渝黔鐵路烏江大橋左岸邊坡穩定性評價

李曉凡，徐正宣，王佳亮

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

渝黔鐵路工程是我國正在規劃建設中的大型重點工程之一，線路全長345 km，設計速度250 km/h，建成后，列車運行時間將從現在的11 h縮短至1 h36 min。整條線路橫跨我國西南一系列深山峽谷，鐵路工程建設在很大程度上受到新構造運動、活動斷裂及內外動力聯合作用所產生的各類地質災害的制約。受地形條件限制，線路主要采用橋梁、隧道工程方式穿越高山巨川。其中烏江大橋全長為430.68 m，橋址區為黔北中低山溶蝕地貌，地面高程605～826 m，相對高差221 m。邊坡上基巖大量出露，由于邊坡高陡，節理發育且跨度較大，該橋是整個線路的制約性工程之一。科學預測邊坡潛在變形破壞模式，合理評價其穩定性是該橋梁安全施工和正常運營的重要保障。

1 工程地質條件

烏江為深切河谷，擬建橋橫跨烏江。該段河流流向為正東向，河床呈“V”字型，岸坡陡峭，局部達70°。兩側坡體基巖大量出露。

左岸橋址處巖層主要為灰巖、白云巖。自斜坡頂部至下部可分為4層。

頂層為巨厚層狀～厚層狀灰巖，層理面明顯，局部裂隙發育，主要為卸荷裂隙，頂部植被茂密。

中上部為中厚層泥巖，淺黃色，表層基本被植被及黏土覆蓋，基巖出露不明顯。

中下部為中厚層狀白云巖，灰白色，弱風化，局部裂隙發育，與層面交錯，有落石現象發生。

底部巖體為薄～中厚層白云巖，灰白色，刀砍狀構造(圖1)，層理明顯，裂隙發育，靠近烏江水邊溶蝕現象明顯。

圖1 刀砍狀構造

烏江左岸巖層產狀N5°E/NW∠15°，巖層走向與線路呈小角度相交。區內巖體受構造影響較嚴重，發育3 組構造節理:J1，N80°E/NW∠88°;J2，N30°E/SE∠75°～85°;J3，N30°W/NE∠75°～ 86°。3 組節理均與線路呈小角度相交。均為陡傾角狀，節理面多呈閉合狀，間距0.3～1.0 m，延伸長度一般0.5～3.0 m，部分＞10 m。

2 荷載作用下岸坡變形破壞模式

基于赤平投影分析，烏江左岸對穩定性影響最大的為兩組結構面，即J1和J2，為分析在橋梁荷載作用下岸坡變形破壞模式，采用二維離散元軟件進行模擬。

計算時在坡面上選擇6個關鍵點，記錄這些關鍵點的位移變化，分析在橋梁荷載作用下岸坡的變形規律，位移記錄關鍵點在坡面上的分布如圖2所示，其中A點位于坡頂，B，C，D，F均位于變坡點處，E點位于主墩基底處。

圖2 左岸邊坡位移記錄點

橋梁荷載作用下岸坡巖體位移趨勢如圖3所示。從圖中可以看出，橋梁荷載作用僅影響到基座附近巖體的運動，基座附近巖體受荷載影響，位移有所增加。越往岸坡內部則巖體位移越來越小，坡面巖體受荷載影響較大的塊體主要分布在基座附近。橋梁荷載增加了邊坡巖體運動的趨勢，故認為橋梁荷載一定程度上導致了巖體的位移和破壞，但主要集中在坡面上。

圖3 橋梁荷載作用下岸坡巖體位移趨勢

圖4 橋梁荷載作用下邊坡巖體位移變化曲線

橋梁荷載作用下岸坡關鍵點巖體位移變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出，水平位移最大點位于C點，其次為變坡點B點，基座下方巖體水平位移先指向坡內，然后隨著巖體的運動，水平位移逐漸指向坡外，這與節理傾角較陡有關，總的來說水平位移量不大。由圖4(b)可以看出，橋梁荷載作用下豎向位移最大出現在變坡點處。岸坡底部及頂部巖體豎向位移受荷載影響較小，說明橋梁荷載的影響范圍是有限的。

根據邊坡巖體位移量及運動趨勢可知，荷載產生的巖體位移對坡面巖體的運動和破壞有一定的影響，特別是橋墩基座附近的巖體，估計荷載作用后邊坡可能產生崩塌落石的范圍參見圖3，相對于天然狀態下的可能崩塌落石范圍，橋墩基座附近巖體受影響范圍增大，但可能崩塌區域仍在穩定坡角線以外，不影響邊坡和橋基的整體穩定。

3 岸坡穩定性評價

野外調查表明，烏江大橋左岸邊坡高陡，邊坡局部應力集中，但層間結合較好，邊坡穩定性主要受控于貫通裂隙，坡面局部崩塌落石是兩岸邊坡破壞的主要形式，橋位附近存在楔形危巖體破壞的可能。通過赤平投影法進行穩定性初步分析表明，被不同數量的貫通裂隙切割的坡體穩定性系數有顯著的不同。

在定性分析基礎上采用有限元對邊坡穩定性進行計算，本構模型采用D-P模型，巖體采用平面8節點Plane82單元，坡體附近網格加密。邊界條件為橫向左右邊界水平方向(X方向)約束，底邊界全約束。

3.1 天然狀態下岸坡穩定性

圖5為天然狀態下邊坡巖體應力分布云圖，從圖中能清楚地看到岸坡主應力的分布規律。可見，最大主應力與埋深呈線性關系，坡腳及變坡點附近形成應力集中區，最大主應力可達3 MPa以上，但仍遠低于巖體的抗壓強度。剪應力在坡腳和變坡點附近同樣形成應力集中現象，特別是坡腳，剪應力值較大，最大可達1 MPa左右，在陡坡與緩坡的變坡點處，剪應力也較大。

圖5 天然狀態下邊坡巖體應力分布云圖(單位:Pa)

通過有限元強度折減法得到，邊坡在自然狀態下的安全系數為1.70，處于穩定狀態。

3.2 橋梁荷載作用下岸坡穩定性

圖6 橋梁荷載作用下橋基附近巖體應力分布云圖(單位:Pa)

圖6為橋梁荷載作用下橋梁基礎附近巖體應力分布云圖。由圖6(a)可見，與天然狀態相比基底附近巖體最大主應力狀態發生了明顯的改變，特別是基礎底部，均產生了應力集中現象，應力值明顯增大，但應力集中的范圍并不大，遠離基礎的巖體應力并未受到太大的影響。基礎附近巖體最大主應力全為壓應力。基礎附近巖體開挖后，最下部橋基處出現最大主應力集中現象，應力可達1.0 MPa以上。由圖6(b)可見，除邊坡變坡點附近存在剪應力集中現象以外，受荷載影響，基底還存在局部剪應力集中現象，其中最下部主墩基礎底部剪應力集中的范圍較大，其它基礎底部剪應力集中程度及范圍均較小。剪應力集中表明該區域巖體存在剪切破壞的可能性較大。

通過有限元強度折減法得到，邊坡在橋梁荷載作用下的安全系數為1.40，整體處于穩定狀態。

4 結論

1)橋梁荷載作用主要影響橋墩基座附近巖體的位移，主要表現為在一定程度上增大了巖體的豎向位移，同時加速了橋墩基座上方巖體的運動，對巖體穩定不利。

2)天然狀態下，兩岸谷底及陡坡段坡腳存在最大主應力集中現象，但最大主應力遠低于巖體抗壓強度，坡面和坡頂局部存在拉應力，對邊坡巖體的穩定不利。

3)橋梁荷載作用使原本遠離橋基的塑性應變區向橋基下方巖體中發展，使橋基下方巖體中出現局部塑性區。

4)強度折減法有限元計算結果表明，岸坡整體穩定性較好，天然狀態下穩定性系數為1.70，橋梁荷載作用下穩定性系數為1.40。

5)邊坡整體穩定，但坡面巖體局部會產生崩塌落石，建議清除墩臺基礎以上坡面危巖落石，必要時對坡面巖體進行防護。橋基下方巖體在橋梁荷載作用下產生局部塑性區，建議采取加固措施。

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