開州湖特大橋開陽岸岸坡穩定性分析及主墩位全清方案評估

徐應生, 賈 森, 張 濤

（貴州大學資源與環境工程學院, 貴州貴陽 550025）

1 概述

開州湖特大橋是甕開高速的關鍵性工程, 大橋全長1257m, 主橋為單跨1100m鋼桁梁懸索橋, 引橋為預應力混凝土T梁橋, 主塔采用薄壁空心鋼筋混凝土橋塔, 承臺群樁基礎, 引橋墩為雙柱式圓墩, 圓樁基礎, 開陽岸錨碇為隧道式錨。大橋跨越洛旺河U型峽谷, 屬于典型的跨越山區峽谷的大跨徑橋梁, 兩岸基巖為上硬下軟的結構, 不良地質較為發育。本文以開州湖特大橋開陽岸岸坡為研究對象, 通過查明橋區的自然地理環境、地層巖性、地質構造與地震、水文地質條件及場區的不良地質情況, 采用極射赤平投影、剛體極限平衡法, 有限元法[1-5]對開陽岸岸坡在不同工況下的穩定性進行分析評價, 并對主墩位治理全清方案進行評估, 對類似工程建設具有一定的參考意義。

2 工程概況

2.1 工程地質條件

（1）地形地貌。開州湖特大橋地處貴州黔北山地, 地勢總體西北高東南低。屬淺切低山溶蝕、侵蝕地貌類型, 場區標高630～1027.8m, 相對高差約397.8m；橋梁軸線通過段地面高程為630～990.07m之間, 相對高差360.07m, 兩岸縱坡陡峻, 坡角約60°～70°。橋位橫跨清水河, 橋位段為洛旺河, 洛旺河河谷為典型的“U”形谷, 洛旺河谷底寬約373.5m（水位630m時）左右, 橋位河谷頂寬1.1～1.3km, 相對高差175～360m, 兩岸坡口大部為陡崖, 陡崖高30～90m, 其下為緩坡—陡坡, 坡角從谷底至陡崖腳20°～40°。

（2）地層巖性。場區地層為上覆殘坡積層（Q4el+dl）含碎石粘土、崩塌堆積層（Q4col）塊石土, 下伏基巖為寒武系清虛洞組（∈1q）白云巖、白云質灰巖；寒武系金頂山組（∈1j）頁巖、泥質粉砂巖、泥巖、泥質灰巖；寒武系明心寺組（∈1m）粉砂質泥巖夾泥巖；寒武系牛蹄塘組（∈1n）炭質泥巖。

（3）地質構造及地震。據《貴州省區域地質志》及1∶20萬甕安幅區域地質調查報告, 橋區位于揚子準地臺—黔北臺隆—遵義斷拱—貴陽復雜構造變形區。橋區兩岸巖層傾向山內, 背斜北西翼（開陽岸）巖層產狀：325°∠25°, 發育兩組節理：J1：105°∠79°、J2：36°∠81°根據赤平投影分析, 開陽岸巖層與J1為內傾結構面, J2為外傾結構面, 在該結構面的作用下形成錯落體及陡崖。開陽岸地層產狀：325°∠25°, 開陽岸發育兩組節理：105°∠79°、36°∠81°。據赤平投影分析, 開陽岸巖層面及J2節理面為內傾結構面, J1為外傾結構面。

根據國家地震局頒布的《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001）, 場區地震動反應譜特征周期為0.35s, 地震動峰值加速度值0.05g, 場區地震基本烈度為Ⅵ度。

2.2 水文地質條件

（1）地表水。橋區屬于江流域烏江水系支流清水河。河谷常年流量300m3/s, 測時水位為601.2m。橋位位置水深63.2m, 最深可達91.9m, 水位最大落差40m。

（2）地下水水類型及埋藏條件。地下水為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。其中第四系松散巖類孔隙水主要賦存于沖洪積層中, 巖溶裂隙水賦存于灰巖、白云質灰巖、角礫狀泥質灰巖溶蝕裂隙中, 河谷地帶地下水水位埋深淺, 受河水位漲落影響, 斜坡段地下水埋藏較深。

（3）地下水的補給、徑流、排泄。橋區地下水以大氣降水和洛旺河水補給, 大氣降水大部分部經地表徑流匯入洛旺河, 少部份由巖層層面、節理裂隙向下滲透。

3 岸坡穩定性計算及主墩全清方案評估

3.1 岸坡極限平衡法分析

（1）計算模型及計算方法。開陽岸基巖為上硬下軟的結構, 不良地質發育, 主要有堆積體和危巖體等, 對主墩的選址存在著重要影響, 而且, 巖溶、庫水的調蓄, 庫水位、地下水位的變動對岸坡穩定性也存在著一定的影響。開陽岸沿大橋路線方向的堆積層斜坡后部坡度較陡, 前部坡度次之, 中部相對較緩, 平均坡度約21°。堆積體目前處于基本穩定狀態, 極端情況下（如持續的強降雨等）堆積體處于臨界狀態。開陽岸岸坡為堆積體覆蓋, 堆積體下有灰巖、泥巖、砂巖等。計算模型如圖1所示。計算方法采用剛體極限平衡法(Morgenstern-Price)進行計算。

圖1 開陽岸岸坡穩定性剛體極限平衡法計算模型

（2）計算工況。剛體極限平衡法穩定性分析按如下4種工況進行計算：工況1：自然岸坡、工況2：岸坡自重+暴雨、工況3：岸坡自重+地震荷載、工況4：岸坡自重+水位驟升。

（3）計算參數。本文岸坡穩定性分析計算參數為參考規范推薦值、室內試驗成果, 綜合考慮現場工程地質情況, 綜合確定岸坡穩定性計算參數取值如表1所示。

表1 岸坡穩定性計算參數

（4）計算結果與分析。橋區堆積體邊坡前緣臨水、厚度較大, 穩定性計算結果均不滿足安全控制標準, 同時巖堆邊坡的變形也是控制整個橋梁穩定性關鍵影響因素之一, 選擇橋梁主墩及防護治理措施應著重兼顧橋梁對變形敏感性。

開陽岸基巖巖體整體反傾, 基巖整體穩定性較好, 不易發生中風化基巖深層滑動。穩定性計算結果如表2所示。

表2 剛體極限平衡法穩定性計算結果

3.2 岸坡穩定性的有限元法分析

開陽岸巖性組合呈上硬下軟典型組合特征, 不良地質較為發育, 岸坡堆積體對大橋安全影響尤為突出。開陽主塔中心樁號為K36+640樁號, 主塔鉆孔鉆探揭露堆積體厚度為32.5m, 岸坡穩定性計算結果表明目前堆積體處于欠穩定狀態, 且堆積體厚度大, 主塔建設前需要進行工程處理。

3.2.1 全清方案的岸坡穩定性計算

（1）數值模型與工況。在主墩選址K36+640樁號的岸坡, 后緣堆積體全清方案, 分別針對順橋向和橫橋向工程邊坡建立模型, 順橋向分析模型如圖2所示, 同時對橫橋向分別在K36+640樁號和K36+800樁號選取橫截面建立計算模型。計算工況主要考慮邊坡自重、自重+暴雨荷載、自重+地震荷載。

圖2 開陽岸主墩選址K36+640穩定計算模型（全清方案）

（2）計算結果與分析。開陽岸主墩K36+640全清方案, 潛在滑體在自重、自重+暴雨、自重+地震條件下穩定性好。

該方案在K36+640橫斷面左右兩側產生的橫向工程邊坡, 在K36+640附近橫向地形較為平緩, 坡高20m左右。左側邊坡, 自重條件下的穩定系數為2.02, 自重+暴雨條件下1.71, 自重+地震條件下為1.94, 穩定性好；右側邊坡, 自重條件下的穩定系數為2.10, 自重+暴雨條件下1.79, 自重+地震條件下為2.01, 穩定性較好。

由于主墩以上全清堆積體, 該方案在K36+800附近產生橫向邊坡, 在K36+800附近橫向右側地形較陡, 坡高90m左右。自重條件下的穩定系數為1.23, 自重+暴雨條件下1.11, 自重+地震條件下為1.19, 穩定性不滿足安全控制標, 建議支護。

3.2.2 全清方案的岸坡變形分析

開陽岸主墩選址K36+640樁號, 堆積體全清, 橫橋向左右坡采用1∶1放坡方案, 坡底兩側寬71.69m, 順橋向前緣堆積體鏟平, 后緣堆積體全部清除至基巖。左右兩側邊界條件為水平約束, 底部為全約束。順橋向模型網格部分如圖3所示, 同時對橫橋向分別在K36+640樁號和K36+800樁號選取橫截面建立計算模型。模型中的材料采用彈塑性本構, 并符合Mohr-Coulomb準則。

圖3 開陽岸坡K36+640堆積體全清順橋向計算模型

數值模型考慮了邊坡開挖施工全過程, 計算過程如下：

第一步、計算地應力場, 然后將地應力場導入初始模型；

第二步、將堆積體開挖掉, 計算堆積體開挖后的地表變形狀態；

第三步、在模型上加上橋主墩, 并施加橋梁荷載, 計算主墩橫橋向兩側堆積體變形。

根據計算, 順橋向邊坡開挖過程中坡腳附近位移較大, 離開挖面越遠部位位移越小。開挖及放坡完成后, 開挖坡面最大位移12.13mm。支護及施加橋梁荷載后, 橋梁基礎附近樁基位移較大, 最大位移13.70mm。橫橋向K36+640邊坡, 承臺中心附近位移較大, 離承臺中心越遠部位位移量越小, 開挖完成后最大位移7.71mm, 施加橋面荷載后最大位移8.76mm。橫橋向K36+800邊坡, 開挖完成后最大位移100mm。

4 結論

（1）開陽岸堆積體邊坡前緣臨水、厚度大, 穩定性計算結果均不滿足安全控制標準；堆積體邊坡的變形也是控制整個橋梁穩定性關鍵影響因素之一, 選擇橋梁主墩及防護治理措施應著重兼顧橋梁對變形敏感性。

（2）開陽岸主墩K36+640選址堆積體全部清除方案, 在穩定性方面, 順橋向邊坡及K36+640的橫橋向邊坡穩定性較好, 由于主墩K36+640以上堆積體全部清除, 在K36+800附近的橫向右側邊坡較高, 穩定性較差。在變形方面, 根據順橋向有限元分析, 開挖完和施加橋梁荷載后, 最大變形均在2cm以內, 發生在主墩上部或下部附近。在K36+640樁號附近的橫橋向計算模型, 最大變形在主墩附近, 為毫米數量級。在K36+800樁號附近的橫橋向計算模型, 最大變形在右側坡頂附近, 變形較大, 為10cm左右。

（3）由于開陽岸主墩K36+640位于巖堆邊坡中部, 開挖面大, 施工易對兩側錯落體順河向造成擾動。由于全清方案挖方量較大, 環保和棄土處理問題突出, 建議合理選擇棄土場, 避免因棄土形成新的邊坡問題。