卸荷裂隙及順層岸坡雙重控制下特大橋主塔選址研究*

高 楊 曾 耀 汪育慶

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

深切峽谷區修建特殊結構大跨徑橋梁，主塔選址決定了橋型方案、孔跨布置及工程造價。安全、經濟的主塔選址常受到岸坡穩定性的控制，對其進行評價和論證極具必要性和重要性[1]。穩定性評價應采用綜合的評價方法，并遵循定性分析與定量計算相結合的評價思路[2]。烏江特大橋是遵余高速公路重點控制性工程，峽谷區地形、地質條件極為復雜，余慶岸主塔選址受縱橋向卸荷裂隙發育的高陡岸坡、橫橋向夾有軟弱夾層的長大順層岸坡穩定性雙重控制，合理選擇主塔位置難度極大。本文在充分調研和分析橋區岸坡工程地質條件、變形破壞模式的基礎上，進行了工程地質分析[3]，結合定量計算[4-7]，以為余慶岸主塔選擇安全、經濟的選址位置，以期為地形地質條件復雜的峽谷區其他特大橋主塔選址和優化提供思路和參考。

1 工程概況

烏江特大橋為跨越烏江“U”形峽谷而設，橋型方案為主跨680 m的懸索橋，橋梁全長2 009 m，橋型布置圖見圖1。河谷切割深度達300余m，地層巖性為三疊系下統茅草鋪組(T1m)灰巖、白云質灰巖夾鈣質頁巖，巖性組合復雜，巖層產狀231°∠20°。橋區未發育大型活動斷裂，地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度值為0.05g，地震基本烈度為VI度。余慶岸主塔坐落于陡崖之上，陡崖前緣發育有多條深大卸荷裂隙，形成卸荷裂隙帶，控制縱向岸坡穩定性及主塔選址；地形三面臨空，橫橋向形成長約300 m順層岸坡，層間夾鈣質頁巖，其力學性質差，控制了橫橋向長大岸坡穩定性。余慶岸全貌圖見圖2。

圖1 橋型布置圖

圖2 余慶岸全貌

2 主塔選址主控因素

縱橋向高陡巖質岸坡、橫橋向長大順層岸坡穩定性雙重控制是余慶岸主塔選址的難點與顯著特點。

2.1 縱橋向高陡巖質岸坡

巖層傾向231°，為切向巖質邊坡，巖性為灰巖、白云質灰巖夾鈣質頁巖。在較硬/硬質巖陡崖區，卸荷裂隙是常見的地質現象，裂縫往往切穿巖體，并在風化、溶蝕等進一步作用下，導致巖體崩塌、錯落，這種破壞模式作用下，縱橋向高陡巖質岸坡發生破壞而形成危巖體、堆積體及錯落體等不良地質。因此，主塔選址應避開卸荷裂隙帶且留有一定的距離作為安全儲備，以保障橋梁主塔的長期穩定性。

采用地質調繪、實測地表裂縫、槽探及物探等手段，查明卸荷裂隙發育特征見表1，其分布范圍見圖3。地表可見裂隙發育方向基本與河流走向一致，發育深度20～50 m不等，張開度0.2～1.5 m，一般為黏土充填并伴有溶蝕現象。

表1 地表裂縫統計表

圖3 卸荷裂隙分布范圍

2.2 橫橋向長大順層岸坡

臨空巖體傾角20°，臨空條件與層間力學性質是控制順層岸坡穩定性的主要因素。前緣臨空巖體沿軟弱夾層拉裂破壞，逐步牽引后緣巖體，這種牽引式的漸進破壞是橫橋向順層岸坡變形破壞的主要模式。

1) 臨空條件分析

左側沖溝切割是產生臨空條件和軟弱夾層出露的關鍵因素，實測水下地形和對比水庫蓄水前地形，該沖溝存在明顯的分界；K48+305前緣溝谷深切，出露多層鈣質頁巖；K48+305后緣淺切，軟弱夾層出露層數減少，對應里程K48+280已無軟弱夾層出露。沖溝分界位置見圖4，不同里程樁號沖溝切割深度與出露鈣質頁巖夾層對應關系見表2。

圖4 沖溝分界及層間鈣質頁巖照片

里程樁號切割深度/m軟弱夾層層數K38+3801246K38+3601195K38+3401064K38+320803K38+305672K38+290601K38+280550

2) 關鍵層位(鈣質頁巖)力學性能

順層巖體發生破壞往往沿薄弱的結構面發生，因此，鈣質頁巖的力學性質是進行穩定性計算和評價的重要依據。在自然狀態和飽和狀態下各進行3組現場直剪試驗，試件尺寸為50 cm×50 cm×40 cm。根據現場大型直剪試驗成果，鈣質頁巖力學強度參數見表3。

表3 鈣質頁巖直剪試驗峰值

3 岸坡穩定性評價與主塔選址

3.1 縱向高陡巖質岸坡

巖體發生破壞一般是沿結構面產生的，特別是張性結構面，它破壞了巖體的完整性，且為降雨入滲提供了有利的通道，加速了巖體的風化。采用以巖石塊體、結構面為基本單元的離散元法進行數值分析，得到自重應力作用下張節理分布特征，巖塊和結構面均采用摩爾-庫侖本構模型，取值見表4、表5，根據中軸線工程地質斷面圖(見圖5)建立離散元計算模型見圖6。

表4 巖塊物理力學參數取值

表5 結構面參數取值

圖5 中軸線工程地質縱斷面

圖6 離散元計算模型

模型計算收斂后，張節理分布特征見圖7。

圖7 張開結構面分布特征

由圖7可知，陡崖崖口至K48+360區域巖體節理面明顯張開，貫通率高，易形成深大貫穿性卸荷裂隙。結合實測地表裂縫發育范圍和物探資料，綜合判定橋軸線方向K48+360至陡崖崖口區域為卸荷裂隙帶，該區域巖體易發生崩塌、錯落等形式的變形破壞，長期穩定性差，主塔選址應避開該區域。

3.2 橫向長大順層岸坡

臨空條件、軟弱夾層出露情況及其力學性質控制了橫橋向長大順層岸坡的穩定性。計算采用以巖塊、結構面為基本單位的離散元強度折減法，計算得到結構面主控條件下的岸坡穩定性，同時采用剛體極限平衡法(Bishop法、Sarma法)相互驗證和補充，得到巖體完整性主控條件下岸坡穩定性。計算所用參數見表4、表5及表6。

表6 中風化巖體物理力學參數

分別對K48+380、K48+360、K48+320、K48+305、K48+290、K48+280及K48+270共7個斷面進行穩定性計算。根據不同里程樁號工程地質橫斷面建立相應的穩定性計算模型，以K48+360樁號為例，計算斷面、計算模型見圖8～10。

圖8 工程地質橫斷面圖

圖9 剛體極限平衡法計算模型

圖10 離散元計算模型

離散元強度折減法、剛體極限平衡法(Bishop法、Sarma法)計算得橫橋向長大順層岸坡穩定性系數見表7。由表7可見，離散元法計算得軟弱夾層和規律性節理控制條件下長大順層岸坡穩定性系數從K48+360-K48+270出露軟弱夾層層數減少，穩定性系數呈逐步增大趨勢。剛體極限平衡法計算得軟弱夾層和巖體完整性控制條件下長大順層岸坡穩定性系數，選取最低庫水位590 m、最高庫水位630 m共2種極端水位作為靜水位邊界條件，計算得從K48+360-K48+270穩定性系數同樣呈增大的趨勢，且由于庫水提供的抗力，高水位工況下岸坡穩定性系數高于低水位工況。

表7 長大順層岸坡穩定性系數一覽表

注：工況1-荷載組合：自重+橋梁荷載;工況2-荷載組合：自重+橋梁荷載+暴雨;工況3-荷載組合：自重+橋梁荷載+地震。

3.3 主塔選址

余慶岸主塔選址從安全、經濟方面考慮，受縱橋向卸荷裂隙發育的高陡巖質岸坡、夾有軟弱夾層的橫橋向長大順層岸坡穩定性雙重控制，故應同時滿足以下2個條件：①縱橋向避開卸荷裂隙發育帶；②橫橋向順層岸坡穩定性系數滿足安全系數控制標準。

為滿足條件①，主塔應選址于K48+360之后。

為滿足條件②，選取自然工況Fs=1.35、暴雨工況Fs=1.25及地震工況Fs=1.10作為安全系數控制標準[8-9]，則主塔應選址于K48+290之后。

主塔平面尺寸為軸向長×橫向寬=17 m×40.2 m，考慮主塔平面構造大小，且同時滿足條件1、條件2，主塔中心樁號應設置于K48+280。

4 結論

1) K48+360至陡崖崖口區域為卸荷裂隙發育帶，卸荷裂隙切割巖體，易導致巖體發生崩塌、錯落等變形破壞，主塔選址應避開該區域。

2) K48+380-K48+290范圍縱橋向雖避開了卸荷裂隙發育帶，但橫橋向長大順層岸坡穩定性不滿足控制標準，不適宜主塔建設。

3) 主塔選址于K48+280(中心樁號)，縱橋向已完全避開卸荷裂隙帶，同時橫橋向長大順層岸坡穩定性系數滿足安全系數控制標準，是安全、經濟的主塔選址位置。