某拟建跨江大桥桥位岸坡稳定性研究

胡桂林 熊承仁 廖春梅

(1.中国地质大学教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074； 2.中国地质大学马克思主义学院，湖北 武汉 430074)

2.Marxism Institute, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)



某拟建跨江大桥桥位岸坡稳定性研究

胡桂林1熊承仁1廖春梅2

(1.中国地质大学教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074； 2.中国地质大学马克思主义学院，湖北 武汉 430074)

在研究某拟建跨江大桥桥位区工程地质条件的基础上，采用GeoStudio软件分析了桥墩荷载施加及库水位变动情况下岸坡的稳定性，结果表明：桥墩荷载施加后，主桥墩处的应力及位移改变显著，斜坡稳定性情况较好；在库水位升降作用下，斜坡稳定性进一步变差，整体稳定性尚满足要求。

跨江大桥，桥位，岸坡，稳定性，GeoStudio

0 引言

拟建跨江大桥位于湖北省巴东县水布垭镇水布垭水库库区内，距水布垭大坝约1.8 km。主桥拟采用单跨双绞钢桁架悬索桥，全长561 m，主跨420 m，桥墩采用桩基础方案，桥荷重大，安全等级高。为确保大桥安全稳定并为设计提供科学依据，在对桥位区工程地质条件研究的基础上，采用有限元分析软件GeoStudio建立桥位区二维计算模型，计算了桥荷载施加后及库水位变动情况下岸坡的位移场及变形场，并对其稳定性进行了综合分析。

1 桥位区工程地质条件

区域地貌形态属于鄂西剥蚀中山区峡谷地貌，桥位区河谷深切，地形上构成“V”形峡谷。岸坡基岩地层表现出明显的软硬相间的特征，如栖霞组第3，8，13段为相对较软的泥质灰岩或泥质灰岩。软硬相间的物理力学特性往往导致结构面发育的非均匀性和产状的折射现象。北岸临坡面岩层产状约76°∠13°，南岸临坡面岩层产状约60°∠10°。北岸为近水平的斜逆向基岩岸坡，南岸为平缓的斜顺向基岩岸坡。通过现场节理统计及室内结构面网络模拟结果可知，桥位区主要发育有三组结构面[3,4]。

岸坡陡崖处卸荷带宽约10 m～30 m。卸荷带总体平行坡面发育，平均宽度15 m～20 m。受卸荷作用影响，与坡面近于平行的一组高陡裂隙张开。卸荷带追踪裂隙、断层和层面而生成。水布垭水库死水位350 m，正常高水位400 m，消落带高度50 m，桥墩位于400 m水位线附近，桥梁岸坡受到水位变动的影响。总而言之，该桥位区岸坡是被优势结构面切割的涉水软硬相间的高陡卸荷层状岩体斜坡。此外，坡体内尚有岩溶发育。

2 桥位区二维数值模型

为保证大桥建成后边坡和桥墩基础的稳定，采用数值模拟的方法对边坡和桥墩基础进行应力变形分析和稳定性分析。数值模拟研究依据前期勘察资料所提供的典型工程地质剖面、岩土体物理力学性质以及设计的荷载条件进行。

2.1 数值模拟方法

采用GeoStudio岩土工程仿真软件的SIGMA/W，SLOPE/W和QUAKE/W模块进行。SIGMA/W为岩土体应力和变形有限元分析软件，全面支持岩土材料本构模型，可以分析高度复杂的岩土有效应力问题。SLOPE/W为专业的边坡稳定性分析软件，可用极限平衡理论对不同材料类型、复杂地层和各种滑移面形状的边坡进行建模分析，其独特之处是将有限元法和极限平衡理论进行结合，通过多种评价方法对边坡稳定性进行有效的计算。QUAKE/W为专业的地震响应分析软件，可对地震冲击波、爆炸产生的动荷载等作用下的岩土动力问题进行分析计算。

2.2 建立数值模型

以桥梁中心线剖面作为建模剖面，根据库岸斜坡节理裂隙调查与分析结果，斜坡内部一定深度内发育的陡倾角卸荷裂隙对岸坡稳定性的影响较大。为了更好地反映实际情况，在模型地表一定深度范围内设置均布的卸荷裂隙模型。裂隙分布间距取15 m，裂隙延伸受相对软弱地层控制，仅贯穿相对较硬的地层。为了简化模型，根据地层岩性特征将模型材料分为四种，其中Plq第1，3，8，10，13，15段归为一种相对软弱层，Plq第2，4，5，6，7，9，11，12，14段归为一种材料，D+C+Plm+P1ma归为一种材料，桥墩和锚锭归为一种材料，如图1所示为二维数值模拟模型。

2.3 计算工况与荷载条件

桥岸边坡和桥基所受的荷载主要包括桥梁荷载和库水荷载，其中桥梁荷载取决于设计方案。模拟计算工况如下：1)天然工况，即桥梁岸坡处于天然含水量并不受附加荷载时的状态，计算时所使用的材料抗剪强度取天然状态时的参数(下同)；2)桥梁荷载工况；3)桥梁荷载+水位上升与暴雨工况；4)桥梁荷载+水位上升与暴雨+地震工况，本次数值模拟地震工况采用0.1g峰值加速度进行计算。

2.4 岩土体物理力学参数

参与计算的岩土体物理力学参数根据室内试验、原位试验以及项目附近区域类似工程地质条件的经验参数综合确定。具体材料物理力学参数如表1所示。

3 数值模拟结果及分析

3.1 岸坡和桥墩的应力与变形分布

岸坡和桥墩基础的应力与变形分析基于SIGMA/W软件进行[6,7]。如图2所示，计算结果显示施加荷载后，桩端岩体的应力莫尔圆在抗剪强度包络线下方，即基础稳定未发生破坏。承台顶最大位移10.7 mm，最大水平位移3.2 mm，最大垂直位移10.6 mm。

3.2 岸坡和桥墩基础的稳定性分析

表1 岩土体物理力学参数

岸坡和桥墩基础的稳定性分析基于SLOPE/W软件进行。结合SIGMA/W的应力分布计算数据和相应的摩尔—库仑破坏准则，SLOPE/W软件可自动搜索或人工定义岸坡和桥墩基础的潜在破坏面，并根据多种计算方法评价不同潜在破坏面的稳定性系数。根据裂隙和软弱层的分布与组合关系，假定岸坡存在由表及里的多层潜在破坏面(如图1所示)，分别计算了9组～11组潜在破坏面的稳定性系数，不同工况下各组潜在破坏面的稳定性系数计算结果见表2。在工况4下，北岸、南岸最危险潜在滑动面的稳定性系数随时间的变化曲线分别见图3。根据GB 50330—2002建筑边坡工程技术规范相关规定，不同安全等级边坡的稳定性安全系数应不小于相关规定，否则应对边坡进行处理。

表2 不同工况各潜在破坏面稳定性系数

根据拟建跨江特大桥工程性质，其边坡工程应定为一级边坡，

即边坡稳定安全系数应大于1.35。结合边坡不同工况的稳定性系数计算结果可知，边坡稳定性系数满足规范要求。但由于该项目区域地质条件复杂，溶洞、卸荷裂隙发育较强烈，且该工程破坏后果较严重。综合判断，就桥基边坡稳定性而言，安全储备较高[9,10]。

3.3 不同水位条件下岸坡稳定性分析

由于桥位岸坡处于水布垭水库周期性水位变化状态下，其中最高库水位约400 m，最低水位约350 m。为了分析不同水位条件下岸坡稳定性变化情况，分别对最高水位和最低水位状态的桥梁岸坡进行稳定性模拟计算。

数值模拟过程中水位线以下的岩体采用浮容重和饱和抗剪强度参数，水位线以上的岩体采用天然容重和天然抗剪强度参数。最高水位和最低水位时的岸坡稳定性系数均大于3.00。岸坡在高水位时的稳定性系数均低于低水位状态。但水位上升对边坡稳定性系数的影响较小，高水位造成的岸坡稳定性系数降低值小于0.2左右。

4 结语

1)本场地岩体主要由二叠纪灰岩组成，现场地质调查与钻探、物探资料分析表明，除局部岩溶发育外，岩体完整性较好，强风化带一般厚约5 m～10 m，其下中风化和微风化岩石强度较高。桥位区无影响桥梁场地及岸坡稳定的重大不良地质现象发育，初步判断场地稳定、岸坡稳定，适宜本桥梁方案的建设。

2)基于GeoStudio对桥墩荷载施加后及库水位变动情况下岸坡稳定性进行了综合分析，结果表明桥墩荷载施加后，主桥墩处的应力及位移改变显著，斜坡稳定性情况较好；在库水位升降作用下，斜坡稳定性进一步变差，但整体稳定性尚满足要求。

[1]徐瑞春，杨火平，柳景华.清江水布垭水利枢纽工程地质研究.武汉:中国地质大学出版社,2010:107-217.

[2]贾洪彪，唐辉明，刘佑荣.岩体结构面三维网络模拟理论与工程应用.北京:科学出版社,2008:65-75.

[3]徐 伟，胡新丽，黄 磊，等.结构面三维网络模拟计算RQD及精度对比研究.岩石力学与工程学报,2012,31(4):822-833.

[4]陆三福，熊承仁，龙 露.三维激光扫描与结构面模拟在地质勘察中的应用.人民长江,2014,45(12):54-58.

[5]中仿科技有限公司.GeoStudio实例教程.北京:冶金工业出版社,2007.

[6]荣 冠，周创兵，江进辉，等.锦屏一级水电站左岸边坡渗流计算及稳定性分析.长江科学院院报，2005,22(6):55-59.

[7]杨育文，周志立，蒋 涛，等.渗流作用下边坡自稳临界高度计算.长江科学院院报，2013,30(10):54-57.

[8]GB 50330—2013,建筑边坡工程技术规范.

[9]JTG C20—2011,公路工程地质勘察规范.

[10]GB 50021—2001,岩土工程勘察.

Study on bank slope stability of a proposed cross-river bridge

Hu Guilin1Xiong Chengren1Liao Chunmei2

(1.ThreeGorgesResearchCenterforGeo-hazard,MinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；

Based on studying proposed river-crossing bridge site engineering geology conditions, GeoStudio software is using to analyze the slope stability after the bridge pier load applied and the water level change. Studies show that, after the bridge built, the stress and displacement around bridge piers change greatly, and the slope stability is well, slope further deteriorates in water level fluctuation effects, but the overall stability still meet the requirements.

river-crossing bridge， bridge site, bank slope, stability, GeoStudio

2.MarxismInstitute,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

1009-6825(2015)21-0133-02

2015-05-13

胡桂林(1987- )，男，在读硕士； 熊承仁(1965- )，男，博士，副教授； 廖春梅(1989- )，女，在读硕士

U443.1

A