但路昭，鄧 琴，吳振君

(1.云南大永高速公路建設(shè)指揮部，云南 大理 671000; 2. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430071)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，高速公路正如火如荼地建設(shè)。同時(shí)，高速公路沿線的橋梁比例也不斷增大，橋梁跨度也在不斷增加[1]。目前關(guān)于橋梁岸坡的穩(wěn)定性研究主要沿用了傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法，主要包括工程地質(zhì)類比法[2]、極限平衡法[3]和強(qiáng)度折減法[4]。然而，當(dāng)橋梁位于水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)，橋址岸坡就會(huì)處于庫(kù)水浸泡狀態(tài)。因此，庫(kù)岸再造和邊坡穩(wěn)定性是分析岸坡穩(wěn)定的重要指標(biāo)[5,6]。目前庫(kù)岸再造預(yù)測(cè)已經(jīng)積累了多種方法，主要有卡丘金法[7]、岸坡結(jié)構(gòu)法[8]和兩段法[9]等。其中，卡丘金法適用于黃土類土層及平原地區(qū)水庫(kù)的塌岸預(yù)測(cè)，也可用于南方山區(qū)峽谷型水庫(kù)的塌岸預(yù)測(cè)，但是預(yù)測(cè)結(jié)果偏于安全。岸坡結(jié)構(gòu)法是由許強(qiáng)等提出的，適用于類似三峽這種山區(qū)河道型水庫(kù)的塌岸預(yù)測(cè)。坡兩段法由王躍敏等提出，主要適用于我國(guó)南方山區(qū)峽谷型水庫(kù)坍岸的預(yù)測(cè)。因此每種方法都有自己的適用條件，需結(jié)合地質(zhì)進(jìn)行選用。

擬建濤源金沙江大橋位于魯?shù)乩娬編?kù)區(qū)內(nèi)。該水電站的正常蓄水使得橋梁岸坡處于浸泡狀態(tài)。一旦岸坡失穩(wěn)將直接威脅到大橋的正常運(yùn)行，因此岸坡的穩(wěn)定性是建設(shè)金沙江大橋所面臨和必須解決的工程地質(zhì)問題之一。本文將首先對(duì)橋梁岸坡庫(kù)岸再造分析，然后對(duì)再造后的岸坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。計(jì)算結(jié)果對(duì)于橋梁建設(shè)提供指導(dǎo)性建議。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

濤源金沙江大橋位于華坪至麗江高速公路K76+438處，為跨越金沙江所設(shè)，是整條路線的控制性工程之一。橋位處地勢(shì)起伏較大，為典型的“V”形河谷地段，河谷內(nèi)為魯?shù)乩娬拘钏畮?kù)淹沒區(qū)，江面寬度約400 m。濤源金沙江大橋軸線大致為南北向，南岸為賓川岸，北岸為永勝岸，如圖1所示。

1.2 工程存在的問題

濤源金沙江大橋賓川岸位于歷史滑坡堆積體和古堰塞湖沉積聯(lián)合作用形成的厚層堆積體上，上部靠近山體的部分主要是崩塌錯(cuò)動(dòng)破碎巖體，有潛在安全問題；永勝岸主要為相對(duì)較完整的泥盆系，中風(fēng)化灰?guī)r，巖體穩(wěn)定性較好。

強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)、河流下切侵蝕、歷史崩滑和古堰塞湖綜合形成橋址區(qū)巨厚碎石、塊石和粉質(zhì)黏土混合堆積體，長(zhǎng)期地質(zhì)演化過程中，這些巨厚松散體邊坡多處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，在地表水體和降雨作用下，形成多期崩滑蠕變運(yùn)動(dòng)。工程建設(shè)的擾動(dòng)會(huì)極大地惡化和改變當(dāng)前巨厚堆積體邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)前緣巨厚堆積體邊坡的運(yùn)動(dòng)又會(huì)牽引靠近山體的崩塌錯(cuò)落體的變形加劇，這些均極大地威脅濤源金沙江賓川岸橋基安全(見圖2)。因此，需要研究歷經(jīng)多期運(yùn)動(dòng)的巨厚堆積體邊坡與橋基相互作用下的安全性問題。

圖2 庫(kù)岸邊坡的多期運(yùn)動(dòng)跡象Fig.2 Historical multi-period motion signs of reservoir bank slope

水庫(kù)的存在使得橋址區(qū)存在典型的長(zhǎng)期庫(kù)岸穩(wěn)定問題和塌岸對(duì)橋基邊坡穩(wěn)定的影響問題(見圖3)。因此，需要評(píng)價(jià)地表水體對(duì)堆積體的長(zhǎng)期侵蝕和沖刷的影響，同時(shí)這些長(zhǎng)期作用會(huì)造成橋基庫(kù)岸的影響范圍，不同橋基位置對(duì)該問題的安全響應(yīng)。

圖3 塌岸問題Fig.3 Bank collapse

2 庫(kù)岸再造預(yù)測(cè)

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)前述的工程介紹，選取賓川岸的橋軸線剖面進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 賓川岸地質(zhì)剖面圖(單位：m)Fig.4 Geological section of Binchuan slope

從圖4可以看出，賓川岸邊坡從坡表至下100 m左右以碎石為主，夾雜少量的卵石和角礫巖，基巖主要是灰?guī)r，據(jù)此建立計(jì)算模型如圖5所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

目前在賓川岸下邊坡上部碎石土取樣進(jìn)行了松散碎石土的部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到自然條件下碎石土的內(nèi)摩擦角在32°～35°之間，飽和條件下碎石土的內(nèi)摩擦角在22°～25°之間。因橋位區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，且不同部位的碎石土強(qiáng)度參數(shù)差異較大，因此結(jié)合工程類比及反分析確定巖土層的參數(shù)，如表1所示。其中反分析原則是考慮原始邊坡在自然狀態(tài)和地震作用下安全系數(shù)均大于1，且地震時(shí)按Ⅶ度地震烈度考慮，峰值地震加速度取0.15[10]，地震效應(yīng)折減系數(shù)取0.25。

圖5 賓川岸計(jì)算模型圖Fig.5 Calculation model of Binchuan slope

地層內(nèi)聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)備注碎石土3833自然塊石土3532飽和狀態(tài)粉土3022飽和狀態(tài)粉砂1225飽和狀態(tài)

2.3 計(jì)算原理

庫(kù)岸再造是一個(gè)復(fù)雜、長(zhǎng)期的歷史過程，受到區(qū)域、地質(zhì)、岸坡結(jié)構(gòu)與材料和水等大量因素的影響，王躍敏等[9]通過研究表明，“兩段法”適用于我國(guó)南方山區(qū)，且岸坡材料主要為黏性、碎石和砂性土等的峽谷型水庫(kù)。濤源金沙江大橋岸坡剛好符合“兩段法”的適用條件，因此這里選用“兩段法”進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

“兩段法”的圖解過程如圖6所示，計(jì)算步驟為：①選取原河道多年最高洪水位與岸坡的交點(diǎn)為起點(diǎn)，以水下岸坡穩(wěn)定角α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線，該線延伸至設(shè)計(jì)洪水位加毛細(xì)水上升高度的高程點(diǎn)B；②以B點(diǎn)為起點(diǎn), 以水上穩(wěn)定岸坡角β角為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線, 該線與原岸坡的交點(diǎn)C即為水上穩(wěn)定岸坡的終點(diǎn)。③水上穩(wěn)定岸坡線的起點(diǎn)B的高程所對(duì)應(yīng)的原岸坡點(diǎn)D與該線終點(diǎn)C之間的水平距離, 即為“兩段法”預(yù)測(cè)的坍岸寬度Sk。

圖6 “兩段法”預(yù)測(cè)塌岸寬度圖解[8]Fig.6 Width of bank caving predicted by Two Section Method[8]

2.4 再造預(yù)測(cè)

根據(jù)2.3節(jié)的敘述，預(yù)測(cè)需要首先確定A點(diǎn)以及α角。根據(jù)勘察及水文資料，選取灰?guī)r與飽和碎石土在坡表交界處為A點(diǎn)。水下岸坡穩(wěn)定角α參考其他岸坡地質(zhì)調(diào)查得到的水下穩(wěn)定坡腳統(tǒng)計(jì)資料[8]，結(jié)合橋位區(qū)碎石土具體情況，對(duì)剖面的水下穩(wěn)定坡腳取α=26°。由于岸坡材料為碎石土，因此這里認(rèn)為毛細(xì)水上升高度H′=0。

水上穩(wěn)定坡角β采用綜合計(jì)算法，用增大內(nèi)摩擦角的方法來考慮凝聚力c的影響，用式(1)計(jì)算β，通過計(jì)算得到碎石土的水上穩(wěn)定坡腳β=33°。

β=arctan [tanφ+c/(γH)]

(1)

據(jù)此，得到賓川岸岸坡的塌岸寬度示意圖7所示。庫(kù)岸再造寬度為40 m，橋梁主塔距庫(kù)岸邊緣約150 m，在庫(kù)岸再造影響范圍之外。

3 再造邊坡的穩(wěn)定性分析

建立賓川岸庫(kù)岸再造后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，如圖8所示。穩(wěn)定性計(jì)算采用畢巧普法自動(dòng)搜索滑面，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，分析的4種計(jì)算工況下，庫(kù)岸再造后的邊坡均能達(dá)到工程穩(wěn)定性要求[10]，庫(kù)岸再造后的坡形就是穩(wěn)定坡形。

圖7 賓川岸岸坡塌岸寬度(單位:m)Fig.7 Width of bank caving predicted of Binchuan slope

圖8 考慮庫(kù)岸再造的邊坡模型Fig.8 Slope model by Reservoir bank rebuilding

工況自然地震水位驟降5m水位驟降10m安全系數(shù)1．321．041．241．16水面坡腳-滑面后緣距離/m75985048橋梁主塔基礎(chǔ)距庫(kù)岸再造邊線距離/m138

從計(jì)算結(jié)果可知，水面坡腳到水庫(kù)塌岸影響的最大水平距離40 m，庫(kù)岸再造后邊坡的最不利滑動(dòng)面揭示的影響范圍最大為98 m，則兩者總和作用造成的最大安全距離為138 m，小于橋梁主塔距庫(kù)岸邊緣的距離(150 m)，因此橋基是穩(wěn)定的。

4 結(jié) 語(yǔ)

庫(kù)區(qū)水會(huì)橋址岸坡的穩(wěn)定性造成一定影響。本文以擬建的濤源金沙江大橋賓川岸橋基岸坡為研究對(duì)象，開展庫(kù)岸再造分析及再造后邊坡的穩(wěn)定性研究，結(jié)論如下。

(1)根據(jù)岸坡地質(zhì)條件，選用“兩段法”開展庫(kù)岸再造分析。計(jì)算結(jié)果為岸坡塌岸寬度為40 m，橋梁主塔距庫(kù)岸邊緣(1 223 m水位)約150 m，因此主塔位于庫(kù)岸再造影響范圍之外。

(2)針對(duì)庫(kù)岸再造后的邊坡，開展正常蓄水、地震和庫(kù)水位驟降下的邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，再造岸坡在分析工況下均能滿足工程穩(wěn)定性要求。再造坡形是穩(wěn)定坡形。

塌岸的機(jī)制在于巖土體遇水軟化，水對(duì)土體造成的流土和潛蝕作用，粗顆粒架空坍塌，水沖刷、坡腳掏蝕，這些也會(huì)增加水位變化范圍內(nèi)土體的破壞，長(zhǎng)時(shí)間作用就會(huì)造成塌岸的加劇。庫(kù)區(qū)塌岸盡管是不可避免的，但是可以采取措施，控制其發(fā)生、發(fā)展的速度和規(guī)模。如岸頂截排、岸坡放浪和坡腳防沖加固等。在各項(xiàng)措施的配置中, 當(dāng)采取工程防護(hù)措施時(shí),貼坡護(hù)岸可以采用柔性結(jié)構(gòu)(如鉛絲石籠、堆石、土袋壘筑、分層壓柳夯填等)。

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