构造溶蚀裂隙发育桥基岸坡稳定性分析

周 娟

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

0 引言

西部地区作为我国经济发展的重要引擎，已建和在建有大量关系国家国计民生的重大交通基础设施，保障这些重大交通基础设施的运营安全是国家安全与社会经济发展的重大需求。贵州高原西部构造活跃，河谷深切，在硬质岩内易形成高陡岸坡[1-6]。硬质岩区域稳定好，地形陡峭，强烈卸荷，岸坡浅表层改造剧烈，岸坡稳定性问题突出，影响线路走向，控制桥梁跨径和桥梁基础设置[7-10]。

本文以某特大桥为研究对象，其桥位岸坡陡峻，地形条件复杂，构造溶蚀裂隙以及其它不良地质条件发育，使得桥基岸坡稳定性评价具有一定的难度。在工程地质调绘、物探、钻探等查明工程地质条件的基础上，采用有限元法对岸坡稳定性进行计算，并对岸坡岩体张节理发育情况和桥梁荷载作用下岸坡岩体的附加位移进行数值分析，为桥梁设计提供依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

桥位地处贵州高原西部，跨越白水河，为某拟建国家高速公路控制性工程之一，有道路通至桥位，交通条件便利。初步设计阶段推荐桥型为9×40T梁+1×340米钢管混凝土桁架拱+3×40米T梁，全长844m。桥区地貌类型属溶蚀-构造地貌单元，地面高程介于1355.5m～1725.2m之间，相对高差约369.7m。拟研究的小桩号岸坡高约220m，地形陡峭，坡度约50°～75°，局部为陡崖，崖口以上地形较为平坦，岩性为灰岩，岸坡岩体受构造溶蚀裂隙切割严重，浅层岩体松散破碎，纵坡为切向高陡岩质边坡，横向受岩层倾向和河流切割形成长大顺层岩质边坡，倾向路线右侧，前缘具有临空条件。特大桥岸坡全貌见图1所示。

图1 桥梁岸坡全貌

1.2 工程地质条件

岸坡上覆0～4m盖黏土，基岩为三叠系下统永宁镇组第一段(T1yn1)灰岩。场区无断层通过，岩层单斜，局部存在褶曲变形，岩层产状190°∠10°。基岩层面一般钙质胶结，结合程度一般。场区主要发育有2组节理，J1：80°∠75°，走向近平行于河谷，J2：173°∠70°，走向近垂直于河谷，节理张开度大于3mm，泥质充填，结合程度差。

场区地震动反应频谱特征周期为0.40s，地震动峰值加速度值为0.05g，地震基本烈度为Ⅵ度。

1.3 水文地质条件

白水河最高洪水位标高为1370.0m，河水位远低于桥梁拱座结构，对桥梁建设基本无影响。

场区地下水类型为第四系松散土层孔隙裂隙水、基岩风化层裂隙水、岩溶裂隙水。地下水靠大气降水补给，降水大部分以坡面流形式汇入桥位中部白水河河谷中排出场区，一部分下渗形成地下水沿岩体节理裂隙、岩层层面及溶蚀裂隙向地势低洼处排泄。地下水受季节影响大，雨季基岩裂隙水、岩溶裂隙水较丰富，水量较大；枯水期补给差，水量相对较小。

1.4 构造溶蚀裂隙带及岩体完整性

卸荷裂隙、溶蚀卸荷裂隙等大型切割裂隙是硬岩、较硬岩体地区常见的地质问题，对结构物的安全影响较大。岸坡受河谷切割达220m，切割深度较大，卸荷裂隙等大型切割裂隙是控制岸坡稳定性及桥梁跨径的关键因素。受构造及溶蚀双重作用，桥基岸坡陡崖一带岩体构造溶蚀卸荷裂隙发育，切割严重，大多切穿岩层层面。尤其平行于河谷走向延伸的构造溶蚀裂隙J1极发育，且延伸较远。根据槽探、钻孔电视、物探、钻探等综合揭示，裂隙发育宽度0.5～1.2m，间距1～2m，发育深度40～60m。

岸坡岩体由于受深大溶蚀构造裂隙切割，浅层岩体松散破碎，完整性差，对岸坡稳定性带来不利，在荷载、施工扰动等不利条件下，岸坡岩体易垮塌失稳。远离溶蚀卸荷裂隙带，强风化岩体节理裂隙发育，岩芯呈碎块状、少量短柱状，岩体破碎，中风化岩体节理发育～不发育，岩芯呈柱状、少量短柱状及块状，中风化岩体较破碎～较完整。

2 岸坡稳定性分析

2.1 稳定性工程地质分析

岸坡岩层倾角较缓，层面抗剪强度大于倾角，不会发生顺层滑移破坏，潜在失稳破坏模式为拉裂—崩塌，拱座距离横向顺层边坡拉裂变形带距离约280m，横向顺层岸坡稳定性不控制桥梁方案。

纵向岸坡为切向坡，未发育不利结构面及组合，受构造溶蚀作用影响，陡崖前缘为构造溶蚀裂隙带，岩体破碎、完整性差，控制岸坡稳定性及桥梁跨径。

2.2 稳定性计算

针对岸坡潜在失稳破坏的特点，考虑边坡沿桥轴线方向潜在的破坏模式，采用有限元法进行稳定性计算。计算断面如图2所示。

图2 岸坡稳定性计算剖面图

2.2.1 计算荷载及工况

稳定性计算考虑的荷载主要包括岩体自重、桥梁荷载等。拱桥荷载主要包括竖向力和水平力，拱底竖向力124000t，拱背水平力48000 t，简化为面荷载作用于拱座基础上，单宽竖向力4470 t，单位宽度水平力1730t。计算工况包括正常工况(工况1、工况2)、暴雨工况(工况3)和地震工况(工况4)，对应的安全控制标准分别为1.35、1.20及1.10。

2.2.2 岩体物理力学参数

计算参数采用规范推荐值、室内试验成果相结合的方式，并综合考虑现场工程地质情况进行确定。正常工况采用天然岩土体物理力学参数，暴雨工况采用饱和岩土体物理力学参数，岩体物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数取值

2.2.3 稳定性计算结果

岸坡整体稳定性计算结果如表2所示，计算结果表明纵向岸坡整体稳定性均满足安全控制标准，且具有一定的安全储备。

表2 岸坡整体稳定性计算结果

局部稳定性计算结果如表3所示。计算结果表明构造溶蚀裂隙带局部稳定性满足安全控制标准。

表3 纳雍岸局部稳定性计算结果

3 数值分析

3.1 张节理分布

采用离散元法对岸坡张节理分布进行数值模拟，分析岸坡自重和桥梁荷载作用下张节理发育特征。计算得岸坡自重条件下张节理分布见图3。由图可知，坡脚到陡崖坡顶张节理很发育，张开的结构面发育深度约0～60m，这部分张开的结构面在风化、溶蚀等作用下可能进一步演化导致岩体崩塌。

桥梁荷载作用下，张开结构面分布在岸坡前缘陡崖斜坡段，形成卸荷裂隙带，如图4所示，张开的结构面发育深度约0～40m，受张开的结构面切割岩体，靠近陡崖的局部区域岩体发生错落式失稳或与母岩分离，但均为小规模渐进式的破坏，不能形成大规模连续的滑面。拱座位置施工开挖可消除裂隙带对拱座的影响。

图3 自重作用下张节理分布图 图4 桥梁荷载作用下张节理分布特征

3.2 桥梁荷载作用下附加位移

利用midas GTS-NX分析桥梁荷载作用下岸坡附加位移变形情况，判断岸坡岩体是否可能因大变形而产生破坏。计算时简化为平面二维应变问题，岩土体采用莫尔-库伦模型，拱座采用线弹性模型。计算得拱座下部基岩在桥梁结构荷载作用下最大位移为1.27mm，岸坡不会因为大变形而发生破坏。

4 结论

通过对某特大桥小桩号岸坡稳定性研究，得出以下结论：

(1)横向顺层岸坡岩层面抗剪强度高于倾角，不会发生顺层滑动。

(2)纵坡整体稳定性及构造溶蚀裂隙带局部稳定性均满足安全控制标准，拱座已完全避开构造溶蚀裂隙带，拱座位置处岸坡稳定性具有较高的安全储备。

(3)桥梁荷载作用下附加位移为毫米级，岸坡不会因桥梁荷载作用发生大变形而破坏。