卸荷裂隙及顺层岸坡双重控制下特大桥主塔选址研究*

高 杨 曾 耀 汪育庆

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

深切峡谷区修建特殊结构大跨径桥梁，主塔选址决定了桥型方案、孔跨布置及工程造价。安全、经济的主塔选址常受到岸坡稳定性的控制，对其进行评价和论证极具必要性和重要性[1]。稳定性评价应采用综合的评价方法，并遵循定性分析与定量计算相结合的评价思路[2]。乌江特大桥是遵余高速公路重点控制性工程，峡谷区地形、地质条件极为复杂，余庆岸主塔选址受纵桥向卸荷裂隙发育的高陡岸坡、横桥向夹有软弱夹层的长大顺层岸坡稳定性双重控制，合理选择主塔位置难度极大。本文在充分调研和分析桥区岸坡工程地质条件、变形破坏模式的基础上，进行了工程地质分析[3]，结合定量计算[4-7]，以为余庆岸主塔选择安全、经济的选址位置，以期为地形地质条件复杂的峡谷区其他特大桥主塔选址和优化提供思路和参考。

1 工程概况

乌江特大桥为跨越乌江“U”形峡谷而设，桥型方案为主跨680 m的悬索桥，桥梁全长2 009 m，桥型布置图见图1。河谷切割深度达300余m，地层岩性为三叠系下统茅草铺组(T1m)灰岩、白云质灰岩夹钙质页岩，岩性组合复杂，岩层产状231°∠20°。桥区未发育大型活动断裂，地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震动峰值加速度值为0.05g，地震基本烈度为VI度。余庆岸主塔坐落于陡崖之上，陡崖前缘发育有多条深大卸荷裂隙，形成卸荷裂隙带，控制纵向岸坡稳定性及主塔选址；地形三面临空，横桥向形成长约300 m顺层岸坡，层间夹钙质页岩，其力学性质差，控制了横桥向长大岸坡稳定性。余庆岸全貌图见图2。

图1 桥型布置图

图2 余庆岸全貌

2 主塔选址主控因素

纵桥向高陡岩质岸坡、横桥向长大顺层岸坡稳定性双重控制是余庆岸主塔选址的难点与显著特点。

2.1 纵桥向高陡岩质岸坡

岩层倾向231°，为切向岩质边坡，岩性为灰岩、白云质灰岩夹钙质页岩。在较硬/硬质岩陡崖区，卸荷裂隙是常见的地质现象，裂缝往往切穿岩体，并在风化、溶蚀等进一步作用下，导致岩体崩塌、错落，这种破坏模式作用下，纵桥向高陡岩质岸坡发生破坏而形成危岩体、堆积体及错落体等不良地质。因此，主塔选址应避开卸荷裂隙带且留有一定的距离作为安全储备，以保障桥梁主塔的长期稳定性。

采用地质调绘、实测地表裂缝、槽探及物探等手段，查明卸荷裂隙发育特征见表1，其分布范围见图3。地表可见裂隙发育方向基本与河流走向一致，发育深度20～50 m不等，张开度0.2～1.5 m，一般为黏土充填并伴有溶蚀现象。

表1 地表裂缝统计表

图3 卸荷裂隙分布范围

2.2 横桥向长大顺层岸坡

临空岩体倾角20°，临空条件与层间力学性质是控制顺层岸坡稳定性的主要因素。前缘临空岩体沿软弱夹层拉裂破坏，逐步牵引后缘岩体，这种牵引式的渐进破坏是横桥向顺层岸坡变形破坏的主要模式。

1) 临空条件分析

左侧冲沟切割是产生临空条件和软弱夹层出露的关键因素，实测水下地形和对比水库蓄水前地形，该冲沟存在明显的分界；K48+305前缘沟谷深切，出露多层钙质页岩；K48+305后缘浅切，软弱夹层出露层数减少，对应里程K48+280已无软弱夹层出露。冲沟分界位置见图4，不同里程桩号冲沟切割深度与出露钙质页岩夹层对应关系见表2。

图4 冲沟分界及层间钙质页岩照片

里程桩号切割深度/m软弱夹层层数K38+3801246K38+3601195K38+3401064K38+320803K38+305672K38+290601K38+280550

2) 关键层位(钙质页岩)力学性能

顺层岩体发生破坏往往沿薄弱的结构面发生，因此，钙质页岩的力学性质是进行稳定性计算和评价的重要依据。在自然状态和饱和状态下各进行3组现场直剪试验，试件尺寸为50 cm×50 cm×40 cm。根据现场大型直剪试验成果，钙质页岩力学强度参数见表3。

表3 钙质页岩直剪试验峰值

3 岸坡稳定性评价与主塔选址

3.1 纵向高陡岩质岸坡

岩体发生破坏一般是沿结构面产生的，特别是张性结构面，它破坏了岩体的完整性，且为降雨入渗提供了有利的通道，加速了岩体的风化。采用以岩石块体、结构面为基本单元的离散元法进行数值分析，得到自重应力作用下张节理分布特征，岩块和结构面均采用摩尔-库仑本构模型，取值见表4、表5，根据中轴线工程地质断面图(见图5)建立离散元计算模型见图6。

表4 岩块物理力学参数取值

表5 结构面参数取值

图5 中轴线工程地质纵断面

图6 离散元计算模型

模型计算收敛后，张节理分布特征见图7。

图7 张开结构面分布特征

由图7可知，陡崖崖口至K48+360区域岩体节理面明显张开，贯通率高，易形成深大贯穿性卸荷裂隙。结合实测地表裂缝发育范围和物探资料，综合判定桥轴线方向K48+360至陡崖崖口区域为卸荷裂隙带，该区域岩体易发生崩塌、错落等形式的变形破坏，长期稳定性差，主塔选址应避开该区域。

3.2 横向长大顺层岸坡

临空条件、软弱夹层出露情况及其力学性质控制了横桥向长大顺层岸坡的稳定性。计算采用以岩块、结构面为基本单位的离散元强度折减法，计算得到结构面主控条件下的岸坡稳定性，同时采用刚体极限平衡法(Bishop法、Sarma法)相互验证和补充，得到岩体完整性主控条件下岸坡稳定性。计算所用参数见表4、表5及表6。

表6 中风化岩体物理力学参数

分别对K48+380、K48+360、K48+320、K48+305、K48+290、K48+280及K48+270共7个断面进行稳定性计算。根据不同里程桩号工程地质横断面建立相应的稳定性计算模型，以K48+360桩号为例，计算断面、计算模型见图8～10。

图8 工程地质横断面图

图9 刚体极限平衡法计算模型

图10 离散元计算模型

离散元强度折减法、刚体极限平衡法(Bishop法、Sarma法)计算得横桥向长大顺层岸坡稳定性系数见表7。由表7可见，离散元法计算得软弱夹层和规律性节理控制条件下长大顺层岸坡稳定性系数从K48+360-K48+270出露软弱夹层层数减少，稳定性系数呈逐步增大趋势。刚体极限平衡法计算得软弱夹层和岩体完整性控制条件下长大顺层岸坡稳定性系数，选取最低库水位590 m、最高库水位630 m共2种极端水位作为静水位边界条件，计算得从K48+360-K48+270稳定性系数同样呈增大的趋势，且由于库水提供的抗力，高水位工况下岸坡稳定性系数高于低水位工况。

表7 长大顺层岸坡稳定性系数一览表

注：工况1-荷载组合：自重+桥梁荷载;工况2-荷载组合：自重+桥梁荷载+暴雨;工况3-荷载组合：自重+桥梁荷载+地震。

3.3 主塔选址

余庆岸主塔选址从安全、经济方面考虑，受纵桥向卸荷裂隙发育的高陡岩质岸坡、夹有软弱夹层的横桥向长大顺层岸坡稳定性双重控制，故应同时满足以下2个条件：①纵桥向避开卸荷裂隙发育带；②横桥向顺层岸坡稳定性系数满足安全系数控制标准。

为满足条件①，主塔应选址于K48+360之后。

为满足条件②，选取自然工况Fs=1.35、暴雨工况Fs=1.25及地震工况Fs=1.10作为安全系数控制标准[8-9]，则主塔应选址于K48+290之后。

主塔平面尺寸为轴向长×横向宽=17 m×40.2 m，考虑主塔平面构造大小，且同时满足条件1、条件2，主塔中心桩号应设置于K48+280。

4 结论

1) K48+360至陡崖崖口区域为卸荷裂隙发育带，卸荷裂隙切割岩体，易导致岩体发生崩塌、错落等变形破坏，主塔选址应避开该区域。

2) K48+380-K48+290范围纵桥向虽避开了卸荷裂隙发育带，但横桥向长大顺层岸坡稳定性不满足控制标准，不适宜主塔建设。

3) 主塔选址于K48+280(中心桩号)，纵桥向已完全避开卸荷裂隙带，同时横桥向长大顺层岸坡稳定性系数满足安全系数控制标准，是安全、经济的主塔选址位置。