深切河谷岸坡稳定性分析

陈 江，段光武

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引言

成贵高铁设计速度为250km/h，在毕节市大方县跨越西溪河深切河谷，河谷下切深度达260 余m，河谷两岸悬崖绝壁高达180 余m，大部分悬崖近于90°直立，崖壁及崖顶发育卸荷裂隙及节理，两岸岸坡的稳定性决定桥址可行性、桥跨大小及技术难度，设计按分析得出的岸坡稳定线进行设计，2019 年建成通车，现状使用良好。

1 工程概况

1.1 工点概况

成都至贵阳高铁乐山至贵阳段正线全长约515km，设计时速250km/h，西溪河大桥全长493.60m，轨面至河面高差255.7m，主跨240m。孔跨式样为3×32m简支箱梁+1×240m 上承式钢管混凝土拱桥+4×32m 简支箱梁，属大跨特殊结构重点桥梁。

1.2 地形地貌

桥址区属高原侵蚀、溶蚀深切河谷地貌，西溪河下切深度达260 余m，成都岸绝壁高137m，坡度60°～85°，贵阳岸绝壁高141m，一面直立崖壁至顶，局部倒悬。西溪河长年流水，流量随季节变化较大，平常流量较小[1]。

1.3 地层岩性

桥址河床内为第四系冲洪积（Q4al+pl）粉质黏土及卵石土，两岸斜坡零星覆有第四系全新统坡残积（Q4dl+el）红黏土。大桥两端桥台处基岩有三叠系下统永宁镇组二段（T1yn2）泥岩、泥质白云及泥质灰岩；河谷两岸绝壁及壁顶上部斜坡基岩为三叠系下统永宁镇组一段（T1yn1）石灰岩，该地层为全桥各墩台基础持力层，也是决定河谷两岸岸坡稳定性的主要地层；河床及两侧高约35m 范围为三叠系下统夜郎组三段（T1y3）泥岩、砂质泥岩。

1.4 地质构造及地震

1.4.1 地质构造

桥址区无断裂构造，岩层倾角平缓起伏变化，成都岸灰岩产状为N20°～50°E/4°～7°SE，贵阳岸灰岩产状为N30°～70°W/4°～6°SW，河底测到泥岩产状为N80°W/4°SW。

成都岸陡崖主要节理为N20°E/90°、N85°E/90°，节理间距0.5～2.0m，延伸长度3～15m，贯通性较好，微张至张开型，其中N20°E/90°走向与河谷走相近。

贵阳岸悬崖顶上发育N20°W/90°、N20°E/90°、N50°W/90°、N40°E/90°、N60°E/90°等节理，间距为2.0～5.0m，长度大于5m，其中N20°W/90°节理面与陡崖面相近一致，其贯通性较好，几组节理相互组合对岸坡稳定性影响较大。

1.4.2 地震

对近场地震资料分析得知，近场迄今仅发生过1次Ms≥4.7 级破坏性地震。自20 世纪70 年代至今，近场内记录到的地震约63.64%为ML＜3.0 级的小震活动，ML≥3.0 级地震约占36.36%左右；迄今为止，记录到的最大地震是1930 年9 月23 日发生在近场东北部的贵州金沙级破坏性地震。

1.5 不良地质

1.5.1 岩溶

桥址区主地层为三叠系下统永宁镇组一段（T1yn1）石灰岩，根据地表溶蚀、岩溶形态及钻孔揭示溶洞遇洞率，桥址区岩溶发育程度为中等[2]。

15.2 卸荷裂隙

由于河流深切，河谷两岸形成高陡临空面，岩体应力释放和调整产生裂隙，受重力、风化及岸坡的物理地质作用裂隙进一步张开，张开宽度往往上宽下窄，形成卸荷裂隙[3]。

桥址区河谷两岸陡立、直立的绝壁上部发育较多卸荷裂隙，卸荷裂隙主要沿陡倾节理扩张，成都岸卸荷裂隙主要沿N20°E/90°节理扩张形成，张开宽度约5～20cm，深度约大于20m；贵阳岸卸荷裂隙主要沿N20°W/90°、N20°E/90°、N40°E/90°节理扩张形成，张开宽度为5～40cm，深度大于30m。

1.6 水文地质特征

西溪河属长江流域乌江水系，下游汇入乌江源，雨季洪水来时汛猛，雨后消退也快，是典型的山区河流，平常流量较小，枯水季节水深仅0.1～1.0m。

地下水主要为岩溶裂隙水和基岩裂隙水，由于河谷深，排泄基准面低[4]，河谷两岸岩溶裂隙水和基岩裂隙水受大气降雨补给后快速沿岩溶通道、节理裂隙径流排泄于西溪河，常以岩溶下降泉的形式流出，多在河谷两岸近底部的灰岩与泥岩接触带出露。

1.7 岩体结特征分析

通过巴顿（Barton）模型的等效抗剪强度计算，西溪河大桥岸坡岩体以灰岩为主，两岸绝壁发育N20°E/90°、N40°E/90°、N60°E/90°、N20°W/90°、N50°W/90°等卸荷裂隙及节理，间距为2.0～5.0m 或大于5m，其中N20°E/90°、N20°W/90°两组卸荷裂隙面与陡崖面近一致，延伸性、贯通性较好，张开宽度5～30cm，其他方位裂隙卸荷面较少，延伸性较差。

2 岸坡岩体赤平投影分析

2.1 成都岸赤平投影分析

成都岸赤平投影如图1 所示，表1 为成都边坡岩体片（节）理走向和倾角倾向，表2 为成都边坡岩体片（节）理交线走向和交线倾角倾向。对此进行分析，可知存在直角倾角岩层，由图1 可见坡面投影区穿越单滑面1、2、3，双滑面13、23，以及坠落体G，故不在边坡面上形成滑塌体，而只有双滑面12（层理L 和节理J1 共同切割所形成的楔形体）的滑塌形式是在边坡临空面出露的潜在滑塌体，且滑动方向仅沿滑面1 即层理面方向滑动，滑面2 在此处仅起切割岩体的作用，潜在滑动方向与线路走向夹角为58°。但由于滑面1（即被层理L 所在平面所切割构成的滑面）的稳定系数为9.14，故西溪河特大桥成都端岸坡不会产生滑塌现象[5]。

表1 成都边坡岩体片（节）理走向和倾角倾向

表2 成都边坡岩体片（节）理交线走向和交线倾角倾向

图1 成都岸赤平投影

2.2 贵阳岸赤平投影分析

贵阳岸赤平投影如图2 所示，表3 为贵阳边坡岩体层（节）理走向和倾角倾向，表4 为贵阳边坡岩体层（节）理交线走向和交线倾角倾向。对此进行分析，可知存在直角倾角岩层，由图2 可见坡面投影区穿越单滑面1、2、3，双滑面13、23，以及坠落体G，故不在边坡面上形成滑塌体，而只有双滑面12（层理L 和节理J1 共同切割所形成的楔形体）的滑塌形式是在边坡临空面出露的潜在滑塌体，且滑动方向仅沿滑面1 即层理面方向滑动，滑面2 在此处仅起切割岩体的作用，潜在滑动方向与线路走向夹角为40°。但由于滑面1（即被层理L 所在平面所切割构成的滑面）的稳定系数为22.42，故西溪河特大桥贵阳端端岸坡不会产生滑塌现象。

表3 贵阳边坡岩体层（节）理走向和倾角倾向

表4 贵阳边坡岩体层（节）理交线走向和交线倾角倾向

图2 贵阳岩赤平投影

3 岸坡稳定性数值计算分析

3.1 有限元数值模拟分析

有限元数值计算分析如下。

（1）大桥两岸岸坡在自然状态下，岸坡岩体的应力场、变形场分析结果显示为稳定。

（2）成都岸开挖、加载状态下强度分析如图3 所示，主桥墩基础底部岩体在桥梁荷载作用下出现剪切破坏区，在陡坡坡脚坡面线转折部位也出现剪切破坏现象。分析结果符合荷载作用下岸坡岩体应力分布规律，强度特征状态。两剪切破坏部位不存在贯通性破坏联系。建议对主桥墩基础岩体加固处理，提高岩体剪切强度。

图3 成都岸开挖、加载状态下强度分析

（3）贵阳岸开挖、加载状态下强度分析如图4 所示，主桥墩基础底部岩体在桥梁荷载作用下出现剪切破坏区，在陡坡坡脚坡面线转折部位上下方也出现剪切破坏现象。分析结果符合荷载作用下岸坡岩体应力分布规律，强度特征状态。两剪切破坏部位不存在贯通性破坏联系。建议对主桥墩基础岩体加固处理，提高岩体剪切强度。对坡脚上方出现剪切破坏坡面适当加固处理，增强坡面稳定性。

图4 贵阳岸开挖、加载状态下强度分析

3.2 离散元数值模拟分析

（1）成都岸在自然状态下模拟过程中相对时间t=6400、7400、8400 次时，模型的位移变化不大，且模型的不平衡力已经为0，说明成都端岸坡在自然状态下稳定，与实际情况相符。

（2）贵阳岸在自然状态下模拟过程中相对时间t=3800、4800、5800 次时，模型的位移变化不大，且模型的不平衡力已经为0，说贵阳端岸坡在自然状态下稳定，与实际情况相符。

在桥基开挖加载的状态下，贵阳端岸坡岩体的位移小于4.5cm，成都端岸坡岩体的位移小于20cm.，岸坡稳定性较贵阳端稍差，可以认为该桥位两端岸坡整体是稳定的。需对桥基岩体加固处理，提高岩体强度[6]。

4 结论

（1）综合岩体质量分析，工程地质对比和地质模型模拟分析，建议成都端岸坡稳定角为65°左右，贵阳端岸坡稳定角为70°左右。

（2）成都端及贵阳端岸坡岩体的剪切破坏均是由于施加桥荷载后，桥基础周围岩体强度偏低所致，故建议尽可能减小桥荷载，并在两端拱座基底进行适当加固，以减少桥荷载对岸坡表层岩体的影响，还应注意对陡崖下方的坡脚处进行适当加固。

综上所述，岩性、地质构造、卸荷裂隙及其他不良地质是影响岸坡稳定的主要因素，实地查清影响因素是分析岸坡稳定的基本条件。