川藏高速公路复杂地质灾害体综合处治分析——以喇叭嘴处治为例

原标题：川藏高速公路复杂地质灾害体综合处治分析——以喇叭嘴泥石流、滑坡、崩塌、弃渣、高填综合处治为例
本文来源于公众号：悠游2019
作者：成永刚，博士，教高，注册岩土工程师，中国岩石力学与工程学会滑坡与工程边坡分会理事，中国土木工程学会非饱和土与特殊土专业委员会常务委员和交通岩土工程专业委员会委员，国际工程地质协会会员，中国国家公路建设项目评标专家，四川省交通运输专业人才教育专家。

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川藏高速公路位于我国地势由第一阶梯青藏高原向第二阶梯四川盆地过渡段，山体陡峻高差大，大江大河发育，断裂活动频繁，气象环境变化快速，具有极其复杂的地质条件，极其脆弱的生态条件，极其困难的工程建设条件，桥隧比接近90%左右。沿线滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害体分布广泛，工程弃渣、高填路堤、深挖路堑等工程灾害居高不下，甚至出现多种类型地质灾害体共生的情况，对高速公路形成了巨大的安全隐患、建设成本和工期压力。
通过对川藏高速公路喇叭嘴泥石流、滑坡、崩塌、弃渣、高填的复杂地质灾害体综合处治方案研究，以期能为今后通过区内的川藏铁路等的类似复杂地质灾害体处治提供一定的借鉴。
一、基本情况
喇叭嘴段为典型的“两隧夹一桥”，其中小里程端龙进隧道长1274m，大里程端日地1#隧道长1883m，喇叭嘴中桥长80m，桥面距沟底标高20～25m。工程建设期间接连发生了日地1#隧道进口段滑坡变形、山体卸荷开裂和崩塌落石，龙进隧道出口段滑塌和落石，大量隧道弃渣弃于桥梁部位，以及补充地质调查时发现喇叭嘴沟属于泥石流沟等地质灾害体等，对工程的建设形成了巨大安全隐患。
二、工程地质环境和灾害体特征
项目区属河流侵蚀-构造剥蚀的高中山峡谷地貌，为高山亚寒带气候区，位于康定-甘孜地震带地块，东侧为大渡河活动断裂带，西侧为康定-磨西活动断裂带，构造活动强烈而地震多发，地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.3g，属于典型的高烈度地震区。区内广泛分布晋宁～澄江期粗粒结构、块状构造的花岗岩，山体高陡。
1、喇叭嘴泥石流
喇叭嘴沟主沟全长7.46km，平均纵坡比降398‰，沟谷宽6～70m，流域面积约8.46km2，流域切割密度3.24km/km2，主沟相对高差 3104m。根据4744m～3900m、3900m～1860m 、1860m～1660m、1660m～1640m 四段高程分为寒冻风化区、形成区、流通区和堆积区。寒冻风化区和形成区的季节性积雪及高海拔影响碎块石，以及沟谷两侧高陡岸坡形成的崩坡积物为泥石流物质的主要来源，泥石流静储量约为112.49万方，动储量为31.25万方。
喇叭嘴沟在1937年和1958年发生过两次规模较大的泥石流，近年来沟中偶有小规模的泥石流发生，但主要停积在沟道中上游。沟内分布大量的漂木和呈稍密~中密状砾石等泥石流堆积物。沟内海拔3000m以上地段植被多为草甸和稀疏灌木，随着海拔降低沟内乔木比例逐渐提高，尤其是在2100m左右的高速公路附近，沟内植被茂盛，乔木直径可达到40cm以上。沟内常年的稳定水流约为0.5方/秒，在暴雨时水量大幅增加，属于典型的暴涨暴跌型山区沟谷，目前泥石流堆积区分布有大量居民。

图1 喇叭嘴泥石流沟沟床纵剖面图

图2 喇叭嘴沟内遍布的碎块石和漂木

2、日地1#隧道进口段和龙进隧道出口段坡体
构成坡体的斜长花岗岩中发育五组结构面，即J1：80°∠70°， J2：78～83°∠25～32°，J3：269°∠72°，J4：301°∠33°，J5：175°∠70°。
1）日地1#隧道进口段
自然斜坡高陡，坡向75°，地表为厚约10m的稍密状崩坡积碎块石。坡面落石现象严重，树木多呈“马刀树”状。下伏的强～中风化花岗岩中，倾向坡外的J1结构面追踪发育卸荷裂隙，其贯通度达10m以上，倾向坡外的J2结构面贯通度5m以上。陡倾的J1结构面和缓倾的J2结构面组合对坡体稳定性具有控制作用。
2017年2月下旬，隧道开挖时仰坡出现约300方垮塌，坡外约70m的位置出现两条长约15m的贯通状裂缝，其侧界明显受花岗岩中发育的J4和J5结构面控制；距隧道洞口约20～40m的隧道洞身出现多条状环向裂缝，其形态与花岗岩中发育的J1和J2结构面相一致。

图3 日地1#隧道进口边坡

2）龙进隧道出口段
自然斜坡高陡，坡向269°。隧道仰坡部位坡体主要由强～中风化花岗岩构成，与自然坡向一致而与线路斜交的J3结构面贯通度10m以上，坡面常有零星落石掉落；隧道标高以下崩坡积碎块石厚度约10m。
2017年5月中旬，隧道左、右洞之间的沟槽部位，沿与J3结构面近于一致的基岩面发生了约1000方的滑塌，造成隧道下部堆积体发生较大变形而威胁线路安全。

图4 龙进隧道出口边坡

3、隧道弃渣
隧道口的喇叭嘴沟中弃置了约22万方的花岗岩隧道弃渣，在极端条件有成为泥石流物源的可能，存在巨大的安全隐患。根据调查，原沟底多呈台阶形，分布厚约3～17m的泥石流堆积体，沟底纵坡约350‰。喇叭嘴沟在高速公路附近呈相对宽缓的U型，沟宽约50～70m，两侧岸坡堆积厚约10m以上的稍密状崩坡积体。弃渣体前部主沟两侧岸坡陡立，基岩完整性好，沟宽约7m左右，使弃渣所在沟谷呈典型的“葫芦状”。

图5 喇叭嘴沟内隧道弃渣

三、地质灾害体机理分析
1、喇叭嘴泥石流沟是典型的高海拔沟谷型泥石流。低气温、强日照、大温差、季节性积雪，为泥石流物源创造了条件；季节性融雪、强降雨和寒冻风化带的开阔地形，为泥石流的形成提供了良好的水源；寒冻风化带和3000m以上的高海拔地带植被稀少而基岩裸露，山体和沟谷岸坡高陡，有利于夏季雪山融水和雨季地表水的快速汇流冲刷，为泥石流的暴发提供了良好的水动力条件。
自1937年和1958年爆发两次规模较大的泥石流发来，喇叭嘴泥石流多次小规模爆发，但由于季节性积雪的不断减少和区内植被的有效恢复，加之泥石流沟道多弯而狭长，使小规模爆发的泥石流多在沟道后部由于阻塞而停积。但存在多年蓄能后在强震激发和极端强降雨条件下爆发较大规模泥石流的可能。
2、日地1#隧道洞口场地平整时开挖形成了最大高度约21m仰坡，造成二元结构边坡上部欠稳定状态的堆积体由于前缘支撑力度减弱而沿土岩界面发生滑移，滑体平均厚度为9m，滑坡体积约5万方，主滑方向为75°，并伴有局部坡体垮塌和坡面落石。
此外，隧道挖深60m左右时，在距隧道洞口约25～40m的范围内隧道洞身出现多条环状、贯通裂缝，洞顶累计下沉约10mm左右，洞底仰拱部位裂缝深约2～3m。根据补充勘察，仰拱下部7.4～16.5m的部位存在稳定水位，其水位线与花岗岩中发育的倾角为25～32°的J2结构面倾角基本吻合；而隧道洞身开裂的裂缝依据花岗岩中发育的倾角为70°的J1结构面向上延伸时与地表的覆盖层滑坡后缘裂缝基本吻合。
基于此，隧道所在坡体由于沟谷陡深而卸荷严重，隧道爆破开挖后造成花岗岩体依附于倾向坡外的J1和J2两组结构面发生强烈卸荷，造成隧道在上部岩土体在重力作用下沿陡倾结构面J1发生挤压开裂；隧道下部花岗岩体沿缓倾结构面J2发生回弹开裂。
3、龙进隧道左洞进洞前对侧向边坡进行开挖，形成了高约12m的边坡，造成上部坡体发生了约1000方的滑塌。且在发生地震的情况下，将可能引发大规模的崩塌而直接威胁下部桥梁的安全。
4、沟道内弃置的花岗岩弃渣，若不能原位进行有效处治，在长期沟水作用下存在沿下伏较陡的沟底纵坡发生滑坡或成为泥石流物源的可能。

图7 高速公路喇叭嘴沟段地质剖面图

四、复杂地质灾害体综合处治方案分析
项目区地质灾害体包括滑坡、崩塌、泥石流、弃渣，各地质灾害体之间的工程处治既相互联系，又相互制约。因此，工程处治方案应具有针对性和兼顾性特征，确保高烈度地震区各灾害体的安全。
1、泥石流处治
喇叭嘴泥石流的合理处治对滑坡、崩塌、弃渣处治方案确定和线路的通过形式具有直接的影响，因此，合理地确定泥石的特征和相关参数，是项目区复杂地质灾害体综合处治的关键。
1.1、泥石流防治标准确定
结合泥石流的流域、沟型、堆积扇、物质贮量、暴雨强度、植被、危害对象等指标判定，喇叭嘴泥石流定性为低频、泥石流活动规模中等、灾害等级为Ⅱ级、危害程度为一般灾害。泥石流防治标准和工程设计保证率宜为10～5%。考虑到泥石流是项目区复杂地质灾害体综合处治的关键，故防治标准和工程设计保证率取5%。基于此，喇叭嘴沟泥石流为中频、轻度易发、中度危险型泥石流，泥石流的防治标准和工程设计保证率取2%。

表1 喇叭嘴泥石流相关参数表

1.2、泥石流处治方案
喇叭嘴泥石流间歇性发生、爆发频率低，沟内大颗粒物源占比大，对高速公路和堆积区的民居存在直接的安全隐患，且项目区属于无人区，一旦损坏很难进行工程恢复，故需设置工程进行分级有效拦挡和疏排。
1）在线路上游490m与355m处的沟道分别设置梅花形布置的3排桩林，对泥石流中的粗大花岗岩颗粒、漂木等进行拦截。即
第一排和第二排桩林由3排C30钢筋砼圆桩组成，桩体入岩3.0m，露出地面8.0m，桩头和地面处用系梁进行连接。
2）在线路上游221m处设置一道刚性梳齿坝，对经桩林拦截下泄后的泥石流较大颗粒进行再次拦截。
3）在线路上游150m处设置一道拦砂坝，对泥石流中的颗粒进行有效拦截，从而控制泥石流下泄后的冲刷、撞击能力和停淤隐患，提高下游结构物的安全。拦砂与下部排导槽相连，拦砂坝库容1.4万方。
4）拦砂坝前部设置底宽10m，高5.5m的C30钢纤维砼排导槽，有效确保泥石流顺利疏排。

图8 喇叭嘴泥石流拦截工程措施布置图

2、隧道洞口地质灾害体处治
日地1#隧道进口端的主要病害为堆积体滑坡和依附于花岗岩结构面的卸荷体，以及与龙进隧洞出口端共同存在的崩塌落石。
2.1、地质灾害体相关参数
依据隧道上部的陡倾张性结构面和隧道下部的缓倾压性结构面性质，以及卸荷体的风化段落，结构面贯通长度、充填度和张开度，并结合区内相似的水电站花岗岩结构面参数，确定花岗岩结构面参数，并取控制性的地震工况进行计算潜在下滑力，安全系数K=1.15。

表2 不同性质花岗岩结构面参数及潜在下滑力

2.2、地质灾害体处治方案
1）日地1#隧道进口仰坡的堆积体滑坡和花岗岩卸荷体，在隧道上部采用锚杆和锚索工程进行加固。
2）将喇叭嘴中桥由80m减跨为40m，利用花岗岩弃渣对“桥改路”段的日地1#隧道进口段和龙进隧道出口段坡体进行反压。
3）减跨后的喇叭嘴中桥桥下设置同线路上游相同参数的排导槽对泥石流进行引排。
4）根据落石轨迹和能量，在日地1#隧道进口段和龙进隧道出口段30m和50m的路基部位设置柔性明洞，从而大大提高隧道洞口的崩塌落石防护等级。

图9 隧道洞口处质灾害体综合处治工程设计布置图

3、花岗岩弃渣和高填处治
1）花岗岩弃渣采用1:1.5～1:2坡率进行放坡，路堤边坡最大高度78.5m。在路堤一级平台部位设置桩基托梁挡墙对路基与花岗岩弃渣进行隔离，以有效确保高速公路安全。
2）坡脚设置C30拱形砼挡墙。其中挡墙下部采用3排微型桩，挡墙两端嵌入中风化花岗岩岸坡不小于1.5m，墙前设置C30钢筋砼消能弧。
3）排导槽采用双层半圆形钢波纹管材料，有效提高泥石流排导槽在弃渣填方体上的抗裂性和“束流攻沙”的效果，并在管底设置厚50cm的砂石垫层和土工格栅对可能的差异沉降进行调节。

图12 弃渣、高填综合处治工程设计布置图

五、结语
1、川西藏区峡谷深切，地质构造复杂、新构造运动强烈，地质灾害频发，高速公路应贯彻地质选线理念，尽量避免在地质灾害群发地段通过。
2、泥石流的有效治理是喇叭嘴复杂地质灾害体成功治理的基础，而大量弃渣的有效综合处治、利用是复杂地质灾害体成功治理的关键。
3、复杂地段的泥石流治理工程，宜采用分级拦挡工程和抗裂性较好的排导槽，而沟内高烈度地震区的高填与弃渣应进行隔断分别进行处治，并适当提高工程的安全冗余。
4、合理分析堆积体滑坡性质和花岗岩卸荷体的发展趋势，积极采用“桥改路”反压工程有效提高了坡体的稳定性和线路的抗崩塌落石等级。
5、地质灾害复杂地段，应合理设置弃渣场地，严格控制工程施工风险，加强工程管理，防止人工次生灾害的发生。