西延高鐵黃土滑坡發育成因及工程策略研究

張 哲

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043; 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室,西安 710043)

黃土高原是典型的黃土地貌發育區,區內黃土堆積厚度大,黃土結構疏松[1],特殊的地貌特征以及物理化學性質,導致地質生態環境十分脆弱,水土流失嚴重,黃土滑坡災害頻發[2]。 國內外眾多學者都致力于此方面研究,喬平定從厚度、產生時代、誘因等方面進行深入探討,為滑坡的分類提供多種思路[3];王志榮按滑坡地層結構構成,將滑坡分為黃土型滑坡及混合型滑坡[4]。 不同地區、不同類型的黃土滑坡,其形成條件、影響因素、結構特點以及活躍性等千差萬別,學者們對于黃土滑坡的形成機理、誘發因素進行系統歸類,將滑坡災害的“真面目”公之于眾,并提出相應的治理策略[5-13]。

鐵路工程的修建經常面臨滑坡的威脅,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律[14];王恭先總結滑坡對于鐵路工程實際的危害[15];鄭明新詳細給出各類滑坡的防治原則[16]。通過眾多學者的努力,取得滑坡災害識別、防治措施等重大進展,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目,以銅川北至延安段作為研究區,旨在查明沿線黃土滑坡的發育特征、分布規律,以及對于鐵路工程的風險與防治策略,為該地區的滑坡治理規劃等工作提供參考。

1 工程地質條件

1.1 自然地理概況

研究區位于黃土高原中部,線路起于銅川市耀縣,終于延安市寶塔區。 沿線氣候屬北暖溫帶亞濕潤型氣候區,區內年平均氣溫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,年平均蒸發量為1347～1604.3 mm,土壤最大凍結深度為93 cm。

1.2 區域地質概況

本區位于陜甘寧臺坳內,先后通過陜甘寧坳緣褶斷束及陜北臺凹兩個三級構造單元。 區內除宜君、洛川兩處高點外,地勢大體呈北高南低,黃土梁塬受河流侵蝕嚴重,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、塬上部為第四系風積黃土,表層濕陷性嚴重,沖溝、河谷內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),以及奧陶系灰巖,一般在沖溝底部、溝坎處出露。

1.3 水文地質特征

研究區內主要發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系差,分布不均勻,水量一般不大。

2 黃土滑坡分布規律及工程地質特征

2.1 黃土滑坡分布規律

研究區選線范圍十分寬廣,南北長約200 km,東西寬20～30 km,總面積約5 300 km2。 區內保存黃土高原特有的地質地貌,完整地記錄上萬年以來古氣候、古環境的發展變化歷史,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,依據地貌特征將研究區分為4 個大區,渭河沖積平原區和黃土臺塬區均地勢平緩,上覆地層主要為第四系沖洪積層;黃土梁峁溝壑區在本線范圍最廣,地形起伏,溝壑縱橫;子午嶺低中山區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,圈繪出研究區內沿線的黃土滑坡共8 000 余處,詳細記錄形態特征的黃土滑坡共88個,主要分布于銅川以北黃土梁峁溝壑區、子午嶺低中山區北段及河谷川道兩岸斜坡地帶,渭河沖積平原區、黃土臺塬區鮮有分布,此調查結果與邱海軍對不同黃土地貌類型區黃土滑坡的統計結果相近[14]。

2.2 黃土滑坡形態特征

經過遙感解譯分析,線路穿越、途經滑坡眾多,大部分滑坡遙感影像解譯標志十分典型,表現為滑坡體形態基本相似,后緣一般呈較為規則的圈椅狀,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,主軸剖面上表現為陡-緩-陡的形態,也就是所謂的“高位滑坡”。 還有部分古滑坡受人為改造嚴重,當地村民常在后緣處進行梯田修筑,造成滑坡后緣缺失,地貌上反映為一面到頂的緩坡。

圖3 西延高鐵銅延段部分黃土滑坡正射影像

2.3 黃土滑坡規模特征

沿線共統計了88 個滑坡的基本信息,以此作為樣本點,對主軸長度、滑坡寬度、滑面埋深3 個變量進行統計分析,結果見圖4。

圖4 黃土滑坡統計結果

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,寬度主要集中在50～100 m 范圍內,滑面埋深主要集中在5～22 m 范圍內。 由此可見,該區域內滑坡以圈椅狀為主,并且規模不大,埋深較淺。

黃土滑坡統計結果分析見表1。

表1 黃土滑坡統計結果分析

滑坡體積統計結果見表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,此結果與祝俊華對延安市黃土滑坡的統計結果相近[13],此結論為提出沿線滑坡的應對策略提供了一定的參考。

表2 黃土滑坡規模數量分布統計

2.4 黃土特性分析

由于黃土結構自身的特殊性,導致其成為黃土滑坡的主體,一般情況下,黃土具有3 個基本特征[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,西北地區多呈現強濕陷性,沿線不同黃土基本參數見表3。

表3 土壤參數統計

由表3 可知,全新統滑坡堆積黃土作為滑坡體,具有孔隙比大、飽和度高等特點。 對比其他黃土地區相關參數[18],與研究區的黃土孔隙比均值相近,隨著埋深增加,黃土結構也更加致密。 滑坡堆積黃土、風積黃土滲透系數較高,古土壤層則為弱透水層,強降雨易在弱透水層上部產生積水,進而降低黃土的抗剪強度;飽和度、塑性指數與液性指數表明區域內黃土為硬塑狀態,親水性較強,這些物理特性均為滑坡的發育奠定基礎。

3 典型黃土滑坡發育成因及應對策略

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

3.1 黃土層內滑坡

即滑坡體與下伏地層均為黃土,滑坡體沿黃土內部軟弱帶滑動,黃土內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、垂直裂隙發育的黏質黃土,滑坡床主要為中更新統古土壤層,結構致密,相對隔水(見圖5)。

圖5 刀背梁1 號滑坡后壁(左)和正射影像

該滑坡現形態見圖6(b),滑坡體已經產生較大滑動,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,在持續降水入滲條件下,雨水破壞黃土土質結構并滲入至古土壤層,在古土壤層頂部形成飽水軟弱帶,土壤水逐漸演變為沿滑動面流動的滲流場;②滑坡前緣沖溝呈“V”形,較大坡降使降水沖蝕能力加強,不斷側蝕前緣土體,使阻滑能力減弱。 黃土梁峁(見圖6(a))受土壤結構、降水、地形等影響逐漸失穩,坡腳黃土產生滑動后,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,嚴重危及隧道工程安全。經勘察分析,應將線路向滑坡外側偏移,增加隧道拱頂覆土,以改善地質條件,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。 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 號滑坡調查照片和正射影像

如圖8 所示,砂巖上部風化嚴重,巖體較破碎,下部為泥質膠結,頁巖與砂巖互層,且節理裂隙較發育,巖質較軟,下伏巖層為滑坡發育創造了良好的條件。

圖8 李家溝5 號滑坡災害孕育模式

滑帶形成演化分為3 個階段[20-21]:原生巖組在構造應力或重力作用下發生應力集中;滑坡砂巖上部受風化作用強烈,層間剪切帶原生軟巖(泥巖節理裂隙發育地帶)緊接著發生剪應力集中;砂巖、泥巖結構連接帶發生破壞。 降雨入滲至泥巖弱透水帶上部時,沿已破壞的連接帶產生坡面徑流,當剪切變形較大時,將會產生滑帶,上部黃土迅速下滑,帶動砂巖、泥巖風化碎塊滑動,根據鉆探揭示,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,對工程影響嚴重。 施工中,滑坡前部挖方、刷坡等會導致抗滑力減小,同時在降雨或擾動情況下易使滑坡復活,造成工程或運營安全隱患。 施工過程中應進行清方處理,且做好邊坡防護及防排水工程,避免堵塞沖溝。

3.3 黃土-基巖切層滑坡

該類滑坡滑動面與巖層面相切,滑坡體包括大孔隙黃土、破碎帶、風化嚴重的基巖等。 以蒼坪1 號滑坡為例,該滑坡位于銅川市印臺區,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,勘察時坡面表層分布大量碎石土(見圖9)。

圖9 蒼坪1 號滑坡調查照片和正射影像

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,滑坡產生前基巖層出露地表,砂巖夾頁巖長期受風化作用侵蝕,巖層較破碎。 斜坡亦受到多期地質構造活動,基巖內部發育有結構面,巖體經常被切割碎裂,形成規則或不規則塊體。 在降雨、人類活動等影響下,黃土土體強度逐漸減弱,并向臨空方向蠕動,坡體后緣產生拉裂,為地表水的滲入創造了條件。 降雨入滲導致風化嚴重、構造碎裂的巖塊演變為軟弱帶,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主滑段,此推力加主滑段自重分力的復合作用[22-23],滑坡體便開始整體下滑。 此類滑坡受到強降雨時會迅速形成,且會繼續發展,一般成災規模較大。

圖10 蒼坪1 號滑坡災害孕育模式

方案比選時,若以隧道形式從滑坡體下部通過,設計拱頂距滑面最小距離為10 m,滑坡對隧道施工及運營影響較大。 經現場調查分析,決定降低線路高程,并將線路向滑坡外側移動,使線路走行在穩定區域,保證工程施工、運營安全。

4 選線案例及工程防治策略

西延高鐵在選線過程中,較好執行繞避地質條件復雜的巨、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,西北側為緩坡狀巨型古滑坡群,現大多已經改造為梯田,東側為較為陡峭的斜坡。 前期西北側古滑坡群經遙感初步判釋為疑似滑坡,并在西側滑坡內設立站址空間,后期經過地面調繪、物探及鉆探相結合的綜合勘察手段,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穩定的斜坡上。 方案調整后,貫通方案的車站工程仍以挖方為主,斜坡表層為薄層風積黃土,下部為穩定的砂層、頁巖,巖層產狀傾于山內,改善挖方邊坡穩定性,保證工程施工、運營期間安全。

圖11 宜君站方案及工程斷面(藍線為比選方案,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,塬周邊地形破碎,沖溝極其發育,溝深100～200 m,沖溝兩岸滑坡十分發育(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。 經反復論證,最終選擇平面與滑坡交叉最少的方案,并在關鍵點控制坡度,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,應注意隧道洞身整體應位于完整巖土體內,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,應盡量避免橋梁墩臺位于滑坡體內;若必須設置時,應對墩臺周邊進行預加固,以減少滑坡對墩臺的影響。

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

(4)對鐵路全線應進行滑坡災害危險性評估,尤其對于滑坡群、巨型滑坡以及滑坡頻發區域,需查明滑坡發育模式以及穩定性,并采取合適的避讓或防治措施。

(5)鐵路沿線應注重生態保護,退耕還林,加強林木種植,尤其是盡量避免農業灌溉引發滑坡。

5 結論

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、規模及土壤特征,深入探究沿線典型黃土滑坡的發育模式、形成原因,并據此論述鐵路選線思路與工程防治策略,得出以下結論。

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

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

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