瀾滄江大橋岸坡穩定性動力學分析

張立偉，鄭立寧

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司地路處，天津 300251;2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

我國西部是強地震多發地區，地震誘發的滑坡往往具有分布廣、數量多和危害大的特點［1］。隨著我國經濟建設的快速增長，山區道路建設迅猛發展，特別是在我國的西南多山地區，越來越多大跨度橋梁建在地震斷裂帶附近等高地震烈度區，橋基岸坡的穩定性受到很大的威脅，而邊坡的穩定性又影響著橋梁結構的安全性［2］－［4］。因此，分析評價高地震烈度區橋基岸坡穩定性具有十分重要的現實意義。

新建大理－瑞麗鐵路瀾滄江大橋橋址位于青藏高原南部地震區滇西地震活動帶內，區內地震活動強度大、頻度高，是一條中強地震活動非常頻繁的地帶，大橋所處位置地質情況復雜，強震作用下的大橋岸坡穩定性分析十分重要。本文采用彈塑性損傷本構模型進行有限元數值計算［5］，對瀾滄江大橋岸坡在強震荷載作用下的動力響應進行分析，為工程設計提供一定的指導和參考。

1 工程概況

瀾滄江大橋位于云南省保山市水寨鄉北3 km附近的瀾滄江峽谷中，河床狹窄，地勢險峻，大理側橋臺位于瀾滄江左岸博南山坡，坡角約50°左右，瑞麗側橋臺位于瀾滄江右岸羅岷山陡崖之上，坡角約60°左右。橋址附近河床相對順直，與線位近正交，寬約82 m，水深約10m。該橋為主跨352 m的鋼筋混凝土拱橋，橋高大于100m，全橋長497.5 m。

2 工程地質條件

瀾滄江大橋地處云貴高原西緣，橫斷山脈南段的滇西縱谷地帶，大橋兩側地層主要受平坡斷層控制，主要出露地層包括第四系碎石土、卵石土及粉質黏土，下第三系塊狀石灰質礫巖夾砂巖;三疊系灰巖、白云質灰巖及白云巖及泥盆系變質砂巖。

橋址位于青藏高原南部地震區滇西地震活動帶內，該地震帶受“南北向怒江活動斷裂帶及瀾滄江活動斷裂帶”控制，應力場復雜，地震活動強度大、頻度高，中強地震活動十分頻繁。據統計，該地震帶共記錄到Ms≥4.7級地震291次，其中Ms7.0～7.9級地震9次、Ms6.0～6.9級46次、Ms5.0～5.9級171次。近期發生的中強以上地震具有瀾滄江東西岸相互交替發生的特征。據《大理－瑞麗鐵路線工程場地活動斷層鑒定及地震安全性評價》，滇西南地震帶地震活動的周期比較短，100年內一般會經歷2～4個平靜期——活躍期，而且強震發生率高，估計未來百年內的地震活動水平與1900年以來的活動水平相當，可能發生多次Ms7級以上地震。橋址區地震動峰值加速度為0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。

3 地震作用對岸坡巖體影響性分析

3.1 基本模型

三維有限元模型計算中巖體采用三維八節點實體單元，本構模型選用D－P彈塑性模型，基礎附近和坡腳區域網格加密，整體模型共建立約150000個單元。邊界條件為橫向左右邊界水平方向(X方向)約束，縱向左右邊界水平方向(Y方向)約束，底邊界全約束，重力加速度9.8 m/s2，地震水平加速峰值度取0.166 m/s2，反應譜施加方向沿水平方向，模型見圖1。

3.2 地震作用下岸坡巖體動力學分析

3.2.1 地震作用下岸坡巖體應力特征

圖1 三維有限元計算模型

圖2 地震作用下天然狀態岸坡最大主應力變化云圖

圖2為地震作用下岸坡最大主應力變化云圖。由圖2可見，大理岸斷層附近巖體中產生的壓應力最小，只有0.11MPa左右，河谷底部產生的壓應力為0.35MPa，個別位置達到 0.40MPa。大理岸坡面由于斷層的存在，受地震影響較大，山間溝谷及山坡頂部產生了較大的壓應力，達 0.40MPa左右，而瑞麗岸岸坡巖體最大主應力變化在0.3～0.5MPa之間，變化較為均勻。

圖3 地震作用下天然狀態岸坡最大主應力變化云圖

圖3為地震作用下岸坡最小主應力變化云圖。如圖3可見，地震對岸坡巖體最小主應力產生如下影響:(1)岸坡大部分坡面產生10 kPa的拉應力，河谷谷底處出現拉應力集中現象，拉應力值為50 kPa左右，個別位置達到55 kPa;(2)地震造成大理岸斷層巖體中產生20 kPa的拉應力，在河流下部巖體中的受壓區域，最大壓應力達55 kPa。

3.2.2 地震作用下岸坡巖體位移特征

圖4為地震作用下線路縱剖面位移特征變化云圖。由圖4可見，在地震作用下，岸坡各部分的位移差別較大，位移最大處為大理岸斷層附近的巖體，水平位移量達到了5mm，豎向位移量為2mm，大理岸岸坡坡面水平位移量大部分在4mm左右，豎向位移量1mm作用，表明大理岸巖體在地震作用下，其位移趨勢主要面向坡外，特別是大理岸附近巖體將會向坡外運動，發生巖體的崩塌，滑動，甚至破壞。相對來說，瑞麗岸的岸坡水平和豎向位移量較小，在1～2mm之間，表明地震造成的瑞麗岸岸坡巖體的位移量相對較小。

3.2.3 地震作用下岸坡巖體強度分析

圖4 地震作用下線路縱剖面位移特征變化云圖

圖5 地震作用下線路縱剖面岸坡巖體強度特征

圖5為地震作用下線路縱剖面岸坡巖體強度特征等值線圖。圖示區域內岸坡巖體大都滿足強度要求，但在大理岸坡面斷層附近岸坡巖體及岸坡坡腳附近巖體安全系數小于1，表明該部位巖體在地震作用下，會造成坡面巖體破壞，引起坡面巖體塌落、滑動。而瑞麗岸坡面巖體在地震作用下會發生較大范圍的巖體破壞。

5 結論

三維有限元動力學分析表明，瀾滄江大橋岸坡巖體在強震作用下，大理岸和瑞麗岸巖體內部產生拉應力，在河流下部巖體受兩側巖體的擠壓作用產生壓應力。斷層內部巖體最小主應力明顯小于兩側巖體，但在山間溝谷及山坡頂部巖體產生較大的拉應力。最大位移發生在大理岸斷層附近的坡面，最大水平位移為5mm左右，瑞麗岸岸坡巖體位移量在2mm左右。巖體強度特征分析表明，大理岸坡面斷層附近岸坡巖體及岸坡坡腳附近巖體在地震作用下，會造成坡面巖體破壞，引起坡面巖體塌落、滑動，而瑞麗岸坡面巖體在地震作用下會發生較大范圍的巖體破壞。

［1］薄景山，徐國棟，景立平.土邊坡地震反應及其動力穩定性分析［J］.地震工程與工程振動，2001，21(2):116－120

［2］劉漢龍，費康，高玉峰.邊坡地震穩定性時程分析方法［J］.巖土力學，2003，24(4):553 －556

［3］陳玲玲，陳敏中，錢勝國.巖質陡高邊坡地震動力穩定分析［J］.長江科學院院報，2004，21(1):33 －35

［4］吳兆營，薄景山，劉紅帥，等.巖體邊坡地震穩定性動安全系數分析方法［J］.防災減災工程學報，2004，24(3):237 －241

［5］Chen Jian，Yin Jian－hua，Lee C.F.Stability analysis of the permanent ship lock slopes of the TGP under seismic action［G］//Vancouve，B.C.，Canada，Paper No.350，2004