澜沧江大桥岸坡稳定性动力学分析

张立伟，郑立宁

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司地路处，天津 300251;2.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

我国西部是强地震多发地区，地震诱发的滑坡往往具有分布广、数量多和危害大的特点［1］。随着我国经济建设的快速增长，山区道路建设迅猛发展，特别是在我国的西南多山地区，越来越多大跨度桥梁建在地震断裂带附近等高地震烈度区，桥基岸坡的稳定性受到很大的威胁，而边坡的稳定性又影响着桥梁结构的安全性［2］－［4］。因此，分析评价高地震烈度区桥基岸坡稳定性具有十分重要的现实意义。

新建大理－瑞丽铁路澜沧江大桥桥址位于青藏高原南部地震区滇西地震活动带内，区内地震活动强度大、频度高，是一条中强地震活动非常频繁的地带，大桥所处位置地质情况复杂，强震作用下的大桥岸坡稳定性分析十分重要。本文采用弹塑性损伤本构模型进行有限元数值计算［5］，对澜沧江大桥岸坡在强震荷载作用下的动力响应进行分析，为工程设计提供一定的指导和参考。

1 工程概况

澜沧江大桥位于云南省保山市水寨乡北3 km附近的澜沧江峡谷中，河床狭窄，地势险峻，大理侧桥台位于澜沧江左岸博南山坡，坡角约50°左右，瑞丽侧桥台位于澜沧江右岸罗岷山陡崖之上，坡角约60°左右。桥址附近河床相对顺直，与线位近正交，宽约82 m，水深约10m。该桥为主跨352 m的钢筋混凝土拱桥，桥高大于100m，全桥长497.5 m。

2 工程地质条件

澜沧江大桥地处云贵高原西缘，横断山脉南段的滇西纵谷地带，大桥两侧地层主要受平坡断层控制，主要出露地层包括第四系碎石土、卵石土及粉质黏土，下第三系块状石灰质砾岩夹砂岩;三叠系灰岩、白云质灰岩及白云岩及泥盆系变质砂岩。

桥址位于青藏高原南部地震区滇西地震活动带内，该地震带受“南北向怒江活动断裂带及澜沧江活动断裂带”控制，应力场复杂，地震活动强度大、频度高，中强地震活动十分频繁。据统计，该地震带共记录到Ms≥4.7级地震291次，其中Ms7.0～7.9级地震9次、Ms6.0～6.9级46次、Ms5.0～5.9级171次。近期发生的中强以上地震具有澜沧江东西岸相互交替发生的特征。据《大理－瑞丽铁路线工程场地活动断层鉴定及地震安全性评价》，滇西南地震带地震活动的周期比较短，100年内一般会经历2～4个平静期——活跃期，而且强震发生率高，估计未来百年内的地震活动水平与1900年以来的活动水平相当，可能发生多次Ms7级以上地震。桥址区地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。

3 地震作用对岸坡岩体影响性分析

3.1 基本模型

三维有限元模型计算中岩体采用三维八节点实体单元，本构模型选用D－P弹塑性模型，基础附近和坡脚区域网格加密，整体模型共建立约150000个单元。边界条件为横向左右边界水平方向(X方向)约束，纵向左右边界水平方向(Y方向)约束，底边界全约束，重力加速度9.8 m/s2，地震水平加速峰值度取0.166 m/s2，反应谱施加方向沿水平方向，模型见图1。

3.2 地震作用下岸坡岩体动力学分析

3.2.1 地震作用下岸坡岩体应力特征

图1 三维有限元计算模型

图2 地震作用下天然状态岸坡最大主应力变化云图

图2为地震作用下岸坡最大主应力变化云图。由图2可见，大理岸断层附近岩体中产生的压应力最小，只有0.11MPa左右，河谷底部产生的压应力为0.35MPa，个别位置达到 0.40MPa。大理岸坡面由于断层的存在，受地震影响较大，山间沟谷及山坡顶部产生了较大的压应力，达 0.40MPa左右，而瑞丽岸岸坡岩体最大主应力变化在0.3～0.5MPa之间，变化较为均匀。

图3 地震作用下天然状态岸坡最大主应力变化云图

图3为地震作用下岸坡最小主应力变化云图。如图3可见，地震对岸坡岩体最小主应力产生如下影响:(1)岸坡大部分坡面产生10 kPa的拉应力，河谷谷底处出现拉应力集中现象，拉应力值为50 kPa左右，个别位置达到55 kPa;(2)地震造成大理岸断层岩体中产生20 kPa的拉应力，在河流下部岩体中的受压区域，最大压应力达55 kPa。

3.2.2 地震作用下岸坡岩体位移特征

图4为地震作用下线路纵剖面位移特征变化云图。由图4可见，在地震作用下，岸坡各部分的位移差别较大，位移最大处为大理岸断层附近的岩体，水平位移量达到了5mm，竖向位移量为2mm，大理岸岸坡坡面水平位移量大部分在4mm左右，竖向位移量1mm作用，表明大理岸岩体在地震作用下，其位移趋势主要面向坡外，特别是大理岸附近岩体将会向坡外运动，发生岩体的崩塌，滑动，甚至破坏。相对来说，瑞丽岸的岸坡水平和竖向位移量较小，在1～2mm之间，表明地震造成的瑞丽岸岸坡岩体的位移量相对较小。

3.2.3 地震作用下岸坡岩体强度分析

图4 地震作用下线路纵剖面位移特征变化云图

图5 地震作用下线路纵剖面岸坡岩体强度特征

图5为地震作用下线路纵剖面岸坡岩体强度特征等值线图。图示区域内岸坡岩体大都满足强度要求，但在大理岸坡面断层附近岸坡岩体及岸坡坡脚附近岩体安全系数小于1，表明该部位岩体在地震作用下，会造成坡面岩体破坏，引起坡面岩体塌落、滑动。而瑞丽岸坡面岩体在地震作用下会发生较大范围的岩体破坏。

5 结论

三维有限元动力学分析表明，澜沧江大桥岸坡岩体在强震作用下，大理岸和瑞丽岸岩体内部产生拉应力，在河流下部岩体受两侧岩体的挤压作用产生压应力。断层内部岩体最小主应力明显小于两侧岩体，但在山间沟谷及山坡顶部岩体产生较大的拉应力。最大位移发生在大理岸断层附近的坡面，最大水平位移为5mm左右，瑞丽岸岸坡岩体位移量在2mm左右。岩体强度特征分析表明，大理岸坡面断层附近岸坡岩体及岸坡坡脚附近岩体在地震作用下，会造成坡面岩体破坏，引起坡面岩体塌落、滑动，而瑞丽岸坡面岩体在地震作用下会发生较大范围的岩体破坏。

［1］薄景山，徐国栋，景立平.土边坡地震反应及其动力稳定性分析［J］.地震工程与工程振动，2001，21(2):116－120

［2］刘汉龙，费康，高玉峰.边坡地震稳定性时程分析方法［J］.岩土力学，2003，24(4):553 －556

［3］陈玲玲，陈敏中，钱胜国.岩质陡高边坡地震动力稳定分析［J］.长江科学院院报，2004，21(1):33 －35

［4］吴兆营，薄景山，刘红帅，等.岩体边坡地震稳定性动安全系数分析方法［J］.防灾减灾工程学报，2004，24(3):237 －241

［5］Chen Jian，Yin Jian－hua，Lee C.F.Stability analysis of the permanent ship lock slopes of the TGP under seismic action［G］//Vancouve，B.C.，Canada，Paper No.350，2004