貴州某橋堆積體成因機制力學參數及穩定性研究

鄧中睿

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司 四川成都 610041）

在貴州高山峽谷地區廣泛分布著由于滑坡、崩塌、重力地質作用及降雨等作用形成的深厚堆積體邊坡。評價堆積體當前穩定性和預測其未來變化趨勢的前提是掌握堆積體所在邊坡的變形破壞歷史。另外，巖土力學強度參數和破壞模式是影響堆積體邊坡穩定性的定量評價的主要因素。但是，由于堆積體巖土介質的成因、組成和結構的多樣性，其破壞過程和邊坡本身也十分復雜，因此，如何選取具有代表性的強度指標一直是參數選取中的難題。

本文以貴州某大橋主墩所處的南孟溪堆積體邊坡為研究對象，對其開展細致的調查分析，明確其形成機制，并結合工程類比及參數反分析等多種方法，綜合確定堆積體計算參數，對其穩定性進行評價分析，以期為同類工程項目提供參考。

1 堆積體基本特征

1.1 堆積體邊界、規模及形態特征

堆積體位于三板溪水電站水庫庫尾南孟溪右岸，全貌如圖1所示。

圖1 堆積體全貌

堆積體整個前緣段縱向長約140m，平均坡度約30°，寬約240m。堆積體前緣高程約431.5m，略高于水庫最低通航水位，前緣段具有一定的坡度變化。其中，最高蓄水位475m 以下的平均坡度約35°，呈多級臺階狀向上延伸；475m 以上高程的平均坡度約24.7°，變化不大。堆積體中部有一人工砌石陡坎，高6～10m不等，橫向寬約170m，人工砌石上方存在一處緩平臺，平臺高程約508m，縱向長25～30m，橫向寬約170m，平臺主要用途為棄耕農田。堆積體后緣稍陡，前邊界以508m處平臺為界，后緣邊界高程約606m，后方為農耕地，堆積體后段縱向長約180m，平均坡度約33°，后緣部分基巖出露。堆積體左側邊緣以沖溝為界，可見基巖出露，巖性為灰色凝灰質板巖，緩傾坡外節理裂隙較發育。堆積體右側存在一沖溝，未見基巖出露，但該沖溝將堆積體進行了一定程度的分割，以此作為右側邊界。

根據主勘探線鉆孔揭露，前緣段堆積體最深達深度27.7m，中部平臺段最深厚度約30.8m，后緣段最深33m，主勘探線堆積體一般深度18～20m。根據已有勘測資料，結合現場調查，測得整個堆積體面積約6.88×104m2，整個堆積體平均厚度約19m，南孟溪堆積體體積約1.307×106m3，為一大型堆積體。

總體而言，南孟溪堆積體在地形上呈兩陡坡夾一緩平臺，平臺高程約508m，縱向長25～30m，基覆界面亦為一緩平臺，未見強風化基巖。前緣段及后緣段平均坡度30°～33°，從剖面上看，基覆界面呈階梯形，從平面上來看，堆積體沿NW方向呈扇形展布，后緣寬度約250m，長約300m，其坡表主要為農用林地及荒廢耕地。

1.2 堆積體結構特征與物質組成

南孟溪堆積體結構較復雜（見圖2），可分為前緣段、平臺段、后緣段。前緣段主要為碎石土，部分夾粉質粘土及塊石土透鏡體；中部平臺主要為碎石土，鉆探揭示部分夾粉質粘土透鏡體，下部基巖未見強風化界面，且根據形態來看，基覆界面為一緩平臺；后緣表層見部分粉質粘土，下部主要為塊石土夾少量碎石土、粉質粘土透鏡體，部分鉆探揭示斷層破碎帶。

圖2 南孟溪堆積體剖面圖

1.3 基覆面特征

堆積體在后緣及左緣基巖出露，巖性為深灰色中厚層凝灰質板巖，產狀：335°∠20°，見兩組節理發育。節理①：207°∠87°，節理面平直，延伸50～80cm，間距0.6～1.2m。節理②：109°∠86°，節理面粗糙，延伸1.2～1.6m，間距30～80cm。基巖節理較發育，受緩傾坡外層面及兩組近直立結構面切割易形成傾倒破壞。

2 堆積體成因機制分析

堆積體處于三板溪水庫尾端南孟溪支流上。堆積體中下部基巖面存在一較平緩臺階，臺階角度12°～15°，寬100m左右，未見強風化基巖。一般中風化基巖與上覆碎石土呈直接接觸狀態，上覆碎石土碎石粒徑2～4cm，大部分成圓棱狀，由此推測該基巖緩臺階為侵蝕形成的臺地，形成階段處于河床下切緩慢而側蝕作用增強期，從而形成了中下部平緩臺階，從地形上為堆積體的形成提供了必要條件。南孟溪堆積體是陡坡外節理與水平面的不利結合作用下，坡面巖體發生彎曲拉伸變形，進而以崩塌形式破壞的結果，其破壞過程如圖3所示。

圖3 堆積體形成機制示意圖

（1）卸荷回彈陡傾面拉裂階段。隨著燕山期和新

構造運動，南夢溪迅速下沉，經過長期的岸坡改造，逐漸形成階梯狀坡形。河流的進一步下切和侵蝕，使巖體陡坡外的卸荷裂隙發育。（2）板梁彎曲，拉裂面向深部擴展并向坡后推移階段。邊坡變形破壞的空間是由切蝕沖刷作用引起的，邊坡非常陡峭。該階段多伴有邊坡和坡面的局部崩落。（3）板梁根部折裂，壓碎階段。在陡坡外卸荷裂縫和水平面的共同作用下，巖塊旋轉下落，導致崩塌。

3 堆積體力學參數取值

本次計算參數主要通過工程地質類比、室內試驗和參數反演方法綜合確定。

3.1 工程類比法

參考諸多邊坡治理工程實踐和成功經驗［1-7］，堆積體抗剪強度指標參數有重要的參考價值。由表1 可知，碎石土天然狀態下內聚力取值一般在14～30kPa，內摩擦角一般為29°～35°；飽水狀態下，內聚力取值一般在10～18kPa，內摩擦角一般為27°～30°。天然狀態下，粉質粘土內聚力一般取20～27kPa，內摩擦角一般在18°～26°之間；飽水狀態下，內聚力取值一般在18～23kPa，內摩擦角一般為15°～24°。

表1 堆積體碎石土抗剪強度參數值類比

3.2 室內試驗法

在堆積體的本次鉆孔中選取幾段土體進行試驗，天然狀態下，粉質粘土的抗剪強度平均試驗結果為：內聚力取28.7kPa，內摩擦角取11.8°。由于室內實驗采用小型環刀進行直接剪切試驗，無法包含碎石和角礫等巨粒成分，僅代表粉質粘土的力學強度。

3.3 參數反演分析法

根據定性判斷，堆積體雨季時處于基本穩定狀態，坡體上不存在有規模性的破壞跡象，因而，采用摩根斯坦—普賴斯法（M-P 法）考慮穩定系數1.05～1.15 之間進行反演分析。

根據鉆孔揭露整個堆積體上部以崩坡積塊石及碎石土為主，局部夾少量粉質粘土，堆積體中下部以碎石土為主局部夾粉質粘土，粉質粘土含量往坡體下部含量有增大趨勢，而塊石土下部坡體含量較少。因此，反演時，從前緣坡體入手，粉質粘土參數根據原狀土土工試驗參數取得，取碎石土飽和狀態內聚力20kPa，內摩擦角遞增情況下，前緣穩定性在1.05～1.15之間進行反演，將反演結果應用于上部坡體反演，獲得塊石土在上部坡體1.05～1.15的內摩擦角值。

3.3.1 堆積體前緣碎石土參數反演

堆積體前緣邊坡為臨水邊坡，其穩定性受水庫水位影響明顯，堆積體自2008年三板溪水電站蓄水試運行至今已經歷10次水位周期漲落，目前仍處于基本穩定狀態，故前緣選取水位降至死水位而坡體處于飽和狀態下進行反算，反演結果見表2。

表2 堆積體中心剖面碎石土抗剪強度參數反演結果表

反演結果表明：（1）在內聚力不變的情況下，內摩擦角每提高1°，前緣搜索圓弧滑面穩定性提高約0.036；（2）堆積體下部為碎石土夾粉質粘土，粉質粘土參數依據土工試驗參數獲得，取飽和狀態下碎石土內聚力20kPa，控制變量僅其內摩擦角，反演結果可靠性高；（3）飽水狀態下，當碎石土內聚力取20kPa，內摩擦角取25°～28°時，前緣搜索圓弧滑面穩定性系數介于1.046～1.153之間，穩定性計算參數可在26°～28°范圍內選取［8-9］。

3.3.2 堆積體后緣塊石土參數反演

根據鉆探揭露，堆積體后緣主要為塊石土夾少量碎石土，偶夾粉質粘土，由于前緣反演部分對堆積體前緣已進行反演，碎石土內摩擦角可在26°～28°范圍內選取。此處，在對堆積體后緣進行反演時，分別取碎石土內摩擦角26°～28°進行比較，且能夠比較后緣坡體對碎石土內摩擦角參數的敏感性。反演結果統計見表3。

表3 堆積體中心剖面后緣段碎石土抗剪強度參數反演結果表

反演結果表明：（1）在內聚力不變的情況下，碎石土內摩擦角每提高1°，后緣搜索圓弧滑面穩定性提高約0.022；（2）在內聚力不變的情況下，塊石土內摩擦角每提高1°，后緣搜索圓弧滑面穩定性提高約0.014；（3）在對比不同參數條件下，后緣搜索滑面對碎石土參數敏感性比塊石參數敏感性更強一些，因此，碎石土參數選取的準確性尤為重要；（4）根據收集資料及當前宏觀判斷，堆積體在不利工況下均處于基本穩定狀態，坡體內未見明顯變形破壞，穩定性系數應在1.05～1.15 之間，參數選取可按表3中合理區間值選取。

3.4 綜合取值

綜合上述各種方法，確定堆積體抗剪強度參數取值見表4。

表4 堆積體計算參數綜合取值結果

4 堆積體穩定性評價

本次穩定性計算采用極限平衡法，以期對該堆積體蓄水狀態下的穩定現狀及開挖后邊坡穩定性進行評價。穩定性計算結果如表5所示。

表5 堆積體計算參數取值結果

邊坡堆積體穩定性分析結果表明：（1）邊坡整體穩定較好，在各工況下均能滿足安全系數要求，在邊坡內設置大橋的重要構筑物是可行的；（2）邊坡前緣處于基本穩定狀態，但不滿足邊坡安全標準，若在該區設置重要構筑物，需要進行強加固，由于前緣段后部設置有橋梁主墩，因此，需在橋梁主墩前緣設置護坡樁，以防止前緣坡體失穩后對后方橋墩造成牽引破壞，在充分防護好后部橋墩的情況下，前緣坡體可考慮適當降低安全標準。

5 結論

本文以貴州某大橋主墩所處的南孟溪堆積體邊坡作為研究對象，對其形成機制、力學參數取值和穩定性進行研究，得到以下結論。

（1）南孟溪堆積體在地形上呈兩邊坡夾一緩平臺，平臺高程約508m，縱向長25～30m。從剖面上看，基覆界面呈階梯形；從平面上來看，堆積體沿NW方向呈扇形展布，后緣寬度約250m，長約300m，為一大型堆積體。

（2）南孟溪堆積體具有多期次、復合型的特點，即經歷了多期構造抬升期和相對穩定期，形成目前的堆積形態。通過分析，堆積體是重力崩塌堆積和后期各種物質斜坡堆積的混合復合模式。

（3）堆積體的地形坡度雖然陡峭，但中間有一個緩坡平臺。物質成分以礫石土為主，粉質粘土含量較少。此外，坡內外排水條件良好，坡面無明顯變形破壞，邊坡整體穩定性較好。

（4）堆積體邊坡前緣在天然狀態下穩定性良好，在地震、暴雨及水位驟降工況下穩定性明顯降低，建議在主橋橋墩前方加固支護，以防止前部岸坡垮塌引起承臺處牽引破壞。