蘇生瑞，李松，郝莉莉，梅海

(長安大學(xué)地質(zhì)工程系，陜西西安710054)

2008年汶川8.0級地震造成了慘重的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。汶川地震使交通基礎(chǔ)設(shè)施損毀十分嚴(yán)重，僅在四川省就造成21條高速公路、16條國道省干線公路、24 000 km農(nóng)村公路的路基路面、橋梁隧道等結(jié)構(gòu)物不同受損，損壞國省干線橋梁670座[1]，位于彭州市小魚洞鎮(zhèn)境內(nèi)的小魚洞大橋即是損壞的橋梁之一。

小魚洞大橋是龍門山鎮(zhèn)、小魚洞鎮(zhèn)近3萬群眾和數(shù)10萬游客進(jìn)出龍門山風(fēng)景名勝區(qū)的必經(jīng)之路。該大橋于1998年開工修建，1999年竣工通車，汶川地震中發(fā)生嚴(yán)重破壞不能通行，已經(jīng)被列為地震遺址之一。災(zāi)后，已經(jīng)在其東部新建了通往小魚洞的大橋。

小魚洞大橋主體位于小魚洞斷裂上盤，引橋段橫跨該斷裂。小魚洞斷裂是汶川地震中產(chǎn)生的一條NW向帶有逆沖垂直分量、左旋走滑性質(zhì)的新生斷裂帶，前人多稱為小魚洞地表破裂帶[2－3]。

對于小魚洞斷裂，前人主要研究了其滑動矢量[4]和地質(zhì)特征及形成機理[2，5]。關(guān)于小魚洞大橋的破壞，在前人的研究中主要是把它當(dāng)做一斷層上的一個破裂點?，F(xiàn)場調(diào)查表明，位于斷裂上盤的小魚洞大橋的破壞包含了十分豐富的關(guān)于地震破裂的災(zāi)害效應(yīng)的信息，除了地表破裂帶對其產(chǎn)生錯斷外，還有其他因素的作用。自汶川地震發(fā)生以來，已經(jīng)有大量的關(guān)于地震地表破裂、地震成因、地震引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害等方面的研究成果發(fā)表，這些成果無疑對于認(rèn)識這次地震的機理及其災(zāi)害效應(yīng)具有重要的作用，但是，尚缺乏對典型工程的地震災(zāi)害和斷裂錯動災(zāi)害效應(yīng)的深入研究。在橋梁震害研究方面，王再榮等基于近年來國內(nèi)外幾次大地震災(zāi)害梁式橋的震害資料，對梁式橋震害現(xiàn)象進(jìn)行了分類，并分析了其原因[6]。本文以汶川地震中遭受嚴(yán)重破壞的小魚洞大橋為研究對象，研究地震中大橋的變形破壞現(xiàn)象、變形破壞的特點和發(fā)生變形破壞的機理，這些研究對于進(jìn)一步深入研究地震機理、地震時的地面運動規(guī)律、地震災(zāi)害效應(yīng)和工程抗震設(shè)計有十分重要的意義。

1 橋址區(qū)地質(zhì)概況

小魚洞橋位于彭州市小魚洞鎮(zhèn)主街道以南，橫跨湔江。橋址區(qū)出露地層為二疊系上統(tǒng)、三疊系上統(tǒng)須家河組和第四系全新統(tǒng)(圖1)。二疊系上統(tǒng)為燧石灰?guī)r、頁巖和煤層及下統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。三疊系上統(tǒng)須家河組由頁巖、巖屑砂巖和煤層及下統(tǒng)紫灰色泥巖、粉砂巖和灰色白云質(zhì)灰?guī)r組成。第四系全新統(tǒng)由亞砂土和亞粘土組成，主要集中在湔江兩岸。

圖1 小魚洞大橋橋址區(qū)地質(zhì)示意圖

橋址區(qū)位于龍門山中央斷裂和龍門山前山斷裂之間，巖層走向NNE－SSW，傾向NWW，傾角較陡，一般為45°～75°。小魚洞斷裂長約6 km，走向NW－SE，NW端終止于龍門山中央斷裂，SE向終止于龍門山前山斷裂，運動性質(zhì)為左旋走滑兼逆沖分量，主要由地表彎曲滑動褶皺構(gòu)造組成。破裂變形帶寬度5～20 m，顯示斷層西南盤抬升，陡坎坡度在30°～35°，東北盤下降，橫切公路、田坎、圍墻、白水河河流階地和高漫灘，形成陡坎或跌水等景觀，處于斷裂帶上的建(構(gòu))筑物遭致嚴(yán)重毀壞，坎上莊稼、樹木呈“醉漢林”倒伏[2，7]，處于上盤的小魚洞大橋發(fā)生嚴(yán)重破壞。

2 小魚洞大橋變形破壞現(xiàn)象

小魚洞大橋全長187 m，橋中軸線總體走向265°，屬鋼架拱橋，主橋為4跨(本文將其自西向東分別命名為第1、第2、第3和第4跨)，每跨長度40 m(圖2a)，橋面寬12 m，橫橋向由5片拱肋組成。汶川地震中，小魚洞大橋的變形破壞主要有如下幾個方面(圖2b、2c)。

圖2 小魚洞大橋地震前縱剖面圖(a)和地震后平面圖(b)及縱剖面圖(c)

(1)梁體塌落。第1跨和第2跨從中部折斷后坍塌，落于河床，縱剖面上組合成“W”形(圖3)。

(2)引線段斷裂，形成斷坎。小魚洞斷裂通過引線段，表現(xiàn)為兩條近平行的逆斷層(分別表示為F1和F2，見圖2)，間距9.0 m，走向分別為122°和135°。兩條斷層之間形成高差0.5 m的向下盤方向傾斜的斷坎(圖4)，造成西側(cè)(斷層上盤)路面抬升。該處除發(fā)生逆斷層式錯斷外，還表現(xiàn)出左行錯動，其中F1左行錯動約0.18 m，F(xiàn)2左行錯動0.03 m。據(jù)此，該處垂直斷距0.5 m，水平斷距0.21 m，顯示其錯動是以逆斷為主，兼有左旋走滑。根據(jù)兩條斷層的間距和斷坎高度，計算得出該處路面縮短約0.014 m(圖5)。

(3)邊坡坍塌。引線發(fā)生斷裂處南側(cè)的邊坡坍塌(圖4)，坍塌段長度10 m，西端起于F1斷層，東端止于F2斷層?xùn)|約0.5 m，最大寬度2.4 m。

(4)路面出現(xiàn)縱向拉裂。裂縫長度約23 m，最大寬度約15 cm(圖6)，東端至于F1斷層，西端達(dá)橋臺附近。裂縫北側(cè)混凝土路面隆起，而且護欄呈向上彎曲的形態(tài)。

(5)蓋梁與橋臺之間右行錯動。第4跨的東側(cè)蓋梁與橋臺之間發(fā)生右行錯動，錯動距離30 cm(圖7)。

(6)伸縮縫拉開并發(fā)生左行錯動。第3跨和第4跨之間的伸縮縫拉開約38 cm(圖8)，裂口形狀呈上寬下窄“V”字形，同時，左行錯動13 cm。

(7)橋臺搭板移位。東側(cè)橋臺的搭板出現(xiàn)在橋面上(圖9)，而且撞擊護欄，搭板撞擊護欄的方位為286°。

圖3 西側(cè)兩跨整體垮塌(鏡向W)

4引線段斷裂形成斷坎，護坡坍塌(鏡向NW)

圖5 路面錯斷剖面示意圖

圖6 路面縱向拉裂(鏡向NW)

圖7 橋梁右行錯位30 cm(鏡向NE)

圖8 伸縮縫拉裂并發(fā)生左行錯動(鏡向NW)

圖9 橋臺搭板飛落到橋面上并撞擊護欄(鏡向SE)

3 小魚洞大橋變形破壞特點

從前述變形破壞現(xiàn)象可以看出，小魚洞大橋在該地震中表現(xiàn)出復(fù)雜多樣的變形破壞現(xiàn)象。通過對這些現(xiàn)象的分析，認(rèn)為小魚洞大橋變形破壞的特點主要表現(xiàn)為擠壓與拉張現(xiàn)象并存、左行與右行現(xiàn)象并存和水平振動與垂直振動并存。

(1)擠壓與拉張現(xiàn)象并存。大橋引線段，小魚洞斷裂通過處主要呈逆斷層形式，屬于典型的擠壓構(gòu)造現(xiàn)象，表明有與大橋近于平行的擠壓作用，引線段路面的縱向拉裂(圖6)也與和大橋近于平行的擠壓作用有關(guān)。而大橋第3跨和第4跨之間的伸縮縫張開，且剖面上呈上寬下窄的“V”字形，屬于拉張現(xiàn)象，表明有與大橋近于平行的拉張作用。

(2)左行與右行現(xiàn)象并存。大橋引線段，小魚洞斷裂通過處主要除表現(xiàn)為逆斷層形式外，還具有左行平移的特點;第3跨和第4跨之間的伸縮縫除拉張外，還表現(xiàn)為左行錯動。在這兩處平移錯動之間，第4跨的東側(cè)蓋梁與橋臺之間發(fā)生右行錯動。

(3)水平向振動與豎向振動并存。橋臺搭板系鋼筋混凝土板，厚度8 cm，寬度與橋面寬度相同，頂面和橋面在同一平面上，兩者之間的接縫垂直于橋面。地震后，橋臺搭板出現(xiàn)在其西側(cè)的橋面上(圖9)表明搭板在地震力的作用下不僅發(fā)生了水平運動，而且發(fā)生了豎向的運動，即首先通過豎向運動脫離橋臺，然后通過水平運動飛落于橋面上。

4 小魚洞大橋變形破壞機理

小魚洞大橋的上述變形破壞現(xiàn)象和規(guī)律表明，地震時該橋受到了復(fù)雜的力學(xué)作用，不僅有水平擠壓作用，而且有豎向和水平向的振動作用以及水平剪切作用。

(1)NE-SW向的水平擠壓作用。表現(xiàn)為形成斷坎，擠壓作用力方向與橋的走向呈銳夾角相交。由于擠壓，使位于小魚洞斷裂上盤的大橋局部拱起，第3跨和第4跨之間的伸縮縫被拉開;同時，使引線段(兩側(cè)均為邊坡，沒有約束)派生出近于垂直于公路的拉應(yīng)力，出現(xiàn)縱向拉裂破壞(圖10)。

圖10 小魚洞大橋變形破壞的力學(xué)模式

(2)豎向和水平向振動作用。在豎向地震力作用下，橋臺搭板脫離橋臺，并被拋到空中，然后，搭板在重力作用下下落的同時，受水平地震力作用，地面發(fā)生向橋臺方向的水平運動，使搭板落在橋面上(圖11)。

(3)NWW－SEE向的左行剪切作用。小魚洞斷裂發(fā)生逆沖運動的同時，上盤發(fā)生NWW－SEE的左行剪切作用。剪切作用一方面使橋梁和其引線部分左行運動(向NWW方向)，另一方面使橋臺搭板下落到橋面后沿剪應(yīng)力作用的方向撞擊北側(cè)的護欄。由于橋梁的第3跨與第4跨之間以及第4跨的蓋梁與橋臺之間沒有連接措施，橋梁及其引線的左行運動沒有同步發(fā)生，第4跨的運動慢于第3跨和引線段，從而造成第4跨呈現(xiàn)向SEE向運動的現(xiàn)象(圖11)。

圖11 橋臺搭板地震前和地震后的位置及其運動軌跡

5 結(jié)論

在2008年汶川特大地震中遭受嚴(yán)重破壞的小魚洞大橋遺址包含了豐富的地震災(zāi)害信息。實地調(diào)查結(jié)果表明，小魚洞大橋在汶川地震中表現(xiàn)出復(fù)雜多樣的變形破壞現(xiàn)象，并表現(xiàn)出擠壓與拉張現(xiàn)象并存、左行與右行現(xiàn)象并存和水平向振動與豎向振動并存的變形破壞特點。地震時小魚洞大橋受到了復(fù)雜的力學(xué)作用，不僅有水平擠壓作用，而且有豎向和水平向的振動作用以及水平剪切作用。

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