云南文山马鹿塘特大桥北侧岸坡稳定性评价

李向清，刘文远，柯 洪，余文章

（中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，云南 昆明 650011）

1 工程概况

马鹿塘特大桥位于云南省文山州麻栗坡县天保镇南温河村境内，距离天保镇直线距离约20 km，特大桥跨越马鹿塘水库，桥位轴线走向方位角为27°，与南温河夹角约90°，距离水库大坝约6.0 km。工程区属于低纬度南亚热带季风气候，受地形条件影响，气候垂直分带明显。麻栗坡县年平均气温17.5℃，年平均降水量1 083.4 mm，年平均蒸发量1 367.6 mm，年平均相对湿度85.3%，年平均绝对湿度17.2 mg/L。

桥梁采用整幅方案，中心桩号为K28+715，设计桥长1 007 m。下部结构，桥墩拟采用柱式墩，基础采用桩基础；桥台拟采用肋板台，基础为桩基础。

2 北侧岸坡地质条件

2.1 工程地质条件

2.1.1 地形地貌

研究区属中等切割的侵蚀～溶蚀中山地貌和溶蚀槽谷相间地貌。河谷为典型的 “V” 形谷，桥区地面标高介于544.00 m～932.00 m之间，相对高差约388.00 m。周围多分布旱地，斜坡地形坡度较陡，坡面植被稍密，多为经济林。北侧岸坡较陡，纵向自然坡度35°～45°，河谷深切，偶见基岩出露，植被较发育，主要为经济林。桥轴线地面高程在544.00 m～810.81 m之间，相对高差约266.81 m。

2.1.2 地质构造及地震烈度

研究区有南温河断裂（F145）［1］通过，与桥位近乎于角度垂直相交，该断裂北西起麻栗山南，向南东经南歪村、新田村北，至南温河村首次与路线相交，后沿南温河西岸延伸，过新寨分水岭垭口到铜塔南东交于文麻断裂。断裂长46 km，总体走向为280°～300°，倾向北东，倾角65°～80°。沿断裂带石英脉发育，硅化强烈，两侧变质岩系发生明显位移，断裂力学性质主要为压扭性走滑断层（见图1）。

图1 第四纪活动断裂分布图

根据GB 18306—2015中国地震动参数区划图，桥址所在的地段地震基本烈度为6度。依据JTJ B02—2013公路工程抗震设计规范对于高速公路上的抗震重点工程，可提高1度按7度采取抗震措施。

根据地质调绘和已有钻探资料，研究区覆盖层由第四系残坡积成因的粉质黏土组成，分布于缓坡地段，揭露厚度为3.10 m～4.50 m；以下依次为厚度4.00 m～31.30 m的全风化花岗片麻岩（Gn），厚度为3.00 m～20.40 m的强风化块状夹砂状花岗片麻岩；下伏基岩为中风化加里东期（Gn）花岗片麻岩。

2.2 水文地质条件

2.2.1 地表水

研究区地表水较发育，地表水主要为大气降水形成的暂时性地表面流及冲沟流水，地表水断面流量受降雨量控制，主要顺坡及沟向低处排泄，汇流于马鹿塘水库。部分沿裂隙下渗补给地下水。北侧岸坡桥轴线左侧发育有地表溪流，溪流流量受大气降水控制，沿低地势方向流淌，最终汇流于马鹿塘水库，踏勘期间溪流流量介于0.5 L/s～1.0 L/s。

2.2.2 地下水

研究区地下水为松散层孔隙滞水和基岩裂隙水两种类型。松散层孔隙滞水赋存于黏性土层裂隙、空隙中，其赋存空间有限、无统一的地下水水位，且季节性变幅较大。雨季施工可能存在渗水现象，对工程有一定影响。基岩裂隙水赋存于全～强风化花岗片麻岩风化裂隙、破碎带中，属弱承压水，透水性一般，水量一般。地下水主要来源为大气降水，受地形条件，裂隙发育程度等诸因素控制。

3 岩土参数、计算工况及控制标准

3.1 岩土参数

岩土层参数值见表1。

表1 岩土层参数值

3.2 计算工况及控制标准

根据研究区实际情况计算工况共考虑工况1（天然工况）、工况2（暴雨工况）、工况3（地震工况）、工况4（水位降落期+天然工况）、工况5（水位降落期+暴雨工况）5种工况。各工况下的控制标准见表2。

表2 控制标准

4 北侧岸坡稳定性评价

采用赤平投影法、刚体极限平衡法及强度折减法对北侧岸坡进行稳定性分析。

4.1 赤平投影法

岸坡整体全风化花岗片麻岩层较薄，岸坡部分区域中风化花岗片麻岩出露，岩层片麻理产状为63°∠38°，反倾，受区域地质构造和河流切割卸荷作用影响，岸坡发育节理裂隙错乱复杂，规律性不强，贯通性不强，根据现场踏勘及勘察报告相关内容，二组典型的节理产状为L1：287°∠70°，L2：170°∠72°。

根据赤平投影分析［2-3］，见图2，二组裂隙L1，L2与坡面大角度相交，不构成不利结构面，层面与坡面小角度相交但倾向相反，不构成不利结构面。据现场踏勘及岸坡调查，岸坡未发生大面积滑塌现象，仅部分区域有浅表覆盖层滑落、滑塌现象，故综合判定，目前岸坡稳定性较好［4］。

图2 赤平投影分析图

4.2 刚体极限平衡法

根据北侧岸坡地质纵断面图建立计算模型。岸坡表层粉质黏土层较薄，对岸坡稳定性评价作用不大，模型简化后统一按全风化花岗片麻岩考虑；桥梁墩台作用力通过深基础作用到中风化基岩中，对边坡整体稳定性影响较小，未计入。水位降落期水作用采用总应力法，土条底孔隙水压力采用近似计算方法。计算采用简化Bishop法［5］。据理正软件反复自动不利面搜索后，确定主塔上、下潜在滑动面如图3，图4所示。

图3 主塔上斜坡断面图

图4 主塔下斜坡断面图

刚体极限平衡法计算结果详见表3。

表3 刚体极限平衡计算成果表

对于主塔上斜坡，地震工况满足稳定性控制标准，天然工况及暴雨工况均不满足稳定控制标准。主塔上斜坡坡体在自重作用下，有沿全风化花岗岩与强风化花岗岩交界面处滑动的趋势，形成厚度为10 m～20 m、沿坡向长度约为70 m的潜在滑体。潜在滑体下缘紧挨主塔，造成不利影响，故需对主塔上斜坡采取有效的加固措施。

对于主塔下斜坡，主要受水位变化影响，根据工况4（水位降落期+天然工况）、工况5（水位降落期+暴雨工况）的计算结果知，主塔下斜坡稳定性满足要求。主塔下斜坡主要分布岩性为强风化花岗片麻岩，强风化岩层节理裂隙发育，水位降落期坡体内的水能够较快的通过节理裂隙渗出至坡外，进而快速减弱了坡体内水压力的不利作用，同时强风化的岩块有一定的镶嵌自稳能力，故主塔下斜坡稳定性较好。

4.3 数值模拟分析

采用有限元计算软件，开展二维边坡稳定计算。

在对边坡稳定性进行数值计算时，岩体采用弹塑性Mohr-Coulomb本构模型［6-7］。

4.3.1 边界条件及判据

模拟边坡情景设置边界条件，本次模拟设定左侧、右侧、下侧边界位移变化为0。全风化花岗片麻岩网格间距为0.5 m，强风化花岗片麻岩网格间距为1.0 m～2.0 m，下部网格间距为3.0 m～5.0 m。

采用强度折减法进行安全系数计算，即在外部荷载不变的情况下不断对岩土体的力学参数按一定比例进行折减，当折减达到临界强度时则岩土的力学参数与临界力学参数的比值即为安全系数。

以求解不收敛或塑性应变区贯通作为边坡失稳的判据。

4.3.2 计算结果

利用强度折减法模拟不同工况下边坡稳定安全系数。首先进行地应力平衡模拟边坡自重（g=9.8 N/kg）应力场得出自然岸坡的塑性区云图及稳定系数，然后分别采用暴雨工况岩土力学参数及施加指向坡外的地震作用力（综合水平地震系数取0.025），得出暴雨工况、地震工况的塑性区云图及稳定系数（见图5～图7）。

图5 工况1塑性区云图(安全系数1.250)

图7 工况3塑性区云图(安全系数1.206)

采用强度折减法得出的安全系数较刚体极限平衡法稍大。

工况1（天然状态）、工况2（暴雨状态）斜坡稳定性不满足控制标准。塑性区云图中有3条塑性贯通带，其中2条位于全风化花岗片麻岩层中，底部位于全风化与强风化岩层交界处，下缘仅靠主塔，另外1条塑性贯通带较深，主要位于强风化花岗片麻岩岩层中，底部位于强风

化与中风化岩层交界处。可见，主塔上斜坡全风化岩层仍可能形成潜在滑体，这与刚体极限平衡法模拟结果一致，同时此法揭露出1条更深的塑性贯通带，但从塑性区云图知其贯通性不强。故需对主塔上斜坡采取有效的加固措施。工况3（地震工况）塑性区云图有1条塑性贯通带位于全风化花岗片麻岩层中，底部位于全风化与强风化岩层交界处，且其安全系数满足控制标准，与刚体极限平衡法模拟结果一致。

图6 工况2塑性区云图(安全系数1.200)

5 结论

依次运用赤平投影法、刚体极限平衡法、强度折减法得出岸坡目前的稳定状态及潜在破坏面，得出如下结论：

1）赤平投影法分析得出，北侧岸坡片麻理内倾，且与优势裂隙面无不利结构面组合。

2）刚体极限平衡法（简化Bishop法）得到的安全系数略小于强度折减法。

3）北侧岸坡主塔上斜坡，天然工况、暴雨工况不满足稳定性控制标准，主塔下斜坡满足稳定性控制标准。

4）建议对主塔上斜坡全风化岩层采取加固措施。