貴州河洋大橋南岸巖體穩(wěn)定性分析

程新生，李銀海

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

擬建河洋大橋位于貴州省普安縣與水城縣的交界處，是普安縣連接水城縣的一座橫跨北盤江的大橋，該項目的建成將打通普安縣的北大門。大橋北連水城，南接國道G320，屬省級路網(wǎng)支線大橋，是普安及水城南北對外交通的控制性工程。

河洋大橋跨越北盤江，南岸位于普安縣北部的龍吟鎮(zhèn)河洋村境內(nèi)，北岸位于水城縣野鐘鄉(xiāng)。由于橋位區(qū)為高陡峽谷地段，地質(zhì)構(gòu)造異常發(fā)育、岸坡卸荷裂隙導(dǎo)致局部形成潛在崩塌巖體，滑坡是該區(qū)域突出的地質(zhì)問題。無論在橋軸線、橋形及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，都必須重點查明及論證這些問題以保證大橋建成后邊坡穩(wěn)定、拱座基礎(chǔ)穩(wěn)定以及大橋正常安全運營。本文以河洋大橋南岸陡傾巖體為例，對其整體穩(wěn)定性及破壞模式進(jìn)行簡要分析。

1 影響巖體岸坡穩(wěn)定性的因素

1.1 地形地貌

橋址區(qū)地貌屬溶蝕-侵蝕中～低山地貌單元，境內(nèi)山巒起伏，地勢西北高東南低。橋位所在區(qū)內(nèi)地勢起伏較大，北盤江深切河谷為“V”字型，形成“S”形河曲由南向北延伸穿越勘區(qū)，兩岸山體主要呈錐形，溶隙、溶溝、溶槽分布廣泛，凸岸有淺灘，調(diào)查區(qū)域內(nèi)北盤江總體流向約53°。橋位處南北岸均為陡峭山崖，基巖裸露，四周地貌分異明顯。

1.2 地層巖性

該區(qū)主要巖性為頁巖及灰?guī)r，二者均以層狀產(chǎn)出，在巖性變化段以互層形式過渡，研究區(qū)地層的沉積序列從下至上依次為灰?guī)r—灰?guī)r夾頁巖—頁巖夾灰?guī)r—頁巖組合，基巖產(chǎn)狀約為310°～350°∠30°～50°，總體上地表出露巖體較為破碎。

根據(jù)巖體工程地質(zhì)條件、出露部位及巖性差別，將場區(qū)內(nèi)巖體分為下列三個巖組[1]：

Ⅰ：中厚層灰?guī)r巖組，主要分布于北盤江南岸橋位附近靠岸邊的陡崖區(qū)，主要為中厚層灰?guī)r，大部分屬于強(qiáng)風(fēng)化，產(chǎn)狀約為335°∠85°。水邊處的巖體長期受到江水浸泡侵蝕及風(fēng)化作用，偶見卸荷裂隙及小型巖塊崩落現(xiàn)象。

Ⅱ：薄層灰?guī)r巖組，為頁巖和灰?guī)r的過渡段，主要為薄層灰?guī)r，偶夾炭質(zhì)頁巖，大部分強(qiáng)風(fēng)化，強(qiáng)度一般，產(chǎn)狀為 120～130°∠65～75°。該巖組為一緊閉背斜的南東翼，與Ⅰ巖組構(gòu)成背斜構(gòu)造。

Ⅲ：頁巖夾薄層灰?guī)r巖組，場區(qū)內(nèi)大部分出露該巖組，為南橋位所在斜坡區(qū)的主要巖體，其產(chǎn)狀為340°∠35°。一般其風(fēng)化程度較高、強(qiáng)度較低，且夾薄層泥灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r。

總之，研究區(qū)巖性多樣、厚薄不均，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，完整性差。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)段在大地構(gòu)造上處于南嶺緯向構(gòu)造帶北緣、普安山字型構(gòu)造前弧北翼，前弧弧頂位于普安縣城附近。受此構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)緊密褶皺極其發(fā)育，巖層破碎程度高，扭曲明顯。北盤江兩岸巖層垂直節(jié)理發(fā)育，常有崩塌發(fā)生。區(qū)內(nèi)的構(gòu)造自新生代以來表現(xiàn)較明顯，新構(gòu)造期表現(xiàn)為區(qū)域隆升，主要表現(xiàn)為深切河谷。

經(jīng)查橋位區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在南岸線位約200 m范圍內(nèi)，南北向發(fā)育了3個背斜、3個向斜構(gòu)造，且該段巖體在東西向局部有扭曲，使得該段巖體極為破碎，且該段巖體主要發(fā)育地層為薄層石灰?guī)r、薄層頁巖，大部分區(qū)域內(nèi)以薄層灰?guī)r頁巖互層狀態(tài)存在；僅在南岸岸邊發(fā)育一段約30 m左右中厚層灰?guī)r，整個巖體受構(gòu)造運動影響，整體完整性較差，裂隙極為發(fā)育。

1.4 不良地質(zhì)作用

勘區(qū)不良地質(zhì)作用主要有順向坡及滑坡、崩塌、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等，主要特點如下：

1）順向坡及滑坡：主要分布在橋位區(qū)南岸緩坡地帶，基巖主要為薄層～極薄層頁巖。從岸坡地表破壞形跡看，岸坡在形成發(fā)育期間，曾產(chǎn)生過很多小規(guī)模的順層溜滑現(xiàn)象，這些溜滑體主要由一組或多組裂隙切割后，順層面滑動，溜滑物質(zhì)很少殘留于坡面，而直接滑入河谷。

2）崩塌：橋位區(qū)南岸上下游約220 m的范圍內(nèi)形成了陡崖，該段巖體構(gòu)造發(fā)育，在近岸地帶主要發(fā)育中厚層、薄層石灰?guī)r，巖層呈陡立狀。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查揭示，近岸地段發(fā)育一緊密背斜，背斜的頂部受構(gòu)造影響，巖體碎裂呈塊狀，受后期風(fēng)化剝蝕作用，裂隙面受泥質(zhì)充填，導(dǎo)致巖體整體完整性不高，且該層石灰?guī)r主要以陡立形態(tài)存在，易發(fā)生崩塌破壞。

3）巖溶：區(qū)域內(nèi)近岸部分主要發(fā)育基巖為薄層及中厚層石灰?guī)r，地表淺層灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象較為發(fā)育。主要的溶蝕形跡為地表溶隙、溶槽、碟狀溶洼、少量溶洞及溶溝。據(jù)鉆探揭示，巖芯溶蝕現(xiàn)象不強(qiáng)烈，鉆探深度內(nèi)可見一定的溶蝕物，為長期地下水溶蝕形成，范圍不大，鉆進(jìn)過程中未見掉鉆等異常情況，鉆孔深度內(nèi)未見落水洞與暗河等地下巖溶通道現(xiàn)象?？傊畼蛭粎^(qū)巖溶主要沿層面、陡傾裂隙發(fā)育，地表表現(xiàn)為小型溶蝕地貌景觀，以垂直溶蝕形態(tài)為主，水平溶蝕形態(tài)次之，巖溶發(fā)育程度中等。

2 穩(wěn)定性評價

2.1 順向坡及滑坡分析

該順向坡主要發(fā)育基巖為薄層～極薄層頁巖，從岸坡地表破壞形跡看，岸坡在形成發(fā)育期間曾產(chǎn)生過很多小規(guī)模的順層溜滑現(xiàn)象，這些溜滑體主要由一組或多組裂隙切割后，順層面滑動，溜滑物質(zhì)很少殘留于坡面，而直接滑入河谷。本次勘察地質(zhì)調(diào)查也顯示勘區(qū)附近2 km范圍內(nèi)有較多順層滑移現(xiàn)象。另外，值得注意的是，通過地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在橋位區(qū)下游約200 m處有一個滑坡發(fā)育。滑坡體寬度約240 m，滑坡后壁位于河洋村居民住宅下方堆土區(qū)處，滑坡舌位于水庫水位線附近。整個山體滑動明顯，地底裂縫最寬處達(dá)到30 cm以上，標(biāo)志性植物醉漢林、歪倒樹清晰可辨。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查確認(rèn)，該滑坡為淺層滑坡，主要形成機(jī)理為河洋村居民的修建逐漸形成填土堆砌造成了山體上部荷載增加，且近年來由于北盤江下游光照水電站的修建，水庫水位不斷上漲，對下部山體長時間浸泡，使得山體下部支撐減弱，造成了山體順巖土交界面的順層滑動。由于該滑坡位于橋位區(qū)下游，主要分布在頁巖地區(qū)，對處于中厚層灰?guī)r、薄層灰?guī)r巖組的橋位區(qū)的穩(wěn)定性影響不大。

2.2 崩塌及陡傾巖體變形破壞分析

2.2.1 南岸巖體構(gòu)造發(fā)育

在近岸地帶主要發(fā)育中厚層、薄層石灰?guī)r，巖層呈陡立狀。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查揭示，近岸地段發(fā)育一緊密背斜，背斜的頂部受構(gòu)造影響，巖體碎裂呈塊狀，受后期風(fēng)化剝蝕作用，裂隙面受泥質(zhì)充填，導(dǎo)致巖體整體完整性不高。該層石灰?guī)r主要以陡立形態(tài)存在，易發(fā)生崩塌破壞，對橋位的穩(wěn)定有較大影響。臨江岸坡陡傾巖體多為中厚層灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀平均為335°∠85°，層間發(fā)育一組卸荷裂隙，最大寬度為0.3～0.6 m，充填物為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，該裂隙產(chǎn)狀為328°∠70°，且在基巖出露的上半部存在兩處折斷，折斷面產(chǎn)狀為160°∠19°與 340°∠21°。整個巖層主要發(fā)育兩組節(jié)理：一組沿巖層層面發(fā)育，產(chǎn)狀為328°∠70°，另一組沿剪切巖層層面發(fā)育，產(chǎn)狀為236°∠80°。從岸坡陡傾巖體產(chǎn)生傾倒現(xiàn)象可以確定，臨江岸坡陡傾巖體在緩傾向坡外或坡內(nèi)的折斷面切割后構(gòu)成典型的彎曲—傾倒變形破壞（圖1）。

圖1 臨江巖體彎曲—傾倒巖體照片

2.2.2 陡傾巖體受力分析

巖體中某一巖層在其上覆巖體的自重應(yīng)力作用下，將引起其下伏巖體對它的側(cè)向靜山巖壓力作用（F=λγH），其受力分析見圖2，可知：垂直作用于層面的應(yīng)力為F=λγH sinβ（λ為水平應(yīng)力系數(shù)；γ為重度；μ為泊松比，取0.3）。說明β角越大，垂直于層面的應(yīng)力作用越大，此力使得巖體沿平行于岸坡走向的原生結(jié)構(gòu)面發(fā)生卸荷。由上述巖層產(chǎn)狀可知，巖層均為陡傾巖層，傾角大于80°，因此，沿巖層層面卸荷裂隙比較發(fā)育，這與實際觀察的情況相符合，其中還發(fā)育有2條寬為0.3～0.6 m的深大卸荷裂隙，從而為巖層的傾倒變形提供了空間。巖層在其上覆巖體的山巖壓力作用下，沿原生結(jié)構(gòu)面剪切，并圍繞卸荷深度最大的點發(fā)生傾倒變形破壞，當(dāng)變形量達(dá)到一定時，脆性巖石在力矩作用下將巖層折斷，折斷在巖層內(nèi)進(jìn)一步擴(kuò)展就形成了緩傾角的折斷面。根據(jù)現(xiàn)場觀察，折斷面有兩組傾向，一組傾向岸坡內(nèi)部、一組傾向岸坡外部。

圖2 傾斜巖體應(yīng)力分析圖

2.2.3 破壞模式及受力模型

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查的巖體已發(fā)生的變形現(xiàn)象分析可知，臨江巖體是在卸荷裂隙提供的變形空間基礎(chǔ)上發(fā)生了彎曲—傾倒變形破壞，由此可以建立相應(yīng)的力學(xué)模型（圖3）。

圖3 臨江巖體破壞模式及力學(xué)模型

從圖1照片中可以看出，由于形成了一組傾向坡體外部的緩傾角折斷面，它與巖層層面、巖層內(nèi)部的剪切節(jié)理組合，將巖體切割成塊體，可能產(chǎn)生傾向坡外的潛在滑動，對橋墩所在岸坡穩(wěn)定性有一定影響，因此，應(yīng)對其穩(wěn)定性作出評價。

2.2.4 穩(wěn)定性計算

根據(jù)上述分析，傾向岸坡外部的緩傾角折斷面與巖層層面及剪切結(jié)構(gòu)面組合，將形成向坡外滑動的塊體，其中沿層面卸荷節(jié)理的傾角β=85°，折斷面的傾角α=21°，在塊體滑動的穩(wěn)定性計算中，塊體沿折斷面O-O′滑動（圖4），不考慮裂隙面的阻滑作用，按巖體層面間強(qiáng)度c=70 kPa，φ=30°進(jìn)行計算，并考慮天然條件和持續(xù)降雨條件下的兩種計算工況，則可以建立以下計算模型[2]（圖4）。

從地表觀察情況來看，切割塊體的平均高度H約為2 m，塊體的厚度為0.12 m。按照公路行業(yè)規(guī)范[3]應(yīng)計算如下兩種狀況下的穩(wěn)定性：

1）天然條件下陡傾巖體穩(wěn)定性計算[4]：

圖4 折斷塊體滑動模式計算模型

可得：Fs=2.000

2）持續(xù)降雨條件下陡傾巖體穩(wěn)定性計算[3]：

可得：Fs=1.099

由計算結(jié)果可見，岸坡整體穩(wěn)定性較好，天然狀態(tài)下陡傾巖體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.0，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在持續(xù)降雨條件下陡傾巖體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.099，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，安全儲備程度不夠。由于該處巖層為中厚層灰?guī)r，為了避免大橋橋基所在的灰?guī)r產(chǎn)生傾倒破壞，建議采用錨固支護(hù)巖體，增強(qiáng)巖體整體性，維持大橋正常運營。

2.3 巖溶穩(wěn)定性分析

根據(jù)該項目聲波測試，其結(jié)果大部分在1 000～1 500 m/s[1]，區(qū)內(nèi)地層受構(gòu)造運動極為破碎，且?guī)r體一般呈石灰?guī)r、頁巖互層狀交替出現(xiàn)，未發(fā)現(xiàn)大型溶洞或?qū)椖拷ㄔO(shè)有較大影響的巖溶現(xiàn)象，整體上看，對項目建設(shè)的影響不大。建議在建設(shè)過程中加強(qiáng)觀測及超前探測，進(jìn)一步探明橋梁基礎(chǔ)附近巖溶發(fā)育情況。

3 結(jié)論及建議

本文以貴州省河洋大橋南岸陡傾巖體為例，簡要介紹了對該類型巖體的穩(wěn)定性分析方法，并通過建立力學(xué)模型進(jìn)行了整體穩(wěn)定性定量計算，得出了巖體破壞模式、穩(wěn)定性安全系數(shù)，對工程實際有一定的指導(dǎo)意義。

但在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，由于巖體穩(wěn)定性受地理環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣象、人工作用等各種不同因素的綜合影響，地質(zhì)的穩(wěn)定性有一定的不確定性，通過單一因素的判斷具有一定的局限性，因此建議在實際工程中宜綜合運用多種手段，以確保項目的順利實施。

[1] 李銀海.貴州普安縣河洋大橋工程地質(zhì)勘察報告[R].武漢：中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，2010.

[2] 晏鄂川，李其良，蔡玲玲，等.貴州省普安縣河洋大橋巖土工程專題研究報告[R].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）勘察建筑設(shè)計研究院，2010.

[3]JTGD63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 唐輝明，劉佑榮.巖體力學(xué)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1999.