贵州某桥堆积体成因机制力学参数及稳定性研究

2022-03-31邓中睿

科技创新导报 2022年21期

邓中睿

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司四川成都 610041）

在贵州高山峡谷地区广泛分布着由于滑坡、崩塌、重力地质作用及降雨等作用形成的深厚堆积体边坡。评价堆积体当前稳定性和预测其未来变化趋势的前提是掌握堆积体所在边坡的变形破坏历史。另外，岩土力学强度参数和破坏模式是影响堆积体边坡稳定性的定量评价的主要因素。但是，由于堆积体岩土介质的成因、组成和结构的多样性，其破坏过程和边坡本身也十分复杂，因此，如何选取具有代表性的强度指标一直是参数选取中的难题。

本文以贵州某大桥主墩所处的南孟溪堆积体边坡为研究对象，对其开展细致的调查分析，明确其形成机制，并结合工程类比及参数反分析等多种方法，综合确定堆积体计算参数，对其稳定性进行评价分析，以期为同类工程项目提供参考。

1 堆积体基本特征

1.1 堆积体边界、规模及形态特征

堆积体位于三板溪水电站水库库尾南孟溪右岸，全貌如图1所示。

图1 堆积体全貌

堆积体整个前缘段纵向长约140m，平均坡度约30°，宽约240m。堆积体前缘高程约431.5m，略高于水库最低通航水位，前缘段具有一定的坡度变化。其中，最高蓄水位475m 以下的平均坡度约35°，呈多级台阶状向上延伸；475m 以上高程的平均坡度约24.7°，变化不大。堆积体中部有一人工砌石陡坎，高6～10m不等，横向宽约170m，人工砌石上方存在一处缓平台，平台高程约508m，纵向长25～30m，横向宽约170m，平台主要用途为弃耕农田。堆积体后缘稍陡，前边界以508m处平台为界，后缘边界高程约606m，后方为农耕地，堆积体后段纵向长约180m，平均坡度约33°，后缘部分基岩出露。堆积体左侧边缘以冲沟为界，可见基岩出露，岩性为灰色凝灰质板岩，缓倾坡外节理裂隙较发育。堆积体右侧存在一冲沟，未见基岩出露，但该冲沟将堆积体进行了一定程度的分割，以此作为右侧边界。

根据主勘探线钻孔揭露，前缘段堆积体最深达深度27.7m，中部平台段最深厚度约30.8m，后缘段最深33m，主勘探线堆积体一般深度18～20m。根据已有勘测资料，结合现场调查，测得整个堆积体面积约6.88×104m2，整个堆积体平均厚度约19m，南孟溪堆积体体积约1.307×106m3，为一大型堆积体。

总体而言，南孟溪堆积体在地形上呈两陡坡夹一缓平台，平台高程约508m，纵向长25～30m，基覆界面亦为一缓平台，未见强风化基岩。前缘段及后缘段平均坡度30°～33°，从剖面上看，基覆界面呈阶梯形，从平面上来看，堆积体沿NW方向呈扇形展布，后缘宽度约250m，长约300m，其坡表主要为农用林地及荒废耕地。

1.2 堆积体结构特征与物质组成

南孟溪堆积体结构较复杂（见图2），可分为前缘段、平台段、后缘段。前缘段主要为碎石土，部分夹粉质粘土及块石土透镜体；中部平台主要为碎石土，钻探揭示部分夹粉质粘土透镜体，下部基岩未见强风化界面，且根据形态来看，基覆界面为一缓平台；后缘表层见部分粉质粘土，下部主要为块石土夹少量碎石土、粉质粘土透镜体，部分钻探揭示断层破碎带。

图2 南孟溪堆积体剖面图

1.3 基覆面特征

堆积体在后缘及左缘基岩出露，岩性为深灰色中厚层凝灰质板岩，产状：335°∠20°，见两组节理发育。节理①：207°∠87°，节理面平直，延伸50～80cm，间距0.6～1.2m。节理②：109°∠86°，节理面粗糙，延伸1.2～1.6m，间距30～80cm。基岩节理较发育，受缓倾坡外层面及两组近直立结构面切割易形成倾倒破坏。

2 堆积体成因机制分析

堆积体处于三板溪水库尾端南孟溪支流上。堆积体中下部基岩面存在一较平缓台阶，台阶角度12°～15°，宽100m左右，未见强风化基岩。一般中风化基岩与上覆碎石土呈直接接触状态，上覆碎石土碎石粒径2～4cm，大部分成圆棱状，由此推测该基岩缓台阶为侵蚀形成的台地，形成阶段处于河床下切缓慢而侧蚀作用增强期，从而形成了中下部平缓台阶，从地形上为堆积体的形成提供了必要条件。南孟溪堆积体是陡坡外节理与水平面的不利结合作用下，坡面岩体发生弯曲拉伸变形，进而以崩塌形式破坏的结果，其破坏过程如图3所示。

图3 堆积体形成机制示意图

（1）卸荷回弹陡倾面拉裂阶段。随着燕山期和新

构造运动，南梦溪迅速下沉，经过长期的岸坡改造，逐渐形成阶梯状坡形。河流的进一步下切和侵蚀，使岩体陡坡外的卸荷裂隙发育。（2）板梁弯曲，拉裂面向深部扩展并向坡后推移阶段。边坡变形破坏的空间是由切蚀冲刷作用引起的，边坡非常陡峭。该阶段多伴有边坡和坡面的局部崩落。（3）板梁根部折裂，压碎阶段。在陡坡外卸荷裂缝和水平面的共同作用下，岩块旋转下落，导致崩塌。

3 堆积体力学参数取值

本次计算参数主要通过工程地质类比、室内试验和参数反演方法综合确定。

3.1 工程类比法

参考诸多边坡治理工程实践和成功经验［1-7］，堆积体抗剪强度指标参数有重要的参考价值。由表1 可知，碎石土天然状态下内聚力取值一般在14～30kPa，内摩擦角一般为29°～35°；饱水状态下，内聚力取值一般在10～18kPa，内摩擦角一般为27°～30°。天然状态下，粉质粘土内聚力一般取20～27kPa，内摩擦角一般在18°～26°之间；饱水状态下，内聚力取值一般在18～23kPa，内摩擦角一般为15°～24°。

表1 堆积体碎石土抗剪强度参数值类比

3.2 室内试验法

在堆积体的本次钻孔中选取几段土体进行试验，天然状态下，粉质粘土的抗剪强度平均试验结果为：内聚力取28.7kPa，内摩擦角取11.8°。由于室内实验采用小型环刀进行直接剪切试验，无法包含碎石和角砾等巨粒成分，仅代表粉质粘土的力学强度。

3.3 参数反演分析法

根据定性判断，堆积体雨季时处于基本稳定状态，坡体上不存在有规模性的破坏迹象，因而，采用摩根斯坦—普赖斯法（M-P 法）考虑稳定系数1.05～1.15 之间进行反演分析。

根据钻孔揭露整个堆积体上部以崩坡积块石及碎石土为主，局部夹少量粉质粘土，堆积体中下部以碎石土为主局部夹粉质粘土，粉质粘土含量往坡体下部含量有增大趋势，而块石土下部坡体含量较少。因此，反演时，从前缘坡体入手，粉质粘土参数根据原状土土工试验参数取得，取碎石土饱和状态内聚力20kPa，内摩擦角递增情况下，前缘稳定性在1.05～1.15之间进行反演，将反演结果应用于上部坡体反演，获得块石土在上部坡体1.05～1.15的内摩擦角值。

3.3.1 堆积体前缘碎石土参数反演

堆积体前缘边坡为临水边坡，其稳定性受水库水位影响明显，堆积体自2008年三板溪水电站蓄水试运行至今已经历10次水位周期涨落，目前仍处于基本稳定状态，故前缘选取水位降至死水位而坡体处于饱和状态下进行反算，反演结果见表2。

表2 堆积体中心剖面碎石土抗剪强度参数反演结果表

反演结果表明：（1）在内聚力不变的情况下，内摩擦角每提高1°，前缘搜索圆弧滑面稳定性提高约0.036；（2）堆积体下部为碎石土夹粉质粘土，粉质粘土参数依据土工试验参数获得，取饱和状态下碎石土内聚力20kPa，控制变量仅其内摩擦角，反演结果可靠性高；（3）饱水状态下，当碎石土内聚力取20kPa，内摩擦角取25°～28°时，前缘搜索圆弧滑面稳定性系数介于1.046～1.153之间，稳定性计算参数可在26°～28°范围内选取［8-9］。

3.3.2 堆积体后缘块石土参数反演

根据钻探揭露，堆积体后缘主要为块石土夹少量碎石土，偶夹粉质粘土，由于前缘反演部分对堆积体前缘已进行反演，碎石土内摩擦角可在26°～28°范围内选取。此处，在对堆积体后缘进行反演时，分别取碎石土内摩擦角26°～28°进行比较，且能够比较后缘坡体对碎石土内摩擦角参数的敏感性。反演结果统计见表3。

表3 堆积体中心剖面后缘段碎石土抗剪强度参数反演结果表

反演结果表明：（1）在内聚力不变的情况下，碎石土内摩擦角每提高1°，后缘搜索圆弧滑面稳定性提高约0.022；（2）在内聚力不变的情况下，块石土内摩擦角每提高1°，后缘搜索圆弧滑面稳定性提高约0.014；（3）在对比不同参数条件下，后缘搜索滑面对碎石土参数敏感性比块石参数敏感性更强一些，因此，碎石土参数选取的准确性尤为重要；（4）根据收集资料及当前宏观判断，堆积体在不利工况下均处于基本稳定状态，坡体内未见明显变形破坏，稳定性系数应在1.05～1.15 之间，参数选取可按表3中合理区间值选取。

3.4 综合取值

综合上述各种方法，确定堆积体抗剪强度参数取值见表4。

表4 堆积体计算参数综合取值结果

4 堆积体稳定性评价

本次稳定性计算采用极限平衡法，以期对该堆积体蓄水状态下的稳定现状及开挖后边坡稳定性进行评价。稳定性计算结果如表5所示。

表5 堆积体计算参数取值结果

边坡堆积体稳定性分析结果表明：（1）边坡整体稳定较好，在各工况下均能满足安全系数要求，在边坡内设置大桥的重要构筑物是可行的；（2）边坡前缘处于基本稳定状态，但不满足边坡安全标准，若在该区设置重要构筑物，需要进行强加固，由于前缘段后部设置有桥梁主墩，因此，需在桥梁主墩前缘设置护坡桩，以防止前缘坡体失稳后对后方桥墩造成牵引破坏，在充分防护好后部桥墩的情况下，前缘坡体可考虑适当降低安全标准。