莊旭峰　韋波立　田祖濤

(中國中鐵二院貴陽勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽　550000)

跳蹬河鐵路大橋孔跨布置為2×32 m+(52+88+52) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁+2×32 m+1×24 m，全長(zhǎng)360.1 m。本橋24 m、32 m簡(jiǎn)支梁采用圓柱面鋼支座，主橋連續(xù)梁采用LQZ(E)系列球形支座。3號(hào)為固定支座，4號(hào)為活動(dòng)支座。3號(hào)、4號(hào)橋墩采用圓端形空心橋墩，樁徑為1.5 m的鉆孔樁基礎(chǔ)。大橋橋址位于規(guī)劃區(qū)水庫庫區(qū)范圍內(nèi)(如圖1所示)。水庫蓄水后，將引起橋區(qū)地下水循環(huán)系統(tǒng)的變化，岸坡巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì)也隨之改變，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)將可能低于鐵路橋基岸坡的安全系數(shù)要求。其中3號(hào)墩臺(tái)岸坡為順向坡，受水位變化影響較大。準(zhǔn)確判定右岸岸坡蓄水后的穩(wěn)定性，對(duì)大橋及規(guī)劃水庫的正常運(yùn)行致為重要。

圖1　橋區(qū)三維地貌

1　地質(zhì)環(huán)境條件

1.1　地形地貌

橋址區(qū)屬云貴高原東部低中山切割地貌，大橋3號(hào)承臺(tái)位于跳蹬河高階地上，承臺(tái)高程1 178.64 m，溝谷正常水面高程1 141.4 m。區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體北西高南東低，地表水由西向東排泄。

1.2　地層巖性

橋址區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積(Q4dl+el)黏土、粉質(zhì)黏土。下伏基巖為：三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r、夜郎組(T1y)厚層狀灰?guī)r及二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)泥質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖及煤層。斷層破碎帶主要為黏性土夾碎塊石組成，結(jié)構(gòu)較松散，含水量較大，力學(xué)性質(zhì)較差。

1.3　地質(zhì)構(gòu)造

橋址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，跳蹬河右岸發(fā)育有跳蹬河1號(hào)正斷層及跳蹬河2號(hào)逆斷層。受斷層影響，右岸岸坡節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀為：N50°E/36°N，代表性節(jié)理產(chǎn)狀為：①N60°W/68°N、②E-W/61°S、③N25°E/60°S、④N40°W/47°N。

1.4　水文地質(zhì)條件

基巖裂隙含水量少。地下水受大氣降水及地表溝水補(bǔ)給，通過基巖裂隙、孔隙徑流，巖溶水通過巖溶管道向跳蹬河內(nèi)排泄，蓄水后補(bǔ)給條件將發(fā)生變化。

2　坡體結(jié)構(gòu)特征及破壞機(jī)理

2.1　結(jié)構(gòu)特征

在地殼抬升河谷強(qiáng)烈下切時(shí)期[1]，右岸邊坡卸荷強(qiáng)烈，受到后期右岸斷層的影響，巖體破碎，節(jié)理裂隙較為發(fā)育(如圖2所示)。

圖2　坡體結(jié)構(gòu)示意

巖層面和節(jié)理面的赤平投影如圖3所示。由各組結(jié)構(gòu)面的組合情況看，岸坡易產(chǎn)生較大的不穩(wěn)定塊體。

圖3　結(jié)構(gòu)面赤平投影

2.2　破壞機(jī)理分析

岸坡巖體在應(yīng)力釋放及重力等綜合因素作用下，向臨空方向卸荷回彈變形明顯，使得卸荷裂隙較發(fā)育；另外，石灰?guī)r溶蝕裂隙(凹腔)較發(fā)育。這些裂隙與層面(層間錯(cuò)動(dòng)帶)、構(gòu)造裂隙等構(gòu)成了岸坡失穩(wěn)的邊界條件。加之卸荷風(fēng)化等表生改造作用[2]，使得邊坡淺表部的巖體結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，變形破壞多樣化。推測(cè)岸坡的破壞模式為整體滑移剪切破壞模式：岸坡順坡方向存在強(qiáng)卸荷裂隙，裂隙順坡向延伸較好，將石灰?guī)r切分成板裂狀，淺表部強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷，呈碎裂狀。岸坡的失穩(wěn)方式是：沿順坡向卸荷面滑動(dòng)(蠕滑)，剪斷巖體鎖固段，然后沿石灰?guī)r層面整體剪出而滑落(如圖4所示)。蓄水后，在靜水及動(dòng)水壓力作用下，卸荷裂隙發(fā)展到一定的連通率時(shí)，岸坡將失穩(wěn)。

圖4　整體剪出失穩(wěn)模式示意

3　岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1　參數(shù)的選取

巖土體物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確度是岸坡穩(wěn)定性計(jì)算的關(guān)鍵，結(jié)合試驗(yàn)資料，類比相似工程，并查閱相關(guān)規(guī)范，得到蓄水前后岸坡巖體物理力學(xué)參數(shù)(如表1、表2所示)。

表1　蓄水前巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2　蓄水后巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2　模擬分析

模擬蓄水前后岸坡坡體內(nèi)部的應(yīng)力、變形等分布特征，根據(jù)研究材料的特性，使用相應(yīng)的本構(gòu)方程，比較真實(shí)達(dá)到實(shí)際材料的力學(xué)變形效果[3]。

(1)模型建立

通過對(duì)地質(zhì)原型進(jìn)行概化，岸坡模型分為三塊：龍?zhí)督M的炭質(zhì)頁巖、斷層破碎帶、順坡向厚層狀石灰?guī)r。建立模型并進(jìn)行離散化(如圖5所示)，模型離散節(jié)點(diǎn)總數(shù)11 233個(gè)，單元格總數(shù)22 124個(gè)。

圖5　岸坡離散化模型

(2)邊界條件的確定

考慮岸坡水平荷載191.56 kN/m，垂向荷載9 361.7 kN/m及自重，不考慮構(gòu)造應(yīng)力。模型側(cè)緣底部均采用約束邊界，側(cè)緣分別提供Y方向和X方向約束，底面采用固定約束。

(3)云圖分析

蓄水前：由順坡向位移云圖(如圖6所示)看出：蓄水前岸坡在重力下變形量較小，斷層破碎帶上部會(huì)出現(xiàn)微小變形。

圖6　蓄水前順坡向位移云圖

蓄水后：岸坡蓄水后，坡體垂向應(yīng)力重新分布，坡體肩部和坡腳出現(xiàn)張拉變形區(qū)，斷層與灰?guī)r接觸帶出現(xiàn)應(yīng)力峰值(如圖7所示)。由圖8、圖9可以看出岸坡易沿層面出現(xiàn)較為明顯的位移。在層面附近出現(xiàn)較大的塑性變形區(qū)。

圖7　蓄水后垂向應(yīng)力分布

圖8　蓄水后順坡向位移云圖

圖9　蓄水前橫坡向位移云圖

通過模擬分析得出：①蓄水后岸坡出現(xiàn)較大變形；②找到了最不利結(jié)構(gòu)面。

3.3　穩(wěn)定性計(jì)算

(1)計(jì)算模型

結(jié)合岸坡的地形、巖體結(jié)構(gòu)及模擬結(jié)果，得出簡(jiǎn)化計(jì)算模型(見圖10)。

圖10　穩(wěn)定性計(jì)算模型

(2)計(jì)算結(jié)果

采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中坡體穩(wěn)定性計(jì)算公式[4]，得出蓄水前后岸坡穩(wěn)定性系數(shù)(見表3、表4)。

表3　蓄水前岸坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表4　蓄水后岸坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

(3)結(jié)果分析

岸坡在蓄水后穩(wěn)定系數(shù)小于1.35，低于鐵路大橋岸坡的安全系數(shù)。

4　結(jié)束語

通過以上分析，可以得出：①蓄水后跳蹬河大橋岸坡的穩(wěn)定系數(shù)低于了鐵路大橋岸坡的安全系數(shù)；②模擬分析能夠直觀的反應(yīng)坡體內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的分布特征；③模擬分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合能夠較為準(zhǔn)確的判斷岸坡的穩(wěn)定性，找出最不利結(jié)構(gòu)面，指導(dǎo)工程建設(shè)。

[1]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1993

[2]黃潤(rùn)秋，許強(qiáng).中國典型災(zāi)難性滑坡[M].北京：科學(xué)出版社，2008

[3]劉波，韓彥輝(美國).FLAC原理、實(shí)例及應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005

[4]鄭慶生，鄭穎人，李耀剛，等.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002