山西中南部沁河特大桥岸坡稳定性分析

王 东

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 工程概况

沁河特大桥位于山西省临汾市安泽县马连圪塔村的东南方向,河谷地形较为平坦,地势较为开阔,冲沟较发育,洪洞侧山势呈梯形田层次上升,日照侧为基岩,山体坡度较陡 50°～60°。大桥全长928.65m,中心里程DK417+256.98,为11-64m+6-32m简支梁桥,最大墩高7.506m,洪洞台位于黄土山梁坡顶,日照台位于基岩山梁斜坡处,地势较陡。该桥在线位DK417+210处跨越了一条宽约为4m的水泥路,可以通往安第线及G309国道,交通较为便利,安泽县府城镇坐落在该桥的线位西南方向约2km处,桥址位置见图1。

图1 沁河特大桥工程地质平面

2 工程地质特征

2.1 地形地貌

桥址区位于低山丘陵区及河床地带,地形有一定起伏,地势较为开阔,最大相对高差约100m。

2.2 气象

线路通过地区属中温带干旱、半干旱气候区。以寒冷干燥、大陆型气候为特征。昼夜温差变化较大,表现为降雨量少,蒸发量大,空气干燥,春秋季节多风,夏季短促而炎热,冬季漫长且严寒。平均气温9.9℃,极端最高气温38.7℃,极端最低气温-12.6℃;年平均降水量465.8～509.1mm,年平均蒸发量1506.3mm;瞬时最大风速13.7m/s,主导风向南风;土壤冰冻期从当年10月下旬到次年的3月下旬,季节最大冻土深度49cm。

2.3 地震动参数

据调查,桥址区有史记载以来区域范围内共发生两次5级地震,未发生过5级以上强烈地震,地震活动较弱,属新构造活动相对稳定的构造区块。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306—2001),桥址区地震动峰值加速度为0.10g;相应的地震基本烈度为Ⅶ度;地震动反映谱特征周期0.40s。

2.4 地层岩性

桥址区出露地层主要为:

(5)三叠系下统刘家沟组(T1l)的砂岩、泥岩及砾岩。砂岩以浅紫红色为主,主要矿物成分为石英、长石,粉-细粒结构,局部为粗粒,中～厚层状构造,岩质较坚硬,节理较发育,岩体较破碎,锤击易碎;泥岩颜色为棕红色,主要矿物成份为长石和石英,砂质结构,层状构造;弱风化砾岩,棕红色,主要矿物成份为长石和石英,砂质结构,层状构造,裂隙发育,裂隙面有灰黄色水锈,锤击不易碎。

2.5 水文地质特征

大桥在DK417+220～DK417+440横跨沁河,沁河流经晋、豫两省,是黄河三门峡至花园口区间一条较大的一级支流。沁河发源于长治市沁源县霍山东麓的二郎神沟,源头分水岭高程为2200m左右。河流在太岳山峻岭间蜿蜒南下,穿越临汾市安泽县,在沁水县官亭讫堆附近进入晋城市,经羊城县至泽州县拴驴泉附近入河南省,由河南省济源县五龙口出太行山至武陡县南贾村汇入黄河。

沁河流域总面积13532km2,占总面积的91%,沁河干流总长485km,其中山西省境内为363km,占总长的74.8%。大部分区间属于山区峡谷型,坡陡流急,水多沙少,总落差1844m。

桥址区范围地下水位高程约为853m,属于第四系孔隙水,主要赋存于第四系砂卵石层中,受大气降水影响较大。

3 岸坡稳定性分析评价

桥址区日照台侧位于山梁边坡上,桥墩位于基岩上。沁河桥大里程端出露基岩为刘家沟组砂岩为主,现场实测岩层产状为234°∠11°,节理裂隙发育,主要节理产状如下。

①J1:205°∠72°,l＜1m,s=0.2～0.6m,属微张节理,无充填。

②J2:320°∠85°,l＜1m,s=0.4～0.6m,属微张节理,无充填。

该自然边坡坡高为30m,自然坡角为58.7°,属于高陡边坡,故对其岸坡稳定性做初步评价。本文采用两种方法综合分析岸坡的稳定坡脚。

3.1 根据岩体质量与边坡坡度的经验公式确定边坡的稳定坡脚

根据西南交通大学谢强《道路岩石边坡坡度确定方法的研究》(中国公路学报,2001.2)一文,将约200个公路、铁路岩石边坡作为样本,结合设计及工程修建的实践,确定了一般岩石边坡的稳定坡度约岩石质量指标的定量关系表达式

式中 α——边坡的稳定坡角;

γw——地下水折减系数,见表1;

γh——高度折减系数,对于坡高超过30m的岩石边坡,应考虑坡度折减,见表2;

R——为采用HT75型回弹仪测得岩体的回弹值;

D ——结构面平均间距。

表1 地下水影响折减系数

表2 边坡高度折减系数

取 γh=0.96,γw=0.95,D=0.403;

取回弹值取统计计算值 R =12.27;计算出 α=53.8°。

3.2 采用SMR法确定岸坡的稳定坡脚

1986年西班牙学者RomanaM.基于RMR岩体分级指标,引进不连续面与边坡产状关系、边坡破坏模式、边坡开挖方法等参数,提出了用于描述边坡质量,评价边坡稳定性的岩体质量评价方法——SMR(Slope MassRating)。

式中 F1——边坡中不连续面倾向与边坡倾向关系调整值;

F2——不连续面倾角大小调整值;

F3——不连续面与坡面倾角间关系调整值;

F4——通过工程实践获得的边坡开挖方法调整参数。

取F1=0.4,F2=1,F3=25,F4=15

计算出SMR=39

由经验公式

计算出边坡的自然稳定坡脚

两个坡脚中取最小值,即得该岸坡的稳定坡脚为52.8°。

一般认为,桥梁基础的位置都是位于边坡破坏面(或自然稳定岸坡角)之外的。如图2所示,假设桥墩身和边坡顶部的交点至坡角连线与水平线的夹角,计算出基础距岸坡边缘水平方向的安全距离临界值为L0=1.2m,即L＞1.2m时,岸坡岩体强度满足要求。

图2 桥基与边坡参数关系

4 结束语

本文对沁河特大桥日台侧的高边坡进行了岸坡稳定性分析,计算出该岩质边坡自然稳定坡角及墩位离岸坡的安全距离,为后期的设计及施工提供了有效的理论依据;同时也验证了SMR法和经验公式法的可行性。

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