川藏高速公路高位堆積體病害分析與防治

成永剛，李樹鼎，袁 泉

(1.四川公路工程咨詢監(jiān)理公司, 四川 成都 610041； 2.四川省交通運(yùn)輸廳 公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 四川 成都 610041)

四川省藏區(qū)位于我國地勢由第一階梯的青藏高原向第二階梯的四川盆地過渡帶，峽谷深切、岸坡陡峻,地層巖性多變，氣象條件惡劣而水系眾多，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、活動斷裂發(fā)育而地震頻繁，形成了極其困難的工程建設(shè)條件[1-3]。

自第四紀(jì)晚更新世以來，由于青藏高原強(qiáng)烈抬升、新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈活動和河流強(qiáng)烈侵蝕下切，造成川西藏區(qū)第四紀(jì)堆積體具有分布的廣泛性、成因的多樣性、性質(zhì)的復(fù)雜性等特點(diǎn)。自高速公路工程建設(shè)以來，堆積體坡體病害呈現(xiàn)出持續(xù)高頻的特點(diǎn)，對工程建設(shè)形成了嚴(yán)重的安全隱患。它一方面造成了工期嚴(yán)重滯后，成為典型的“卡脖子”工程；另一方面造成大規(guī)模工程變更，甚至出現(xiàn)工程報(bào)廢，形成了很大的社會負(fù)面影響?；诖?，本文以在建的雅(安)康(定)高速公路大仁煙高位堆積體病害為例，對其工程性質(zhì)和防治方案進(jìn)行探討，以期能為藏區(qū)交通工程堆積體病害的治理提供一定的借鑒。

1 高位堆積體的地質(zhì)環(huán)境

項(xiàng)目區(qū)原設(shè)計(jì)以大橋的形式布設(shè)于岷江一級支流青衣江上游的天全河左岸斜坡坡腳，橋梁高度約26 m～62 m。2016年7月27日19時(shí)，大橋內(nèi)側(cè)高位堆積體突然發(fā)生體積約12×104m3的滑坡，瞬間推倒下部大仁煙大橋左右線23#和24#柱式橋墩，造成直接經(jīng)濟(jì)損失近千萬元，形成了很大的社會影響，滑坡后壁和側(cè)壁形成了高約70.0 m～130.0 m、坡度為57°～69°的堆積體高邊坡，對下部高速公路再建大橋形成了直接的威脅。

1.1 地形地貌特征

區(qū)內(nèi)年平均降雨量1 660 mm，雨季漫長而暴雨集中。天全河為典型的暴漲暴落型山區(qū)河流，河流下切嚴(yán)重，天全河在項(xiàng)目區(qū)拐彎而頂沖岸坡。橋梁內(nèi)側(cè)岸坡屬于在基座式河流階地基礎(chǔ)上發(fā)育而來的突出狀山脊。山脊兩側(cè)沖溝發(fā)育。脊背較窄而相對平緩，前緣臨空面呈“三角形”狀。河床距山脊高差約201 m，其中在河床以上約60 m范圍內(nèi)的花崗巖基座自然坡度約為35°～40°，約60 m～190 m范圍內(nèi)的堆積體自然坡度約45°～50°，山體自然植被茂密，喬木高大挺拔，見圖1。

圖1高位堆積體工程地質(zhì)平面圖

1.2 坡體結(jié)構(gòu)特征

坡體呈二元結(jié)構(gòu)形態(tài)，高位堆積體是天全河長期依附于花崗巖基底而在凹形部位成層沉積，并在河流的強(qiáng)烈下切和地殼的強(qiáng)烈抬升作用下形成的。滑坡后壁形成的高邊坡坡腳處土巖界面與河床高差約70 m。堆積體由崩坡積層(Q4c+dl)和沖洪積層漂卵石層(Q3al+pl)構(gòu)成，下伏基座為元古界(γo2)花崗巖，見圖2。

崩坡積層(Q4c+dl)主要分布于斜坡表層，厚約3 m，主要由潮濕的稍密—中密的碎塊石土構(gòu)成；沖洪積層(Q3al+pl)在場地內(nèi)廣泛分布，主要由層狀沉積的密實(shí)、局部膠結(jié)漂卵石構(gòu)成，最大厚度約74.60 m，滲透系數(shù)0.003 m/d，透水性和富水性較差，坡體地下水貧乏。

圖2大仁煙高階坡體工程地質(zhì)剖面圖

元古界(γo2)花崗巖呈塊狀構(gòu)造，發(fā)育結(jié)構(gòu)面平直而延長大于8 m、產(chǎn)狀140°∠46°的結(jié)構(gòu)面J1，以及結(jié)構(gòu)面平直而延長大于30 m、產(chǎn)狀210°∠47°的結(jié)構(gòu)面J2。J1和J2形成的“楔形”結(jié)構(gòu)面嚴(yán)格控制了土巖界面的形態(tài)。

項(xiàng)目區(qū)位于龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶及安寧河斷裂帶構(gòu)成的“Y”字形構(gòu)造交匯部位東側(cè)，次級斷裂發(fā)育。坡體東西兩側(cè)分別發(fā)育走向?yàn)?70°的F1次級斷裂和走向?yàn)?37°的F3次級斷裂，并依此形成的深切沖溝嚴(yán)格控制了坡體所在山脊的側(cè)界。場地基本地震烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.2g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.45 s[4]。

2 高位堆積體坡體穩(wěn)定性分析

2.1 自然狀態(tài)下坡體穩(wěn)定性分析

(1) 坡體主要由密實(shí)度高、有一定膠結(jié)的沖洪積體構(gòu)成，地表坡度平順，地表植被發(fā)育，沒有滑塌等局部失穩(wěn)現(xiàn)象。坡體前部的天全河已下切至花崗巖基座以下約60 m的部位，河流沖刷對堆積體的穩(wěn)定性基本沒有影響。

(2) 由于山脊的脊背較窄且兩側(cè)沖溝發(fā)育，故地表水很少下滲，加之構(gòu)成坡體的沖洪積層密實(shí)度高而滲透系數(shù)很小。因此，地表水和地下水對坡體的穩(wěn)定性影響非常有限。

(3) 從地震文獻(xiàn)看[5-7]，發(fā)生對項(xiàng)目區(qū)具有破壞作用的地震共5次，即1327年的天全M7.0級地震，在項(xiàng)目區(qū)的烈度為Ⅷ度；1786年的康定-瀘定磨西M7.8級地震，在項(xiàng)目區(qū)烈度為Ⅶ度；1941年的天全西M6.0級地震，在項(xiàng)目區(qū)烈度為Ⅶ度；1970年的M6.2級地震，在項(xiàng)目區(qū)烈度為Ⅵ度；2013年“4·20”蘆山M7.0級地震，在項(xiàng)目區(qū)烈度為Ⅶ度。從地質(zhì)歷史上分析，全更新世堆積體形成下切的一百多萬年來，沒有人類記載的強(qiáng)震數(shù)量可能更多，震級也可能更強(qiáng)。而從坡體形態(tài)來看，該高位堆積體沒有發(fā)生過地震作用下的整體失穩(wěn)情況。

基于以上天然、暴雨和地震三種工況下坡體穩(wěn)定度的分析，表明堆積體坡體在自然狀態(tài)是基本穩(wěn)定的。

2.2 工程狀態(tài)下坡體穩(wěn)定性分析

由于大仁煙大橋施工平臺的施做，在穩(wěn)定的自然坡體下部開挖形成了高約16 m、寬約30 m的臨時(shí)人工邊坡，極大弱化了依附于花崗巖楔形結(jié)構(gòu)面端部的“閘門”鎖口作用，造成坡體應(yīng)力調(diào)整而不斷擠壓“楔形體”端頭的鎖口“關(guān)鍵塊體”[8-9]，最終使其在高應(yīng)力作用下發(fā)生“潰決”，致使基座上部的高位堆積體在“閘門效應(yīng)”的作用下，巨大的勢能快速轉(zhuǎn)化為動能，依附于外傾的貫通性花崗巖結(jié)構(gòu)面發(fā)生高速下滑。因此，該自然坡體在工程狀態(tài)下是不穩(wěn)定的，直接造成了較大的工程安全事故。

3 高位堆積體邊坡防治方案分析

3.1 變更設(shè)計(jì)工程治理方案

設(shè)計(jì)推薦方案：對滑坡形成的高邊坡在設(shè)置寬為2.0 m～10.0 m的邊坡平臺基礎(chǔ)上，按1∶0.75～1∶1.00坡率進(jìn)行卸載，卸載方量為19.8×104m3，形成130 m高邊坡；在一級平臺部位設(shè)置2.4 m×3.6 m×26 m、間距為5 m的錨索抗滑樁進(jìn)行固腳；對樁后挖方邊坡全坡面設(shè)置精軋螺紋鋼結(jié)合掛網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行防護(hù)；對已滑動的12×104m3滑體結(jié)合河岸防護(hù)進(jìn)行清理。方案工程造價(jià)約3428萬元，見圖3。

圖3變更推薦方案工程治理斷面圖

3.2 高邊坡穩(wěn)定度評價(jià)

高位堆積體在自然狀態(tài)下長期穩(wěn)定而沒有發(fā)生變形，也就是說坡體的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)為不小于1.100的基本穩(wěn)定狀態(tài)。此外，自滑坡發(fā)生后的半年時(shí)間內(nèi)，高邊坡在自然狀態(tài)下保持穩(wěn)定，期間也經(jīng)歷了降雨的洗禮，這說明在當(dāng)前狀態(tài)下高邊坡穩(wěn)定系數(shù)也應(yīng)不小于1.100。

方案設(shè)計(jì)中高邊坡穩(wěn)定系數(shù)在天然工況下為1.021，暴雨工況下為0.868。也就是說在天然工況下高邊坡處于滑面全貫通，滑坡圈椅狀裂縫明顯的擠壓狀態(tài)；暴雨工況下坡體假定全飽水，且高邊坡處于滑坡發(fā)生狀態(tài)，這與坡體的現(xiàn)狀是相矛盾的。

3.3 高邊坡潛在滑面參數(shù)分析

高位堆積體主要由厚層沖洪積體構(gòu)成，地表的崩坡積體厚度占比很小，故成層性較好的高位堆積體可近似為類均質(zhì)土體。基于此，堆積體潛在滑面參數(shù)的取值應(yīng)遵循以下原則：

(1) 自然坡度是坡體內(nèi)部物理力學(xué)性能在表觀的綜合反映[10]，它經(jīng)歷了地質(zhì)歷史上天全河的下切，自然界的風(fēng)吹雨淋、地震振動等多種作用。因此，自然坡面傾角α應(yīng)較受外部自然營力作用相對較小的坡體內(nèi)部巖土體綜合內(nèi)摩擦角φ小，即α<φ。

滑坡發(fā)生前高位堆積體的自然平均坡度為α=45°，由此，坡體的綜合內(nèi)摩擦角φ>45°。

(2) 滑坡滑動后拉裂形成的陡峭后壁，其傾角θ與坡體的內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系滿足θ=45°+φ/2。但陡立邊坡在工程約束前將不斷卸荷松弛，故潛在滑面的綜合內(nèi)摩擦角φ值也將不斷減小。

現(xiàn)滑坡后壁真傾角θ=69°，由θ=45°+φ/2得，φ=48°，即坡體的綜合內(nèi)摩擦角φ≤48°。

(3) 滑坡發(fā)生前原自然坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，即已滑部分的滑體下滑力與滑前人工損失的坡體抗力配套后，原自然坡體穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.100[4]?；诖?，根據(jù)開挖平臺損失的靜止土壓力和抗剪力，通過迭代計(jì)算分別得出自然坡體的綜合內(nèi)摩擦角φ，并取其最小值作為坡體的綜合內(nèi)摩擦角。

E0≥1.1F下

(1)

式中：E0為靜止土壓力；F下為已滑部分的滑體下滑力。

F抗≥1.1F下

(2)

式中：F抗為人工損失的坡體抗剪力；F下為已滑部分的滑體下滑力。

由式(1)得，靜止土壓力反算情況下，堆積體潛在滑面綜合內(nèi)摩擦角φ≥47.7°。

由式(2)得，抗剪力反算情況下，堆積體潛在滑面綜合內(nèi)摩擦角φ≥47.1°。

因此，坡體的綜合內(nèi)摩擦角φ≥47.1°。

(4) 滑坡發(fā)生后由滑坡后壁形成的堆積體高邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，即可由整體穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)不小于1.100反算堆積體綜合內(nèi)摩擦角φ。

經(jīng)反算得出，φ≥45.5°

綜上：高邊坡坡體綜合內(nèi)摩擦角45°<φ，且45.5°≤φ≤48°?？紤]到工程的重要性，取綜合內(nèi)摩擦角φ=45.5°。

基于此，設(shè)計(jì)方案中高位堆積體高邊坡的潛在滑面參數(shù)在天然工況下φ內(nèi)=38°，C=40 kPa換算為綜合內(nèi)摩擦角φ=41.86°是偏低的。尤其是在暴雨工況下將整個(gè)滑體都假定為飽水后所得的潛在滑面參數(shù)φ內(nèi)=36°，C=32 kPa，換算為綜合內(nèi)摩擦角φ=39.2°也是欠合理的。

3.3.1 高邊坡安全系數(shù)分析

滑坡發(fā)生后直接對下部的大仁煙特大橋造成了毀滅性影響，形成了不良社會影響；而高位堆積體高邊坡的潛在滑面的參數(shù)取值方面一直存在爭論，加之高速公路工期壓力相當(dāng)大。基于此，高位堆積體高邊坡工程治理安全系數(shù)取天然工況Fs=1.3，暴雨工況Fs=1.2，地震工況Fs=1.15的規(guī)范上限值，而不宜取規(guī)范中值或下限值。

3.3.2 高邊坡潛在下滑力分析

在采用條分法對高邊坡的潛在下滑力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于設(shè)計(jì)方案中堆積體潛在滑面參數(shù)取值偏小，造成高邊坡潛在下滑力明顯偏大，嚴(yán)重影響了堆積體高邊坡加固方案的合理性和經(jīng)濟(jì)性，如表1所示。

表1 不同滑面參數(shù)下的高位堆積體邊坡潛在下滑力對比表

3.3.3 設(shè)計(jì)工程措施的合理性分析

(1) 對橋臺開挖解除的原花崗巖楔形結(jié)構(gòu)面端部“閘門”處的“關(guān)鍵塊體”工程補(bǔ)償力度不足，直接影響坡腳抗滑樁的錨固力，高位堆積體存在“固腳”不足的情況。

(2) 高邊坡基本上采用錨桿防護(hù)，對130 m高的邊坡“強(qiáng)腰”力度不足，不利于高邊坡的長期穩(wěn)定。

(3) 對成層性、密實(shí)度良好的沖洪積坡體采用緩坡率大規(guī)模清方，不符合坡體的地質(zhì)條件。且清方后坡體仍采用大規(guī)模工程加固，過分強(qiáng)調(diào)工程安全而曲解了“一次根治，不留后患”的坡體病害防治理念。

根據(jù)計(jì)算分析，坡體大規(guī)模清方后的坡體穩(wěn)定系數(shù)為1.532，而與支擋防護(hù)工程疊加后的坡體安全系數(shù)為1.761，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范允許的取值范圍。

(4) 坡體大規(guī)模卸載后的人工高邊坡高約130 m，形成了近2.5×104m2的匯水坡面，這對年平均降雨量大且暴雨集中的項(xiàng)目區(qū)來說，形成的坡面徑流將產(chǎn)生沖刷和淘蝕，這將非常不利于邊坡錨固工程和掛網(wǎng)噴混凝土工程的安全，繼而影響高邊坡的穩(wěn)定性。

3.4 變更設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

3.4.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的思路

(1) 由大仁煙滑坡后形成的高達(dá)130 m的高位堆積體高邊坡防護(hù)，應(yīng)嚴(yán)格貫徹“固腳強(qiáng)腰、鎖頭綠化”[12]的防護(hù)理念，嚴(yán)格控制工程刷方，以減輕棄方壓力和對環(huán)境的破壞。

(2) 從計(jì)算資料看，天然工況下的坡體安全度對高邊坡防護(hù)工程具有控制作用，其在安全系數(shù)為1.3時(shí)的坡體潛在下滑力為4 373.4 kN/m，超出了一般工程加固支擋的經(jīng)濟(jì)范疇。因此，應(yīng)首先對高位堆積體進(jìn)行適當(dāng)卸載，以有效減小坡體的潛在下滑力，從而實(shí)現(xiàn)工程的有效加固支擋。

(3) 為有效減小高陡邊坡坡腳應(yīng)力，結(jié)合適當(dāng)卸載，在高邊坡的中部設(shè)置一處20 m寬的平臺，將高邊坡分為“兩個(gè)邊坡”進(jìn)行處治[13]，從而提高邊坡的整體與局部穩(wěn)定性，并有效減小坡面匯水形成徑流的條件。

(4) 結(jié)合框架工程對高邊坡設(shè)置綠化工程進(jìn)行坡面防護(hù)，達(dá)到人與自然的和諧和減少環(huán)境破壞。

3.4.2 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的工程措施

(1) 高位堆積體高邊坡形成的潛在滑體約22×104m3，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取總體積的1/6，即約4×104m3進(jìn)行卸載。根據(jù)計(jì)算，卸載后在控制性的天然工況下的坡體潛在下滑力為1 631.3 kN/m，較卸載前大幅下降了62.7%。

(2) 在距坡腳10 m高處設(shè)置2 m×3 m×26 m、間距為6 m的錨索抗滑樁，與樁前邊坡設(shè)置的長錨桿和樁后10 m高范圍內(nèi)設(shè)置邊坡錨索框架，共同組成“固腳”工程，有效確保對坡腳“閘門”處巖土體的加固。

考慮到坡腳“閘門”的有效鎖固對整個(gè)高邊坡具有至關(guān)重要的作用，且為有效保護(hù)坡腳抗滑樁的錨固能力，特在樁前清方邊坡的一定范圍內(nèi)設(shè)置錨索框架進(jìn)行預(yù)加固。

(3) 在設(shè)置的20 m寬大平臺上部20 m范圍的邊坡上設(shè)置錨索框架進(jìn)行加固，這樣既達(dá)到了對整個(gè)高邊坡的“強(qiáng)腰”作用，也達(dá)到了對上半部分高邊坡的“固腳”效果。

(4) 考慮到邊坡高陡，為有效約束上、下兩部分邊坡坡頂?shù)睦瓚?yīng)力[14]，特在上、下兩部分邊坡坡頂設(shè)置長錨桿進(jìn)行防護(hù)，從而達(dá)到“鎖頭”的作用。在此基礎(chǔ)上，對高邊坡的其余各級邊坡采用普通錨桿框架進(jìn)行防護(hù)，從而在確保各級邊坡局部穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合噴混植生綠化對坡面進(jìn)行防護(hù)[15]。

(5) 在邊坡中部的20 m寬大平臺部位設(shè)置截水溝，有效截排高邊坡上半部分的坡面匯水;對各級邊坡框架設(shè)置排水肋條，從而有效集中引排坡面匯水。

綜上，方案優(yōu)化后，高位堆積體高邊坡的治理工程造價(jià)約為1 829萬元，是設(shè)計(jì)方案的53.4%，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，且工程安全度更高，見圖4。

圖4設(shè)計(jì)方案優(yōu)化工程治理斷面圖

4 結(jié) 語

(1) 川西藏區(qū)河谷深切、構(gòu)造作用強(qiáng)烈，高位堆積體分布廣泛，在工程建設(shè)前期應(yīng)充分進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，積極采用工程預(yù)加固措施，防止工程滑坡威脅下部線路的安全。

(2) 高位堆積體的穩(wěn)定度應(yīng)結(jié)合地形地貌、坡體結(jié)構(gòu)、氣象水文、水文地質(zhì)、地震歷史、工程擾動程度等因素綜合評價(jià)。

(3) 高位堆積體潛在滑面參數(shù)，應(yīng)結(jié)合堆積體的成因、性質(zhì)、工程前后地形地貌形態(tài)的演變等地質(zhì)條件綜合分析確定。

(4) 高位堆積體的工程安全系數(shù)應(yīng)依據(jù)對坡體地質(zhì)條件的認(rèn)知程度、所影響的工程結(jié)構(gòu)重要程度、社會影響、工期等因素綜合確定。

(5) 高位堆積體高邊坡的工程治理，應(yīng)嚴(yán)格貫徹“固腳強(qiáng)腰，鎖頭綠化”的坡體加固理念，對高邊坡的整體安全度，以及各級邊坡和坡面的安全度分別均予以保證。