山西中南部沁河特大橋岸坡穩(wěn)定性分析

王 東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 工程概況

沁河特大橋位于山西省臨汾市安澤縣馬連圪塔村的東南方向,河谷地形較為平坦,地勢較為開闊,沖溝較發(fā)育,洪洞側(cè)山勢呈梯形田層次上升,日照側(cè)為基巖,山體坡度較陡 50°～60°。大橋全長928.65m,中心里程DK417+256.98,為11-64m+6-32m簡支梁橋,最大墩高7.506m,洪洞臺位于黃土山梁坡頂,日照臺位于基巖山梁斜坡處,地勢較陡。該橋在線位DK417+210處跨越了一條寬約為4m的水泥路,可以通往安第線及G309國道,交通較為便利,安澤縣府城鎮(zhèn)坐落在該橋的線位西南方向約2km處,橋址位置見圖1。

圖1 沁河特大橋工程地質(zhì)平面

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

橋址區(qū)位于低山丘陵區(qū)及河床地帶,地形有一定起伏,地勢較為開闊,最大相對高差約100m。

2.2 氣象

線路通過地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)。以寒冷干燥、大陸型氣候為特征。晝夜溫差變化較大,表現(xiàn)為降雨量少,蒸發(fā)量大,空氣干燥,春秋季節(jié)多風(fēng),夏季短促而炎熱,冬季漫長且嚴(yán)寒。平均氣溫9.9℃,極端最高氣溫38.7℃,極端最低氣溫-12.6℃;年平均降水量465.8～509.1mm,年平均蒸發(fā)量1506.3mm;瞬時最大風(fēng)速13.7m/s,主導(dǎo)風(fēng)向南風(fēng);土壤冰凍期從當(dāng)年10月下旬到次年的3月下旬,季節(jié)最大凍土深度49cm。

2.3 地震動參數(shù)

據(jù)調(diào)查,橋址區(qū)有史記載以來區(qū)域范圍內(nèi)共發(fā)生兩次5級地震,未發(fā)生過5級以上強烈地震,地震活動較弱,屬新構(gòu)造活動相對穩(wěn)定的構(gòu)造區(qū)塊。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306—2001),橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.10g;相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度;地震動反映譜特征周期0.40s。

2.4 地層巖性

橋址區(qū)出露地層主要為:

(5)三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1l)的砂巖、泥巖及礫巖。砂巖以淺紫紅色為主,主要礦物成分為石英、長石,粉-細(xì)粒結(jié)構(gòu),局部為粗粒,中～厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)較堅硬,節(jié)理較發(fā)育,巖體較破碎,錘擊易碎;泥巖顏色為棕紅色,主要礦物成份為長石和石英,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造;弱風(fēng)化礫巖,棕紅色,主要礦物成份為長石和石英,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,裂隙發(fā)育,裂隙面有灰黃色水銹,錘擊不易碎。

2.5 水文地質(zhì)特征

大橋在DK417+220～DK417+440橫跨沁河,沁河流經(jīng)晉、豫兩省,是黃河三門峽至花園口區(qū)間一條較大的一級支流。沁河發(fā)源于長治市沁源縣霍山東麓的二郎神溝,源頭分水嶺高程為2200m左右。河流在太岳山峻嶺間蜿蜒南下,穿越臨汾市安澤縣,在沁水縣官亭訖堆附近進入晉城市,經(jīng)羊城縣至澤州縣拴驢泉附近入河南省,由河南省濟源縣五龍口出太行山至武陡縣南賈村匯入黃河。

沁河流域總面積13532km2,占總面積的91%,沁河干流總長485km,其中山西省境內(nèi)為363km,占總長的74.8%。大部分區(qū)間屬于山區(qū)峽谷型,坡陡流急,水多沙少,總落差1844m。

橋址區(qū)范圍地下水位高程約為853m,屬于第四系孔隙水,主要賦存于第四系砂卵石層中,受大氣降水影響較大。

3 岸坡穩(wěn)定性分析評價

橋址區(qū)日照臺側(cè)位于山梁邊坡上,橋墩位于基巖上。沁河橋大里程端出露基巖為劉家溝組砂巖為主,現(xiàn)場實測巖層產(chǎn)狀為234°∠11°,節(jié)理裂隙發(fā)育,主要節(jié)理產(chǎn)狀如下。

①J1:205°∠72°,l＜1m,s=0.2～0.6m,屬微張節(jié)理,無充填。

②J2:320°∠85°,l＜1m,s=0.4～0.6m,屬微張節(jié)理,無充填。

該自然邊坡坡高為30m,自然坡角為58.7°,屬于高陡邊坡,故對其岸坡穩(wěn)定性做初步評價。本文采用兩種方法綜合分析岸坡的穩(wěn)定坡腳。

3.1 根據(jù)巖體質(zhì)量與邊坡坡度的經(jīng)驗公式確定邊坡的穩(wěn)定坡腳

根據(jù)西南交通大學(xué)謝強《道路巖石邊坡坡度確定方法的研究》(中國公路學(xué)報,2001.2)一文,將約200個公路、鐵路巖石邊坡作為樣本,結(jié)合設(shè)計及工程修建的實踐,確定了一般巖石邊坡的穩(wěn)定坡度約巖石質(zhì)量指標(biāo)的定量關(guān)系表達(dá)式

式中 α——邊坡的穩(wěn)定坡角;

γw——地下水折減系數(shù),見表1;

γh——高度折減系數(shù),對于坡高超過30m的巖石邊坡,應(yīng)考慮坡度折減,見表2;

R——為采用HT75型回彈儀測得巖體的回彈值;

D ——結(jié)構(gòu)面平均間距。

表1 地下水影響折減系數(shù)

表2 邊坡高度折減系數(shù)

取 γh=0.96,γw=0.95,D=0.403;

取回彈值取統(tǒng)計計算值 R =12.27;計算出 α=53.8°。

3.2 采用SMR法確定岸坡的穩(wěn)定坡腳

1986年西班牙學(xué)者RomanaM.基于RMR巖體分級指標(biāo),引進不連續(xù)面與邊坡產(chǎn)狀關(guān)系、邊坡破壞模式、邊坡開挖方法等參數(shù),提出了用于描述邊坡質(zhì)量,評價邊坡穩(wěn)定性的巖體質(zhì)量評價方法——SMR(Slope MassRating)。

式中 F1——邊坡中不連續(xù)面傾向與邊坡傾向關(guān)系調(diào)整值;

F2——不連續(xù)面傾角大小調(diào)整值;

F3——不連續(xù)面與坡面傾角間關(guān)系調(diào)整值;

F4——通過工程實踐獲得的邊坡開挖方法調(diào)整參數(shù)。

取F1=0.4,F2=1,F3=25,F4=15

計算出SMR=39

由經(jīng)驗公式

計算出邊坡的自然穩(wěn)定坡腳

兩個坡腳中取最小值,即得該岸坡的穩(wěn)定坡腳為52.8°。

一般認(rèn)為,橋梁基礎(chǔ)的位置都是位于邊坡破壞面(或自然穩(wěn)定岸坡角)之外的。如圖2所示,假設(shè)橋墩身和邊坡頂部的交點至坡角連線與水平線的夾角,計算出基礎(chǔ)距岸坡邊緣水平方向的安全距離臨界值為L0=1.2m,即L＞1.2m時,岸坡巖體強度滿足要求。

圖2 橋基與邊坡參數(shù)關(guān)系

4 結(jié)束語

本文對沁河特大橋日臺側(cè)的高邊坡進行了岸坡穩(wěn)定性分析,計算出該巖質(zhì)邊坡自然穩(wěn)定坡角及墩位離岸坡的安全距離,為后期的設(shè)計及施工提供了有效的理論依據(jù);同時也驗證了SMR法和經(jīng)驗公式法的可行性。

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