川藏高速公路高位堆积体病害分析与防治

成永刚，李树鼎，袁 泉

(1.四川公路工程咨询监理公司, 四川 成都 610041； 2.四川省交通运输厅 公路规划勘察设计研究院， 四川 成都 610041)

四川省藏区位于我国地势由第一阶梯的青藏高原向第二阶梯的四川盆地过渡带，峡谷深切、岸坡陡峻,地层岩性多变，气象条件恶劣而水系众多，地质构造复杂、活动断裂发育而地震频繁，形成了极其困难的工程建设条件[1-3]。

自第四纪晚更新世以来，由于青藏高原强烈抬升、新构造运动强烈活动和河流强烈侵蚀下切，造成川西藏区第四纪堆积体具有分布的广泛性、成因的多样性、性质的复杂性等特点。自高速公路工程建设以来，堆积体坡体病害呈现出持续高频的特点，对工程建设形成了严重的安全隐患。它一方面造成了工期严重滞后，成为典型的“卡脖子”工程；另一方面造成大规模工程变更，甚至出现工程报废，形成了很大的社会负面影响。基于此，本文以在建的雅(安)康(定)高速公路大仁烟高位堆积体病害为例，对其工程性质和防治方案进行探讨，以期能为藏区交通工程堆积体病害的治理提供一定的借鉴。

1 高位堆积体的地质环境

项目区原设计以大桥的形式布设于岷江一级支流青衣江上游的天全河左岸斜坡坡脚，桥梁高度约26 m～62 m。2016年7月27日19时，大桥内侧高位堆积体突然发生体积约12×104m3的滑坡，瞬间推倒下部大仁烟大桥左右线23#和24#柱式桥墩，造成直接经济损失近千万元，形成了很大的社会影响，滑坡后壁和侧壁形成了高约70.0 m～130.0 m、坡度为57°～69°的堆积体高边坡，对下部高速公路再建大桥形成了直接的威胁。

1.1 地形地貌特征

区内年平均降雨量1 660 mm，雨季漫长而暴雨集中。天全河为典型的暴涨暴落型山区河流，河流下切严重，天全河在项目区拐弯而顶冲岸坡。桥梁内侧岸坡属于在基座式河流阶地基础上发育而来的突出状山脊。山脊两侧冲沟发育。脊背较窄而相对平缓，前缘临空面呈“三角形”状。河床距山脊高差约201 m，其中在河床以上约60 m范围内的花岗岩基座自然坡度约为35°～40°，约60 m～190 m范围内的堆积体自然坡度约45°～50°，山体自然植被茂密，乔木高大挺拔，见图1。

图1高位堆积体工程地质平面图

1.2 坡体结构特征

坡体呈二元结构形态，高位堆积体是天全河长期依附于花岗岩基底而在凹形部位成层沉积，并在河流的强烈下切和地壳的强烈抬升作用下形成的。滑坡后壁形成的高边坡坡脚处土岩界面与河床高差约70 m。堆积体由崩坡积层(Q4c+dl)和冲洪积层漂卵石层(Q3al+pl)构成，下伏基座为元古界(γo2)花岗岩，见图2。

崩坡积层(Q4c+dl)主要分布于斜坡表层，厚约3 m，主要由潮湿的稍密—中密的碎块石土构成；冲洪积层(Q3al+pl)在场地内广泛分布，主要由层状沉积的密实、局部胶结漂卵石构成，最大厚度约74.60 m，渗透系数0.003 m/d，透水性和富水性较差，坡体地下水贫乏。

图2大仁烟高阶坡体工程地质剖面图

元古界(γo2)花岗岩呈块状构造，发育结构面平直而延长大于8 m、产状140°∠46°的结构面J1，以及结构面平直而延长大于30 m、产状210°∠47°的结构面J2。J1和J2形成的“楔形”结构面严格控制了土岩界面的形态。

项目区位于龙门山断裂带和鲜水河断裂带及安宁河断裂带构成的“Y”字形构造交汇部位东侧，次级断裂发育。坡体东西两侧分别发育走向为170°的F1次级断裂和走向为137°的F3次级断裂，并依此形成的深切冲沟严格控制了坡体所在山脊的侧界。场地基本地震烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2g，地震反应谱特征周期为0.45 s[4]。

2 高位堆积体坡体稳定性分析

2.1 自然状态下坡体稳定性分析

(1) 坡体主要由密实度高、有一定胶结的冲洪积体构成，地表坡度平顺，地表植被发育，没有滑塌等局部失稳现象。坡体前部的天全河已下切至花岗岩基座以下约60 m的部位，河流冲刷对堆积体的稳定性基本没有影响。

(2) 由于山脊的脊背较窄且两侧冲沟发育，故地表水很少下渗，加之构成坡体的冲洪积层密实度高而渗透系数很小。因此，地表水和地下水对坡体的稳定性影响非常有限。

(3) 从地震文献看[5-7]，发生对项目区具有破坏作用的地震共5次，即1327年的天全M7.0级地震，在项目区的烈度为Ⅷ度；1786年的康定-泸定磨西M7.8级地震，在项目区烈度为Ⅶ度；1941年的天全西M6.0级地震，在项目区烈度为Ⅶ度；1970年的M6.2级地震，在项目区烈度为Ⅵ度；2013年“4·20”芦山M7.0级地震，在项目区烈度为Ⅶ度。从地质历史上分析，全更新世堆积体形成下切的一百多万年来，没有人类记载的强震数量可能更多，震级也可能更强。而从坡体形态来看，该高位堆积体没有发生过地震作用下的整体失稳情况。

基于以上天然、暴雨和地震三种工况下坡体稳定度的分析，表明堆积体坡体在自然状态是基本稳定的。

2.2 工程状态下坡体稳定性分析

由于大仁烟大桥施工平台的施做，在稳定的自然坡体下部开挖形成了高约16 m、宽约30 m的临时人工边坡，极大弱化了依附于花岗岩楔形结构面端部的“闸门”锁口作用，造成坡体应力调整而不断挤压“楔形体”端头的锁口“关键块体”[8-9]，最终使其在高应力作用下发生“溃决”，致使基座上部的高位堆积体在“闸门效应”的作用下，巨大的势能快速转化为动能，依附于外倾的贯通性花岗岩结构面发生高速下滑。因此，该自然坡体在工程状态下是不稳定的，直接造成了较大的工程安全事故。

3 高位堆积体边坡防治方案分析

3.1 变更设计工程治理方案

设计推荐方案：对滑坡形成的高边坡在设置宽为2.0 m～10.0 m的边坡平台基础上，按1∶0.75～1∶1.00坡率进行卸载，卸载方量为19.8×104m3，形成130 m高边坡；在一级平台部位设置2.4 m×3.6 m×26 m、间距为5 m的锚索抗滑桩进行固脚；对桩后挖方边坡全坡面设置精轧螺纹钢结合挂网喷混凝土进行防护；对已滑动的12×104m3滑体结合河岸防护进行清理。方案工程造价约3428万元，见图3。

图3变更推荐方案工程治理断面图

3.2 高边坡稳定度评价

高位堆积体在自然状态下长期稳定而没有发生变形，也就是说坡体的稳定系数应为不小于1.100的基本稳定状态。此外，自滑坡发生后的半年时间内，高边坡在自然状态下保持稳定，期间也经历了降雨的洗礼，这说明在当前状态下高边坡稳定系数也应不小于1.100。

方案设计中高边坡稳定系数在天然工况下为1.021，暴雨工况下为0.868。也就是说在天然工况下高边坡处于滑面全贯通，滑坡圈椅状裂缝明显的挤压状态；暴雨工况下坡体假定全饱水，且高边坡处于滑坡发生状态，这与坡体的现状是相矛盾的。

3.3 高边坡潜在滑面参数分析

高位堆积体主要由厚层冲洪积体构成，地表的崩坡积体厚度占比很小，故成层性较好的高位堆积体可近似为类均质土体。基于此，堆积体潜在滑面参数的取值应遵循以下原则：

(1) 自然坡度是坡体内部物理力学性能在表观的综合反映[10]，它经历了地质历史上天全河的下切，自然界的风吹雨淋、地震振动等多种作用。因此，自然坡面倾角α应较受外部自然营力作用相对较小的坡体内部岩土体综合内摩擦角φ小，即α<φ。

滑坡发生前高位堆积体的自然平均坡度为α=45°，由此，坡体的综合内摩擦角φ>45°。

(2) 滑坡滑动后拉裂形成的陡峭后壁，其倾角θ与坡体的内摩擦角φ的关系满足θ=45°+φ/2。但陡立边坡在工程约束前将不断卸荷松弛，故潜在滑面的综合内摩擦角φ值也将不断减小。

现滑坡后壁真倾角θ=69°，由θ=45°+φ/2得，φ=48°，即坡体的综合内摩擦角φ≤48°。

(3) 滑坡发生前原自然坡体处于基本稳定状态，即已滑部分的滑体下滑力与滑前人工损失的坡体抗力配套后，原自然坡体稳定系数不应小于1.100[4]。基于此，根据开挖平台损失的静止土压力和抗剪力，通过迭代计算分别得出自然坡体的综合内摩擦角φ，并取其最小值作为坡体的综合内摩擦角。

E0≥1.1F下

(1)

式中：E0为静止土压力；F下为已滑部分的滑体下滑力。

F抗≥1.1F下

(2)

式中：F抗为人工损失的坡体抗剪力；F下为已滑部分的滑体下滑力。

由式(1)得，静止土压力反算情况下，堆积体潜在滑面综合内摩擦角φ≥47.7°。

由式(2)得，抗剪力反算情况下，堆积体潜在滑面综合内摩擦角φ≥47.1°。

因此，坡体的综合内摩擦角φ≥47.1°。

(4) 滑坡发生后由滑坡后壁形成的堆积体高边坡处于基本稳定状态，即可由整体稳定系数应不小于1.100反算堆积体综合内摩擦角φ。

经反算得出，φ≥45.5°

综上：高边坡坡体综合内摩擦角45°<φ，且45.5°≤φ≤48°。考虑到工程的重要性，取综合内摩擦角φ=45.5°。

基于此，设计方案中高位堆积体高边坡的潜在滑面参数在天然工况下φ内=38°，C=40 kPa换算为综合内摩擦角φ=41.86°是偏低的。尤其是在暴雨工况下将整个滑体都假定为饱水后所得的潜在滑面参数φ内=36°，C=32 kPa，换算为综合内摩擦角φ=39.2°也是欠合理的。

3.3.1 高边坡安全系数分析

滑坡发生后直接对下部的大仁烟特大桥造成了毁灭性影响，形成了不良社会影响；而高位堆积体高边坡的潜在滑面的参数取值方面一直存在争论，加之高速公路工期压力相当大。基于此，高位堆积体高边坡工程治理安全系数取天然工况Fs=1.3，暴雨工况Fs=1.2，地震工况Fs=1.15的规范上限值，而不宜取规范中值或下限值。

3.3.2 高边坡潜在下滑力分析

在采用条分法对高边坡的潜在下滑力进行计算时，由于设计方案中堆积体潜在滑面参数取值偏小，造成高边坡潜在下滑力明显偏大，严重影响了堆积体高边坡加固方案的合理性和经济性，如表1所示。

表1 不同滑面参数下的高位堆积体边坡潜在下滑力对比表

3.3.3 设计工程措施的合理性分析

(1) 对桥台开挖解除的原花岗岩楔形结构面端部“闸门”处的“关键块体”工程补偿力度不足，直接影响坡脚抗滑桩的锚固力，高位堆积体存在“固脚”不足的情况。

(2) 高边坡基本上采用锚杆防护，对130 m高的边坡“强腰”力度不足，不利于高边坡的长期稳定。

(3) 对成层性、密实度良好的冲洪积坡体采用缓坡率大规模清方，不符合坡体的地质条件。且清方后坡体仍采用大规模工程加固，过分强调工程安全而曲解了“一次根治，不留后患”的坡体病害防治理念。

根据计算分析，坡体大规模清方后的坡体稳定系数为1.532，而与支挡防护工程叠加后的坡体安全系数为1.761，这远远超出了规范允许的取值范围。

(4) 坡体大规模卸载后的人工高边坡高约130 m，形成了近2.5×104m2的汇水坡面，这对年平均降雨量大且暴雨集中的项目区来说，形成的坡面径流将产生冲刷和淘蚀，这将非常不利于边坡锚固工程和挂网喷混凝土工程的安全，继而影响高边坡的稳定性。

3.4 变更设计优化方案

3.4.1 设计方案优化的思路

(1) 由大仁烟滑坡后形成的高达130 m的高位堆积体高边坡防护，应严格贯彻“固脚强腰、锁头绿化”[12]的防护理念，严格控制工程刷方，以减轻弃方压力和对环境的破坏。

(2) 从计算资料看，天然工况下的坡体安全度对高边坡防护工程具有控制作用，其在安全系数为1.3时的坡体潜在下滑力为4 373.4 kN/m，超出了一般工程加固支挡的经济范畴。因此，应首先对高位堆积体进行适当卸载，以有效减小坡体的潜在下滑力，从而实现工程的有效加固支挡。

(3) 为有效减小高陡边坡坡脚应力，结合适当卸载，在高边坡的中部设置一处20 m宽的平台，将高边坡分为“两个边坡”进行处治[13]，从而提高边坡的整体与局部稳定性，并有效减小坡面汇水形成径流的条件。

(4) 结合框架工程对高边坡设置绿化工程进行坡面防护，达到人与自然的和谐和减少环境破坏。

3.4.2 设计方案优化的工程措施

(1) 高位堆积体高边坡形成的潜在滑体约22×104m3，根据工程经验，取总体积的1/6，即约4×104m3进行卸载。根据计算，卸载后在控制性的天然工况下的坡体潜在下滑力为1 631.3 kN/m，较卸载前大幅下降了62.7%。

(2) 在距坡脚10 m高处设置2 m×3 m×26 m、间距为6 m的锚索抗滑桩，与桩前边坡设置的长锚杆和桩后10 m高范围内设置边坡锚索框架，共同组成“固脚”工程，有效确保对坡脚“闸门”处岩土体的加固。

考虑到坡脚“闸门”的有效锁固对整个高边坡具有至关重要的作用，且为有效保护坡脚抗滑桩的锚固能力，特在桩前清方边坡的一定范围内设置锚索框架进行预加固。

(3) 在设置的20 m宽大平台上部20 m范围的边坡上设置锚索框架进行加固，这样既达到了对整个高边坡的“强腰”作用，也达到了对上半部分高边坡的“固脚”效果。

(4) 考虑到边坡高陡，为有效约束上、下两部分边坡坡顶的拉应力[14]，特在上、下两部分边坡坡顶设置长锚杆进行防护，从而达到“锁头”的作用。在此基础上，对高边坡的其余各级边坡采用普通锚杆框架进行防护，从而在确保各级边坡局部稳定的基础上，结合喷混植生绿化对坡面进行防护[15]。

(5) 在边坡中部的20 m宽大平台部位设置截水沟，有效截排高边坡上半部分的坡面汇水;对各级边坡框架设置排水肋条，从而有效集中引排坡面汇水。

综上，方案优化后，高位堆积体高边坡的治理工程造价约为1 829万元，是设计方案的53.4%，具有明显的经济性优势，且工程安全度更高，见图4。

图4设计方案优化工程治理断面图

4 结 语

(1) 川西藏区河谷深切、构造作用强烈，高位堆积体分布广泛，在工程建设前期应充分进行地质调查，积极采用工程预加固措施，防止工程滑坡威胁下部线路的安全。

(2) 高位堆积体的稳定度应结合地形地貌、坡体结构、气象水文、水文地质、地震历史、工程扰动程度等因素综合评价。

(3) 高位堆积体潜在滑面参数，应结合堆积体的成因、性质、工程前后地形地貌形态的演变等地质条件综合分析确定。

(4) 高位堆积体的工程安全系数应依据对坡体地质条件的认知程度、所影响的工程结构重要程度、社会影响、工期等因素综合确定。

(5) 高位堆积体高边坡的工程治理，应严格贯彻“固脚强腰，锁头绿化”的坡体加固理念，对高边坡的整体安全度，以及各级边坡和坡面的安全度分别均予以保证。