洛泽河特大桥岸坡稳定性研究

邓宏科1 ,乔晓霞2, 聂忠权3

摘要：文章以渝昆高铁洛泽河特大桥为研究对象，查明岸坡地质病害成因后，使用3DEC软件对桥址区岸坡的稳定性进行了数值模拟，结果表明墩台基础开挖之后，边坡易产生屈服失稳，对施工及运行安全威胁较大，需加强支护，并提出了两岸边坡开挖和支护措施建议，可供工程设计参考。

关键词：洛泽河特大桥岸坡稳定性  3DEC数值模拟

1项目概况

云南省昭通市彝良县角奎镇阿都村和寨子村境内的洛泽河特大桥，位于渝昆高铁比选线D1K348+006.75～D1K348+631.25一段，前接小草坝隧道，后接炳辉隧道，全长624.5m，最大桥高约240m，采用“1×24+1×68+1×420+1×68+1×32”跨式上跨洛泽河及岔彝二级路县道，与洛泽河呈大角度相交。由于桥址区位于上雄块向斜北西翼，二叠系中统玄武岩（P2β）岩体破碎，局部地段可见揉皱现象。桥位处河谷狭窄，两岸地形陡峻，起伏大，易导致危岩落石，影响桥梁施工及运营安全。

2地质病害成因分析

（1）地质背景因素

受构造侵蚀、河水下切等作用，桥址区岸坡坡度大，地形陡峭，存在产生地质病害的足够的地势条件。

岩性方面，区域出露地层主要以玄武岩夹凝灰岩为主，质较硬，但节理较为发育，节理的切割使岩体破碎，导致区域岩体结构疏松，特别在昆明段岸坡，岩体多呈块体镶嵌结构形态，另一方面，节理裂隙为雨水的下渗提供了良好的路径，在增加岩体水压力的同时加速了岩体的风化，现状条件下桥址区岸坡基岩强风化厚度5～10m之间。

（2）诱发因素

开挖和降雨是桥址区边坡变形破坏的直接诱发因素。

在挖方作用下，堑坡基岩产生卸荷松弛变形，导致基岩节理进一步张裂，裂隙扩展延伸，岩体破碎程度增加，危岩体规模增大，雨水下渗通道贯通，整体自稳能力降低，直接促使了大规模松散岩体和大体积危岩体的崩塌变形。

降雨为主要诱发因素，降雨渗入岩体节理裂隙后，一方面经润滑软化不断降低岩体结构面的物理力学指标，另一方面在岩体内形成动、静水压力，对陡坡区岩体的稳定极为不利，同时雨水引起的岩体风化在很大程度上促使了区域地质病害的发育规模和变形程度。

综上所述，陡峭的地形、结构面发育的玄武岩满足了岩体掉块和危岩崩塌等病害发育的基础条件。在以开挖为前提的扰动作用下，堑坡带受卸荷、应力重分布及重力、风化作用的影响，岩体结构面（节理、裂隙）迅速扩展、张开并相互贯通，导致坡面岩体结构疏松。后期在这种受控于结构面的岩体在不断的风化及雨水润滑、软化等作用下逐渐错动、滑移变形，直至掉块、崩塌破坏。

3开挖边坡稳定性分析

3.1  建模

3DEC适合于多块的系统的运动和大变形的模拟计算，尤其适合模拟在静态或动态的载荷作用下的离散介质（如节理岩体）的力学反应，为此，文章使用3DEC软件对桥址区岸坡的稳定性进行了数值模拟。依据CAD等高线图建立原始边坡实体模型，沿线路方向长1030m，坡内纵向宽135m，坡脚高程为815m，模型范围范围及尺寸如图1所示。

图1 建模范围

弹性模量取3GPa，泊松比取0.35。计算模型采用摩尔-库伦理想弹塑性体，粘聚力取10kPa，内摩擦角取50°。边界条件仍设为位移边界，侧向边界约束相应的侧向位移，底部边界约束底部位移，开挖至坡脚，开挖承台横向位置见图2。

依据建立的实体模型，离散为计算网格，网格大小为5个单位，三维实体模型如图3所示。

图2 开挖承台横向位置布置·           图3 承台开挖边坡FLAC3D模型

3.2  应力状态

由最大主应力（图4）计算结果可见，最大主应力等值线沿纵向均匀分布，符合边坡应力场的特征，基本上最大主应力均为负，表明坡面没有拉应力区，边坡一般不会形成拉裂缝。由XZ平面剪应力（图5）看到论大里程还是小里程方向，较大的剪应力均出现在坡脚处区域附近。在开挖位置出现了一定的剪应力极值，表明该区域较容易屈服。

图4 最大主应力三维视图           图 5  XZ剪应力三维视图

3.3  位移

由位移图结果可以看到，位移等值线在坡体表面呈圆弧状分布（图6），由位移矢量图（图8）及X方向位移图（图7）可以看到位移主要发生在大里程开挖坑壁顶部，顶部四周坡体由外向坑内向下滑移，坡体位移沿坡面向下最大位移值为6.5cm，并且矢量图可看出主要为陡坡突出部分沿着坡面向基坑内滑移（图8、图9）。

    图 6 总位移XZ剖面图             图 7  X向位移三维视图

        图 8位移矢量三维视图                图 9位移矢量XZ剖面图

3.4  应变增量

应变增量反应了坡体塑性变形过程中的应变量大小，较之位移图更能揭示坡体塑性屈服的程度。如图10所示。可见，大里程方向墩坑开挖处有最大的体积塑性应变，约为2.43*10

-3，同时剪应变增量也主要集中在该处，这与塑形位移图反应的坡体塑形位移情况一致。而小里程方向剪应变增量主要分布在基坑开挖周围小范围内，总体上不如大里程那边明显，相对较为安全。

3.5  塑性区

由图11可见，无论在大里程还是小里程方向，主要在墩坑开挖周围坡体出现了一定的塑性屈服区域，相比于自然坡面，这一段塑性区的产生主要是由于开挖导致的。从线路剖面图（图12）来看，大里程那边墩坑附近塑性区域更明显，范围也较大，在该区域存在潜在滑动面。

3.6  大里程墩坑开挖区域

为了进一步研究大里程墩坑开挖出的稳定性，现将该区域单独分析。如图13～16所示，从计算接过图可以看出，该区域坡体位移主要集中在墩坑上部位置，该部位刚好处在坡面凸起位置，坡度较大，最大位移为6.5cm，位移方向主要是沿着下坡方向，有滑向坑内的趋势，潜在滑动面呈圆弧状分层分布，从塑性区来看，在该区域出现了一定范围连接贯通的剪切塑性区，距表面厚度约3m，该塑性区范围同样也是剪应变增量集中的区域。由于坡体自然坡度大，在坡脚出现一定的剪应力集中，需引起注意。

 

                                                    小里程方向      大里程方向

图 10 体积应变增量三维视图                     图 11  塑性区三维视图

  

图 12  塑性区线路剖面图                   图13  大里程墩坑位移图

         

图14 大里程墩坑位移矢量图                图15 大里程墩坑剪应变增量剖面图

    

图16  大里程墩坑塑性区

3.7  点安全系数

由点安全系数计算结果和极限状态位移场可以看到，与原始边坡情况相似，两侧点安全系数较小的区域均主要集中在坡顶的陡坡位置。受墩台开挖影响，由于开挖的影响，安全系数较低的区域分布逐渐增多。另外，从线路纵断面剖面图来看，大里程方向陡坡处的点安全系数在坡体浅层呈弧形分布，该处在原始边坡时本身就处于潜在危险区域，开挖后危险区域面积扩大，深度加深。如图17～18所示。

                       

图 17 潜在失稳区点安全系数分布（三维）    图18 潜在失稳区点安全系数分布（剖面）

4岸坡稳定性分析评价

通过现场调查获得岸坡稳定性的宏观判定，结合室内赤平投影及数值模拟的方法对桥址区岸坡的稳定性进行了定性、定量分析，分析结果与现场判断基本一致，即：

洛泽河特大桥重庆端地形呈洼槽状，坡面较为顺直，玄武岩大面积出露，优势结构面与坡面大角度斜交，斜坡整体稳定，局部外凸岩体在风化和结构面的共同作用下，易发生小块落石。数值模拟分析自然斜坡在陡坡区域存在大范围的塑性区分布，同时点安全系数相对较小；墩台基础开挖之后，墩台之间存在剪切塑性区，易产生屈服失稳；附加地震力后塑性区范围扩大，连通成片，点安全系数普遍降低，对施工及运行安全威胁较大，需加强支护。

昆明端岸坡总体坡度下陡上缓，陡坡坡面凹凸不平，玄武岩柱状节理发育，岩体破碎，在县道至桥台附近的陡坡区域存在大块的外凸岩体，形成危岩，现处于欠稳定～基本稳定状态，开挖边坡易产生危岩落石或崩塌。赤平投影分析陡坡区存在沿顺倾结构面（结构面组合）滑动的可能。数值模拟分析自然斜坡在陡坡区域存在大范围的塑性区分布，同时点安全系数相对较小，较小里程岸坡更为明显；墩台基础开挖之后，墩台之间存在较大范围的剪切塑性区，易产生屈服失稳；附加地震力后塑性区范围扩大，连通成片，点安全系数普遍降低，对施工及运行安全威胁较大，需加强支护。

5结论与建议

5.1结论

墩台基础开挖之后，易产生屈服失稳，对施工及运行安全威胁较大，需加强支护。

5.2建议

(1)岸坡稳定坡角建议

参照自然斜坡坡形、休止角及岩土体特性，经多种方法的计算、对比得出：洛泽河特大桥的岸坡稳定坡角为50°～55°。由于个别桥墩基础开挖不具备放坡条件，建议陡坡区墩台基础开挖前对坡体进行预加固。

(2)工程措施建议

1　重庆端岸坡整体坡面顺直，自然斜坡坡度较陡，墩台基础开挖不具备按稳定坡角刷坡的条件，建议基础深入中风化基岩，开挖边坡增设永久支挡结构后进行主体工程施工，建议开挖坡比1：0.25，并对线路附近坡面零星裸露的松动岩块进行清除或挂网锚固。

2　昆明端拱座至桥台所在区域坡面外凸，风化卸荷带厚度大，同样不具备放坡条件，建议基础深入中风化岩体，开挖边坡增设永久支挡结构后进行施工，建议坡比1：0.25，并对区内裸露的松动岩块进行清除或挂网锚固。