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川藏鐵路卡子拉山滑坡發(fā)育特征與防災(zāi)減災(zāi)對策

2021-09-16 02:05:56鐵永波梁京濤蒙明輝
水文地質(zhì)工程地質(zhì) 2021年5期
關(guān)鍵詞:卡子斜坡滑坡

鐵永波 ,徐 偉 ,梁京濤 ,蒙明輝 ,李 富 ,趙 聰

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都 610081;2.四川省地質(zhì)調(diào)查院,四川 成都610081;3.四川省華地建設(shè)工程有限責任公司,四川 成都 610081)

川藏鐵路沿線地球內(nèi)外動力作用強烈,地震頻發(fā),地形陡峻,為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育提供了極為有利的條件[1-3]。根據(jù)四川省和西藏自治區(qū)自然資源廳開展的1∶5萬縣市地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查資料,截至2020年6月30日,共在川藏鐵路雅安—林芝段兩側(cè)50 km范圍內(nèi)排查出地質(zhì)災(zāi)害4 083處:崩塌780處、滑坡(含不穩(wěn)定斜坡)1 846處、泥石流1 457處,其中大型崩塌35處、大型滑坡(含不穩(wěn)定斜坡)93處、大型泥石流90處。但受調(diào)查精度的影響,川藏鐵路沿線仍存在許多在規(guī)劃設(shè)計階段未被有效識別的潛在地質(zhì)災(zāi)害,給鐵路施工建設(shè)及運營期間的安全帶來一定風險。因此,采用新技術(shù)方法開展鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)研究意義重大[4-7]。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展,光學遙感、機載LiDAR等高精度遙感手段在地質(zhì)災(zāi)害早期識別中得到了廣泛應(yīng)用,特別是在川藏鐵路沿線高寒高海拔無人區(qū)的高位地質(zhì)災(zāi)害早期識別與調(diào)查中發(fā)揮了較大作用,給傳統(tǒng)以地面調(diào)查和勘查為主的地質(zhì)災(zāi)害研究注入了新的活力[2-9]。大量實踐證明,在具有地質(zhì)條件復(fù)雜、地形起伏較大、高原山地氣候多變等特點的川藏鐵路沿線,地質(zhì)災(zāi)害的成因往往較為復(fù)雜,且孕災(zāi)區(qū)域多位于高陡山體上部,具有極大的隱蔽性,常規(guī)的遙感技術(shù)難以對其進行有效識別。因此,需要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件,融入“空-天-地”一體化的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價技術(shù)進行綜合研判,提高地質(zhì)災(zāi)害識別的準確度,提前預(yù)判潛在風險[10-13]。

針對川藏鐵路卡子拉山周邊可能存在的潛在地質(zhì)災(zāi)害風險,通過應(yīng)用高精度光學遙感、機載LiDAR、工程地質(zhì)調(diào)查及勘查等“空-天-地”一體化技術(shù),識別出2處特大型滑坡和1處中型潛在不穩(wěn)定斜坡,在分析其特征和成因的基礎(chǔ)上提出了防災(zāi)減災(zāi)建議,為川藏鐵路規(guī)劃建設(shè)過程中的潛在地質(zhì)災(zāi)害防控提供了科學依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

卡子拉山位于四川省甘孜州雅江縣西俄洛鎮(zhèn)俄洛堆村,研究區(qū)地處青藏高原東南麓、橫斷山脈中段、大雪山脈與沙魯里山脈之間的山原地帶,平均海拔約3 800 m,屬高海拔高原山地侵蝕地貌,多年平均降水量705 mm,雨季多集中在5—9月。雅礱江二級支流俄洛曲從卡子拉山東側(cè)自北向南流過,河谷呈“U”型寬谷地貌,為早期冰川侵蝕形成,兩側(cè)山體較陡,水系較為發(fā)育。受區(qū)域地層以軸面近直立或微倒轉(zhuǎn)等形態(tài)的影響,研究區(qū)地表出露的巖體主要表現(xiàn)為折斷變形和沿臨空面傾倒崩落等特征(圖1),且薄層狀板巖極為破碎,為滑坡潛在滑面的發(fā)育提供了基礎(chǔ)[3]。強烈的區(qū)域構(gòu)造活動、破碎的巖體、高寒山區(qū)凍融風化、強降雨及人類工程擾動等因素的疊加作用,為區(qū)內(nèi)特大型地質(zhì)災(zāi)害的孕育提供了極為有利的條件。

圖1 卡子拉山典型巖體結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Structural characteristics of the typical rock mass in the Kazila mountain

卡子拉山位于俄洛曲右岸,坡底河谷海拔3 600 m,坡頂最高海拔4 040 m,總體坡向為北東向。前部近河谷段為緩坡,中部為階狀地形,后壁為陡坡。卡子拉山東側(cè)主要發(fā)育有霍澤扎日斷層,出露巖性主要為三疊系雅江組中段(T3y2)薄—中厚層軟硬鈣質(zhì)粉砂質(zhì)板巖夾巖屑石英砂巖。主要發(fā)育有冰川形成的寬谷和侵蝕形成的陡坡地貌,總體地形坡度介于20°~35°之間,為反向斜坡地形,基巖為T3y3砂質(zhì)板巖,巖層產(chǎn)狀為263°∠69°,主要發(fā)育115°∠66°、71°∠27° 2組節(jié)理裂隙,裂隙間距0.5~2.0 m不等(圖2)。

圖2 卡子拉地區(qū)地質(zhì)背景圖Fig.2 Geological map of the Kazila mountain

2 卡子拉山滑坡發(fā)育特征

為查明研究區(qū)斜坡結(jié)構(gòu)及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征,研判潛在地質(zhì)災(zāi)害風險及其對鐵路的影響,首先采用該地區(qū)多期次遙感影像進行對比解譯,發(fā)現(xiàn)卡子拉山隧道進口兩側(cè)發(fā)育有2處疑似滑坡區(qū),在地貌形態(tài)上呈明顯圈椅狀,且后壁、側(cè)壁較清楚,后緣洼地與平臺、前緣鼓丘可辨,并在前緣發(fā)現(xiàn)5處線狀分布泉點,表明有地下水沿貫通滑面滲流過程。其次,應(yīng)用機載LiDAR進行高精度航測(平均點云密度優(yōu)于25點/m2,點云高程誤差精度控制小于0.12 m、平面誤差小于0.05 m)并通過點云數(shù)據(jù)處理、數(shù)字表面模型(DSM)構(gòu)建,形成了研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM),進一步揭示了卡子拉山2處潛在滑坡和1處不穩(wěn)定斜坡的地貌特征、形態(tài)及空間分布,并解譯了研究區(qū)的3條斷層(圖3)。

圖3 卡子拉山滑坡及不穩(wěn)定斜坡分布特征圖Fig.3 Distribution characteristic of the Kazila mountain landslide and unstable slope

根據(jù)光學遙感和機載LiDAR的調(diào)查結(jié)果,進一步在研究區(qū)布設(shè)1 000 m工程地質(zhì)鉆探,共15個鉆孔,從空間上對其結(jié)構(gòu)特征進行控制。工程地質(zhì)鉆探和物探結(jié)果表明,2個潛在滑坡區(qū)均存在明顯的滑帶,坡體前緣有局部變形。結(jié)合綜合遙感解譯結(jié)果,認為這2處區(qū)域為滑坡區(qū),分別命名為卡子拉山1#滑坡和卡子拉山2#滑坡。俄洛堆不穩(wěn)定斜坡在遙感解譯上沒有明顯的標志,地表也無明顯變形跡象,但工程地質(zhì)鉆探揭露結(jié)果顯示其下部為強風化巖質(zhì)、上部為第四系土質(zhì)斜坡,斜坡巖體破碎,土體結(jié)構(gòu)較為松散,穩(wěn)定性需進一步評價。

2.1 卡子拉山1#滑坡特征

卡子拉山1#滑坡后緣呈圈椅狀地形,后壁呈陡坎狀,范圍以兩側(cè)緣沖溝為界,滑坡前緣高程3 560 m,后緣高程4 040 m,主滑方向為70°?;滦遍L約990 m,寬約820 m,滑體平均厚40 m,體積32.48×106m3,為特大型滑坡?;虑安炕w厚度較大,后緣相對較薄,在縱剖面上呈上緩下陡坡型,整體坡度25°~35°(圖4)。根據(jù)卡子拉山1#滑坡中部的多級臺階地貌判斷,該滑坡歷史上層發(fā)生過多期次的變形或滑動,工程地質(zhì)鉆孔揭露滑帶厚度介于48~72 m之間,滑帶土厚度1.5~3.3 m,主要為灰色或灰黑色,巖性為粉質(zhì)黏土夾角礫,粉質(zhì)黏土多呈軟塑狀,角礫、碎塊石成分以砂質(zhì)板巖為主,以棱角狀和次棱角狀為主,土體含水率為12.5%~29.2%,明顯高于滑體土(圖5)。在65.0~72.0 m段可見少量磨圓較好的卵石以及充填少量細砂,為俄洛曲階地沉積物。

圖4 卡子拉山1#滑坡體工程地質(zhì)剖面圖(剖面A-A’)Fig.4 Engineering geological profile of the Kazila 1# landslide (section A-A’)

2.2 卡子拉山2#滑坡特征

卡子拉山2#滑坡后緣呈圈椅狀,滑坡前緣以陡坡為界,后緣以陡坎為界,左側(cè)緣以沖溝為界,右側(cè)緣以山脊為界?;虑熬壐叱碳s3 580 m,后緣高程約3 820 m,主滑方向為15°?;滦遍L約580 m,寬約500 m,滑體平均厚35 m,體積10.15×106m3,為特大型滑坡?;轮胁炕w厚度較大,中前部次之,后緣相對較薄在縱剖面上呈上緩下陡坡形,整體坡度25°~30°。工程地質(zhì)鉆孔揭示卡子拉山2#滑坡滑帶位于地表以下平均35 m處,滑帶土厚度0.5~5.5 m,主要為灰色或灰黑色粉質(zhì)黏土夾角礫,粉質(zhì)黏土多呈軟塑狀,稍濕-濕,角礫、碎塊石成分以砂質(zhì)板巖為主,以棱角狀和次棱角狀為主,滑帶土含水率為12.5%~29.2%,高于滑體土。

2.3 俄洛堆潛在不穩(wěn)定斜坡特征

俄洛堆潛在不穩(wěn)定斜坡位于卡子拉1#、2#滑坡之間相鄰的山脊處,擬規(guī)劃的川藏鐵路卡子拉山隧道進口選線從該不穩(wěn)定斜坡南側(cè)中部穿過。邊坡后緣高程3 970 m,前緣坡腳高程3 574 m,平均坡度32°,前緣臨空條件較好。工程地質(zhì)鉆探揭示斜坡體中部第四系覆蓋層厚19.8 m,主要為褐黃色粉質(zhì)黏土夾碎石層和黑灰色碎塊石土層?;鶐r巖性以灰黑色炭質(zhì)板巖為主,中風化,變板狀構(gòu)造,節(jié)理較發(fā)育,軸夾角35°~70°。綜合工程地質(zhì)鉆探和高密度電阻物探結(jié)果,確定俄洛堆潛在不穩(wěn)定斜坡斜長約136 m,寬約203 m,最厚處可達20 m,平均厚13 m,體積35.8×104m3,規(guī)模為中型(圖6)。

圖6 卡子拉山俄洛堆不穩(wěn)定斜坡物探解譯剖面圖Fig.6 Geophysical interpretation profile of the Eluodui unstable slope in the Kazila mountain

3 卡子拉山滑坡與不穩(wěn)定斜坡成因分析

3.1 卡子拉山1#、2#滑坡成因分析

卡子拉山地區(qū)地質(zhì)背景條件復(fù)雜,在研究區(qū)內(nèi)密集發(fā)育的2個特大型滑坡是多種因素共同作用的結(jié)果。結(jié)合對已有資料的認識,將卡子拉山滑坡的成因分析如下:

(1)區(qū)域斷層活動。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,霍澤扎日斷層從卡子拉山東側(cè)通過,走向為300°(圖2)。結(jié)合高密度電阻率物探及機載LiDAR解譯成果,滑坡區(qū)附近有3條斷層通過(圖3)。F1斷層從卡子拉山1#、2#滑坡中部穿過,走向為NW—SE,傾向坡內(nèi),根據(jù)物探解譯結(jié)果,斷層破碎帶厚50~70 m,寬約38 m。F2斷層從卡子拉1#、2#滑坡后緣穿過,走向為NW—SE,傾向坡內(nèi),根據(jù)物探解譯結(jié)果,斷層破碎帶厚60~80 m,寬約26 m。F3斷層從卡子拉山1#滑坡穿過,走向為NE—SW,傾向東南,根據(jù)物探解譯結(jié)果,斷層破碎帶厚度在20~60 m,寬約40 m。受斷層影響,斜坡上部和中部工程地質(zhì)鉆孔揭示的全孔基巖均為全風化層,總體較為破碎,基巖強風化部位存在軸夾角較緩、中風化基巖軸夾角較陡且與出露基巖傾角基本一致的現(xiàn)象,表明斜坡巖體受斷層控制明顯。

(2)巖層結(jié)構(gòu)。受區(qū)域褶皺控制的影響,雅礱江流域巖層多以脆性彎折變形為主,這種巖層結(jié)構(gòu)也是造成雅礱江流域巖質(zhì)滑坡極為發(fā)育一個主要原因[3,11-12]??ㄗ永剿幍貐^(qū)巖層結(jié)構(gòu)以彎折傾倒為主,主要受控于區(qū)域褶皺一翼向卸荷方向的彎折傾倒,2處滑坡區(qū)巖層產(chǎn)狀為263°∠69°,主要發(fā)育115°∠66°、71°∠27°兩組節(jié)理裂隙。受此影響,坡體極易破壞并沿臨空方向產(chǎn)生滑動,故褶皺是控制區(qū)域滑坡結(jié)構(gòu)及破壞模式的最主要因素(圖7)。

圖7 雅礱江流域典型地層構(gòu)造對巖體變形影響剖面圖(引自文獻[3])Fig.7 Profile of typical stratigraphic structure on rock mass deformation in the Yalong River catchment(cited from Ref.[3])

(3)高寒循環(huán)凍融。卡子拉山滑坡區(qū)海拔大于3 500 m,屬于高寒山區(qū),晝夜溫差大,冰凍作用強烈。由于滑坡區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,雨水入滲裂隙后在低溫作用下產(chǎn)生凍脹,尤其是在高原長期的季節(jié)性循環(huán)凍融作用下,巖體裂隙會在反復(fù)凍脹作用下進一步擴張,進而影響巖體的強度,為滑坡在重力卸荷、暴雨或地震的作用下產(chǎn)生滑動提供了基礎(chǔ)[14-15]。

(4)地震??ㄗ永降靥庻r水河活動斷裂帶與理塘斷裂帶之間,斷層帶縱橫交錯,周邊地區(qū)歷史上大規(guī)模地震頻繁,如1955年康定7.5級地震、1986年理塘5.6級地震、1981年道孚6.9級地震等。周邊強烈的地震活動會導(dǎo)致山體被震裂,巖體松動,對坡體的穩(wěn)定性造成不利影響,成為影響滑坡發(fā)生的一個重要因素。

3.2 卡子拉山俄洛堆不穩(wěn)定斜坡成因分析

巖層的脆性彎折是雅礱江流域最為典型和普遍的變形破壞模式之一,這主要與區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育的板巖與砂巖互層結(jié)構(gòu)有關(guān),脆性彎折變形多發(fā)生在互層內(nèi)部(圖7)。在區(qū)域構(gòu)造和深切河谷卸荷等共同作用下,卡子拉山地區(qū)的脆性彎折變形特征局部表現(xiàn)為系列小型連續(xù)的尖棱狀褶皺,且軸面多破碎,區(qū)域上多呈現(xiàn)為褶皺一翼向卸荷方向的傾倒彎折[3]。深部的彎折變形為大型滑坡的深部潛在滑面形成提供重要基礎(chǔ),表層的彎折變形主要表現(xiàn)為巖體的傾倒,會在坡面上形成一定厚度第四系殘坡積碎石土,俄洛堆潛在不穩(wěn)定斜坡表層土體為此類成因。由于這類碎石土較為松散,孔隙度大,在降雨時會形成良好的下滲通道與空間,容易導(dǎo)致地表水沿基伏界面流通并形成潛在滑面,為斜坡變形提供基礎(chǔ)。

根據(jù)研究區(qū)巖土體土力學參數(shù)測試結(jié)果(表1),考慮天然工況(自重)、暴雨工況(自重+暴雨)及地震工況(自重+地震)三個工況,采用極限平衡傳遞系數(shù)法對滑坡體3條剖面上覆堆積體土層沿基覆界面滑動的穩(wěn)定性進行了計算,計算模型主要以各剖面鉆孔、物探等勘察結(jié)果作為地質(zhì)模型,結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件和滑坡變形破壞特征連出的滑面而建立。結(jié)果表明:在天然工況下,該不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.212,為穩(wěn)定;在暴雨工況下,穩(wěn)定性系數(shù)為1.024,為欠穩(wěn)定;在地震工況下,穩(wěn)定性系數(shù)為1.156,為穩(wěn)定。由于川藏鐵路卡子拉山隧道進口從俄洛堆不穩(wěn)定斜坡東南側(cè)中部穿過,在施工期間和隧道建成后的運營期間遇到暴雨時存在滑坡風險。同時,隧道施工期間大量工程開挖擾動是該不穩(wěn)定斜坡潛在變形破壞的關(guān)鍵因素,開挖后的上部分坡體穩(wěn)定性容易受到影響,沿軟弱面產(chǎn)生牽引式滑動,進而引發(fā)滑坡,對鐵路施工及運營造成影響。

表1 卡子拉山1#滑坡巖土體主要物理力學參數(shù)Table 1 Values of main physical parameters of rock and soil mass of 1# landslide in the Kazila mountain

4 防災(zāi)減災(zāi)建議

4.1 潛在地質(zhì)災(zāi)害風險分析

(1)卡子拉山1#、2#滑坡區(qū)是川藏鐵路卡子拉山隧道進口的重要工程規(guī)劃區(qū),川藏鐵路卡子拉山隧道進口選線位于2處滑坡之間的山脊處,目前2處滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài),對川藏鐵路進口選線不構(gòu)成直接影響。但在鐵路后期施工期間需要防范坡體下部開挖或坡體上部加載對滑坡的擾動影響,一旦因不合理的工程活動引起滑坡復(fù)活,易導(dǎo)致坡體局部變形失穩(wěn),對川藏鐵路卡子拉山隧道及俄洛堆大橋施工臨時設(shè)施及施工人員生命財產(chǎn)安全構(gòu)成潛在風險。

(2)持續(xù)降雨或大暴雨會對俄洛堆不穩(wěn)定斜坡的穩(wěn)定性造成影響,存在潛在滑坡風險,在施工期間會對川藏鐵路卡子拉山隧道進口施工區(qū)帶來潛在的沖擊破壞、掩埋等風險。后期鐵路運營期間若發(fā)生變形破壞,則會對卡子拉山隧道、俄洛堆大橋及運行列車造成潛在風險。

4.2 對策建議

(1)優(yōu)化線路設(shè)計規(guī)避潛在地質(zhì)安全風險??ㄗ永?號隧道進口段線路穿越俄洛堆不穩(wěn)定斜坡區(qū),存在地質(zhì)安全風險,建議優(yōu)化方案,將隧道進口段線路向東南側(cè)平移,避開俄洛堆不穩(wěn)定斜坡區(qū)域,確保鐵路在施工和運營期間的安全。

(2)減少施工開挖對斜坡的擾動。在鐵路及配套工程施工期間,避免開挖俄洛堆不穩(wěn)定斜坡和2處滑坡坡腳,禁止在俄洛堆不穩(wěn)定斜坡和2處滑坡中上部堆放工程棄渣,并加強對施工期間爆破對滑坡和不穩(wěn)定斜坡的影響。

(3)開展專題評價與針對性工程治理。在俄洛堆不穩(wěn)定斜坡上方約190 m處發(fā)育有厚約17 m的覆蓋層,建議對該覆蓋層的穩(wěn)定性及其對鐵路的潛在影響開展專項評價,查明其潛在變形區(qū)及影響區(qū)范圍,并針對性開展工程治理,從源頭上防控地質(zhì)安全風險。

5 結(jié)論

(1)卡子拉山1#、2#滑坡均為已發(fā)生的特大型巖質(zhì)滑坡,原巖成分主要為灰黑色板巖和炭質(zhì)板巖,目前滑坡堆積體在天然和暴雨工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài),對規(guī)劃建設(shè)的川藏鐵路工程施工影響較小,但需減少鐵路施工對坡體的擾動。

(2)俄洛堆不穩(wěn)定斜坡上部為土質(zhì)斜坡,下部為強風化巖質(zhì)斜坡,該斜坡在天然和地震工況下處于穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在鐵路施工及運營期間需要防范極端暴雨條件下的斜坡變形風險。

(3)由于缺少測年和歷史測年數(shù)據(jù),卡子拉山1#、2#滑坡發(fā)生的時間和誘因難以界定,但根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析認為,卡子拉山地區(qū)地層結(jié)構(gòu)是2處特大型滑坡形成的主控因素,尤其是斜坡深部巖層的脆性彎折部位為滑帶發(fā)育提供了有利條件。

(4)卡子拉山2處特大型滑坡及俄洛堆不穩(wěn)定斜坡的發(fā)現(xiàn)是充分利用綜合手段調(diào)查的結(jié)果,為重大工程施工及運營過程中地質(zhì)災(zāi)害風險提前及精準防控提供了地質(zhì)解決方案,證明了綜合調(diào)查技術(shù)在川藏鐵路沿線隱蔽型地質(zhì)災(zāi)害的早期識別及精細化調(diào)查中的適用性,在今后重要鐵路工程建設(shè)區(qū)可加強該技術(shù)的應(yīng)用。

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