基于区域和工程稳定性的绿汁江大桥选址方案论证研究

基于区域和工程稳定性的绿汁江大桥选址方案论证研究
方健; 鲁志强; 尹小涛; 袁从华
【期刊名称】《《河北工业大学学报》》
【年(卷),期】2019(048)004
【总页数】11页(P74-83,90)
【关键词】绿汁江大桥; 桥梁选址; 区域稳定性; 工程稳定性; 建议桥址
【作者】方健; 鲁志强; 尹小涛; 袁从华
【作者单位】云南省交通规划设计研究院云南昆明650041; 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉 430071
【正文语种】中文
【中图分类】U442.4
0 引言
桥梁是连通峡谷地形两岸的重要交通控制工程，根据桥型的不同，桥基、锚碇等附属建构筑物需要修建在两岸桥址边坡的不同高程位置。

工程结构的稳定性和空间布设受边坡自然和工程稳定性控制，反之工程建设也会极大地改变自然地形和自然边坡的稳定性。

因此，需要谨慎的选择架设桥梁的位置，在桥址边坡的稳定性、桥梁选型之间，在经济性和安全性之间，在短期和长期稳定性之间，寻找平衡，从而选定最优的桥址。

目前对于桥梁选址方面的研究，多集中在以下几方面：1）桥梁选址方法和评价指
标体系研究[1-4]；2）基于航道通航的桥梁选址[5-6]；3）基于区域稳定的桥梁选址[7-8]；4）基于工程稳定性的桥梁选址[9-13]。

本文以绿汁江大桥的选址为背景，在地面调查的基础上，利用区域稳定性论证桥位的可行性；在工程稳定性评价的基础上，基于经济性和安全性优化桥位。

综合区域稳定性和工程稳定性，推荐绿汁江大桥最优桥位。

1 工程概况
弥勒至楚雄高速公路易门至楚雄段是《国家公路网规划（2013 年-2030 年）》和《云南省道网规划（2014—2030年）》中广昆高速联络线（G8012）弥勒至楚
雄高速公路的重要组成部分，也是云南省滇中城市经济圈大外环的的重要组成部分。

连接玉溪、楚雄最便捷的公路通道，是昆磨高速（G8511）和杭瑞高速（G56）
的重要联络线。

项目路线起于云南省玉溪市易门县，起点接同期规划的玉溪至易门高速，跨绿汁江，过楚雄双柏县、楚雄市，与杭州至瑞丽高速（G56）交叉后，止点接规划省高楚雄至大姚高速公路起点。

弥勒至楚雄高速公路玉溪至楚雄段是玉溪、楚雄两州市最便捷的公路通道。

项目主线拟按四/六车道高速公路标准建设，设计速度100 km/h，路基宽度为26.0 m/33.5 m。

其中：K0+000～K71+270（即峨山～易门段）全
长70.258 km，路基宽度为33.5 m；K71+270～K138+400（即易门～双柏段）全长67.130 km，路基宽度为26 m；K138+400～K189+730（即双柏～楚雄段）全长51.330 km，路基宽度为26 m。

最大纵坡4%，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，圆曲线最小半径为360 m。

绿汁江大桥为跨越绿汁江而设，桥位选线区位于绿汁镇北西面、李家村南东侧的绿汁江大峡谷之上，大桥以东-西走向近垂直的角度跨越绿汁江。

推荐桥型方案为悬
索桥，有单墩、双墩和无墩3种方案，主塔置于绿汁江两岸的陡峭斜坡或悬崖下
相对平缓的斜坡上，采用群桩承台基础；锚碇采用隧道锚。

桥梁两端连接公路隧道。

图1 绿汁江特大桥桥址区远景照Fig.1 Photo of the bridge site of Lüzhijiang bridge
桥址区属于构造剥蚀溶蚀-高中山地貌区，位于小绿汁基底褶断区内，绿汁江大断
裂（F1）位于桥址区北西面约1 000～1 200 m，该断裂断层面向东倾斜，倾角55°～65°，为高角度逆断层，属长期活动的复杂大断裂，断层破碎带主要发育有
断层角砾岩、硅化岩及糜棱岩等，破碎带宽度约100～500 m；断层附近岩层受
该断层的影响，岩石异常破碎、产状多变、挤压揉皱产生的小挠曲多见。

覆盖层主要为第四系残坡积（Q4el+dl）与冲洪积（Q4al+pl）地层，下伏基岩为前震旦系昆阳群绿汁江组（Pt1kN2l）地层，岩性为灰、浅灰、灰白、深灰色白云质灰岩、白云岩夹薄层黑色板岩，风化性较弱，多中风化大块状，岩层产状270°～
275°∠58°～68°。

岩石大多裸露，沿江两岸多形成悬崖绝壁，地势极为险峻，岩
溶不发育至稍发育，岩质坚硬，多呈厚至巨厚层状，地形较陡。

玉溪岸岩层产状顺倾，地形坡度相对平缓；楚雄岸岩层产状反倾，但存在多个陡倾软弱结构面，地形坡度相对较陡。

基岩裸露受多条小型冲沟切割，岸坡上陡崖多呈三面临空姿态。

桥址边坡的稳定性对大桥建设至关重要。

利用工程类比法、规范建议值和室内试验，结合调查得到的桥址边坡历史稳定状态，综合确定了符合桥址边坡历史和当前稳定状态的B4 和B6 桥位楚雄岸和玉溪岸桥
址边坡的强度参数，综合建议参数统计列于表1和表2。

表1 B6 桥位桥址区强度参数综合建议值Tab.1 The recommended strength parameters of the bridge site of the B6 bridge position
表2 B4 桥位桥址区计算参数综合建议值Tab.2 The recommended strength parameters of the bridge site of the B4 bridge position
经过调查，仅对可操作性和实施性强的B6和B4桥位进行论证。

该区桥址岸坡稳
定性控制要素为：
1）玉溪岸：①白云质灰岩岩体强度参数；②优势陡倾结构面；③调查发现的软弱夹层；④卸荷裂隙带。

2）楚雄岸：①白云质灰岩岩体强度参数；②优势陡倾和缓倾结构面；③调查发现的平推断层；④卸荷裂隙带。

后续分析紧密围绕这些影响桥位岸坡稳定性的控制要素开展；岸坡稳定性评价基于此质力学模型开展计算分析，评价这些要素对桥基边坡可能产生的不利影响，对比分析由此造成的施工难度和经济性，综合评估其可行性，建议最优桥位。

2个桥位与绿汁江峡谷的空间关系见图2。

图2 绿汁江特大桥B6 和B4 桥位卫星图片Fig.2 B6 and B4 bridge position satellite pictures of Lüzhijiang Bridge
2 基于区域稳定性的桥位评估
2.1 B6 桥位评估
在当前工作的基础上，初选的B6桥位立面空间关系见图3，主跨约1 180.0 m，其中楚雄岸支墩距离陡壁前缘水平距离约21.9 m。

图3 B6 桥位剖面图Fig.3 Section of B6 bridge site
2.1.1 地质上的不利影响
首先B6 桥位楚雄岸陡崖前缘与桥台的位置在调查揭示的强卸荷裂隙带范围内，玉溪岸覆盖层相对较厚，见图4a）和图4c）；楚雄岸强卸荷裂隙发育，见图4b）和图4d），陡崖处强卸荷裂隙深度为60～90 m，顺坡的厚度方向强卸荷裂隙厚度为40～70 m。

图4 B6 桥位的地形与卸荷裂隙带发育情况Fig.4 Topography and unloading fracture zone of B6 bridge site
图5 楚雄岸顶部陡倾与缓倾结构控制的局部崩滑证据Fig.5 Evidence of local collapse and landslide control on steep and gentle dip structures at the
top of Chuxiong bank
2.1.2 历史崩滑揭示的局部失稳的不利影响
虽然楚雄岸为反倾坡，但楚雄岸普遍有一组顺坡向的节理面，产状近90°＜20°，卸荷裂隙面为近直立倾向，倾角普遍在75°以上，可形成组合滑移。

岸坡存在局部崩滑的可能。

2.1.3 平推断层的不利影响
调查发现，楚雄岸的地形、地貌与露头均揭示该区发育一个规模有限的，但足以对工程稳定性造成影响的平推断层。

该断层历经多期运动，在B6桥位楚雄岸陡崖顺河折向玉溪岸，同时在楚雄岸陡崖上的微地形地貌揭示其在楚雄岸仍有一定延伸，转折部位的应力集中，一方面容易造成的大范围的岩体破碎，另一方面足以对楚雄岸墩台位置突出部的区域稳定性造成一定影响。

同时玉溪岸临下游方向的陡崖的形成也与其有关，不过由此造成的不利影响相对楚雄岸要弱一些。

小构造活动与卸荷作用相互影响下，会形成区域稳定性对B6桥位的不利影响，同时两者相互作用，也会加剧墩台长期安全问题。

图6 平推断层及其多期运动地表形迹Fig.6 Flat thrust faults and its surface trace in multistage motion
综上，该区的区域稳定性、强卸荷作用和结构面空间组合滑移模式均会造成B6 桥位的长期安全问题，形成制约工程安全的客观条件，同时加大了工程处理的难度。

2.2 B4 桥位评估
B4桥位立面空间关系见图7，主跨约780.0 m，其中玉溪岸主塔基本在软弱夹层位置，主塔临河侧覆盖层较厚，也会存在稳定和影响主塔安全问题。

图7 B4 桥位剖面图Fig.7 Section of B4 bridge site
2.2.1 地质上的不利影响
B4 桥位玉溪岸地形相对较缓，下部覆盖层相对较厚，顶部陡崖强卸荷裂隙发育，
见图8c）。

在该处陡崖强卸荷裂隙深度为20～40 m，顺坡的厚度方向强卸荷裂
隙厚度为30～50 m；B4 桥位楚雄岸相对较陡峻，基本没有可以设置桥墩的位置，楚雄岸强卸荷裂隙发育，见图8d）。

陡崖处强卸荷裂隙深度为60～90 m，顺坡
的厚度方向强卸荷裂隙厚度为40～70 m。

图8 B4 桥位的地形与卸荷裂隙带发育情况示意图Fig.8 Schematic diagram of topography and unloading fracture zone development of B4 bridge site
两岸上部边坡当前均处于稳定状态，但存在局部崩滑的长期安全问题，需要进行预先处理。

2.2.2 平推断层的不利影响
小断层对于B4桥位楚雄岸的影响相对有限，即断层的平推作用对陡崖以后边坡的影响相对有限，陡崖的安全问题主要是卸荷裂隙造成的，而断层破碎带的存在某种意义上限制了卸荷裂隙往更深部的扩展，这一点从B4桥位楚雄岸同侧上游采石场的出露照片也有反映，即断层破碎带临坡面一侧张开度大些，往内逐步减弱。

综上，该区的强卸荷作用和结构面空间组合滑移模式均会造成B4桥位楚雄岸的长期安全问题；卸荷作用、软弱结构面和顺层结构面组合滑移会造成B4桥位玉溪岸的长期安全问题。

3 基于工程稳定性的桥位评估
3.1 B6 桥位桥址岸坡稳定性评价
3.1.1 玉溪岸
玉溪岸不考虑前部堆积体的影响，则陡倾结构面、强卸荷裂隙带和缓倾结构面组合可能产生的滑移模式如图9所示，计算参数见表3。

图9 B6 桥位玉溪岸桥址处潜在滑面示意图Fig.9 Potential sliding surfaces at the site of the B6 bridge site at the Yuxi shore bridge
表3 B6 桥位玉溪岸桥址边坡稳定性计算结果Tab.3 Slope stability at the site of
the B6 bridge site at the Yuxi shore bridge
从图9 和表3 可知，在陡崖往后103.4 m 处左右，潜在滑面的安全系数在自然状态下为1.35，地震条件下为1.19，满足工程稳定性要求。

3.1.2 楚雄岸
考虑陡倾结构面、强卸荷裂隙带和缓倾结构面组合可能产生的滑移模式如图10所示，计算参数见表1。

图10 B6 桥位楚雄岸桥址处潜在滑面示意图Fig.10 Potential sliding surfaces at the site of the B6 bridge site at the Chuxiong shore bridge
表4 B6 桥位楚雄岸桥址边坡计算结果Tab.4 Slope stability at the site of the B6 bridge site at the chuxiong shore bridge
从图10和表4可知，在陡崖往后114.0 m处左右，潜在滑面的安全系数在自然状态下为1.34，地震条件下为1.18，满足工程稳定性要求。

3.2 B4 桥位桥址岸坡稳定性评价
3.2.1 玉溪岸
玉溪岸不考虑前部堆积体的影响，则陡倾结构面、强卸荷裂隙带和缓倾结构面组合可能产生的滑移模式如图11所示，计算参数见表2。

从图11和表5可知，在陡崖往后108.5 m处左右，潜在滑面的安全系数在自然状态下为1.35，地震条件下为1.21，满足工程稳定性要求。

图11 B4 桥位玉溪岸桥址处潜在滑面示意图Fig.11 Potential sliding surfaces at the site of the B4 bridge site at the Yuxi shore bridge
表5 B4 桥位玉溪岸桥址边坡计算结果Tab.5 Slope stability at the site of the B4 bridge site at the Yuxi shore bridge
3.2.2 楚雄岸
1）顶部陡坎
楚雄岸顶部陡坎处陡倾结构面、强卸荷裂隙带和缓倾结构面组合滑面布置如图12
所示，计算数见表2。

图12 楚雄岸顶部陡坎处潜在滑面示意图Fig.12 Potential slip surface at the
top of the Chuxiong bank
表6 B4 桥位楚雄岸桥址上部陡坎边坡计算结果Tab.6 Slope stability at the top of the Chuxiong bank
从图12 和表6 可知，在陡崖往后45.7 m 处左右，潜在滑面的安全系数在自然状态下为1.37，地震条件下为1.21，满足工程稳定性要求。

2）支墩位置边坡
楚雄岸支墩位置陡倾结构面、强卸荷裂隙带和缓倾结构面组合滑面布置如图13所示，计算数见表2。

图13 B4 桥位楚雄岸桥位边坡潜在滑面示意图Fig.13 Potential sliding surfaces at the site of the B4 bridge site at the Chuxiong shore bridge
表7 B4 桥位楚雄岸桥位处滑面稳定性分析结果Tab.7 Slope stability at the site of the B4 bridge site at the Chuxiong shore bridge
由图13 和表7 计算结果可知，2 号滑面，即在陡崖往后50.6 m 处左右，其自然
状态下的安全系数为1.35，地震条件下的安全系数为1.21，满足工程稳定性要求。

这与强卸荷裂隙发育的厚度相吻合。

3.3 基于工程稳定性的最优桥址比选
经过区域稳定性和桥址边坡稳定性的综合评估，B4 桥位相对于B6 桥位在区域稳
定的角度，更安全。

边坡稳定性量化评估的安全距离结果统计列于表8。

表8 桥址边坡稳定性揭示的安全距离统计表Tab.8 Statistical table for safety distance revealed by slope stability at bridge site注：图中结构物距离自然坡面的水平距离分别为主塔或者支墩距离坡体前缘的距离。

考虑到现场地勘和测绘的难度与精度，保守起见，对于认为陡崖当前计算安全距离再往后20 m设置桥位能较好的满足工程稳定性需要。

安全距离是基于自然边坡1.35稳定界限，且不考虑工程措施的条件下，在其外自然边坡不会影响桥梁结构的受力，在其内桥梁及其附属结构受边坡工程稳定的影响；20 m是基于调查发现的强卸荷裂隙普遍发育厚度考虑的数值。

采用此方案后的建议安全距离见下表9。

对于B6桥位玉溪岸原有主塔位置与边坡前缘距离21.0 m＜计算得到的安全距离124 m，主塔需要后移103 m；楚雄岸支墩位置与边坡前缘距离22.0 m＜安全距离134 m，支墩需要后移112 m。

B4桥位玉溪岸主塔位置与边坡前缘距离12 m ＜安全距离129 m，主塔需要后移117 m；楚雄岸原有支墩位置与边坡前缘距离69 m＞计算得到的安全距离71 m，无需后移。

表9 桥址边坡稳定性揭示的安全距离统计表Tab.9 Statistical table for safety distance revealed by slope stability at bridge site
根据工程稳定性和经济性，B6桥位的主跨远大于B4桥位，在经济性上，B6不如B4。

3.4 综合考虑区域和工程稳定性的桥梁选址方法
区域稳定性和工程稳定性对桥梁选址的影响，一般区域稳定性居主导作用，因为其影响范围相对较大，处理技术难度大，因而如果区域稳定性不支撑桥梁选址，则工程稳定性的影响可不考虑。

工程稳定性的影响次之，其对桥梁选址的影响一般受当前工程技术水平、当地的具体情况和相对于替代方案的经济性和安全性制约。

一般是在可处理基础上的优化，或者考虑环保和人文环境的综合影响。

4 结论与建议
根据区域稳定性，B6 桥位受交汇小断层f1 和f2 的影响，B4 桥位受该平推断层的影响有限，区域稳定性支撑B4桥位。

根据工程稳定性，B6桥位，玉溪岸主塔需后移103 m，楚雄岸支墩需后移112 m，满足工程稳定性的主跨为1 350 m；B4桥位，玉溪岸主塔需后移117 m，楚雄岸支墩无需后移，满足工程稳定性的主跨为819 m，工程稳定性支撑B4桥位。

综合对比的最优方案为B4方案，无论采取那个桥位，均需考虑两岸上部陡崖局部崩滑对主塔或者支墩的威胁。

在支墩和锚碇开挖部位，需重视强卸荷裂隙带的影响，在施工暴露和采取一定调查手段的基础上，尽可能弄清其范围，可采取一定深度的封闭或者灌浆加固处理。

在施工过程中，尽可能做到动态设计，施工发现和揭露的不良工程问题需要及时反馈给勘察设计部门，同时建议做好安全监控工作。

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