沈世科, 趙天宇, 安 亮

(1. 定西市道路運輸管理局, 甘肅 定西 743000;2. 甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司, 甘肅 蘭州 730030)

0 引言

定西作為甘肅省絲綢之路經(jīng)濟帶的節(jié)點城市,提高災害預防能力是工程建設與維養(yǎng)亟待解決的重要問題。境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜,新構(gòu)造運動強烈,滑坡、泥石流、崩塌、黃土濕陷等工程地質(zhì)問題頻發(fā)[1-4],對人民的生命和財產(chǎn)安全構(gòu)成潛在威脅。以公路、鐵路為主的長線工程建設往往跨越不同的地質(zhì)條件,給工程建設的安全性帶來嚴重制約[5]。

我國學者主要對定西工程地質(zhì)災害的發(fā)育特征、易發(fā)分區(qū)、危險性評價等方面做了研究。定西市安定區(qū)地處黃土丘陵溝壑第五副區(qū),地質(zhì)災害發(fā)育,境內(nèi)黑山溝流域山洪易發(fā),根據(jù)工程地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)災害發(fā)育特征,有重點防治區(qū)、次重點防治區(qū)和一般防治區(qū)三大類災害分區(qū)[6]。王謙等[1]分析了岷縣漳縣MS6.6地震影響區(qū)內(nèi)的黃土斜坡穩(wěn)定性和震陷性并進行了地質(zhì)災害預測;陳大偉等[7]研究了“9·14”通渭大型黃土滑坡體的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征和運動模式并揭示了滑坡的致災機理。岷縣2012年“5·10”群發(fā)性泥石流造成18人死亡和重大經(jīng)濟損失,我國學者運用Massflow、FLO-2D、ArcGIS分析了泥石流的流動特性、堆積扇范圍、易發(fā)分區(qū)、危險性、強降雨災害鏈損失等[8-10]。

甘肅省復雜多樣的地質(zhì)構(gòu)造與地形地貌決定了以公路、鐵路為主的線性工程在規(guī)劃設計建設階段極具挑戰(zhàn)性,也對工程的安全運營與長期維護產(chǎn)生了不良影響。具有隴海鐵路“盲腸”之稱的寶天段受渭河區(qū)域性大斷層的影響,沿線滑坡、泥石流等頻發(fā),多次破壞線路、摧毀橋隧、危害站房,鐵路常處于半癱瘓狀態(tài)[11]。蘭渝鐵路受則蘭州至渭源沿線不良地質(zhì)和特殊巖土的影響,線路方案的選擇受滑坡和不穩(wěn)定性斜坡的控制[12]。改建的國道316線天水稍子坡段路基30%被破壞,增加工程投資2 000多萬元[13]。舟曲縣“7·19”牙豁口滑坡造成前緣414縣道約300 m被摧毀[14]。國道212線甘川公路岷江—白龍江段因頻繁發(fā)生滑破壞路基路面,斷道阻車時有發(fā)生[15]。諸如此類工程地質(zhì)問題對工程產(chǎn)生影響的案例不僅在甘肅省內(nèi)波及頻繁,其他地區(qū)的案例也屢見不鮮。

目前學者們主要對定西地區(qū)部分區(qū)縣的工程地質(zhì)災害特征進行了單一類型的細化分析與研究,大多是工程事故、地質(zhì)災害及工程病害頻現(xiàn)后的剖析和總結(jié),缺乏工程建設初期地質(zhì)問題的實地調(diào)研與系統(tǒng)分析,無法為工程建設與安全運營提供保障。文章通過對甘肅定西既有公路與新建高速公路工程建設中的主要工程地質(zhì)問題進行探討,對其地形地貌、氣象水文、工程地質(zhì)特點與問題進行了系統(tǒng)的概括分析,為交通工程建設和地方政府防災減災提供理論支撐。

1 地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

定西位于黃土高原、青藏高原和西秦嶺交匯地帶。北部的安定區(qū)、隴西縣、通渭縣、臨洮縣、渭源縣為黃土高原的丘陵溝壑區(qū)地貌,黃土覆蓋廣泛、墚脊起伏、地形破碎,主要有剝蝕-侵蝕黃土丘陵、堆積-侵蝕河谷平原、堆積-侵蝕山前盆地及侵蝕-構(gòu)造中低山等四種地貌單元。南部的岷縣與漳縣海拔相對較高,主要地貌有河谷平原、河谷谷地、紅層盆地、中山、低山、丘陵以及巖溶夷平面。

1.2 氣象水文

定西屬于北溫帶-中溫帶半濕潤半干旱氣候區(qū)。以渭河為界將定西可大致分為北部黃土丘陵溝壑區(qū)和南部高寒陰濕區(qū)兩種自然氣候類型。前者包括安定、通渭、隴西、臨洮和渭源北部;后者包括漳縣、岷縣和渭源南部。

據(jù)定西市氣象站資料統(tǒng)計分析,北部黃土丘陵溝壑區(qū)降水分配不均,多集中于7—9月份,且多以大雨、暴雨的形式出現(xiàn)。降雨量從南向北、從山區(qū)向河谷平原遞減而蒸發(fā)遞增,分帶現(xiàn)象十分明顯,南部高寒陰濕區(qū)位于由東向西從溫帶半濕潤氣候向高寒濕潤氣候的過渡帶上。降水量由山區(qū)向河谷逐漸減少,主要集中在5—9月,多以大雨或暴雨形式出現(xiàn),具有局地性、高強度的特征,是泥石流、滑坡的主要誘發(fā)因素。定西地表河流有洮河水系、祖厲河水系及渭河水系,主要河流有洮河支流東裕河,祖歷河一級支流關(guān)川河,關(guān)川河支流西河,以及發(fā)源于渭源縣的渭河水系。

1.3 地質(zhì)特征

定西位于青藏高原的東北緣,其西南緣為祁連—秦嶺褶皺帶,東北為祁連山—海源—六盤山褶皺帶,為一近NNW向擠壓凹陷盆地,盆地充填物主要由新近紀紅層與第四紀黃土組成[16]。圖1為甘肅省地震局的區(qū)域構(gòu)造綱要,現(xiàn)代活動斷裂、逆斷層、走滑斷層與隱伏活動斷層明顯。祁連山斷塊、西秦嶺北緣斷裂帶北西西向左旋走滑斷裂作用十分突出。北西向活動褶皺發(fā)育,逆斷裂褶皺型地震也是一個突出的特征[17]。北部受隴西旋轉(zhuǎn)構(gòu)造和河西構(gòu)造體系的影響,自震旦紀后長期隆起,直到中生代后期開始下降,沉積了下白堊系、新近系地層,第三、第四紀以來,一直處于上升隆起狀態(tài)。

圖1 定西構(gòu)造綱要圖Fig.1 Outline of geological structure in Dingxi

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖及公路沿線地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,定西地區(qū)公路與地層的分布如圖2所示。北部的黃土丘陵溝壑區(qū)第四系(Q)廣泛分布,主要由黃土、沖積物、洪積物和溝谷堆積物及化學沉積物等組成。黃土以第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土為主,以粉粒為主,土質(zhì)均勻,具大孔隙。在既有國道、省道、新建定西至臨洮高速公路(定臨路)、通渭至定西高速公路(通定路)、隴西至漳縣高速公路(隴漳路)等公路中均存在。另外,第三系(R)在定西境內(nèi)各個縣區(qū)分布廣泛,主要巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂巖夾泥巖、粉砂巖等。無論是早期具有世界施工難題的蘭渝鐵路胡麻嶺隧道(蘭州市榆中縣與渭源縣交界處),還是新建定臨高速公路的胡麻嶺隧道,由于新近系(N)疏松砂巖等軟弱圍巖自穩(wěn)能力差,嚴重制約工程施工。

圖2 定西公路與地層巖性分布Fig.2 Highway and stratum lithologic distribution in Dingxi

南部的高寒陰濕區(qū)主要分布有泥盆系(D)、石炭系(C)、二疊系(P)、三疊系(T)及第四系(Q)等。其中,二疊系(P)分布于漳縣南部及岷縣中東部,主要巖性為灰綠、深灰色礫巖、砂巖、泥巖,炭質(zhì)頁巖、深灰、灰黑色含炭板巖等。岷縣與漳縣的交界處的國道G212線的木寨嶺隧道圍巖為二疊系炭質(zhì)板巖夾砂巖,大變形對隧道施工帶來了極大困難。

2 主要工程地質(zhì)問題

定西處于多種構(gòu)造體系的復合部位,南北地形地貌差異明顯。通過對定西境內(nèi)既有高速公路、國道、省道、部分縣道沿線的地質(zhì)災害點調(diào)查(圖3)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),公路建設中主要存在的工程地質(zhì)問題有滑坡、崩塌、泥石流。

圖3 定西地質(zhì)災害分布Fig.3 Distribution of geological hazards in Dingxi

2.1 滑坡

甘肅省滑坡分布廣,活動性強,受外界影響較大,災害的發(fā)生對農(nóng)村、城鎮(zhèn)、交通、水利、礦業(yè)造成了人員傷亡和經(jīng)濟損失。岷縣地區(qū)歷史地震頻發(fā),2013年發(fā)生的岷縣MS6.6地震誘發(fā)了大量滑坡,造成同震滑坡6 478處[18]。2019年通渭縣常河鎮(zhèn)發(fā)生“9·14”特大滑坡群災害,滑坡造成經(jīng)濟損失1 994.7萬元[19]。吳瑋江[20]對甘肅省公路滑坡做了圖像記錄:2003年7月,定西—蘭州高速公路因降雨引發(fā)邊坡失穩(wěn)影響正常交通;2005年1月,天水—定西公路通渭境內(nèi)發(fā)生基巖滑坡。

按滑坡的組成物質(zhì),主要有黃土滑坡、黃土-泥巖滑坡、堆積層滑坡和基巖滑坡等四大類型。野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明,安定區(qū)、臨洮、隴西以黃土滑坡為主,通渭和渭源以黃土-泥巖滑坡為主。黃土丘陵溝壑區(qū)、河谷平原及特殊地質(zhì)環(huán)境與滑坡的頻發(fā)有著密切的關(guān)系。由于高寒陰濕區(qū)內(nèi)降水豐富,植被良好,區(qū)內(nèi)地形地貌種類較多,地層巖性復雜。岷縣和漳縣以上四種類型的滑坡均有發(fā)生,但滑坡數(shù)量較少。

2.1.1 黃土滑坡

黃土滑坡的滑體主要由各類成因的黃土及次生黃土組成,分布于廣大丘陵地帶、河溝谷兩岸。黃土及黃土狀土垂直節(jié)理發(fā)育,具中等濕陷性,遇水易崩解,產(chǎn)生落水洞、地裂縫等,有利于雨水滲漏致使結(jié)構(gòu)破壞,易形成陡坡或良好的臨空面使斜坡失穩(wěn)。單個滑坡體積較小,多成群發(fā)育,大部分為土質(zhì)滑坡,具有陽坡多而陰坡少,支溝溝腦、支溝與主溝交匯處多而主溝兩側(cè)谷坡分布少的特點。黃土滑坡的滑體按滑面位置的不同分為層內(nèi)滑坡和接觸面滑坡兩種類型。

黃土層內(nèi)滑坡分布于定西境內(nèi)黃土層較厚的黃土丘陵前緣較陡地帶以及渭河、洮河等河流的階地前緣陡坎,滑面為黃土中的垂直節(jié)理、裂隙,此類滑坡滑動面陡,一般在40°以上,多呈圈椅狀。滑坡厚度較小,為中、淺層滑坡。由于該類滑坡滑速快,易造成較大的人員傷亡和經(jīng)濟損失,如安定區(qū)北部G30高速大曲線半徑處薛家洼滑坡[圖4(a)]、岷縣西江鎮(zhèn)G212線附近的白家山滑坡[圖4(b)]。黃土接觸面滑坡在臨洮縣發(fā)育較為普遍,第四系黃土多以披覆形式沉積在白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖組成的高低起伏的古地形之上。黃土沿著基巖接觸面滑動,滑面受控于基巖的表面形態(tài),易在暴雨或連陰雨之后復活。上覆黃土滲透性好,下部接觸巖體滲透性較差,從而構(gòu)成“雙層異質(zhì)”斜坡結(jié)構(gòu)[21],該類滑坡多發(fā)于雨季或豐水年,在被切割的斜坡底部,常有泉水出露,如岷縣西江鎮(zhèn)G212線附近的馬家臺滑坡[圖4(c)]。

圖4 定西典型黃土滑坡剖面圖Fig.4 Profile of typical loess landslide in Dingxi

2.1.2 黃土-泥巖滑坡

黃土-泥巖滑坡為滑體主要由黃土和新第三系、白堊系泥質(zhì)巖等組成的滑坡,也稱黃土-紅層滑坡,主要分布在通渭與渭源兩縣,漳縣和岷縣分布較少,一般發(fā)育于河谷兩岸及大型溝谷的中下游地形較陡、臨空面較好的地段。滑體規(guī)模較大,以中深層為主,常成群成帶出現(xiàn)?；滦螒B(tài)完整,后緣多為陡壁,前緣多形成鼓丘,混雜堆積,難辨層次,兩側(cè)多形成雙溝同源。

水敏性、滲透性、節(jié)理發(fā)育程度等滑體的巖性是影響滑坡形成的重要因素。新第三系泥巖黏粒含量高,具較強隔水性,干燥時強度較高,遇水軟化后強度迅速下降,形成軟弱面(帶),導致其上部坡體失穩(wěn)。臨洮唐家灣滑坡[圖4(d)]的滑體由白堊系泥巖組成,為泥巖切層滑坡,滑坡輪廓形態(tài)特征明顯,具有高陡的滑坡后壁、巨大的滑坡體、多級平臺等滑坡地貌。古老的基巖裂隙發(fā)育、支離破碎,遇降水或地震易失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡。

2.1.3 堆積層滑坡

滑體由堆積于斜坡之上的各種松散堆積物組成,以基巖分布區(qū)較為發(fā)育,一般分布于河流及其支流岸坡較陡、易受河水侵蝕的地段。人為采礦堆棄的廢渣也常引起堆積層滑坡。此類滑坡一般為淺層,規(guī)模以中小型為主,危害較輕,但為泥石流提供了物源,以漳縣縣道097王家溝下游發(fā)育的堆積層滑坡較為典型[圖4(e)]。

2.1.4 基巖滑坡

滑體主要由層狀軟弱巖組成,其次為較堅硬、堅硬層狀巖組成?；鶐r滑坡發(fā)育,主要分布于漳縣城東部山地,此類滑坡一般為中淺層,規(guī)模以大中型為主,對人危害較輕,但對公路、農(nóng)田危害較大,并且為泥石流提供了物源。此類滑坡以漳縣省道209附近的董家莊滑坡較為典型[圖4(f)]。

2.2 崩塌

對定西境內(nèi)68處崩塌發(fā)生點進行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),總體崩塌發(fā)生頻率相對滑坡較低,除岷縣崩塌發(fā)生的頻率相對更低外,其余各縣區(qū)均存在不同程度的崩塌,且以黃土崩塌為主。崩塌發(fā)生于黃土丘陵溝谷岸坡地帶,地形切割強烈,溝壑發(fā)育,地形地貌、地層巖性對崩塌的形成具有最為直接的作用。

崩塌類型基本可分為黃土崩塌和巖質(zhì)崩塌兩種,以黃土崩塌發(fā)生的較多,巖質(zhì)崩塌不發(fā)育。黃土崩塌主要發(fā)育在區(qū)內(nèi)廣泛分布的第四系上更新統(tǒng)風積黃土與黃土狀粉土中。漳縣基巖崩塌廣泛分布,多為小型,破壞方式一般為拉裂式。巖質(zhì)崩塌發(fā)育在河岸、溝道等零星出露的層塊狀新近系砂巖、泥巖組及北部峽谷出露的前寒武系砂巖、板巖及花崗巖中,其他地層中較為少見。破碎基巖陡坡穩(wěn)定性較差,巖性對巖質(zhì)邊坡的崩塌具有明顯控制作用。

2.3 泥石流

調(diào)查境內(nèi)已發(fā)生泥石流的災害點發(fā)現(xiàn),安定、隴西、渭源、岷縣與漳縣發(fā)育最明顯。通渭縣挽近期新構(gòu)造運動抬升較強,地勢較高,河槽下切較深,泥石流成災較少。通過對其余各縣區(qū)泥石流特征進行調(diào)查分類整理如表1所列。

表1 定西部分縣區(qū)泥石流調(diào)查統(tǒng)計

由表可知,安定、隴西、渭源等縣區(qū)以泥流、泥石流發(fā)生較多,這兩種類型分布各占調(diào)查總數(shù)約50%。臨洮縣洮河兩岸溝谷地帶在黃土丘陵區(qū),以泥流發(fā)生較多,占比約83.3%。漳縣境內(nèi)三種類型的泥石流均有發(fā)生,泥石流在漳河、龍川河等河谷兩岸最為常見,占比約93.5%。水石流主要分布于漳縣南部山區(qū)植被條件較好的地段,以溝谷型為主且為稀性。泥流在漳縣部分地區(qū)偶有分布且為稀性,一般以中小型溝谷型為主,偶有山坡型。岷縣泥石流分布廣泛且發(fā)生頻繁,在洮河及其支流兩岸和西漢水支流燕子河、渭河支流馬塢河上游分布,由于岷縣黃土覆蓋區(qū)面積小,以黏質(zhì)粉土等細粒物質(zhì)為主要固體物質(zhì)成分的泥流發(fā)生較少,占調(diào)查總數(shù)的1.4%。總的來說,定西境內(nèi)泥石流流域形態(tài)以溝谷型為主,山坡型和河谷型較少。泥石流發(fā)生以稀性為主,臨洮、渭源和岷縣境內(nèi)部分地區(qū)存在黏性泥石流。泥石流規(guī)模以中小型發(fā)生較多,巨型和大型泥石流發(fā)生頻率低、占比少。地形地貌、水系等自然條件使得定西境內(nèi)不同種類的泥石流也存在一定的分布規(guī)律,同時也會對公路設施造成較大的沖擊侵蝕破壞。

2.3.1 泥流

泥流分布于定西境內(nèi)關(guān)川河左岸及其支流西河兩岸、洮河兩岸溝谷、渭河以北黃土梁峁溝壑區(qū)沖溝以及汭河南北兩岸等地帶。溝谷型黏性和稀性泥流均有,以中、小型為主,大型較少;河谷型、山坡型較少,主要為沖蝕破壞。各泥流溝橫斷面以“V”字型為主,泥流溝平面形態(tài)以長條形為主,其次為扇狀,如圖5(a)、5(b)所示。圖5(a)中李家溝流域泥流位于安定區(qū),流域內(nèi)降雨、融雪等形成的水系匯集于東側(cè)關(guān)川河內(nèi),國道G312位于安定區(qū)李家溝流域的東側(cè),流域面積較大,溝谷明顯,相對高差達300多米,極端降水條件下易淹沒堵塞道路。圖5(b)中小堿溝流域位于安定區(qū)薛家岔溝,北面為居民區(qū)與國道G310及部分縣道。流域內(nèi)相對高差大,溝岸陡坎明顯,兩岸相對集中,因降水等長期作用形成的沖溝對國道與縣道公路路基影響較大。

2.3.2 泥石流

泥石流主要分布在安定區(qū)中部十八里鋪至巉口一帶、關(guān)川河右岸、中川一帶西河左岸、洮河兩岸及隴西渭河兩岸的基巖山區(qū)和黃土丘陵發(fā)育的沖溝等,呈現(xiàn)出沿河谷呈帶狀、集中分布的規(guī)律。泥石流發(fā)生均由適時的強降水或長時間的降水所引發(fā)。溝谷橫斷面以“V”字型為主,流域平面形態(tài)以扇形為主,各別漏斗形。圖5(c)所示為安定區(qū)安馬溝漏斗形平面流域形態(tài),流動范圍小,深度大,泥石流濃度高,形成的洪積扇對溝口312國道與鐵路造成了嚴重危害。

2.3.3 水石流

水石流主要分布于漳縣南部山區(qū)植被條件較好的地段,以溝谷型為主,為稀性,暴發(fā)頻率一般為十幾年一次。水石流堆積物分選較好,搬運能力較差,固體物質(zhì)來源主要為風化堆積物、坡積物。

3 公路建設中的特殊巖土與不良地質(zhì)

在公路建設中,外力地質(zhì)作用下造成的巖體性質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的變化,導致巖體穩(wěn)定性和承載能力較差,容易引起不良地質(zhì)問題。

3.1 濕陷性黃土

3.2 黃土陷穴

黃土陷穴在水的滲透下易造成路基不均勻沉降、路面沉陷坍塌、邊坡變形失穩(wěn)、隧道坍塌等病害。2007年7月甘肅平?jīng)鲋炼ㄎ鞲咚俟缝o寧隧道,因黃土陷穴發(fā)生了長42 m、寬20 m的冒頂事故,造成隧道上方村民房屋倒塌[22]。黃土陷穴一般分布在山體斜坡前緣、塬邊、階地和溝谷兩側(cè)。黃土陷穴形成的因素主要包括黃土特性、黃土厚度、黃土濕陷性、黃土結(jié)構(gòu)、地形地貌以及水文地質(zhì)和氣候等[23]。

通過對通渭縣9處典型黃土塌陷進行調(diào)查,按成因、規(guī)模和形態(tài)劃分如表2所列。由表2可知,黃土陷穴均屬黃土潛洞成因,巖溶陷穴和采空區(qū)陷穴均未發(fā)生。陷穴規(guī)模一般較小,有兩處按照陷穴群集中分布面積總和計算為中型,而零散分布的區(qū)間較大。通渭縣黃土陷穴表現(xiàn)出高頻、高密、規(guī)模小、隱患區(qū)大、可預見性強、破壞力弱等特征。單體形態(tài)特征主要表現(xiàn)為裂縫狀長條和陷坑,黃土河谷和寬型溝谷平原區(qū)遠離河(溝)的黃土陷穴單體形態(tài)呈不規(guī)則矩形、長條形和裂縫狀,陷穴深度較淺;河(溝)槽附近的陷穴單體呈圓形和長條形,口徑和深度較大。最大陷穴坑位于李店鄉(xiāng)姚川村旁農(nóng)田,呈矩形[圖6(a)],長7 m,寬3 m,底部可見水平管狀潛洞[圖6(b)],潛洞口徑30 cm左右。裂縫狀黃土陷穴最大長300 m,最寬處3 m[圖6(c)]。陷穴群體形態(tài)特征有串珠狀陷穴坑[圖6(d)]、平行裂縫狀陷穴、網(wǎng)狀裂縫狀陷穴群和混合形態(tài)陷穴群等,混合形態(tài)陷穴群居多。以群體呈現(xiàn)的黃土陷穴坑深度一般較小。

表2 通渭縣黃土陷穴分類表

圖6 定西典型黃土陷穴形態(tài)特征Fig.6 Morphological characteristics of typical loess sinkholes in Dingxi

3.3 疏松砂巖

甘肅地區(qū)疏松砂巖主要位于隴東及隴中的蘭州盆地內(nèi),具有膠結(jié)差、力學性質(zhì)較差、巖性軟弱、松散易塌方、變形及涌水等特點[24]。新建定臨高速公路下穿蘭渝鐵路,以隧道橫向穿越胡麻嶺。胡麻嶺隧道位于蘭州市榆中縣與定西市渭源縣交界處,縱跨榆中縣、安定區(qū)、臨洮縣與渭源縣。胡麻嶺超長隧道為雙線大斷面布置,間距4.4 m,最大埋深295 m,V級圍巖開挖段135 m2。隧道在施工過程中遇到第三系富水軟弱砂巖地層,自穩(wěn)能力較差,掌子面不穩(wěn)定易發(fā)生塌方。涌水、突泥、初襯沉降變形大等現(xiàn)象頻繁發(fā)生,主要表現(xiàn)為:①圍巖滲透系數(shù)低,水位高,降水難度大;②掌子面發(fā)生泥化,注漿管上方圍巖變形;③圍巖滲水軟化,造成上斷面突然變形,影響下斷面施工;④突水涌沙造成初級支護變形倒塌;⑤隧道穿越大面積松散地層時,整個初期支護大幅度下沉。

3.4 軟巖大變形與破碎帶

定西境內(nèi)祁—呂—賀蘭山字型構(gòu)造體系存在地應力集中區(qū)域和斷層破碎帶,隧道穿越時地應力難以釋放,破碎帶活動強烈,對隧道建設造成極大難題與挑戰(zhàn)。渭源—武都高速是蘭州至?？趪腋咚俟?G75)甘肅境內(nèi)的重要組成路段,渭武高速公路木寨嶺隧道與岷縣隧道在建設過程中的分別經(jīng)過軟巖大變形與破碎帶區(qū)域。

軟巖大變形引起開挖變形不收斂、支護侵限、支護失效甚至塌方等,軟巖隧道破壞具有方式多、變形量大、速度快、持續(xù)時間長、破壞范圍廣等特點[25-26]。木寨嶺隧道橫跨岷縣與漳縣,地勘結(jié)果均為V級圍巖,巖性主要為炭質(zhì)板巖,巖體松軟,遇水軟化,受區(qū)域構(gòu)造影響,隧道分布有12條主要斷層,全隧巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育[27]。2002年11月隧道施工進入高地應力大變形地段(K0+850～K1+000),嚴重地段拱頂累計下沉達 1 550 mm[28]。

岷縣隧道穿越兩處斷層破碎帶,圍巖等級為V級,以二疊紀炭質(zhì)板巖、斷層壓碎巖、強分化粉砂巖為主,節(jié)理裂隙發(fā)育。施工中涌水、坍塌頻發(fā),施工難度極大,安全風險極高。施工期間初期支護混凝土剝落、拱架扭曲、拱頂沉降、拱腰收斂變形,部分段落變形量超過1 m,最大收斂變形超過1.9 m,最大變形速率為500 mm/d[29]。在右側(cè)隧道K235+478～K235+482范圍內(nèi)拱腰7天累計變形量達300 mm。兩月后的拱頂最大沉降量和側(cè)壁最大變形量分別達到了400 mm和1 200 mm[30]。

4 成因與防治

4.1 滑坡

定西地區(qū)滑坡主要集中在低中山區(qū)溝谷斜坡及岸坡地帶,斜坡地形是產(chǎn)生滑坡的首要條件。水是形成滑坡的重要因素之一,在土質(zhì)邊坡或巖質(zhì)邊坡受地下水浸泡后,軟質(zhì)巖表層被泥化形成很薄的黏粒層,削弱土體的抗剪強度引發(fā)滑坡。若滑坡范圍小、路線可調(diào)整時,可采取繞避的方式。對于繞避困難的路基與路塹等工程,從防排水、力學平衡與滑帶土改良三個方面進行防治。

4.2 崩塌

黃土易受水入滲潛蝕,導致溝谷呈“V”型或陡立,形成變形裂縫和陷穴,長期發(fā)展形成崩塌體。碎屑巖抗風化能力較差,存在垂直裂隙且軟硬不均。不穩(wěn)定巖體在自重、強烈震動或遇強降水時易發(fā)生崩塌。對位于路基兩側(cè)的中、小型崩塌體進行清除,做好坡面防護與防排水,以避免流水對岸坡侵蝕。公路施工大量挖方易引發(fā)大規(guī)模的崩塌,應采取護坡措施。

4.3 泥石流

泥石流的形成主要與地形條件、物質(zhì)條件、降水有關(guān)。針對定西地區(qū)溝谷型流域形態(tài)為主的泥石流,一般以排導工程和保護性措施為主,適當時可在線路上游修建攔擋和停淤工程。針對山坡型流域形態(tài)的泥石流,采用護坡措施對公路兩側(cè)的山體進行加固穩(wěn)定,同時建立監(jiān)測體系,預報泥石流的發(fā)生,采取相應的應急處置措施。

4.4 濕陷性黃土及陷穴

黃土在天然干燥狀態(tài)下強度高壓縮性低,而遇水侵入后表現(xiàn)出明顯的強度降低與濕陷變形。依據(jù)黃土場地濕陷等級及土體濕陷強烈程度,采用強夯、重錘夯實、沖擊碾壓等加固公路路基。加強道路填挖交界、橋頭路基及填料壓實度的處理,加強防排水設計,排水溝渠防滲加固,采用封閉型溝渠進行排水,對黃土陷穴采用開挖回填、夯實、灌砂等方法,并布設完善的排水系統(tǒng)。

5 結(jié)語

通過對甘肅定西地區(qū)公路建設中的地形地貌、氣象水文、工程地質(zhì)問題等野外調(diào)查和資料分析得到如下認識:

(1) 祁連—秦嶺褶皺帶與祁連—海源—六盤山褶皺帶特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境決定了定西工程地質(zhì)問題的復雜性與多樣性,嚴重影響交通和基礎設施的規(guī)劃建設與維養(yǎng)。

(2) 不同的氣候特征將其劃分為黃土丘陵溝壑區(qū)與高寒陰濕區(qū),黃土丘陵溝壑區(qū)包括安定、通渭、隴西、臨洮和渭源北部,高寒陰濕區(qū)包括漳縣、岷縣和渭源南部。同一分區(qū)的地形地貌、氣象水文、地層巖性與主要工程地質(zhì)問題基本一致。

(3) 黃土丘陵溝壑常見滑坡、崩塌、黃土陷穴等地質(zhì)問題。高寒陰濕區(qū)以泥石流災害為主,滑坡崩塌有不同程度的發(fā)生。定西地區(qū)滑坡頻繁、數(shù)量多、密度大,大規(guī)模滑坡和滑坡群多與地震有關(guān)。崩塌發(fā)生頻率相對較低,以黃土崩塌為主,小型基巖崩塌在漳縣廣泛分布。泥石流在各縣區(qū)均有分布,通渭縣成災較少。

(4) 對于定西公路建設中的工程地質(zhì)問題的主要應對,滑坡采取線路繞避、對癥防治等,崩塌采取清除與坡面防護等,泥石流采取護坡、監(jiān)測預報與應急等。重大單體工程受濕陷性黃土、軟巖破碎與大變形、疏松砂巖等特殊巖土與不良地質(zhì)問題影響嚴重,應在工程勘察設計規(guī)劃階段應做好專項工程地質(zhì)調(diào)查與防治建議。