开州湖特大桥开阳岸岸坡稳定性分析及主墩位全清方案评估

徐应生, 贾 森, 张 涛

（贵州大学资源与环境工程学院, 贵州贵阳 550025）

1 概述

开州湖特大桥是瓮开高速的关键性工程, 大桥全长1257m, 主桥为单跨1100m钢桁梁悬索桥, 引桥为预应力混凝土T梁桥, 主塔采用薄壁空心钢筋混凝土桥塔, 承台群桩基础, 引桥墩为双柱式圆墩, 圆桩基础, 开阳岸锚碇为隧道式锚。大桥跨越洛旺河U型峡谷, 属于典型的跨越山区峡谷的大跨径桥梁, 两岸基岩为上硬下软的结构, 不良地质较为发育。本文以开州湖特大桥开阳岸岸坡为研究对象, 通过查明桥区的自然地理环境、地层岩性、地质构造与地震、水文地质条件及场区的不良地质情况, 采用极射赤平投影、刚体极限平衡法, 有限元法[1-5]对开阳岸岸坡在不同工况下的稳定性进行分析评价, 并对主墩位治理全清方案进行评估, 对类似工程建设具有一定的参考意义。

2 工程概况

2.1 工程地质条件

（1）地形地貌。开州湖特大桥地处贵州黔北山地, 地势总体西北高东南低。属浅切低山溶蚀、侵蚀地貌类型, 场区标高630～1027.8m, 相对高差约397.8m；桥梁轴线通过段地面高程为630～990.07m之间, 相对高差360.07m, 两岸纵坡陡峻, 坡角约60°～70°。桥位横跨清水河, 桥位段为洛旺河, 洛旺河河谷为典型的“U”形谷, 洛旺河谷底宽约373.5m（水位630m时）左右, 桥位河谷顶宽1.1～1.3km, 相对高差175～360m, 两岸坡口大部为陡崖, 陡崖高30～90m, 其下为缓坡—陡坡, 坡角从谷底至陡崖脚20°～40°。

（2）地层岩性。场区地层为上覆残坡积层（Q4el+dl）含碎石粘土、崩塌堆积层（Q4col）块石土, 下伏基岩为寒武系清虚洞组（∈1q）白云岩、白云质灰岩；寒武系金顶山组（∈1j）页岩、泥质粉砂岩、泥岩、泥质灰岩；寒武系明心寺组（∈1m）粉砂质泥岩夹泥岩；寒武系牛蹄塘组（∈1n）炭质泥岩。

（3）地质构造及地震。据《贵州省区域地质志》及1∶20万瓮安幅区域地质调查报告, 桥区位于扬子准地台—黔北台隆—遵义断拱—贵阳复杂构造变形区。桥区两岸岩层倾向山内, 背斜北西翼（开阳岸）岩层产状：325°∠25°, 发育两组节理：J1：105°∠79°、J2：36°∠81°根据赤平投影分析, 开阳岸岩层与J1为内倾结构面, J2为外倾结构面, 在该结构面的作用下形成错落体及陡崖。开阳岸地层产状：325°∠25°, 开阳岸发育两组节理：105°∠79°、36°∠81°。据赤平投影分析, 开阳岸岩层面及J2节理面为内倾结构面, J1为外倾结构面。

根据国家地震局颁布的《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）, 场区地震动反应谱特征周期为0.35s, 地震动峰值加速度值0.05g, 场区地震基本烈度为Ⅵ度。

2.2 水文地质条件

（1）地表水。桥区属于江流域乌江水系支流清水河。河谷常年流量300m3/s, 测时水位为601.2m。桥位位置水深63.2m, 最深可达91.9m, 水位最大落差40m。

（2）地下水水类型及埋藏条件。地下水为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。其中第四系松散岩类孔隙水主要赋存于冲洪积层中, 岩溶裂隙水赋存于灰岩、白云质灰岩、角砾状泥质灰岩溶蚀裂隙中, 河谷地带地下水水位埋深浅, 受河水位涨落影响, 斜坡段地下水埋藏较深。

（3）地下水的补给、径流、排泄。桥区地下水以大气降水和洛旺河水补给, 大气降水大部分部经地表径流汇入洛旺河, 少部份由岩层层面、节理裂隙向下渗透。

3 岸坡稳定性计算及主墩全清方案评估

3.1 岸坡极限平衡法分析

（1）计算模型及计算方法。开阳岸基岩为上硬下软的结构, 不良地质发育, 主要有堆积体和危岩体等, 对主墩的选址存在着重要影响, 而且, 岩溶、库水的调蓄, 库水位、地下水位的变动对岸坡稳定性也存在着一定的影响。开阳岸沿大桥路线方向的堆积层斜坡后部坡度较陡, 前部坡度次之, 中部相对较缓, 平均坡度约21°。堆积体目前处于基本稳定状态, 极端情况下（如持续的强降雨等）堆积体处于临界状态。开阳岸岸坡为堆积体覆盖, 堆积体下有灰岩、泥岩、砂岩等。计算模型如图1所示。计算方法采用刚体极限平衡法(Morgenstern-Price)进行计算。

图1 开阳岸岸坡稳定性刚体极限平衡法计算模型

（2）计算工况。刚体极限平衡法稳定性分析按如下4种工况进行计算：工况1：自然岸坡、工况2：岸坡自重+暴雨、工况3：岸坡自重+地震荷载、工况4：岸坡自重+水位骤升。

（3）计算参数。本文岸坡稳定性分析计算参数为参考规范推荐值、室内试验成果, 综合考虑现场工程地质情况, 综合确定岸坡稳定性计算参数取值如表1所示。

表1 岸坡稳定性计算参数

（4）计算结果与分析。桥区堆积体边坡前缘临水、厚度较大, 稳定性计算结果均不满足安全控制标准, 同时岩堆边坡的变形也是控制整个桥梁稳定性关键影响因素之一, 选择桥梁主墩及防护治理措施应着重兼顾桥梁对变形敏感性。

开阳岸基岩岩体整体反倾, 基岩整体稳定性较好, 不易发生中风化基岩深层滑动。稳定性计算结果如表2所示。

表2 刚体极限平衡法稳定性计算结果

3.2 岸坡稳定性的有限元法分析

开阳岸岩性组合呈上硬下软典型组合特征, 不良地质较为发育, 岸坡堆积体对大桥安全影响尤为突出。开阳主塔中心桩号为K36+640桩号, 主塔钻孔钻探揭露堆积体厚度为32.5m, 岸坡稳定性计算结果表明目前堆积体处于欠稳定状态, 且堆积体厚度大, 主塔建设前需要进行工程处理。

3.2.1 全清方案的岸坡稳定性计算

（1）数值模型与工况。在主墩选址K36+640桩号的岸坡, 后缘堆积体全清方案, 分别针对顺桥向和横桥向工程边坡建立模型, 顺桥向分析模型如图2所示, 同时对横桥向分别在K36+640桩号和K36+800桩号选取横截面建立计算模型。计算工况主要考虑边坡自重、自重+暴雨荷载、自重+地震荷载。

图2 开阳岸主墩选址K36+640稳定计算模型（全清方案）

（2）计算结果与分析。开阳岸主墩K36+640全清方案, 潜在滑体在自重、自重+暴雨、自重+地震条件下稳定性好。

该方案在K36+640横断面左右两侧产生的横向工程边坡, 在K36+640附近横向地形较为平缓, 坡高20m左右。左侧边坡, 自重条件下的稳定系数为2.02, 自重+暴雨条件下1.71, 自重+地震条件下为1.94, 稳定性好；右侧边坡, 自重条件下的稳定系数为2.10, 自重+暴雨条件下1.79, 自重+地震条件下为2.01, 稳定性较好。

由于主墩以上全清堆积体, 该方案在K36+800附近产生横向边坡, 在K36+800附近横向右侧地形较陡, 坡高90m左右。自重条件下的稳定系数为1.23, 自重+暴雨条件下1.11, 自重+地震条件下为1.19, 稳定性不满足安全控制标, 建议支护。

3.2.2 全清方案的岸坡变形分析

开阳岸主墩选址K36+640桩号, 堆积体全清, 横桥向左右坡采用1∶1放坡方案, 坡底两侧宽71.69m, 顺桥向前缘堆积体铲平, 后缘堆积体全部清除至基岩。左右两侧边界条件为水平约束, 底部为全约束。顺桥向模型网格部分如图3所示, 同时对横桥向分别在K36+640桩号和K36+800桩号选取横截面建立计算模型。模型中的材料采用弹塑性本构, 并符合Mohr-Coulomb准则。

图3 开阳岸坡K36+640堆积体全清顺桥向计算模型

数值模型考虑了边坡开挖施工全过程, 计算过程如下：

第一步、计算地应力场, 然后将地应力场导入初始模型；

第二步、将堆积体开挖掉, 计算堆积体开挖后的地表变形状态；

第三步、在模型上加上桥主墩, 并施加桥梁荷载, 计算主墩横桥向两侧堆积体变形。

根据计算, 顺桥向边坡开挖过程中坡脚附近位移较大, 离开挖面越远部位位移越小。开挖及放坡完成后, 开挖坡面最大位移12.13mm。支护及施加桥梁荷载后, 桥梁基础附近桩基位移较大, 最大位移13.70mm。横桥向K36+640边坡, 承台中心附近位移较大, 离承台中心越远部位位移量越小, 开挖完成后最大位移7.71mm, 施加桥面荷载后最大位移8.76mm。横桥向K36+800边坡, 开挖完成后最大位移100mm。

4 结论

（1）开阳岸堆积体边坡前缘临水、厚度大, 稳定性计算结果均不满足安全控制标准；堆积体边坡的变形也是控制整个桥梁稳定性关键影响因素之一, 选择桥梁主墩及防护治理措施应着重兼顾桥梁对变形敏感性。

（2）开阳岸主墩K36+640选址堆积体全部清除方案, 在稳定性方面, 顺桥向边坡及K36+640的横桥向边坡稳定性较好, 由于主墩K36+640以上堆积体全部清除, 在K36+800附近的横向右侧边坡较高, 稳定性较差。在变形方面, 根据顺桥向有限元分析, 开挖完和施加桥梁荷载后, 最大变形均在2cm以内, 发生在主墩上部或下部附近。在K36+640桩号附近的横桥向计算模型, 最大变形在主墩附近, 为毫米数量级。在K36+800桩号附近的横桥向计算模型, 最大变形在右侧坡顶附近, 变形较大, 为10cm左右。

（3）由于开阳岸主墩K36+640位于岩堆边坡中部, 开挖面大, 施工易对两侧错落体顺河向造成扰动。由于全清方案挖方量较大, 环保和弃土处理问题突出, 建议合理选择弃土场, 避免因弃土形成新的边坡问题。