力的增量逐渐减小，与基础底面同一高程的地表处最大主应力影响系数为1.1，表面该处最大主应力增大10%，荷载对坡面岩体应力的影响不容忽视。荷载作用下岸坡岩体能否保持稳定，仍需要通过强度分析才能确定。

图4 张家界岸岸坡最大主应力影响系数等值线

计算得出桥台后方地表岩体的水平位移最大，达到1 mm。公路下方陡立岸坡的水平位移也较大，达到0.7 mm。这两个位置的变形远大于其他位置，表明在桥梁荷载作用下，岸坡在这两处发生变形的可能性最大，应给予重视。竖直方向产生的变形在主墩处最大，为1.7 mm，桥台处的竖向变形约为1.2 mm。

（2）怀化侧

计算得到建桥后怀化岸岸坡岩体在桥梁荷载下的主应力状态见图5，图中负值表示受压。总体而言，桥梁荷载对模型整体的应力分布没有产生特别大的影响。岸坡应力仍然表现为随着埋深增大，最大主应力呈近似线性增大，模型底部的最大主应力达到10 MPa。岸坡地面局部位置出现拉应力。

图5 怀化岸岸坡最大主应力（建桥后）

图6为桥梁荷载作用下岩体最大主应力影响系数等值线图。从图中可以看出，荷载对岸坡岩体应力的影响主要集中在桥梁桩基附近，其中怀化岸主墩附近岩体的最大主应力是建桥前的1.5倍以上；远离基础时，最大主应力的增量逐渐减小，与基础底面同一高程的地表处最大主应力影响系数为1.2，表面该处最大主应力增大20%，荷载对坡面岩体应力的影响不容忽视。

图6 怀化岸岸坡最大主应力影响系数等值线

计算得出在荷载作用下，岸坡的地表仍能产生一定的横向变形，最大水平变形量为1.5 m。基础底部的最大水平变形为0.75 mm，最大沉降量为4 mm。

6 结论与建议

（1）建桥前，张家界岸岸坡边坡凸出点附近出现拉应力，岸坡稳定性差，易形成陡壁河顶部卸荷型宽张节理，与现场相符。张家界岸岸坡脚处应力集中，最大主应力达到10 MPa，但仍低于岩体的抗压强度，岩体不会因不满足抗压强度而破坏。怀化岸省道S229公路上方也出现拉应力，坡脚处最大主应力较集中。总体而言，张家界岸岸坡下陡上缓，应力集中现象及拉应力发育程度均较大；怀化岸岸坡坡度相对较缓，应力集中的最大应力及拉应力发育程度相对较弱。

（2）建桥后，桥梁荷载产生的附加应力主要分布在桥梁基础附近，基础底部最大主应力的最大增量为80%。远离桥基时，附加应力逐渐减小，但到坡面时同一高程处仍有10%的应力增量。附加应力作用于公路下方的板裂岩体，在附加水平力和竖直方向力的共同作用下，促进板裂岩体发生倾倒或溃屈，不利于岸坡的稳定性。怀化岸岸坡基础附近的应力也相应增大，基底的最大增量为50%。远离桥基时，应力逐渐恢复到建桥前的状态。

（3）在桥梁荷载作用下，两岸主墩处产生2～4 mm的沉降变形。张家界岸岸坡公路下方水平位移约为0.6 mm，远大于其周围岩体的变形，岸坡稳定性差。怀化岸岸坡主墩基底的变形指向坡内，对岸坡的稳定性有利。但地面的变形指向坡外，最大水平变形达到1.4 mm。

（4）怀化岸主墩处横断面顺层边坡在荷载作用下出现拉应力，水平变形为1.5 mm，稳定性较差。