陈劲舟，王亚军，叶绍其，岳万友，段妙奇
(1.武汉工程大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074；
2.中铁大桥局集团第五工程有限公司，江西 九江 332001)
边坡是自然界和人类工程活动中常见的地质环境体，广泛存在于中国的高速公路建设、大中型桥梁建设以及山体隧道建设中[1]。西部山区是国家公路交通网布设的大力推进区，该区域地貌主要以山区丘陵居多，地质条件复杂，高海拔、昼夜温差大是其主要特点，同时也是滑坡、泥石流等地质灾害的频发区。在此复杂的山区环境中进行大范围的机械化施工，无疑给公路、桥梁等工程的建设增加难度[2-3]。因此，需要对部分山区线路进行规划设计，而采取的规划方案多数是通过开凿隧道、挖填路基的方式实现，这就导致了山区挖方边坡的出现。伴随着对边坡开挖和扰动的愈发频繁，各类型边坡的失稳破坏问题随之而来[4-5]。
边坡工程的稳定关系到整个工程建设进度、安全和费用，是施工环节中的重中之重[6]。目前，边坡安全事故频发，其大部分原因在于进行工程活动时，未将环境因素的影响考虑到总的设计方案中，忽视了复杂地质环境条件在高陡坡施工中的作用，从而造成了安全隐患[7]。正确认识山区边坡的地形地貌、地质特点、变形模式，建立针对项目沿线边坡的稳定性评价体系，是保障工程安全不可或缺的前提，也是评判边坡稳定与否的重要体现。这对于确保工程顺利建设和减少不必要的经济损失具有重要意义[8-10]。
云南省玉溪至楚雄高速公路绿汁江大桥是一座典型的山区河谷大桥，如图1所示。桥两岸斜坡地形陡峭，无公路通过，气候多变，地质条件复杂。Midas/GTS NX是一款针对岩土工程开发的数值模拟软件，该软件以C语言编程和有限元分析两个功能为基础，拥有强大的前后处理能力，能够对大部分的岩土体进行分析，尤其在对露天边坡、山体隧道等工程进行模拟计算时，结果更加接近真实情况。而本文的研究对象是绿汁江大桥玉溪岸桥隧结合部边坡，其特殊的地理位置及复杂的环境条件是Midas有限元软件应用的最佳选择。因此，类比相似的工程经验，本文选择运用极限平衡和Midas/GTS NX数值计算对施工期该边坡的稳定程度进行分析。
图1 绿汁江大桥位置Fig.1 Location map of Lvzhijiang Bridge
1.1 地理位置
云南绿汁江大桥为单跨780 m的悬索式大桥。该场区相对高差640 m，地形落差极大，河谷纵深长，为典型的V型峡谷地貌，地形条件复杂。边坡位于绿汁江左侧东岸，属大栗树隧道与绿汁江大桥结合区域，地处玉楚高速K102+300～K102+600之间，主要为大栗树隧道出口与绿汁江大桥0号桥台之间的边坡，如图2所示。
图2 边坡现状Fig.2 Current situation of slope
1.2 地层岩性与产状
根据地质勘察资料，边坡区域的上覆土层为第四系残坡积层(含碎石黏土)，下伏基岩为前震旦系上昆阳群绿汁江组(Olm)灰-深灰色薄中至厚层状、厚层状白云质灰岩、白云岩，偶夹板岩，岩体的节理裂隙为极发育程度。岩层产状为 130°∠87°。
1.3 现状概况
受场地地形条件限制，桥台、隧道及隧道锚建设均需要开挖边坡。由于该场地边坡大多为高陡岩质边坡，且边坡下部为桥梁、隧道等重要结构物，破坏后果严重。按照设计方案，后期将在坡脚开挖绿汁江大桥桥塔锚索散索鞍基础，该坡体状态将再次改变，可能导致边坡综合体新的变形，影响工程安全，且坡体的稳定状态将难以判断。而该区域涉及绿汁江特大桥0号桥台、玉溪岸左右幅隧道锚、大栗树隧道出口等关键工程，为保证施工安全，须对该坡体进行加固。故对该边坡的稳定性进行计算，根据计算结果再进行下一步施工。
2.1 计算剖面确定
根据勘测现场实际地形，沿玉溪岸桥轴线、隧道锚左右结构中心线共布设了3条纵向典型勘测线，并绘制出玉溪岸桥隧结合部边坡平面布置(图3)。根据该边坡的变形情况，结合关键工程位置，本文选取右幅隧道锚中心线Ⅰ-Ⅰ’ 剖面进行坡体的稳定性计算与分析。
图3 玉溪岸桥隧结合部边坡平面布置Fig.3 Layout of the slope at the junction of Yuxi bank bridge and tunnel
2.2 计算参数选取
根据地质勘察资料，参照JTG C20-2011《公路滑坡防治设计规范》，运用工程地质类比法，得出计算所需的相关参数，如表1所示。
表1 岩土体物理力学参数
2.3 基于极限平衡法的边坡稳定性分析
2.3.1 计算模型建立
极限平衡法计算模型是根据边坡的地形、土质特征，将坡体剖面转化为平面问题，从而建立计算模型。模型条分图及分条块受力如图4所示。
图4 条分图及分条块受力Fig.4 Slice graph and stress diagram of slice and block
2.3.2 稳定性计算
Ⅰ-Ⅰ’剖面位于右幅隧道锚结构中心线处，分别在开挖完成、散索鞍基坑开挖后，开展天然和暴雨两种工况下的稳定性计算。
采用基于极限平衡的传递系数隐式解法进行计算。计算公式[11]如下：
K=
其中：
Rn=[(Wn(1-rU)cosαn-Asinαn-
RDn]tanφn+cnLn
(1)
Tn=Wn(sinαn+Acosαn)+TDn
(2)
(3)
上式中：Ψj为相邻条块间的传递系数(j=i)；
Rn，Tn分别是条块n所受垂直于滑面和平行于滑面的分力；
RDn，TDn分别是条块n所受渗透压力产生的垂直于滑面和平行于滑面的分力(没有地下水渗流时，可以不考虑)；
W为条块的重量，kN/m；
c为黏聚力，kPa；
φ为内摩擦角，(°)；
L为条块的滑面长，m；
α为滑面倾角，(°)；
A为地震加速度，cm/s2；
rU为裂隙压力比；
K为稳定系数。
暴雨工况时：
Rn=[Wn(1-rU)cosαn-Asinαn-
Nwi/cosαi]tanφn+cnLn
(4)
Tn=Wn(sinαn+Acosαn)+Nwisinβicos(αi-βi)
(5)
其中：
Nwi=γwhwLicosαi
(6)
式中：Nw为裂隙水压力。
(1) 边坡开挖完成稳定性计算。根据坡体开挖过后的特征，结合对地表变形调查，观测到坡体前后缘有断裂带和裂缝的出现；
并对岩体进行物理勘探后，测得在勘测区存在软硬质岩交界带，且交界带区域岩体整体完整性较差。因此，结合补充勘察提出的滑面，综合判断边坡滑动面的位置，并对其作条分，如图5所示。
图5 边坡开挖完成Ⅰ-Ⅰ’剖面条分Fig.5 Section I-I ′after slope excavation
(2) 散索鞍基坑开挖完成稳定性计算。根据坡体开挖后的特征，并结合补充勘察提出的滑面，对其进行条分，如图6所示。
图6 基坑开挖完成Ⅰ-Ⅰ’剖面条分Fig.6 Section I-I ′after foundation pit excavation
2.3.3 计算结果分析
通过参考相关规范规程和查阅已有施工资料，本文对暴雨工况下裂隙水压力的变化过程定义为沿裂缝底与坡趾间呈线性变化，直至为0。将单束锚索作用的支护力取值为100 kN，并代入上述公式中进行计算。最终得到稳定性系数如表2所示。
表2 Ⅰ-Ⅰ’剖面各工况下稳定性系数
根据该坡体变形特征及坡体所处的状态，结合稳定性计算结果，参考GB/T 50585-2019《岩土工程勘察安全标准》和JTG C20-2011《公路工程勘察规范》，将极限平衡法下的边坡评价标准划分如下：①K<1.0不稳定；
② 1.0≤K<1.05欠稳定；
③ 1.05≤K<1.15基本稳定；
④K≥1.15稳定。
根据上述评价标准，可知该剖面的稳定性为：① 在天然工况下，边坡处于稳定状态；
② 仅在散索鞍基坑开挖后，暴雨工况下，安全系数为K=1.02<1.05，边坡为欠稳定状态，需采取进一步加固措施。
2.4 基于数值计算的边坡稳定性分析
2.4.1 计算模型建立
本节针对 Ⅰ-Ⅰ’典型剖面，采用MIDAS/GTS NX有限元软件，建立二维模型，分析计算各工况下边坡的应力、位移以及塑性区的分布特征。Ⅰ-Ⅰ’剖面位于右幅隧道锚结构中心线位置，剖面走向北东281°31′34″，按设计开挖完成后仰坡为6级边坡。根据上述原则建立模型，如图7所示。模型尺寸为200 m×230 m。
天然工况下对模型底部进行水平及竖直方向的边界约束，对模型左右侧进行水平方向的边界约束；
暴雨工况下分别对模型进行初始水头(左侧水头、右侧水头)、降雨边界(坡顶降雨)、静力边界(水平及竖直方向的约束)的设置。
图7 Ⅰ-Ⅰ’剖面计算模型Fig.7 Ⅰ-Ⅰ′ section calculation model
2.4.2 边坡稳定性计算
对于 Ⅰ-Ⅰ’剖面，主要对边坡开挖完成、散索鞍基坑开挖后的两种情况，进行天然和暴雨两种工况下的分析。
(1) 边坡开挖完成后，边坡应力、位移及塑性区分布特征如图8～9所示。
图8 天然工况下边坡开挖后的应力、位移及塑性区分布特征Fig.8 Distribution characteristics of stress, displacement and plastic zone of counterpressured soil after slope excavation under natural condition
图9 暴雨工况下边坡开挖后的应力、位移及塑性区分布特征Fig.9 Distribution characteristics of stress, displacement and plastic zone of counterpressured soil after slope excavation under rainstorm condition
(2) 散索鞍基坑开挖后，天然和暴雨两种工况的边坡主应力及位移矢量分布如图10～11所示。
图10 天然工况下散索鞍基坑开挖后的应力、位移及塑性区分布特征Fig.10 Distribution characteristics of stress, displacement and plastic zone of loose saddle foundation pit after excavation under natural condition
图11 暴雨工况下散索鞍基坑开挖后的应力、位移及塑性区分布特征Fig.11 Distribution characteristics of stress, displacement and plastic zone of loose saddle foundation pit after excavation under rainstorm condition
2.4.3 稳定性结果分析
通过数值模拟分析得到的稳定性系数见表3。
图8～11及表3的结果显示：Ⅰ-Ⅰ’剖面稳定性受边坡含水量影响较大，边坡开挖及散索鞍基坑开挖增加了边坡表面滑移范围；
天然工况下，边坡总体处于稳定状态(稳定性系数>1.15)；
暴雨工况下，边坡稳定性降低，在散索鞍基坑开挖后，处于欠稳定状态(稳定性系数<1.05)。从应力、塑性区的分布可知，破坏主要发生在坡脚及基坑底部区域。考虑到绿汁江大桥的性质与安全级别，需进行支护加固。
表3 Ⅰ-Ⅰ’剖面各工况下稳定性系数
(1) 从计算结果可以看出，Midas有限元法计算出的安全系数相对较大，极限平衡法计算出的安全系数相对保守。原因在于相对于传统的极限平衡法，Midas提供的SRM分析法无需假定滑动面，其软件自动搜索的滑动面即是一个完整的滑动带，其影响范围相对较大，对计算结果做出了贡献；
另外，SRM法建立平面模型的过程中，法向约束对于计算结果也产生了较大影响，从而致使两种方法计算出的安全系数出现了偏差。
(2) Midas/GTS NX通过SRM分析法对边坡进行了计算，从边坡的位移云图可以看出，开挖前后在边坡坡脚及基坑区域出现了较为明显的位移矢量变化，位移主要发生在洞口、第2级边坡及基坑底部区域；
在应力云图中，边坡开挖完成及散索鞍基坑开挖前，坡体的应力均沿着坡面均匀分布，伴随着降水的增多，第2级、第3级边坡的应力逐渐增大；
散索鞍基坑开挖后，坡体应力向坡脚处集中；
从塑性区云图来看，清晰可见一条浅蓝色的滑动带从坡顶延伸到坡脚及基坑区域，但边坡并没有出现整体破坏，均处于安全范围内。与极限平衡法相比，Midas/GTS NX有限元法能够有效形成接近边坡实际的失稳现象，且滑动面是由真实数据计算所得，分析结果更加准确可靠，适用性更加广泛。
(3) 由于该边坡属于施工期的稳定性计算，在前期进行支护加固时，已主要对浅表层的结构面进行了加固。因此，此次计算不考虑加固区域结构面的影响。在考虑现场环境条件影响的前提下，结合坡体滑移面的情况，需要进行进一步的坡体加固。
运用极限平衡和数值计算两种方法，对桥隧结合部边坡施工期的稳定性进行了分析研究，并得出以下结论。
(1) 从分析结果可知，相对于天然状态，暴雨状态下边坡的稳定性更易发生变化。降水增多时，坡体安全系数减小，稳定性相应降低。基坑开挖完成后，坡体的应力、位移增大且向坡脚处集中，暴雨状态下的稳定系数明显降低，处于欠稳定状态。
(2) Midas/GTS NX数值计算中，出现了从坡顶延伸到坡脚的塑性区贯通带，但边坡并未发生失稳破坏，整体处在稳定范围内，说明塑性区贯通带的产生并不一定会使边坡出现整体破坏的情况。
(3) 极限平衡法和Midas/GTS NX数值计算得出的分析结果基本一致，进而说明了两种方法在桥隧结合部边坡施工期稳定性分析中的可行性，其结果对边坡后续的稳定性分析和支护过程均具有一定参考性。
(4) 对于复杂环境条件下边坡的分析研究，在上述两种方法基础上，可以结合FLAC3D有限差分法程序，通过多种方法相结合的方式对边坡进行综合评价，有望使边坡的稳定性得到更准确地评判。
猜你喜欢坡体大桥暴雨“80年未遇暴雨”袭首尔环球时报(2022-08-10)2022-08-10降雨对库区边坡入渗规律的影响研究水利科学与寒区工程(2022年7期)2022-08-10暴雨小猕猴学习画刊(2022年10期)2022-01-01采动-裂隙水耦合下含深大裂隙岩溶山体失稳破坏机理煤炭学报(2021年11期)2021-12-09当暴雨突临疯狂英语·初中天地(2021年8期)2021-11-20一图看懂藏木大桥小哥白尼(趣味科学)(2021年4期)2021-07-28乌弄龙水电站库区拉金神谷坡体变形成因机制分析水力发电(2020年12期)2020-03-12数鸭子幼儿美术(2019年3期)2019-09-10不同开采位置对边坡稳定性影响的数值模拟分析山西煤炭(2019年2期)2019-08-29上天入地——港珠澳大桥小哥白尼(趣味科学)(2019年2期)2019-04-17