开州湖特大桥主塔位置研究*

2024-03-04张广泽余洪璋

贵州科学 2024年1期

张广泽,余洪璋▲,罗勇

(1中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031;2贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州贵阳 550008)

很多跨越高山峡谷、大江大河的桥梁,会遇到地形高差大、地层岩性复杂、构造作用强烈、不良地质发育、岸坡稳定性等诸多问题,桥址及其主墩选择的质量将直接关系到桥梁工程建设的可靠性、安全性、技术可行性和经济合理性[1]。

公路桥梁经常作为跨越沟谷地形的工程而被采用。复杂艰险山区桥梁是高速公路的控制性建(构)筑物类型之一,桥基和墩台经常坐落在峡谷两岸边坡的不同高程之上,在自然营力和人类工程活动的作用下,原始地形地貌会发生改变[2-6],因此,桥址岸坡及其主塔的选择需要综合考虑地形地貌、地层岩性、地质构造、不良地质、岸坡稳定性分析、不同主塔位置所带来的治理难度等因素,选择技术可靠、投资最优、长期稳定的方案[7-11]。

1 项目概况

贵州省江口至都格高速公路瓮安至开阳段是贵州省“678”高速公路网规划中“第三横”江口至都格高速公路的重要组成部分,是《贵州省综合交通运输“十三五”发展规划》项目之一[12-13]。

开州湖特大桥(原名洛旺河特大桥)是瓮开高速公路的控制性工程,桥址里程为:K35+428～K36+685,长1257 m。上部结构:3×30 mT梁+1100 m悬索桥+2×30T梁,孔跨布置,主桥为单跨1100 m钢桁梁悬索桥,引桥为预应力混凝土T梁桥。下部结构: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,锚碇为重力式锚(瓮安岸)及隧道式锚(开阳岸)。该桥总投资约13亿。

2 自然条件与地质特征[14]

2.1 地形地貌

大桥横跨洛旺河(即清水河下游段)河谷,现为乌江构皮滩水电站上游水库库区。该河谷为典型的宽缓状“V”形谷,河谷顶宽1.1～1.3 km,河谷底宽约374 m(最高水位时宽约630 m),相对高差175～360 m。两岸岸坡上部为陡崖,陡崖高30～90 m,其下部为缓坡,自然坡度20°～40°。

2.2 地层岩性

2.2.1 3#主塔地质情况

3#主塔据勘察揭露,下部地层为寒武系下统清虚洞组白云岩、泥质白云岩,主要地质问题为岩溶,保证基底下岩层稳固是问题的关键所在。为此,群桩基础挖至基底时应进行岩溶探测,查明基底隐伏岩溶情况,详见图1。

图1 3#主塔地质剖面图

2.2.2 4#主塔地质情况

4#主塔据勘察揭露,上部为崩坡积块石土、残坡积黏土、上部覆盖层厚度为19～27 m,试桩处稍厚,约为35 m。下部地层为寒武系下统清虚洞组白云质灰岩、金顶山组泥岩、页岩、泥质灰岩、岩土受构造影响,较破碎。在土石接触带分布一层厚0.7～5.7 m的硬-可塑状含碎石粘土。对工程影响大的不良地质主要为D2堆积体,其稳定性直接影响主塔建设成败,主塔施工前应对上部危岩体及D2堆积体进行整治。主塔下部岩体较破碎,承台基坑及孔桩基开挖过程中,应采取相应措施减少对岩体的扰动并及时支护,防止基坑周边局部块体失稳,详见图2。

图2 4#主塔地质剖面图

2.3 地质构造

桥址发育瓮绍背斜,背斜轴向北北东10°,基本沿河谷呈南北向展布,于K36+140处与桥轴线正交。核部地层位于河中心,为寒武系下统明心寺组、牛蹄塘组;两翼地层对称,为寒武系下统金顶山组、清虚洞组。河谷两岸岩层倾向山内,背斜北西翼(开阳岸)岩层产状:325°∠25°,南东翼(瓮安岸)岩层产状90°∠20°。受此影响,构造节理裂隙较发育,岩体较破碎,详见图3。

图3 开州湖特大桥工程地质纵断面图

2.4 水文地质

地表水属长江流域乌江水系支流清水河。桥区在K35+940～K36+313.5处跨越洛旺河,河宽为373.5 m,常年流量300 m3/s,测时水位高程为601.2 m。桥位位置水深63.2 m,最深可达91.9 m,水位最大落差40 m。

地下水为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水。河谷地带地下水水位埋深浅,斜坡段地下水埋藏较深。

2.5 不良地质

桥址不良地质有:崩塌堆积体、错落体、危岩体、拉裂缝-卸荷裂隙、岩溶、破碎岩及顺层、节理密集破碎带。场区对桥梁工程影响大的不良地质体见图4-图7。

图4 4#主塔(开阳岸)D2堆积体

堆积体D2:位于大桥开阳岸K36+170～K36+780桥位两侧陡崖下斜坡坡体上,堆积体长500～800 m,宽500～700 m,厚13～35 m,该堆积体由块石土组成。块石土原岩以白云质灰岩、白云岩为主,充填泥质,块石含量大于65%,以漂石为主,块径大者约4～12 m。结构松散,堆积体岩陡坡-陡崖脚分布,钻探揭露桥位附近厚度在18.5～32.5 m,在堆积体底部与基岩面接触部位为坡积层黄褐色硬-可塑状含碎石粘土,D2Z-36-KZHTDQ-01、D2Z-36-KZHTDQ-13、D2Z-36-KZHTDQ-24等30个钻孔均有揭露,厚0.7～5.7 m,黏土中含约20%碎石。该岩堆主要位于4#主塔基础外侧斜下方,对桥基稳定性影响较大,详见图4。

拉裂缝-卸荷裂隙变形:瓮安岸K35+715～K35+800附近陡崖坡体上发育拉裂缝-卸荷裂隙带。该卸荷带长约100 m,宽50～80 m,共发现有3条大型裂缝,裂缝宽0.5～3 m,可见深5～10 m,据调查访问及高密度电法物探揭露L1拉裂缝深度可达114 m以上、顶部最宽8.7 m,裂缝发育方向为北西南东向,平行于河谷,裂缝长100 m,裂缝已将该段岩体整体切割分离,路线K35+730～K35+740位置形成一处塌落的负地形,沿该塌落的负地形中间及两侧存在有4个拉裂缝溶蚀后形成的落水洞,并拉裂后缘坡体形成次生拉裂缝。详见图5、图6、图7。

图5 3#主塔(瓮安岸)D1堆积体

图7 L1拉裂缝及其次生拉裂缝

图8 瓮安岸岸坡稳定性计算模型

图9 开阳岸岸坡稳定性计算模型

形成原因:该段山体基岩上部为白云岩、白云质灰岩,下部为粉砂质泥岩、泥岩,具上硬下软特征,下部软岩受河流冲刷掏蚀导致上覆硬质岩层临空后渐进崩塌,块体崩落于坡脚形成堆积体。山体前缘垮塌、崩落牵引后缘岩体沿北西向节理面及卸荷裂隙拉裂,形成拉裂缝。

3 开州湖特大桥主塔位置研究

影响大桥主塔选择的主要因素有地形地貌、地层岩性、地质构造、不良地质、岸坡稳定性等等。

3.1 瓮安岸3#主塔位置研究

3.1.1 地形地貌

瓮安岸主塔位于陡崖山顶,坡顶基岩裸露,较圆缓,自然横坡10°～15°。陡崖在重力作用下,产生多条张性拉裂缝,前沿局部倾倒、崩塌。

3.1.2 地层岩性

岩性为寒武系下统清虚洞组白云岩、泥质白云岩,属硬(较硬)岩,强度较高,适宜作地基持力层。

3.1.3 地质构造

瓮安岸为瓮绍背斜南东翼,为单斜岩层,倾角约20°,反倾向,倾向山里,利于边坡稳定。

3.1.4 不良地质

瓮安岸对桥基影响大的不良地质主要为拉裂缝-卸荷裂隙带、岩溶等。

拉裂缝-卸荷裂隙带:据现场调查访问,拉裂缝-卸荷裂隙带发育于纵向K35+715～K35+800、宽50～80 m范围,其上发现3条大型裂缝,裂缝宽0.5～3 m,可见深5～10 m。据高密度电法物探揭露L1拉裂缝深度可达114 m以上、顶部最宽8.7 m,裂缝发育方向为北西南东向,平行于河谷,裂缝长100 m,裂缝已将该段岩体整体切割分离。

岩溶:主要形态为落水洞及溶洞,基本发育于中线两侧40～260 m之间,钻探及物探均未揭露大型岩溶,对桥基无影响或影响甚微。

3.1.5 岸坡稳定性

瓮安岸岩层反倾,为逆向坡,稳定性较好,控制翁安岸桥基稳定性的主要因素是卸荷裂隙带。基于此,主塔位置的选择应避开卸荷裂隙带并留有足够的安全储备。据《洛旺河特大桥岸坡稳定分析专题研究报告》[15],针对主塔位置K35+525岸坡,从定性、定量两方面采用过程机制分析法、工程类比法、极限平衡法、有限元法(数值分析法),依照《公路路基设计规范》[16](JTGD30—2015、《建筑边坡工程技术规范》[17](GB50330—2013)、《滑坡防治工程设计与施工技术规范》[18](DZ/T 0219—2006)等规范及贵州省近年来已建成或在建的特大桥岸坡稳定性安全控制标准,按4种工况进行了稳定性计算,并与开州湖特大桥稳定系数控制标准(表2)进行比较,稳定性均满足安全控制标准。主塔选址K35+525距卸荷裂隙边界45 m,安全距离储备足够。计算结果详见表1。

表1 稳定性计算结果

表2 稳定系数控制标准

若主塔选择K35+505位置,除距离卸荷裂隙边界为65 m,安全距离储备更大外,其余地质条件与K35+525相似,但主跨由1100 m增大至1120 m,增加20 m,投资增加较大。

综上所述,瓮安岸坡岩层反倾为逆向坡,整体稳定性较好,稳定性计算满足安全控制标准。通过实测主塔左侧发育的溶洞,其距离主塔边缘40～45 m,已避开。主塔选址K35+505距离瓮安岸前缘卸荷裂隙距离边界为65 m,主塔选址K35+525距离卸荷裂隙距离边界为45 m,两者均已经避开卸荷裂隙,适宜桥梁主塔建设,但从节约投资角度出发,选择K35+525设置主塔较为合适。

3.2 开阳岸4#主塔位置研究

3.2.1 地形地貌

开阳岸主塔位于D2堆积体上,堆积体纵坡相对较缓,自然坡度约20°～30°,厚度13～35 m。后缘为陡崖,分布危岩体。

3.2.2 地层岩性

覆盖层为斜坡堆积块(碎)石土,下伏基岩为寒武系下统金顶山组(∈1j)页岩、泥岩、泥质灰岩。

3.2.3 地质构造

开阳岸为瓮绍背斜北西翼,为单斜岩层,倾角约25°,反倾向,倾向山里,利于边坡稳定。

3.2.4 不良地质

开阳岸对桥基及墩身影响大的不良地质主要为堆积体、危岩体。

堆积体D2:位于开阳岸陡崖下斜坡坡体上,堆积体长约500～800 m,宽500～700 m,厚13～35 m,物质成分为块石土。堆积体中块石含量大于65%,块径大者约4～12 m,成分为白云质灰岩、白云岩,其余为黏土、粉质黏土,间夹于块石间。其结构松散,沿斜坡分布,因重力作用下陡崖崩塌滚落堆积斜坡形成。钻探揭示其厚度18.5～35 m,在堆积体底部与基岩面接触部位为坡积层黄褐色硬-可塑状含碎石黏土,黏土中含约20%碎石。堆积体对桥基稳定性影响较大。

危岩体:堆积体后缘软硬岩层交界处形成的陡崖上多处分布危岩体,范围大小不一,部分岩体或呈“倒悬状”,或前缘临空,或被节理、裂隙切割成石笋状,在重力作用下易崩塌,沿斜坡滚落,尤其是中线及两侧30 m范围内的危岩体,对桥梁工程影响较大,须采取措施处理。

3.2.5 岸坡稳定性

开阳岸岩层反倾,为逆向坡,稳定性较好,控制岸坡稳定性的主要因素是堆积体,其稳定与否事关大桥建设成败。由于堆积体厚度较大,全部清除于费用、环保要求都不现实,因而选择处理费用最省的合适位置设置主塔成为最主要考虑因素之一。据《洛旺河特大桥岸坡稳定分析专题研究报告》,针对主塔位置K36+625岸坡,从定性、定量两方面采用过程机制分析法、工程类比法、极限平衡法、有限元法(数值分析法),依照《公路路基设计规范》(JTGD30—2015)、《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)、《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)等规范及贵州省近年来已建成或在建的特大桥岸坡稳定性安全控制标准,开州湖特大桥岸坡稳定系数控制标准选取见表2。经按5种工况进行了稳定性计算,并与稳定系数控制标准进行比较,稳定性均不满足相关规范要求,需对该不良地质体进行整治后方可建桥。计算结果详见表3。

表3 稳定性计算结果

另外,对主塔设置于K36+505、K36+645处,采用相同的方法,从定性、定量方面进行了分析、计算,稳定性同样不满足相关规范要求。

3.2.6 主塔位置比选

K36+505方案:位于堆积体中部,堆积体厚度大,基坑开挖面大,对堆积体扰动大。据《洛旺河特大桥岸坡稳定分析专题研究报告》,该堆积体稳定性均不满足相关规范要求,需对其进行处治后方可建桥。采用全清方或部分清方+支护,初步估算处理费用近亿元。全清方或部分清方+支护挖方量均较大,环保和弃渣处理问题突出,深基坑开挖引起的边坡问题复杂,处理难度大。

K36+625设置主塔,位置基本位于堆积体后缘,基坑开挖面标高基本与现有地貌一致,开挖面小,对堆积体扰动小,基坑四周开挖边坡相对低矮,处理措施相对简单,费用相对少(约6700万元),效果易控制。

K36+645方案:位于堆积体后缘靠近陡崖处,堆积体厚度较小。据《洛旺河特大桥岸坡稳定分析专题研究报告》,在稳定性方面,顺桥向边坡堆积体开挖后,后缘反倾岩质边坡稳定性好。横桥向边坡,左侧边坡高度仅20 m左右,稳定性较好。右侧横坡由于开挖后工程边坡较高,需要支护。在变形方面,边坡开挖后主墩位置后缘边坡及左侧边坡变形均较小,右侧边坡腰部变形最大有4 cm 左右,变形较大。桥梁荷载作用下,主塔变形较小,约5～7 mm。初步估算挖方及支护处理费用约5500万元,相对较少。但该位置过于靠近隧道进口,对隧道弃碴、隧道锚弃碴及隧道排水影响较大,大里程侧基坑开挖边坡与隧道干扰,施工难度较大。另外,由于该位置过于靠近堆积体后缘陡崖,毗邻陡崖上的危岩体,对桥梁工程影响较大,须采取措施处理,费用也较大。

综上所述,开阳岸主塔位置选址面临的问题既要兼顾边坡的整体稳定性,又要考虑桥梁结构对边坡变形的敏感性,同时也要考虑基坑大开挖对环境造成的影响和弃碴产生的工程问题,应从稳定性、变形、治理难度、工程规模及造价等方面综合考虑确定。为此,选择K36+625设置主塔较为合适。