復(fù)雜地質(zhì)作用下環(huán)庫(kù)高速公路選線研究

王振翠

摘要：研究區(qū)處于祁呂賀山字型構(gòu)造和隴西旋卷構(gòu)造體系的復(fù)合部位，臨近劉家峽水庫(kù)，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性多樣，不良地質(zhì)與特殊性巖土發(fā)育，嚴(yán)重制約路線方案布設(shè)。本論述從高速公路工程實(shí)例出發(fā)，針對(duì)環(huán)庫(kù)高速公路可能存在的地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行探討，結(jié)合技術(shù)可行性、地質(zhì)類型等多方面的要求，闡述了環(huán)庫(kù)公路可能遇到的地質(zhì)問(wèn)題，并提出處治建議。為確保環(huán)庫(kù)高速公路安全通，盡量避開(kāi)潛在地質(zhì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，重視主動(dòng)控制加固措施，提高公路安全水平。該研究成果可為環(huán)庫(kù)公路選線提供參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)庫(kù)公路;地質(zhì)選線;不良地質(zhì)與特殊性巖土

中圖分類號(hào)：U416.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下公路選線“地質(zhì)先行”已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，不重視前期地質(zhì)研究往往造成公路地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，后期走廊變更頻繁，造成重大經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡[1]。

復(fù)雜山區(qū)高速公路選線制約因素主要有地形條件、環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)資源覆蓋等，要充分利用地形特征，盡量避免高填深挖、不良地質(zhì)與特殊性巖土、活動(dòng)構(gòu)造等不利于公路安全與穩(wěn)定地段[2]，同時(shí)也要兼顧保護(hù)環(huán)境、推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)、旅游，方便周邊居民出行[3]。

目前，公路選線主要有生態(tài)選線[4]（水源保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等）、規(guī)劃選線（城鎮(zhèn)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃等）、工程地質(zhì)選線[5]（不良地質(zhì)、特殊性巖土、活動(dòng)斷層等）、安全選線等[6]。

本論述以劉家峽水庫(kù)環(huán)庫(kù)高速公路某段為例，探討環(huán)庫(kù)高速公路地質(zhì)選線的理念和思路。

1 項(xiàng)目概況

劉家峽水庫(kù)環(huán)庫(kù)高速公路起點(diǎn)位于永靖縣三條峴（大臺(tái)子），與規(guī)劃蘭州至永靖至臨夏高速相接，經(jīng)牛鼻子咀、尤家村、峴塬鎮(zhèn)、三塬鎮(zhèn)、向陽(yáng)村、尕白家、海螺山，終點(diǎn)位于積石山縣，與臨大高速相接，全長(zhǎng)74 km。如圖1 所示。

區(qū)域內(nèi)海拔落差較大，地形復(fù)雜，山川交錯(cuò)，河谷縱橫，屬于盆地邊緣的次高山群及高原丘陵區(qū)。地貌形態(tài)按其成因，分為侵蝕堆積河谷階地地貌、剝蝕堆積黃土梁峁溝壑地貌和構(gòu)造剝蝕石質(zhì)低中山地貌三種類型。

2 氣象與水文

2.1 氣象

研究區(qū)地處青藏高原東北邊緣，氣候處于溫帶半濕潤(rùn)區(qū)與高寒陰濕區(qū)過(guò)渡帶，具有大陸性、季風(fēng)性的山地氣候特點(diǎn)，年降雨量小于300 m，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度113cm。在全國(guó)公路氣候自然分區(qū)中屬黃土高原干濕過(guò)渡區(qū)（Ⅲ區(qū)）的甘東黃土山地區(qū)（Ⅲ3區(qū)）。

2.2 水文

路線多沿著黃河及支流階地布設(shè)，主要河流由黃河、銀川河、吹麻灘河，水庫(kù)為劉家峽水庫(kù)。

劉家峽水庫(kù)：路線沿著水庫(kù)西側(cè)布設(shè)。劉家峽水庫(kù)位于黃河上游，位于甘肅臨夏永靖縣城西南1 km 處。水庫(kù)東起劉家峽大壩，西至炳靈寺峽口，呈西南-東北走向，南接?xùn)|鄉(xiāng)、臨夏縣，北連永靖縣，湖岸線長(zhǎng)55 km，水面最寬處6 km，水域面積達(dá)130多 km2，蓄水量約57億多m3，劉家峽水庫(kù)設(shè)計(jì)正常蓄水位為1 735 m，設(shè)計(jì)洪水位為1 735 m，校核洪水位為1 738 m，汛期限制水位為1 726 m，死水位為1 694 m，與上游龍羊峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，兩庫(kù)從2000年進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)劉家峽水庫(kù)2000～ 2012年實(shí)際運(yùn)行水位資料，水位在1 717～ 1735 m之間變動(dòng)，實(shí)際出現(xiàn)的最低運(yùn)行水位為1 717 m。水域面積達(dá)130 km2，呈西南—東北向延伸，達(dá) 54 km[7，8]。

3 區(qū)域地質(zhì)條件

3.1 水文地質(zhì)

研究區(qū)地下水的形成有三種類型：基巖裂隙水、黃土丘陵區(qū)潛水、河谷潛水。水量大小不等，水質(zhì)屬重碳酸鹽鈣型水，礦化度在0.4～ 8g/L之間，總硬度10左右，境內(nèi)各種類型地下水，含水層分布零散，彼此之間獨(dú)立無(wú)聯(lián)系，水質(zhì)各異。大部分地下水水質(zhì)較好，泉水礦化度低，水化學(xué)性質(zhì)一般為重碳酸鹽——鈣型、碳酸鹽——鈣鎂型。北部山區(qū)有硫酸鹽、氯化物鈉鎂型水，礦化度一般較高。

3.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造處于祁呂賀山字型構(gòu)造和隴西旋卷構(gòu)造體系的復(fù)合部位，屬祁連山與秦嶺褶皺帶之間，區(qū)域構(gòu)造上屬于祁連山加里東褶皺帶-中祁連隆起帶，系祁連山褶皺帶臨夏-臨洮向斜盆地的西部邊沿，是夾于拉脊山斷裂、西秦嶺北緣斷裂和馬銜山斷裂所圍限的具坳陷性質(zhì)的盆地（如圖2所示）。線路與王哥集逆斷層相交，屬于非活動(dòng)性斷層。

王哥集逆斷層：位于向陽(yáng)碼頭至銀川河一段，主斷裂與路線分別相交于 AK47+700段，以隧道形式小角度通過(guò);該斷層主要發(fā)生于白堊統(tǒng)至新近統(tǒng)之間，屬于非全新世活動(dòng)逆斷裂，延伸方向?yàn)?0°，延伸長(zhǎng)度約18 km，斷層面一般傾向北西，傾角40°～ 60°（320°∠40°）。本斷層有一分支進(jìn)入下盤(pán)新近系之中，其走向也為北東延伸，斷層面傾向北西，傾角74°，與路線相交于 AK44+100段小角度相交，路線主要以橋梁形式通過(guò)，對(duì)橋梁影響較小，建議橋樁穿透斷層破碎帶，置于穩(wěn)定地層。因斷層切割 AK40～ AK44、AK47～ AK49段山體斜坡坡頂多呈斷層三角面，坡陡，覆蓋大厚度黃土層，下伏新近系巖體破碎，斜坡穩(wěn)定性差，滑坡發(fā)育，建議臨坡段滑坡進(jìn)行繞避，并做好支擋防護(hù)措施。

3.3 地層巖性

研究區(qū)出露地層主要為三疊系、白堊系、新近系和第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)地層及加里東期火山巖。其中更新統(tǒng)黃土、新近系泥巖、細(xì)砂巖為本區(qū)主要地層，也是易滑地層，控制區(qū)域不良地質(zhì)與特殊性巖土的發(fā)育，如圖3所示。

3.4 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震

3.4.1 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在本區(qū)以垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，最明顯的標(biāo)志為河流開(kāi)闊河段發(fā)育了Ⅰ ～Ⅴ級(jí)階地。由于歷次構(gòu)造的影響，形成了第四系與新近系不整合接觸。中、新生界的褶皺一般不很發(fā)育，多呈短軸形式，軸向不明顯。

3.4.2地震

研究區(qū)處于南北地震帶的蘭州—通渭地震亞帶，該地震亞帶北界為景泰地震亞帶，南界位于臨夏、臨洮、秦安一線以北，東西兩端分別延入陜西、青海境內(nèi)。地震烈度Ⅶ～ Ⅷ度。

4 不良地質(zhì)與特殊性巖土

通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查以及遙感解譯，線路區(qū)及走廊帶內(nèi)，不良地質(zhì)主要有滑坡、泥石流、岸坡坍塌等，特殊性巖土為濕陷性黃土、膨脹性泥巖、淤泥質(zhì)土。

4.1 不良地質(zhì)

4.1.1滑坡

研究區(qū)滑坡主要分布向陽(yáng)碼頭至合心坪斜坡一帶。滑坡類型為黃土滑坡、黃土-泥巖滑坡，其滑體由各種成因的黃土和新近系泥巖共同組成，主要分布于劉家峽水庫(kù)西南側(cè)斜坡段，如圖4 所示。

臨近水庫(kù)段山體基巖破碎，沖溝發(fā)育，上部風(fēng)積黃土、沖積黃土，下部新近系泥巖、礫巖?；露嗯R近劉家峽水庫(kù)，黃河流水切割形成高位臨空后，在重力卸荷及降雨作用下形成大-巨型滑坡，其邊界多呈弧狀展布，滑動(dòng)方向與自然斜坡垂直，發(fā)育高度200～ 500 m，滑坡后緣明顯，多呈圈椅狀，坡體呈舌狀或簸箕狀，多為大型或巨型牽引式黃土-泥巖滑坡，滑坡規(guī)模大，并以深層滑坡居多。本次共發(fā)現(xiàn)滑坡32處，對(duì)小型滑塌體采用清除處理+坡腳支擋措施處治。大型、巨型滑坡地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高且不易處治，采取繞避措施。如圖5 所示。

4.1.2泥石流

研究區(qū)泥石流主要發(fā)育于劉家峽水庫(kù)西岸溝谷地帶，植被覆蓋極差，區(qū)內(nèi)地層黃土具大孔隙，結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育等特征，下伏基巖新近系泥巖、礫巖略具成巖作用，風(fēng)化強(qiáng)烈，受強(qiáng)降雨和水流侵蝕后極易崩解，形成滑坡和崩塌等堆積在溝道和岸坡之上，為泥石流提供充足的固體物源。

降雨是泥石流產(chǎn)生的動(dòng)力條件，多發(fā)生于6 ～9 月份，均由暴雨所誘發(fā)，屬于大中型暴雨型泥石流，均處于發(fā)育期。由于研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定上升期，溝床強(qiáng)烈下切且紊亂，常具有猛沖猛淤的特點(diǎn)，往往在短時(shí)間運(yùn)移大量的固體物質(zhì)，使主溝縱坡不斷進(jìn)行調(diào)整。

泥石流物質(zhì)組成顆粒差異性大，由黏粒、粉粒、砂粒、圓礫、碎塊石等大小不同的粒徑混雜而成。流域形成多呈溝谷型，呈 V 型谷，主溝縱坡降一般40‰～ 300‰，流域面積一般0.1 ～5.0 km2，基本能劃分出形成區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)，通常上段為清水補(bǔ)給區(qū)，下段為固體物質(zhì)供給區(qū)。危害區(qū)為溝口洪積扇和溝道兩岸，以沖淤、淤埋為主，流體重度一般大于16 kN/m3，層流有陣流、紊流，懸力大，沖擊力大，磨蝕力強(qiáng)等特點(diǎn)。路線跨越10處泥石流溝，建議溝心橋樁設(shè)置防撞措施，或設(shè)置導(dǎo)流渠。

4.1.3岸坡坍塌

主要分布于劉家峽水庫(kù)上游，水庫(kù)采用“冬蓄夏泄”的調(diào)度方式，冬季水位一般在1 733～ 1735 m，夏季水位1 723～ 1724 m，水位調(diào)幅變化可達(dá)10～ 12 m，如此大的水位變幅，使庫(kù)岸地質(zhì)條件、水文條件大大改變。經(jīng)多年運(yùn)行，多數(shù)庫(kù)岸段坍塌已基本停止，屬塌岸后期，在設(shè)計(jì)正常蓄水位1735 m 以下多形成緩坡，為淺灘帶，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。1735 m 以上多為黃土塬臺(tái)地貌，為陡峻土質(zhì)岸坡，岸坡穩(wěn)定性差或較差，由于對(duì)庫(kù)岸沒(méi)有進(jìn)行必要的防護(hù)，在庫(kù)水浸泡、側(cè)蝕作用下常有大、小規(guī)模不等的塌岸發(fā)生，庫(kù)岸仍不斷向岸外在擴(kuò)展。

另外在黃土塬臺(tái)面建成了眾多提灌工程，由于長(zhǎng)期漫灌，灌溉回歸水大量滲入地下，改變了庫(kù)岸天然水文地質(zhì)條件，進(jìn)一步加劇了庫(kù)岸的坍塌破壞。水庫(kù)塌岸，造成岸線后移，嚴(yán)重威脅坡頂公路運(yùn)行安全。

路線經(jīng)過(guò)段屬于巖土混合岸坡、土質(zhì)岸坡、泥巖岸坡三類，上部覆蓋層黃土厚度在1.5～ 5.0 m，坡腳有泥巖出露。土體結(jié)構(gòu)松散，局部架空，抗沖刷能力較好，多形成陡坡，垂直裂隙發(fā)育，易發(fā)生岸邊卸荷，巖體軟弱破碎，泥鈣質(zhì)膠結(jié)差，在水位變動(dòng)及風(fēng)浪的作用下，受干濕交替變化和風(fēng)浪沖刷發(fā)生軟化崩解，從而導(dǎo)致岸坡發(fā)生破壞，抗沖刷能力差，塌岸較頻繁。

4.2 特殊性巖土

4.2.1濕陷性黃土

沿線濕陷性黃土可分為：第四系全新統(tǒng)濕陷性黃土狀土（Q4al+pl） ，主要分布在河流級(jí)Ⅰ、Ⅱ階地之上，厚度一般2 ～8 m 左右，具有Ⅱ級(jí)（中等）～ Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重）自重濕陷性，對(duì)路基有一定影響;第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol） 和沖積黃土（Q3al） 主要分布于黃土殘塬和高階地區(qū)，黃土陷穴較為發(fā)育，土體垂直節(jié)理和大孔隙發(fā)育，具有自重濕陷性，濕陷深度大于10 m，濕陷等級(jí)多為Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重）- Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）自重濕陷。

濕陷性黃土對(duì)路基可采用強(qiáng)夯碾壓或灰土換填等處理措施，經(jīng)處理后對(duì)線路不會(huì)構(gòu)成重大危害。盡量避免高邊坡出現(xiàn)，不可避免時(shí)可采用1：1～ 1.25的坡率進(jìn)行放坡處理，對(duì)形成的高邊坡坡面應(yīng)進(jìn)行全面防護(hù)，防護(hù)措施可采用格構(gòu)防護(hù)，在格溝內(nèi)覆土種草或者采用漿砌塊石進(jìn)行防護(hù)。

4.2.2膨脹型泥巖

主要分布于劉家峽水庫(kù)西岸段，地層為新近系臨夏組泥巖、砂質(zhì)泥巖，屬軟質(zhì)黏土巖，通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)，該巖石暴露于空氣易風(fēng)化，遇水易軟化膨脹、崩解，受雨水沖刷易發(fā)生變形破壞。根據(jù)工程試驗(yàn)，泥巖自由膨脹率 Fs 為40% ～55%，依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》JTG C20-2011表 8.3.4膨脹土分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，泥巖具有弱膨脹性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其膨脹性。

4.2.3淤泥質(zhì)土

主要分布于劉家峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)。上部為沖積黃土與砂礫互層，或者完全為沖積黃土，該層厚度20～ 25 m，多呈淤泥狀，壓縮性高，承載力低;新近系泥巖膠結(jié)疏松，且遇水易軟化崩解特性，承載力較低。隨著庫(kù)水淤泥的逐年沉積以及地震影響，對(duì)橋梁樁基可能產(chǎn)生負(fù)摩阻力。建議橋樁穿透淤泥質(zhì)土層，以中風(fēng)化泥巖作為橋樁持力層，并考慮負(fù)摩阻力產(chǎn)生下拉荷載對(duì)橋樁的影響，適當(dāng)延長(zhǎng)樁長(zhǎng)。

5 典型工點(diǎn)評(píng)價(jià)

路線走廊區(qū)內(nèi)主要工點(diǎn)為韭灘隧道，和炳靈寺黃河大橋，兩者地質(zhì)條復(fù)雜，施工難度大，屬于控制性工程。

韭灘嶺隧道：隧道長(zhǎng)3.2 km 。地處構(gòu)造剝蝕石質(zhì)低中山區(qū)。路線以隧道形式穿越馬家山弧形山體。山體呈月牙狀，山脊呈魚(yú)脊?fàn)睿０? 720～ 2160 m，高差約 440 m，地形起伏變化大，整體坡陡西緩東陡。東側(cè)斜坡滑坡發(fā)育，沖溝發(fā)育，地表支離破碎。西側(cè)斜坡基巖裸露，多呈陡崖?tīng)?，整體較整齊。地層巖性上部為第四系中更新統(tǒng)（Q2al+pl）碎石土：雜色，稍密-中密，稍濕，泥質(zhì)微膠結(jié)，粒徑一般在2 ～5 cm，最大粒徑可達(dá)20 cm，砂土填充，骨架顆粒以花崗巖、砂巖、片麻巖碎屑為主。為不良工程地質(zhì)巖組，邊坡穩(wěn)定性差，開(kāi)挖易滑塌，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖級(jí)別Ⅴ級(jí)。新近系臨夏組（ N） 泥巖：棕紅色，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，成巖差，屬于極軟巖，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖級(jí)別Ⅴ級(jí)。白堊系（K） ：暗紫紅色砂礫巖，厚層狀構(gòu)造，夾薄層砂巖，礫巖由滾圓度很差的礫石組成，局部為角礫巖，其成分隨地而異，膠結(jié)物為砂質(zhì)、泥質(zhì)，當(dāng)砂質(zhì)成分增多時(shí)，即變?yōu)樯暗[巖，一般分選很差，層理發(fā)育不好，該層成巖程度差，勘探機(jī)械易擾動(dòng)破碎，錘擊易碎，抗壓強(qiáng)度低，遇水易崩解，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖級(jí)別Ⅴ級(jí)。

炳靈寺黃河大橋：長(zhǎng)約1.6 km，位于侵蝕堆積河谷低階地區(qū)。路線以橋梁形式跨越劉家峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)及淹沒(méi)區(qū)。該段地形受庫(kù)水位升降影響明顯，一般6 ～8 月份庫(kù)水位下降，淹沒(méi)區(qū)Ⅱ ～Ⅲ級(jí)階地出露，向河谷方向傾斜。自上而下依次為淤泥粉土層-黃土狀粉土層-砂卵石呈-新近系泥巖呈，分述如下：（1） 淤泥質(zhì)粉土層：褐黃色，土質(zhì)較均勻，含沙量較大，基本不含黏粒，孔隙發(fā)育，軟塑，局部夾有沖、淤積薄細(xì)砂層，最大厚度約15 m;（2） 黃土狀粉土：黃褐色，土質(zhì)較均勻，大孔隙發(fā)育，稍密，厚度變化較大，一般10～ 20 m;（3）卵石層：雜色，磨圓度較好，粒徑以2 ～8 cm 為主，填充物以中粗砂為主，卵石含量占60% ～65% 。厚約10～ 15 m;（4）新近系泥巖：棕紅色，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，略成巖，屬于極軟巖。特殊性巖土主要為因庫(kù)水侵泡形成的淤泥質(zhì)土，根據(jù)原有土層厚度以及新近系泥巖膠結(jié)疏松，且遇水易軟化崩解特性，建議劉家峽特大橋淤泥層深度按30 m 考慮。

主要工程地質(zhì)問(wèn)題：（1） 岸坡穩(wěn)定性問(wèn)題;（2）橋樁抗浮穩(wěn)定性問(wèn)題。

6 結(jié)論

（1） 本論述通過(guò)遙感解譯以及地質(zhì)調(diào)查，對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)地形地貌、水文地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、地層巖性、不良地質(zhì)與特殊性巖土等工程地質(zhì)特性研究，確定了路線走廊帶內(nèi)不良地質(zhì)與特殊性巖土類型、分布以及其成因機(jī)制。通過(guò)分析不良地質(zhì)與特殊巖土對(duì)路線走廊方案的影響，并提出針對(duì)性的處治措施。

（2） 針對(duì)環(huán)庫(kù)高速公路可能存在的地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行探討，結(jié)合技術(shù)可行性、地質(zhì)類型等多方面的要求，闡述了環(huán)庫(kù)公路可能遇到的地質(zhì)問(wèn)題，并提出處治建議。為確保環(huán)庫(kù)高速公路安全通，盡量避開(kāi)潛在地質(zhì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，重視主動(dòng)控制加固措施，提升公路安全水平。

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