趙晉乾

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

我國國土面積約70%為山區(qū)，隨著基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模興建，引起大型巖質(zhì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻繁，嚴重影響了國家重大工程項目的建設(shè)和正常運行。大型滑坡治理造價高、難度大，由于前期對于勘察工作不夠全面，導(dǎo)致滑坡治理失敗的案例屢見不鮮，如甘肅蘭州海石灣煤礦，廠房施工導(dǎo)致古滑坡復(fù)活，工程治理費用超過2 000萬[1]。因此，在查明大型深層滑坡的規(guī)模、深度誘發(fā)因素等地質(zhì)要素時，采用常規(guī)勘探方法無法滿足后期工程整治要求[2-3]。

本文以下個寮滑坡為實例，研究大型深層凝灰?guī)r滑坡的綜合勘查體系。研究發(fā)現(xiàn)物探、鉆探、監(jiān)測、原位試驗、室內(nèi)試驗、平硐勘察等，并不是每一項都能得出可靠的結(jié)論與數(shù)據(jù)，從而暴露出大型深層凝灰?guī)r滑坡綜合勘查體系缺失帶來的弊端。因此根據(jù)特大型深層凝灰?guī)r滑坡特征，總結(jié)出一套針對性強的勘查體系十分必要[4-6]。

2 工程概況

下個寮滑坡自然坡度30°～60°，相對高差100～400 m，地形總體呈現(xiàn)“陡-平-凸”的階梯狀形態(tài)，平面形態(tài)呈扇形，兩側(cè)邊界發(fā)育同源沖溝，后緣呈封閉圈椅狀形態(tài)，前緣已沒入大溪河水庫中?；驴v長約510 m，總面積約20×103m2；滑坡體最大厚度約105 m，總體積方量約1 100×104m3[7]。滑坡區(qū)地層主要為白堊系下統(tǒng)西山頭組(K1x)，流紋質(zhì)晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，全風(fēng)化層厚度約5 m；強風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，差異風(fēng)化明顯，互層狀產(chǎn)出(見圖1)。

圖1 下個寮滑坡全貌

3 勘探方法簡介

3.1 物探法

(1)高頻大地電磁測深法(EH-4)

高頻大地電磁測深法為頻率域電磁法。根據(jù)Maxwell方程組:

式中，Z為波阻抗；ρ為電阻率(Ω·m)；H為電磁場強度(nT)；E為電場強度(MV/km)；f為電磁頻率。

由式(3)可知，探測深度僅取決于大地電磁ρ和電磁頻率f，改變電磁頻率可以得到連續(xù)的垂直測深[8]。該法主要探測滑坡體的地層結(jié)構(gòu)、巖性接觸關(guān)系以及測定滑坡堆積體的厚度與堆積床的形態(tài)[9]。斷層破碎帶和節(jié)理裂隙密集處其電阻率會明顯降低，呈現(xiàn)低阻梯度帶[10]。

(2)高密度電法

高密度電法主要以地殼中巖層電阻率的差異性為基礎(chǔ)，研究人工電場的變化和分布規(guī)律[11]。高密度電法對于滑坡體主要探測后緣拉張裂縫、前緣鼓脹裂縫的位置、產(chǎn)狀等。高密度電法探測分辨率高、結(jié)果精準度高、直觀，但探測深度較淺，一般小于60 m，且受地形限制，其工作原理見圖2。

圖2 高密度電法工作原理

(3)淺層地震反射法

淺層地震反射法是一種研究人工地震產(chǎn)生的地震波在地下傳播來解決地質(zhì)問題的物探方法[12]。淺層地震反射法主要探測滑坡體的地層結(jié)構(gòu)、滑坡堆積體厚度、巖性接觸關(guān)系以及堆積體的形態(tài)等。

3.2 鉆探法

鉆探法主要探測滑坡體地層巖性、滑帶位置、深度、厚度等。

3.3 平硐勘探法

平硐勘探主要探測滑帶的結(jié)構(gòu)特性和物質(zhì)組成，并對滑帶土進行大型原位測試和室內(nèi)試驗查明滑帶內(nèi)地下水賦存情況等。

4 大型深層凝灰?guī)r滑坡勘查難點評述

以特大型深層凝灰?guī)r下個寮滑坡為例，自2016年上半年應(yīng)急勘察開始，至2018年初勘探平硐竣工為止，整個勘察階段持續(xù)了一年半之久。整個滑坡勘察過程中暴露出大型深層凝灰?guī)r滑坡的勘察難點歸納如下:

(1)滑動面的確定

滑動面埋藏較深，鉆探揭露多層全風(fēng)化狀凝灰?guī)r地層，但未見明顯滑帶土。這些條件對于滑動面的準確定位不但未能提供有效的證據(jù)，反而形成了干擾。在這種情況下，借助于滑坡后緣的變形跡象與前緣的鉆孔深部測斜數(shù)據(jù)以及地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，初步確定滑動面位置是合理的。

(2)滑帶土特征

鉆孔揭示下個寮滑坡滑動面所在位置是厚度超過10 m的全風(fēng)化層。為進一步研究滑坡，就面臨著無法確定滑帶土厚度與發(fā)育特征等問題。常規(guī)滑坡勘察中，通過鉆探和槽探、坑探來查明，但是對于下個寮這種超深層滑坡，存在巨大的局限性。因此引入勘探平硐來驗證滑動面位置，徹底查明滑帶土物理力學(xué)特征。

(3)鉆探取芯問題

鉆探是勘察最重要、最直接的手段之一，鉆探質(zhì)量的控制與鉆探工藝有關(guān)?；聟^(qū)巖體較為破碎、差異風(fēng)化明顯、滑帶土埋藏深度大，導(dǎo)致本次勘察鉆探工作困難重重。

①差異風(fēng)化明顯，巖體破碎，取芯困難。

②滑坡體裂隙發(fā)育，卡鉆、埋鉆、斷桿、塌孔等孔內(nèi)事故頻發(fā)，鉆探質(zhì)量低。

③滑帶土性質(zhì)復(fù)雜且位置不明確性，對鉆探工藝與質(zhì)量要求極高。

(4)勘測線選取

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)初判主滑方向后，布置實測剖面。從后續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和平硐內(nèi)滑帶土擦痕的產(chǎn)狀測量驗證來看，測線方向與滑坡真實的主滑方向并不完全吻合(見表1)。

表1 下個寮滑坡主要勘察工作評述

5 綜合勘查體系技術(shù)路線研究

本次研究從常規(guī)勘察效果入手，從結(jié)果倒推，保留有效的勘察手段，將不合理技術(shù)替換為更有效的新技術(shù)，總結(jié)出一套技術(shù)可行、經(jīng)濟高效的大型深層凝灰?guī)r勘查技術(shù)體系。技術(shù)路線如下:

(1)將已有地質(zhì)調(diào)繪、物探、勘探和原位測試成果進行分類匯總。

(2)對匯總成果系統(tǒng)分析，找出不同勘察成果的優(yōu)缺點與原因。

(3)針對勘察中出現(xiàn)的難點，制定專門的勘察手段及技術(shù)解決其存在的不足之處。

(4)分析新勘察手段的統(tǒng)籌組合，循環(huán)優(yōu)化，形成一套適合大型深層凝灰?guī)r滑坡的勘查體系。

6 新技術(shù)與新方法應(yīng)用

上文所述，影響特大型深層凝灰?guī)r滑坡勘察工作最大的問題有兩個，一個是滑動面的確定，另一個是滑帶土采取工藝。

滑帶土采取應(yīng)采用高保真鉆進工藝，利用泡沫代替水。與循環(huán)水相比，由于氣泡呈細小泡沫狀，滲透到試樣的泡沫量很少，排渣能力高，對試樣的擾動少，就能夠?qū)崒嵲谠诘夭扇』娴绕扑檐浫鯇訋r芯。經(jīng)過研究，考慮到滑動面可能出現(xiàn)多層、多方向性，至少在一橫、一縱的兩個主剖面上，分別在后緣、中部、左右邊界以及前緣布設(shè)五個呈十字狀排布的高保真鉆進工藝的控制性鉆孔，這樣才能掌握滑帶土特征與穩(wěn)定性狀態(tài)。

在滑動面確定的問題上，對于下個寮這種大型深層凝灰?guī)r滑坡，采用多種勘察手段的有機協(xié)調(diào)與綜合運用，效果顯著。

(1)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)繪，確定后緣邊界特征。根據(jù)滑坡前緣深部位移數(shù)據(jù)突變層位，確定前緣剪出口和滑坡前緣滑動面準確位置。

(2)在后緣位置和前緣位置以及前緣滑動面位置確定之后，根據(jù)滑坡最不利結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀組合，結(jié)合物探解譯、鉆探與數(shù)值模擬成果，尋找潛在滑動面。將數(shù)值模擬所得的潛在滑動面位置與鉆孔所得地層信息相結(jié)合，初步確定滑動面位置。

(3)綜合分析高保真鉆孔、孔內(nèi)攝影以及日漸完善的檢測資料，最終確定滑動面準確位置。

這種尋找滑動面的方法，在下個寮滑坡勘察平硐的勘察成果中，驗證了其有效性，平硐準確揭示了帶有明顯擦痕的滑帶土及其滑動影響破碎帶。

7 綜合勘查體系建立

通過分析滑坡勘察中的難點與重點，總結(jié)出大型深層凝灰?guī)r滑坡勘察工作的管理統(tǒng)籌體系和技術(shù)體系。

7.1 管理統(tǒng)籌體系

在勘察實踐中發(fā)現(xiàn)，并非所有常規(guī)的技術(shù)手段都因技術(shù)落后而質(zhì)量不足，部分工作是因為工期限制導(dǎo)致，因此通過科學(xué)地時間管理和工作程序統(tǒng)籌，可以大大避免這種成果質(zhì)量的損失。而想要達到這一目的，就需要先正視大型深層凝灰?guī)r滑坡地質(zhì)上的復(fù)雜之處，同時在先期工作正確進行的情況下，科學(xué)而有效地利用其工作成果，因地制宜地安排后續(xù)工作任務(wù)，而不是“一股腦”將所有工作制定完成，不管施工過程遇到的問題和新發(fā)現(xiàn)。

7.2 技術(shù)體系

新技術(shù)體系的建立，是在深入總結(jié)舊體系的優(yōu)缺點之后，擇其善者而采納之，其不善者而改之形成。新納入的技術(shù)手段和工作安排方法必須具有一定程度的可靠性和可行性，否則將會是空中樓閣，不足為信。在兼顧這兩種制約的情況下，本次研究提出一種新型的大型深層凝灰?guī)r滑坡綜合勘探體系。

新體系的各個工序安排更為講求前序工序?qū)罄m(xù)工序的指導(dǎo)作用，注重各個工序之間的配合施工，達到一種和諧高效的模式(見圖3)。其具體安排如下:

(1)調(diào)繪和物探工作的開展，是在調(diào)繪初步判明滑坡體的規(guī)模、形態(tài)、邊界特征之后，初步判定滑動方向，并以此方向布設(shè)主物探縱剖面；進行前期滑坡代表性物質(zhì)取樣、測試工作，根據(jù)其物理力學(xué)和水理性質(zhì)確定鉆探和后續(xù)施工工藝。

(2)在物探解譯結(jié)果和調(diào)繪成果的指導(dǎo)下，在滑坡前緣、中部和后緣布設(shè)3個控制性鉆孔。這些控制性鉆孔應(yīng)采取高保真鉆探工藝，獲取滑坡體內(nèi)部條件和滑帶位置以及滑帶土情況。

(3)在控制性鉆孔施工完畢后利用其進行高靈敏度滑坡位移監(jiān)測，在取得有效監(jiān)測數(shù)據(jù)后，根據(jù)滑坡監(jiān)測位移方向和調(diào)繪資料進行勘探線和加密鉆孔布置。在后續(xù)鉆孔工作中選取合適(以主剖面附近為宜)鉆孔作為重點孔位，采用高保真鉆進技術(shù)，最后根據(jù)項目具體需求和情況，選取合適位置進行勘探平硐施工，進行平硐勘察。