尼泊尔色迪河桥岸坡稳定性分析

尼泊尔色迪河桥岸坡稳定性分析

1桥址区河谷岸坡变形破坏模式的认识尼泊尔香迪河大桥位于尼泊尔博克拉市。这是连接加德满和博克拉国家主要道路的重要桥梁之一，在博克拉市的交通结构中发挥着重要作用。色迪河桥于1995年开始由中方援建，1998年9月竣工。大桥跨度140m，为悬臂钢挂梁结构。该桥修建期间，原来稳定性相对较好的加德满都岸(以下简称加岸)开始出现拉张裂缝，且最外侧裂缝距该岸桥基仅17m，这些裂缝的发展速度非常快，到2001年年初，裂缝最大宽度已达到4m。目前，裂缝还在进一步扩展，对大桥的安全造成了一定的威胁。为了查明色迪河桥址区河谷岸坡发生拉裂变形的原因，评价其对大桥安全所造成的危害以及制定相应的加固处理措施，2001年3月，中方组织了7人的考察组，对该桥址区岸坡岩体的变形破坏情况进行了为期20d的考察。考察组通过在现场对桥址及周围一定范围内河谷岸坡变形破坏迹象的系统考察和综合分析，认为色迪河桥址区河谷岸坡的底部可能存在一定厚度的“易冲蚀层”，该层的存在使得桥址区河谷岸坡的变形破坏模式比较特殊，为拉裂→倾倒→座落模式，而不是大桥勘察和设计阶段假定的，并以此作为确定大桥的跨度和桥基位置依据的滑移→拉裂模式。也正因为前期对桥址区河谷岸坡变形破坏模式认识的失误，才给大桥的正常运营留下了一定的安全隐患。为了进一步确定该桥址区河谷岸坡的整治处理方案，尼泊尔土工试验有限公司(SoilTest(P)Ltd.)和ITECO-CEMAT岩土工程服务有限公司(ITECO-CEMATGeotechServices(P)Ltd.)于2001年底对该桥址进行了进一步的岩土工程勘察，勘察结果证实了考察组推测的“易冲蚀层”的存在，验证了当时考察组所提出的变形破坏模式的正确性，从而为合理有效地制定该桥基病害整治措施提供了科学依据。2色迪河流域地质色迪河桥址区所在的博克拉市位于喜马拉雅山南缘山间河谷盆地—博克拉盆地的西部。博克拉盆地沿喜马拉雅山脉南侧呈NWW向展布，地势由北向南倾斜，地面标高800～900m。色迪河发源于盆地北侧的喜马拉雅山南坡，向南流经博克拉盆地，汇入恒河水系。博克拉盆地由巨厚的第四纪山前冲洪积地层组成，可详分为Begnas,Siswa,Tallakot,Ghachok,Phewa,Pokhara及Rapakot等几个地层单元。现场踏勘和钻孔资料表明，桥址区河谷岸坡主要由第四纪钙质胶结的加乔克(Ghachok)砾岩构成，上覆厚度较薄、时代相对较新的表层砾石层和人工填土。砾岩层水平成层，总体上胶结强度较高，且无构造裂隙发育，完整性较好，表现出明显的刚性体特征。3桥跨及桥基位置在色迪河桥修建之前，为了获得桥址区可靠的地质资料，以便于为大桥的设计提供基本依据，中方委托尼泊尔土工试验有限公司对桥址区的工程地质条件进行了勘察。该公司在其所提交的勘察报告中认为，色迪河岸坡发生开裂的主要原因为：暴雨后岸坡中的渗透压力使河床以上的一定深度范围内的砾岩层完全失去了强度参数(即粘聚力c值)，从而沿大致与内摩擦角相等的斜面开裂滑移(根据试验资料，砾岩的内摩擦角为37°)(见图1)。根据上述成因机理，尼方依据勘察期间两岸最外侧裂缝出露的位置，再预留一定的安全宽度，最后建议桥的跨度为137m。为慎重起见，中方在进行桥梁的具体设计之前，又专门委派工程地质人员对桥址区的工程地质条件进行了详细地考察，并根据现场调查结果、工程地质类比以及岩体抗剪强度三者的综合分析，对尼方所建议的桥跨及桥基位置作了适当地调整。主要变更为，将桥的跨度由137m变为140m，并将桥梁整体向加岸移动了17m(见图1)。应该说，在大桥勘察和设计阶段，对岸坡变形破坏情况的调查以及对大桥跨度的确定都是比较谨慎和认真负责的，特别是中方地质人员采用了多种方法来综合确定大桥的跨度，并对原尼方的建议方案进行了调整，其依据也是比较充分的。但色迪河桥却在运行期间暴露出安全隐患，究其原因，首先需了解一下色迪河桥址区岸坡裂缝发育的基本特征及发展演化状况。4色迪河河谷岸坡变形破坏特征综合各阶段的观测资料和现场考察结果，桥址区岸坡变形破坏主要表现出以下基本特征。(1)色迪河谷拉裂缝的发育并不仅仅局限于桥址部位，其分布具有明显的区域性。从桥址上游的临时桥(距色迪河桥约100m)开始一直到下游数公里范围内的色迪河谷岸坡都存在类似的变形破坏迹象。同时，从河谷沿岸岸坡的变形破坏特征和变形发展程度可以看出，岸坡的变形是从下游逐渐向上游发展推进的，目前的岸坡变形已经刚好扩展到色迪河上游临时桥附近，临时桥上游的河谷岸坡还未见明显的变形破坏迹象(见图2)。具体地讲，从岸坡拉裂变形发育宽度看有下游河段较宽，越往上游变得越窄的总体趋势。下游多数地段河谷岸坡的变形已经比较彻底，形成了宽谷地貌。因此，可以认为，下游河段比上游河段的变形破坏程度高，其发生变形破坏的时间也相对比上游河段要早。例如，在色迪河桥下游约1700m处河段实测到的博克拉岸(以下简称博岸)岸坡最大变形宽度已达85m，而色迪河桥中轴线部位博岸的最大变形宽度为52m，加岸的最大变形宽度仅为26m。目前，加岸最外侧裂缝刚好位于尼方建议的加岸桥基位置，由此可以看出，如果不是中方将大桥整体向加岸移动17m，色迪河桥目前已经不能正常运营。(2)色迪河河谷岸坡的变形破坏主要表现为拉裂变形和座落破坏，由其所造成的长大拉裂缝和宽厚的座落岩体广泛地分布于从桥址上游临时桥至下游2000m左右的河谷两岸。河谷两岸拉裂变形的发展顺序从横向上都是先从谷坡坡口附近开始，逐渐向岸坡外侧扩展；所有新老拉张裂缝在纵向上基本都是从地表开始近于竖直地向下发展，并一直贯通到河水面附近。每条裂缝的张开宽度一般为上大下小，呈楔形。(3)岸坡在拉裂变形过程中，其靠近河谷侧的岩体一般均伴有一定程度的向河谷方向的倾倒变形。在变形程度比较高的河段，还可见到拉裂缝靠近河谷一侧的岩体与母岩脱离，发生整体下沉的座落破坏现象。下座深度一般为1～2m，个别地段最大接近10m。河谷两岸的地表也因此而形成了错落有致的台坎式地貌。5岸坡变形破坏在现桥址部位曾有一座色迪河旧桥，旧桥由中尼合作始建于1970年。色迪河桥址区岸坡于1991年雨季最先出现裂缝，并由此造成旧桥的垮塌。据记载，1991年9月1日，博克拉地区降了一场特大暴雨，9月3,4日，色迪河旧桥桥址区附近河岸便出现了较为明显的开裂，并发生局部倾倒破坏。尼泊尔公路局对裂缝的记载表明：9月2日，裂缝从上游50m左右的博岸岸边开始，延伸到下游岸边，裂缝长度达120m左右，裂缝距旧桥桥台52m。由于河岸开裂，旧桥向东挤压，致使与桥台相连的引道隆起。9月5日，博岸又发生倾倒和垮塌，形成3～5m宽的裂缝，河水向博岸桥台后的新河道分流。博岸大约20m宽的岸坡岩体整体下座约3m，使旧桥倾斜6°。但在加岸未发现有开裂的迹象。根据施工记录、现场考察期间对施工技术人员的调查、有关勘察设计人员的陈述以及现场实测结果表明，色迪河桥岸坡变形破坏的发展演化过程如下所述。1995年6月，原来没有变形破坏迹象的加岸在洪水期间出现了3条裂缝，分别距岸坡坡口8.8,16和26m。其中，最外侧裂缝距桥基的距离为17m，其最大拉张宽度为1.5cm，长为120m。1999年4月以来，加岸拉裂变形开始进一步发展。2000年月初，加岸色迪河桥与临时桥之间的岸坡坡口部位岩体发生了突发性的倾倒—座落破坏，同年底，最外侧裂缝的最大宽度已扩展至3m左右。2001年2月21～26日期间，考察组对加岸拉张裂缝的发育情况进行了精确的现场实测工作(见图2)。测量结果表明，加岸桥上游侧裂缝实际最大拉开宽度约4m，最大下沉量约2m。加岸桥下游侧裂缝最大拉开宽度约3m，最大下沉量约1.5m。目前，加岸裂缝还在进一步发展。6河岸底部岸坡变形破坏模式从前述的桥址区裂缝发育的基本特征可以看出，岸坡岩体变形破坏形式主要表现为：坡体表部发生拉裂变形和拉裂缝内侧(靠近河谷侧)岩体向河谷方向的倾倒变形以及竖直向下的下沉和座落变形。若将这些变形破坏特征联系起来综合考虑，可将色迪河桥址区岸坡岩体产生变形破坏的原因和具体的变形破坏过程归结为：在桥址区特殊的水动力条件和独特的岸坡结构这两种因素的有机组合下，河谷底部胶结相对较差的“易冲蚀层”在河水强烈的侧蚀作用下被冲刷掏空，上部相对完整坚硬的岩体在重力作用下产生“悬臂梁”式的拉裂→倾倒变形，裂缝自上而下发展贯通到“易冲蚀层”后整体下座。其具体发展演化模式可用图3来说明。将图3与图1相比较，不难发现两者对岸坡变形破坏成因机理解释的差别是较大的。勘察和设计阶段所确定的岸坡变形破坏模式主要为剪切滑移→拉裂型；而考察组认为岸坡变形破坏模式实际为拉裂→倾倒→座落型。二者关键区别在于前者认为岸坡的变形破坏是沿某一剪切破裂面滑动产生的，而后者则认为岸坡变形破坏的关键在于河床底部接近河水面附近存在一层胶结相对较差抗冲蚀能力较弱的“易冲蚀层”。该“易冲蚀层”的存在使得拉裂缝内侧岩体的最终破坏形式为整体下座，而不是沿某一滑面发生滑动破坏。显然，要使图3所示的岸坡变形破坏模式具有正确性和合理性，以下2个关键因素必不可少：(1)河谷底部的岸坡岩体中必须存在一层抗水流侵蚀能力相对较弱的“易冲蚀层”；(2)研究区的河流必须具备非常强大的冲蚀能力。6.1在桥址下游的岩溶结构及岩性结构特点勘察和设计阶段尼方和中方地质人员所提供的大桥中轴线的勘探剖面(即图1)并没有在河谷底部附近的岸坡中画出“易冲蚀层”。为了寻找“易冲蚀层”，考察组对尼泊尔土工试验有限公司的原始勘探资料进行了仔细地分析研究，同时，再次到桥址区下游岸坡变形破坏比较严重的河段的河床附近进行详细调查，最后，发现在桥址区河谷底部确实存在1层抗冲刷、掏蚀能力相对较弱的“易冲蚀层”。根据桥址区的钻探资料和区域地层资料，加乔克层并不象图1所画出的那样均匀，该套地层沉积相变较大、结构较为复杂，总体上由3个亚层组成：上加乔克层(GH3)、中加乔克层(GH2)和下加乔克层(GH1)。上加乔克层的总体特征表现为古岩溶现象十分发育，该亚层残留有砾岩石柱、石芽及锥状残峰，其间充填砂、粘性土、岩屑及角砾岩块。溶蚀深度一般约10m，局部受垂向裂隙控制可达30m。中加乔克层为加乔克砾岩的主体部分，厚约40m，主要为钙质胶结的砾岩层，该层力学强度较高，完整性较好。下加乔克层物质组成和结构都较为复杂，主要由洪积卵砾石，石英岩、砂岩角砾和岩屑组成，胶结较差，风化较为严重。根据尼泊尔土工试验有限公司所提供的2个深孔(分别为BH1和BH5，孔深约80m)资料发现，在大桥中轴线河谷底部60m以下中加乔克层的底部和下加乔克层的顶部确实存在1层相对软弱层，只不过当时认为岸坡的滑移→拉裂型破坏不会达到如此深度，对深层的地层结构没有引起足够的重视。例如，通过查阅钻孔资料发现，博岸BH1钻孔埋深61.0～72.5m处为多孔的疏松土层，加岸BH5钻孔埋深70.8～71.3m处则描述为多孔压实层。同时，钻孔资料还显示，在下加乔克层的顶部还发育有厚约数米的古风化带，带内夹有大量松散石英砂，钻探时因岩芯大量丧失而取芯困难。此外，现场考察时，在桥址下游约1600m处的宽谷地段还发现了与该层相对应的天然露头。该层出露于该段河谷底部，在河水面以上的厚度约为8m，其岩性结构为物质组成以石英岩、砂岩及花岗岩角砾为主，磨圆性及分选性中等；充填物为碎屑、中粗砂并含有大量的泥质；总体上以泥质胶结为主，少量钙质胶结；结构疏松多孔，有大量的地下水从该层的孔洞中涌出和流出，出水量较为丰富。从地貌特征看，该层出露部位的岸坡往往形成一个非常明显的凹岩腔，表明其抗水流的冲蚀能力比其上覆岩体要弱得多，被称为“易冲蚀层”名副其实。根据上述钻孔资料和本次考察时的现场实测，对图1所示的大桥中轴线剖面进行了更正和修改(见图4)。6.2未发现有“易冲蚀层”的特征为了进一步制定该桥址区河谷岸坡的整治处理方案，尼泊尔土工试验有限公司和ITECO-CEMAT岩土工程服务有限公司于2001年底对该桥址区岸坡再次进行勘察，在桥址部位补充了6个钻孔(编号分别为BH1～6)，每个钻孔深度为90m，见图5(图中BH1为原来的钻孔)。将图5与图4对比可以发现，新的勘察结果不但证实了原来假定的“易冲蚀层”的存在，而且“易冲蚀层”比原来推测的要厚得多，其结构也更复杂。图5表明，从几个钻孔所揭露的地表以下90m深度范围内的情况来看，中加乔克层(GH2)底部以下的下加乔克层(GH1)基本都可看作为“易冲蚀层”，因为其岩芯恢复率REC(corerecovery)非常低，尤其是第2段(即GH1,2)的REC值基本上接近于0，取出的岩芯为无胶结的石英碎屑，其抗冲蚀能力可想而知。6.3气象水文条件的突出特征调查结果表明，在桥址区河谷确实存在特殊的水动力条件，使得河谷底部的“易冲蚀层”能在短短的几年内便被水流大范围地掏空冲蚀，使上覆岩体“悬臂梁”式的悬空，并最终导致河谷岸坡发生拉裂→倾倒→座落式的变形破坏。(1)以降雨量和集中降雨强度极高为特征的独特气象水文条件。气象监测资料表明，博克拉盆地的气象水文条件的突出特征为降雨强度极大且分布非常集中。据离大桥最近的博克拉机场气象站资料，该区年平均降雨量为4385mm，最高达5600mm，且70%的降雨量集中在6～8月，最大