張 哲

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043)

黃土高原是典型的黃土地貌發(fā)育區(qū),區(qū)內(nèi)黃土堆積厚度大,黃土結(jié)構(gòu)疏松[1],特殊的地貌特征以及物理化學(xué)性質(zhì),導(dǎo)致地質(zhì)生態(tài)環(huán)境十分脆弱,水土流失嚴(yán)重,黃土滑坡災(zāi)害頻發(fā)[2]。 國內(nèi)外眾多學(xué)者都致力于此方面研究,喬平定從厚度、產(chǎn)生時(shí)代、誘因等方面進(jìn)行深入探討,為滑坡的分類提供多種思路[3];王志榮按滑坡地層結(jié)構(gòu)構(gòu)成,將滑坡分為黃土型滑坡及混合型滑坡[4]。 不同地區(qū)、不同類型的黃土滑坡,其形成條件、影響因素、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及活躍性等千差萬別,學(xué)者們對于黃土滑坡的形成機(jī)理、誘發(fā)因素進(jìn)行系統(tǒng)歸類,將滑坡災(zāi)害的“真面目”公之于眾,并提出相應(yīng)的治理策略[5-13]。

鐵路工程的修建經(jīng)常面臨滑坡的威脅,傅傳元將鐵路沿線的滑坡分為“七類七型”,并闡述中國鐵路滑坡的分布規(guī)律[14];王恭先總結(jié)滑坡對于鐵路工程實(shí)際的危害[15];鄭明新詳細(xì)給出各類滑坡的防治原則[16]。通過眾多學(xué)者的努力,取得滑坡災(zāi)害識別、防治措施等重大進(jìn)展,然而,對于鐵路滑坡的研究依然比較缺乏。依托西延高速鐵路項(xiàng)目,以銅川北至延安段作為研究區(qū),旨在查明沿線黃土滑坡的發(fā)育特征、分布規(guī)律,以及對于鐵路工程的風(fēng)險(xiǎn)與防治策略,為該地區(qū)的滑坡治理規(guī)劃等工作提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 自然地理概況

研究區(qū)位于黃土高原中部,線路起于銅川市耀縣,終于延安市寶塔區(qū)。 沿線氣候?qū)俦迸瘻貛啙駶櫺蜌夂騾^(qū),區(qū)內(nèi)年平均氣溫9.5 ℃～11.3 ℃,極端最高氣溫39.7 ℃,極端最低氣溫-27.1 ℃,最冷月平均氣溫-4 ℃～-1.6 ℃,年平均降雨量為568.3～710.4 mm,年平均蒸發(fā)量為1347～1604.3 mm,土壤最大凍結(jié)深度為93 cm。

1.2 區(qū)域地質(zhì)概況

本區(qū)位于陜甘寧臺坳內(nèi),先后通過陜甘寧坳緣褶斷束及陜北臺凹兩個(gè)三級構(gòu)造單元。 區(qū)內(nèi)除宜君、洛川兩處高點(diǎn)外,地勢大體呈北高南低,黃土梁塬受河流侵蝕嚴(yán)重,呈帶狀分布,沖溝縱橫,地形破碎,深切沖溝兩岸坡腳基巖出露。 受河流影響,梁塬及沖溝一般呈北西、北東向。 黃土梁、塬上部為第四系風(fēng)積黃土,表層濕陷性嚴(yán)重,沖溝、河谷內(nèi)多覆蓋第四系沖積黃土,下伏基巖有新近系泥巖,侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系軟巖(頁巖、砂巖和泥巖),以及奧陶系灰?guī)r,一般在沖溝底部、溝坎處出露。

1.3 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有孔隙水和基巖裂隙水,含水層主要為黃土、砂類土及卵礫石土。 其中孔隙水主要賦存于黃土塬、梁等中更新統(tǒng)黃土層中,塬中心地下水位埋深30～70 m,接受河水和大氣降水補(bǔ)給,水量較豐富,連通性好,一般向沖溝排泄。 此外,降雨后易在古土壤層頂面及土石界面附近形成上層滯水,與基巖裂隙水水力聯(lián)系差,分布不均勻,水量一般不大。

2 黃土滑坡分布規(guī)律及工程地質(zhì)特征

2.1 黃土滑坡分布規(guī)律

研究區(qū)選線范圍十分寬廣,南北長約200 km,東西寬20～30 km,總面積約5 300 km2。 區(qū)內(nèi)保存黃土高原特有的地質(zhì)地貌,完整地記錄上萬年以來古氣候、古環(huán)境的發(fā)展變化歷史,滑坡分布十分密集。 目前已知的黃土滑坡種類在本區(qū)均有涉及,堪稱滑坡的“博物館”(見圖2)。

圖2 西延高鐵銅延段滑坡分布示意

由圖2 可知,依據(jù)地貌特征將研究區(qū)分為4 個(gè)大區(qū),渭河沖積平原區(qū)和黃土臺塬區(qū)均地勢平緩,上覆地層主要為第四系沖洪積層;黃土梁峁溝壑區(qū)在本線范圍最廣,地形起伏,溝壑縱橫;子午嶺低中山區(qū)基巖山地基本呈單傾向斜坡,南部基巖裸露,北部覆蓋薄層黃土。

通過遙感解譯,圈繪出研究區(qū)內(nèi)沿線的黃土滑坡共8 000 余處,詳細(xì)記錄形態(tài)特征的黃土滑坡共88個(gè),主要分布于銅川以北黃土梁峁溝壑區(qū)、子午嶺低中山區(qū)北段及河谷川道兩岸斜坡地帶,渭河沖積平原區(qū)、黃土臺塬區(qū)鮮有分布,此調(diào)查結(jié)果與邱海軍對不同黃土地貌類型區(qū)黃土滑坡的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近[14]。

2.2 黃土滑坡形態(tài)特征

經(jīng)過遙感解譯分析,線路穿越、途經(jīng)滑坡眾多,大部分滑坡遙感影像解譯標(biāo)志十分典型,表現(xiàn)為滑坡體形態(tài)基本相似,后緣一般呈較為規(guī)則的圈椅狀,滑坡面一般為順坡向,呈上陡下緩,前緣突出,對沖溝河道具擠壓作用,邊界呈清晰的圓弧形、梨形及棗核形等(見圖3)。 部分處于大型河谷及發(fā)育期黃土沖溝兩岸的滑坡,其前緣長期受流水侵蝕,原本寬緩的滑坡平臺經(jīng)沖蝕形成新高陡邊坡,只保留近弧形圈椅后背,主軸剖面上表現(xiàn)為陡-緩-陡的形態(tài),也就是所謂的“高位滑坡”。 還有部分古滑坡受人為改造嚴(yán)重,當(dāng)?shù)卮迕癯Ｔ诤缶壧庍M(jìn)行梯田修筑,造成滑坡后緣缺失,地貌上反映為一面到頂?shù)木徠隆?/p>

圖3 西延高鐵銅延段部分黃土滑坡正射影像

2.3 黃土滑坡規(guī)模特征

沿線共統(tǒng)計(jì)了88 個(gè)滑坡的基本信息,以此作為樣本點(diǎn),對主軸長度、滑坡寬度、滑面埋深3 個(gè)變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見圖4。

圖4 黃土滑坡統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖4 可知,反映主軸長度和滑坡寬度的直方圖分布趨勢類似,主軸長度主要集中在66～133 m 范圍內(nèi),寬度主要集中在50～100 m 范圍內(nèi),滑面埋深主要集中在5～22 m 范圍內(nèi)。 由此可見,該區(qū)域內(nèi)滑坡以圈椅狀為主,并且規(guī)模不大,埋深較淺。

黃土滑坡統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析見表1。

表1 黃土滑坡統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

滑坡體積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2,由表2 可知,沿線小型滑坡占21.7%,中型滑坡占56.8%,大型滑坡占13.7%,巨型滑坡占7.8%,故沿線滑坡主要以中小型滑坡為主。 綜上,此結(jié)果與祝俊華對延安市黃土滑坡的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近[13],此結(jié)論為提出沿線滑坡的應(yīng)對策略提供了一定的參考。

表2 黃土滑坡規(guī)模數(shù)量分布統(tǒng)計(jì)

2.4 黃土特性分析

由于黃土結(jié)構(gòu)自身的特殊性,導(dǎo)致其成為黃土滑坡的主體,一般情況下,黃土具有3 個(gè)基本特征[18]:①顏色為黃色;②顆粒級配均勻;③碳酸鹽含量較高。 黃土富含孔隙,西北地區(qū)多呈現(xiàn)強(qiáng)濕陷性,沿線不同黃土基本參數(shù)見表3。

表3 土壤參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表3 可知,全新統(tǒng)滑坡堆積黃土作為滑坡體,具有孔隙比大、飽和度高等特點(diǎn)。 對比其他黃土地區(qū)相關(guān)參數(shù)[18],與研究區(qū)的黃土孔隙比均值相近,隨著埋深增加,黃土結(jié)構(gòu)也更加致密。 滑坡堆積黃土、風(fēng)積黃土滲透系數(shù)較高,古土壤層則為弱透水層,強(qiáng)降雨易在弱透水層上部產(chǎn)生積水,進(jìn)而降低黃土的抗剪強(qiáng)度;飽和度、塑性指數(shù)與液性指數(shù)表明區(qū)域內(nèi)黃土為硬塑狀態(tài),親水性較強(qiáng),這些物理特性均為滑坡的發(fā)育奠定基礎(chǔ)。

3 典型黃土滑坡發(fā)育成因及應(yīng)對策略

滑坡是在重力驅(qū)動(dòng)下斜坡的一種最常見破壞形式,斜坡的平衡穩(wěn)定本質(zhì)上是其中的應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度之間的抗衡[19]。 不同類型的滑坡其發(fā)育成因、誘發(fā)因素等也不盡相同,只有查明滑坡的地質(zhì)特征以及災(zāi)害影響,方可確定合適的選線原則、工程策略。

3.1 黃土層內(nèi)滑坡

即滑坡體與下伏地層均為黃土,滑坡體沿黃土內(nèi)部軟弱帶滑動(dòng),黃土內(nèi)部一般為滲透能力弱的古土壤層。 以刀背梁1 號滑坡(洛川縣)為例,該滑坡為典型大型深層黃土滑坡,滑坡體為孔隙度大、垂直裂隙發(fā)育的黏質(zhì)黃土,滑坡床主要為中更新統(tǒng)古土壤層,結(jié)構(gòu)致密,相對隔水(見圖5)。

圖5 刀背梁1 號滑坡后壁(左)和正射影像

該滑坡現(xiàn)形態(tài)見圖6(b),滑坡體已經(jīng)產(chǎn)生較大滑動(dòng),該滑坡成因主要為:①滑坡體的大孔隙及垂直裂隙極易滲水,在持續(xù)降水入滲條件下,雨水破壞黃土土質(zhì)結(jié)構(gòu)并滲入至古土壤層,在古土壤層頂部形成飽水軟弱帶,土壤水逐漸演變?yōu)檠鼗瑒?dòng)面流動(dòng)的滲流場;②滑坡前緣沖溝呈“V”形,較大坡降使降水沖蝕能力加強(qiáng),不斷側(cè)蝕前緣土體,使阻滑能力減弱。 黃土梁峁(見圖6(a))受土壤結(jié)構(gòu)、降水、地形等影響逐漸失穩(wěn),坡腳黃土產(chǎn)生滑動(dòng)后,迅速牽引后緣土體形成滑坡(見圖6(b)),該類滑坡一般形成周期較長,沿線分布較多。

圖6 刀背梁1 號滑坡災(zāi)害孕育模式

勘察期間,線路以隧道形式從滑坡體后部下方通過,拱頂距滑面最小距離3m,嚴(yán)重危及隧道工程安全。經(jīng)勘察分析,應(yīng)將線路向滑坡外側(cè)偏移,增加隧道拱頂覆土,以改善地質(zhì)條件,消除滑坡影響。

3.2 黃土-基巖順層滑坡

該類滑坡體為黃土,下伏巖層為基巖,滑坡體沿軟弱巖層面或裂隙面滑動(dòng)。 以李家溝5 號滑坡(富縣)為例,該滑坡為中型中深層土石混合型滑坡,下伏基巖為砂巖、泥巖(見圖7)。

圖7 李家溝5 號滑坡調(diào)查照片和正射影像

如圖8 所示,砂巖上部風(fēng)化嚴(yán)重,巖體較破碎,下部為泥質(zhì)膠結(jié),頁巖與砂巖互層,且節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖質(zhì)較軟,下伏巖層為滑坡發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件。

圖8 李家溝5 號滑坡災(zāi)害孕育模式

滑帶形成演化分為3 個(gè)階段[20-21]:原生巖組在構(gòu)造應(yīng)力或重力作用下發(fā)生應(yīng)力集中;滑坡砂巖上部受風(fēng)化作用強(qiáng)烈,層間剪切帶原生軟巖(泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育地帶)緊接著發(fā)生剪應(yīng)力集中;砂巖、泥巖結(jié)構(gòu)連接帶發(fā)生破壞。 降雨入滲至泥巖弱透水帶上部時(shí),沿已破壞的連接帶產(chǎn)生坡面徑流,當(dāng)剪切變形較大時(shí),將會產(chǎn)生滑帶,上部黃土迅速下滑,帶動(dòng)砂巖、泥巖風(fēng)化碎塊滑動(dòng),根據(jù)鉆探揭示,滑坡體下部掩埋有碎石。

線路以路基、隧道相接的形式從滑坡體中通過,部分路塹挖方段落位于滑坡體內(nèi),對工程影響嚴(yán)重。 施工中,滑坡前部挖方、刷坡等會導(dǎo)致抗滑力減小,同時(shí)在降雨或擾動(dòng)情況下易使滑坡復(fù)活,造成工程或運(yùn)營安全隱患。 施工過程中應(yīng)進(jìn)行清方處理,且做好邊坡防護(hù)及防排水工程,避免堵塞沖溝。

3.3 黃土-基巖切層滑坡

該類滑坡滑動(dòng)面與巖層面相切,滑坡體包括大孔隙黃土、破碎帶、風(fēng)化嚴(yán)重的基巖等。 以蒼坪1 號滑坡為例,該滑坡位于銅川市印臺區(qū),為典型的中型黃土-基巖切層滑坡,上覆地層為黃土,下伏基巖為砂巖夾頁巖,勘察時(shí)坡面表層分布大量碎石土(見圖9)。

圖9 蒼坪1 號滑坡調(diào)查照片和正射影像

該滑坡剖面見圖10,此類斜坡一般上覆黃土層較薄,黃土-基巖分界面位于坡面高處,滑坡產(chǎn)生前基巖層出露地表,砂巖夾頁巖長期受風(fēng)化作用侵蝕,巖層較破碎。 斜坡亦受到多期地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng),基巖內(nèi)部發(fā)育有結(jié)構(gòu)面,巖體經(jīng)常被切割碎裂,形成規(guī)則或不規(guī)則塊體。 在降雨、人類活動(dòng)等影響下,黃土土體強(qiáng)度逐漸減弱,并向臨空方向蠕動(dòng),坡體后緣產(chǎn)生拉裂,為地表水的滲入創(chuàng)造了條件。 降雨入滲導(dǎo)致風(fēng)化嚴(yán)重、構(gòu)造碎裂的巖塊演變?yōu)檐浫鯉?待坡體的軟弱帶全面貫通后,坡體后緣段便以一定推力推動(dòng)主滑段,此推力加主滑段自重分力的復(fù)合作用[22-23],滑坡體便開始整體下滑。 此類滑坡受到強(qiáng)降雨時(shí)會迅速形成,且會繼續(xù)發(fā)展,一般成災(zāi)規(guī)模較大。

圖10 蒼坪1 號滑坡災(zāi)害孕育模式

方案比選時(shí),若以隧道形式從滑坡體下部通過,設(shè)計(jì)拱頂距滑面最小距離為10 m,滑坡對隧道施工及運(yùn)營影響較大。 經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析,決定降低線路高程,并將線路向滑坡外側(cè)移動(dòng),使線路走行在穩(wěn)定區(qū)域,保證工程施工、運(yùn)營安全。

4 選線案例及工程防治策略

西延高鐵在選線過程中,較好執(zhí)行繞避地質(zhì)條件復(fù)雜的巨、大型滑坡及滑坡群的原則,將巨、大型滑坡及滑坡群等對工程的影響降至最小。 對線路有較大影響的88 處滑坡中,隧道下穿形式的有67 處,橋梁斜跨形式的有14 處,路基過渡形式的有7 處。

4.1 繞避巨型滑坡及滑坡群案例

如圖11 所示,宜君縣位于子午嶺地中山區(qū),西北側(cè)為緩坡狀巨型古滑坡群,現(xiàn)大多已經(jīng)改造為梯田,東側(cè)為較為陡峭的斜坡。 前期西北側(cè)古滑坡群經(jīng)遙感初步判釋為疑似滑坡,并在西側(cè)滑坡內(nèi)設(shè)立站址空間,后期經(jīng)過地面調(diào)繪、物探及鉆探相結(jié)合的綜合勘察手段,明確滑坡的影響范圍及深度,最終繞避該處巨型古滑坡群,并將車站布置在東側(cè)穩(wěn)定的斜坡上。 方案調(diào)整后,貫通方案的車站工程仍以挖方為主,斜坡表層為薄層風(fēng)積黃土,下部為穩(wěn)定的砂層、頁巖,巖層產(chǎn)狀傾于山內(nèi),改善挖方邊坡穩(wěn)定性,保證工程施工、運(yùn)營期間安全。

圖11 宜君站方案及工程斷面(藍(lán)線為比選方案,紫線為貫通方案)

4.2 隧道下穿滑坡案例

洛川縣位于陜北黃土高原溝壑梁塬區(qū),塬周邊地形破碎,沖溝極其發(fā)育,溝深100～200 m,沖溝兩岸滑坡十分發(fā)育(見圖12、圖13)。 線路從洛河河谷開始一路爬升,至洛川塬面的航空線長度僅為13 km,但高差達(dá)350 m,為選線帶來極大難度,各方案都需通過大型、巨型滑坡,方案可靠性差。 經(jīng)反復(fù)論證,最終選擇平面與滑坡交叉最少的方案,并在關(guān)鍵點(diǎn)控制坡度,采用2.2 km、13.5‰坡度接2.25 km、13.5‰坡度和接6 km、30‰坡度方案,以隧道工程下穿4 處滑坡,(其中1 處為控制線路方案的巨型滑坡),最大程度減小滑坡對工程的影響。

圖12 洛川上塬貫通方案平面

圖13 洛川上塬貫通方案縱斷面

4.3 工程防治策略

(1)以隧道形式下穿時(shí),應(yīng)注意隧道洞身整體應(yīng)位于完整巖土體內(nèi),并保證隧道拱頂距滑面有一定安全距離。

(2)以橋梁形式跨越時(shí),應(yīng)盡量避免橋梁墩臺位于滑坡體內(nèi);若必須設(shè)置時(shí),應(yīng)對墩臺周邊進(jìn)行預(yù)加固,以減少滑坡對墩臺的影響。

(3)路基過渡段通過滑坡時(shí),一般受滑坡體影響較為嚴(yán)重,必須采取清方與擋護(hù)結(jié)合的方式,以保證工程安全。

(4)對鐵路全線應(yīng)進(jìn)行滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評估,尤其對于滑坡群、巨型滑坡以及滑坡頻發(fā)區(qū)域,需查明滑坡發(fā)育模式以及穩(wěn)定性,并采取合適的避讓或防治措施。

(5)鐵路沿線應(yīng)注重生態(tài)保護(hù),退耕還林,加強(qiáng)林木種植,尤其是盡量避免農(nóng)業(yè)灌溉引發(fā)滑坡。

5 結(jié)論

通過分析西延高速鐵路銅川北至延安段黃土滑坡的分布、形態(tài)、規(guī)模及土壤特征,深入探究沿線典型黃土滑坡的發(fā)育模式、形成原因,并據(jù)此論述鐵路選線思路與工程防治策略,得出以下結(jié)論。

(1)根據(jù)地形地貌特征,研究區(qū)分為4 個(gè)地貌大區(qū),黃土滑坡主要分布在宜君以北黃土梁峁溝壑區(qū)、子午嶺低中山區(qū)北段及河谷川道兩岸斜坡地帶;經(jīng)過遙感解譯,滑坡體后緣一般呈圈椅狀,滑坡面呈上陡下緩;統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,沿線滑坡以小型、中型為主,黃土物理特性為滑坡創(chuàng)造了有利條件。

(2)黃土層內(nèi)滑坡主要受土壤特性、持續(xù)性降雨、地形等影響,選線時(shí)將線路向滑坡外側(cè)偏移,增加隧道拱頂覆土;黃土-基巖順層滑坡主要由于應(yīng)力集中使得層間剪切帶原生軟巖發(fā)生剪應(yīng)力集中,最終形成滑帶,施工過程中應(yīng)進(jìn)行清方處理;黃土-基巖切層滑坡成因?yàn)辄S土體首先產(chǎn)生拉裂,強(qiáng)降雨影響下,與破碎巖塊在坡體后緣推力與自重分力復(fù)合作用下迅速下滑,選線時(shí)可通過降低線路高程進(jìn)行繞避。

(3)根據(jù)黃土滑坡災(zāi)害影響以及工程地質(zhì)特征,選線時(shí)應(yīng)繞避巨型、大型滑坡及滑坡群;針對滑坡的發(fā)育特征及災(zāi)害影響程度,給出不同工程形式的防治策略,保障工程安全。