二古溪變形體致災機理及公路重建方案研究

劉 平,何云勇,2,葉尚其,胡朝旭

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041；2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

2013年10月5日至2013年11月13日四川省阿壩州獅子坪庫區(qū)二古溪發(fā)生山體變形，導致國道317線二古溪路段受災嚴重，二古溪大橋橋臺下沉、移位、開裂、橋面隆起，二古溪一、二號隧道拱墻及路面出現噴射混凝土開裂、剝落、掉塊、路面隆起等結構破壞性病害，車輛無法通行。鑒于國道317線是四川成都連接西藏、青海、甘肅的重要通道，國道斷道將對沿線民眾出行，交通運輸帶來巨大影響。災害發(fā)生后，相關部門立即響應，短時間打通了臨時保通便道，并研究公路重建方案。針對水電站庫區(qū)變形體對庫岸公路的影響與防治研究，已有學者開展了研究，取得了一些研究成果[1-8]。本文在已有研究成果的基礎上，通過對獅子坪庫尾二古溪變形體進行遙感解譯、現場調查、地質鉆探工作，分析變形體成因機制，并對變形體進行危險分區(qū)和評估，為國道317線重建方案提供科學依據。

1 二古溪變形體致災機理分析

1.1 二古溪變形體規(guī)模

二古溪變形體位于獅子坪水電站庫區(qū)庫尾左岸，下距壩址約7.2 km，上距庫尾約2.3 km。現場地質調查顯示，二古溪變形體整體呈狹長的扇形，近似于三角形，變形體順河長1 000～1 050 m，橫河寬1 050～1 100 m，前緣高程約2 510 m，后緣高程約3 290 m，相對高差約780 m，自然坡度35～45 °。根據地質測繪物探及鉆孔勘探資料揭示，推測變形體底界面深度30～80 m，平均厚度約45 m，估計總體方量約2 400×104m3。變形體表部覆蓋層物質主要為塊碎石土、含塊碎礫石土，下部基巖為三疊系上統雜谷腦組變質砂巖夾千枚狀板巖、侏倭組千枚狀板巖與變質砂巖互層。

1.2 二古溪變形體特征

根據變形體規(guī)模、分布特征、發(fā)展過程、變形發(fā)育程度、裂縫分布范圍及微地貌特征，將二古溪變形體分為A、B區(qū)兩大區(qū)(圖1)。其中A區(qū)為變形主體，依據變形跡象特征又進一步分為A1、A2、A3等三小區(qū)。總體來看，A區(qū)變形明顯，邊界完備，其上下游邊界及后緣發(fā)育的主裂縫已經完全貫通，形成圈閉狀態(tài)。A區(qū)邊坡向臨空面變形及向下沉降變形跡象明顯，坡體前緣的原二古溪1號、2號隧道變形破壞也十分明顯，在其前緣地表及構筑物上的變形破壞分段特征清晰。B區(qū)變形破壞跡象輕微，僅在前緣2號隧道上游G317公路擋墻有輕微的變形跡象，后緣也隱約發(fā)現有數條尚未貫通的小裂縫。

圖1 二古溪變形體分區(qū)航拍[9]

A1區(qū)范圍為上游側邊界沿已建二古溪1號隧道上游洞口裂縫向上方延伸，下游側邊界為已建二古溪大橋左岸橋頭下游側裂縫，后緣地表調查暫未發(fā)現裂縫，推測高程在2 900～2 950 m。A1區(qū)整體呈扇形，順河寬度約500 m，垂直河長度大于665 m，分布高程2 508～2 950 m。根據地質測繪及鉆孔勘探資料揭示，變形體底界面深度30～80 m，推測平均厚度約45 m，估計總方量約800×104m3。A1區(qū)變形跡象明顯，前緣河邊可見地表失穩(wěn)垮塌，上、下游可見裂縫，位于該區(qū)下部的二古溪1號隧道變形破壞跡象顯著，底板隆起、錯臺，洞壁及洞頂產生塌落，洞型由標準“馬蹄”型變形為“扁馬蹄”型A1區(qū)物質組成以含塊碎石土為主，前緣約30 m處于正常蓄水位以下，分析變形方式以牽引式覆蓋層滑塌為主。

A2區(qū)范圍為上游側邊界沿已建二古溪2號隧道外側公路裂縫向上方延伸，下游側邊界為二古溪2號隧道下游洞口外裂縫，而后緣邊界不明朗，推測高程在2 700～2 750 m。A2區(qū)整體呈寬扇形，沿河延伸長度約320 m，分布高程2 510～2 710 m，變形體平均厚度45～60 m，估計總方量139～162×104m3。A2區(qū)變形跡象明顯，前緣公路擋墻出現剪切裂縫、二古溪2號隧道內隧道底板錯臺隆起，邊墻及頂拱剪切痕跡明顯。A2區(qū)物質組成以變質砂巖與板巖為主，坡體前緣約30 m處于正常蓄水位以下，破壞方式以基巖的傾倒折斷變形為主。

A3區(qū)范圍為上述A區(qū)內除A1區(qū)和A2區(qū)以外的部分，坡體表層由崩坡積塊碎石土及含塊碎礫石土組成，下覆基巖為三疊系中統雜谷腦組(T2z)變質砂巖夾千枚狀板巖、侏倭組千枚狀板巖與變質砂巖互層。地表調查變形跡象較弱，其后緣除A區(qū)主邊界裂縫外，A3區(qū)內部未見明顯變形，表部植被發(fā)育十分良好。

B區(qū)范圍為：上游側邊界以二古溪2號隧道上游洞口外的小型沖溝向上方延伸，下游側以穿過2號隧道的主裂縫(即A區(qū)的上游側邊界)為界，后緣以2 910 m左右的數條隱約貫通的裂縫為界。B區(qū)整體呈寬“簸箕”形，沿河延伸長度約280 m，分布高程2 510～2 910 m，推測變形體厚度30～60 m，估計總體方量約500×104m3。該區(qū)物質組成以塊碎石土為主，前緣約30 m處于正常蓄水位以下。目前B區(qū)變形跡象不明顯，地表調查未見有明顯的變形跡象，僅在2號隧道上游洞口外側公路擋墻有輕微的鼓出，后緣隱約發(fā)現有數條尚未貫通的小裂縫。

1.3 二古溪變形體成因

1.3.1 地形條件及地層結構

二古溪坡體地形較陡，平均坡度30～50 °，地表形態(tài)呈凹凸不平，有利于雨水下滲，坡體前緣地形陡峻，臨空條件好。坡體多被第四系松散物覆蓋，局部出露基巖，坡體表部覆蓋崩坡積的塊碎石土，結構松散，架空嚴重，下部覆蓋冰積塊碎礫石土，結構較密實，但其內部夾礫石粉土，性狀較軟。下覆基巖為三疊系雜谷腦組變質砂巖夾千枚狀板巖、侏倭組變質砂巖與千枚狀板巖互層，千枚狀板巖巖質軟，巖體結構有利于發(fā)生變形破壞。由于巖層走向與岸坡小角度相交，傾向坡內，傾角較陡，一般70～85 °，加之坡體處于蘆干橋背斜的核部附近，受構造影響，巖體較破碎，這種巖體結構決定了一旦出現臨空面，在重力場作用下，巖體向臨空面方向逐漸變形、傾倒，離地面越近，高程越高，傾倒變形越大，隨著變形的加劇，在傾倒較強烈的部位產生楔形拉裂縫，發(fā)生彎曲、折斷。

1.3.2 地震影響

二古溪變形體位于龍門山斷裂帶北西側，距龍門山斷裂帶之后山斷裂(茂汶斷裂)約59 km，距龍門山斷裂帶之中央斷裂(北川～映秀斷裂)約77 km。2008年5月12日汶川發(fā)生8.0級特大地震，對地表產生了強烈的破壞作用，工程區(qū)為汶川地震的波及區(qū)，影響烈度為Ⅶ度，坡體受地震的影響出現了地表松弛破壞，形成損傷，為雨水入滲提供了有利條件。汶川地震后，二古溪附近還出現了多次4.5級以上的余震，進一步破壞了坡體結構，邊坡自穩(wěn)能力降低，造成工程區(qū)兩岸多次發(fā)生崩塌、滑坡等地質災害。2013年 4月20日蘆山發(fā)生7.0級地震，二古溪為地震的波及區(qū)，坡體結構受到影響，加劇了坡體的損傷，為坡體進一步變形提供條件。

1.3.3 降雨影響

降雨是誘發(fā)山體變形的主要因素之一，尤其是持續(xù)高強度降雨，近幾年每年雨季(5月～10月)，特別是2012年雨季二古溪邊坡遭遇20 d左右持續(xù)強降雨影響，表水入滲進一步弱化了巖土體的性質，降低了巖土體的物理力學強度。加之巖土體吸水飽和，靜水壓力和動水壓力增大，重度增大，更易于產生變形，進一步降低了坡體的穩(wěn)定性，當強度降低到一定程度，在重力等作用下上覆巖土體將沿軟弱面產生變形。

1.3.4 水庫蓄水影響

2009年獅子坪水庫開始一期蓄水(水位2 490 m)，庫尾未到達二古溪庫段(該段河面高程約2 510 m)，河道保持天然狀態(tài)。2013年5月獅子坪電站開始二期蓄水，水位從2 465 m開始上升，2013年7月25日水位上升到2 530 m。監(jiān)測成果顯示，庫岸前緣邊坡開始變形，隨后庫水位開始下降；當2013年8月15日水位降到2 500 m時，邊坡變形趨于穩(wěn)定；此后庫水位又開始上升，當2013年10月9日水位到達2 535 m，邊坡變形明顯加快；此后水位開始下降，當2013年11月1日水位降到2 520 m以后，變形明顯開始收斂，過程線走勢平緩。受庫水位上升和降落變化的影響，庫岸邊坡出現變形，導致岸坡前緣產生小規(guī)模的塌岸，邊坡的穩(wěn)定性進一步降低，加劇了二古溪坡體的變形破壞。監(jiān)測資料表明，水庫蓄水與岸坡變形具相關性，當庫水位上升到2 530 m以上時，坡體前緣變形明顯加劇[10]。

2 二古溪變形體發(fā)展趨勢及穩(wěn)定性

A區(qū)位于B區(qū)的下游，總體為強變形區(qū)，周邊裂縫已經基本貫通，前緣也見明顯變形。根據不同部位間變形的差異性，穩(wěn)定性又存在差異。

(1)A1區(qū)位于A區(qū)下游側，其下部二古溪1號隧道已經變形明顯，前緣位于庫水位以下，局部已經出現垮塌失穩(wěn)，上、下游側邊界也已經出現拉裂變形，后緣高程2 980 m左右，目前穩(wěn)定性較差，但由于其前緣物質組成主要為碎裂巖體碎裂松動變形后形成的塊碎礫石土，分析其失穩(wěn)模式可能是前緣以解體式變形破壞為主，基巖以強傾倒變形為主；強傾倒變形帶為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)A2區(qū)位于A區(qū)上游側，其前緣二古溪2號隧道及G317公路邊坡已經出現明顯變形，上、下游側邊界也已經出現拉裂變形，坡內及后緣變形不明顯。該區(qū)巖體主要由雜谷腦組變質砂巖與板巖組成，巖層走向與谷坡小角度相交，傾向坡內。由于板巖巖質較軟，容易產生彎曲變形，加之雜谷腦河快速下切，形成高陡谷坡，在重力作用下，巖體向臨空面方向逐漸變形、傾倒，隨著變形的加劇，在傾倒較強烈的部位產生楔形拉裂縫，發(fā)生彎曲、折斷。分析在庫水、連續(xù)降雨等因素作用下，可能出現變形；強傾倒變形帶為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)A3區(qū)位于A1、A2區(qū)之間，地表調查其變形跡象微弱，現狀整體基本穩(wěn)定。但在A1區(qū)、A2區(qū)變形失穩(wěn)后會失去支撐，形成臨空面，失去支撐的上部堆積體物質變形可能進一步加劇，存在失穩(wěn)的可能。

(4)B區(qū)位于A區(qū)的上游，總體為弱變形區(qū)，地表調查未見有明顯的下錯和變形跡象，周邊裂縫未貫通，無統一邊界，前緣也未見明顯變形，地表變形跡象微弱，現狀整體基本穩(wěn)定。

從地表地質調查、鉆孔勘探與監(jiān)測資料分析，二古溪變形體發(fā)生整體快速失穩(wěn)破壞的可能性小，但在暴雨、地震及水庫蓄水等因素作用下，極易在變形體前緣出現一定規(guī)模的局部庫岸失穩(wěn)，繼而影響變形體的整體穩(wěn)定。

3 國道317線重建路線方案對比分析

3.1 方案概況

根據變形體危險區(qū)域劃分及穩(wěn)定性評價，如圖2所示，在來蘇河兩側擬定了3個重建方案K線、A線和B線進行對比分析。其中，K線、B線方案位于來蘇河左岸，設隧道穿越二古溪變形體下部；A線方案位于來蘇河右岸，繞避二古溪變形體，但又受右岸納山變形體影響。

圖2 公路重建路線方案示意

3.2 方案對比

3.2.1 變形體對方案的影響分析

K線、B線二古溪隧道進口基本位于裸露的基巖；K線二古溪隧道洞頂距二古溪變形體底面約310 m，B線二古溪隧道洞頂距二古溪變形體底面600 m。兩隧道出口位于變形體上游，K線隧道出口距變形體上游邊界約350 m；二古溪變形體對K線、B線隧道方案影響較小。而A線九架棚二號隧道出口與二古溪變形體B區(qū)隔河相望，平面相距約不到100 m(圖2)。類比2013年10月發(fā)生的大規(guī)模變形和沿庫區(qū)坍岸現象，獅子坪庫區(qū)再次蓄水至設計高程以后，存在變形體前緣的庫岸坍塌問題，對A線九架棚二號隧道新出口及橋梁均存在威脅。

從地質調查和勘探成果分析可知，納山變形體地表未發(fā)現明顯的貫通的拉裂或破壞現象，深部也不存在明確的貫通性滑動面，但坡體后部有地表開裂和錯臺存在，表明局部有發(fā)生變形的跡象。因此，雖然納山變形體目前整體穩(wěn)定，但穩(wěn)定程度不高，且隨著時間的推移，表淺部巖體傾倒變形加劇，發(fā)生彎曲、折斷后將順谷坡向下滑動，形成如谷坡下部和坡腳堆積的碎石土。這種破壞過程是解體式漸進發(fā)展的，但A線位于獅子坪庫區(qū)蓄水范圍內(庫尾段)，蓄水后仍會發(fā)生局部庫岸再造坍塌，對A線的橋梁仍有較大威脅。

3.2.2 水庫塌岸對方案的影響分析

K線、B線九架棚二號隧道出口，二古溪隧道進口斜坡附近為基巖出露，基本不受庫岸再造的影響，隧道出口高程較高也基本無影響。

A線隧道出口段堆積體為碎石土，厚度大于34 m，結構松散，類比二古溪變形體和庫區(qū)沿岸堆積體的坍岸現象，在蓄水及水位漲落條件下，將會發(fā)生庫岸再造坍岸，對A線隧道出口段和橋梁形成直接威脅。

3.2.3 工程規(guī)模對比分析

對于3個路線方案對比見表1所示，B線隧道長達3 236 m，共2座，總造價40 600萬元，工程規(guī)模大，不予推薦。K線較A線路線短0.129 km，橋梁短129 m，隧道長733 m，總體工程規(guī)模K線略多，造價多480萬元。雖然A線施工工期短，工程投資少，但該方案九架棚二號隧道出口存在長、巨厚覆蓋層達到36.7 m，同時獅子坪蓄水以后可能導致隧道出口路段喪失整體穩(wěn)定，且處于已發(fā)生變形的二古溪變形體和穩(wěn)定程度不高的納山變形體的直接威脅地段，對隧道及橋梁工程的正常運營造成安全隱患；B線基本繞避二古溪和納山變形體，受地質因素影響小，該方案投資較K線高5 560萬元；而K線隧道、橋梁的施工及運營安全可控，且造價適中，因此推薦K線方案(表1)。

表1 K線、A線、B線工程規(guī)模對比

4 結束語

四川西部龍門山斷裂帶受“5·12”汶川大地震及余震破壞嚴重，山體松散物堆積量大、結構穩(wěn)定性差，在強降雨或水庫消落差影響下，易產生山體變形，損毀交通，影響公路正常通行，導致社會經濟和人身財產損失嚴重。通過對獅子坪庫尾二古溪變形體進行遙感解譯、現場調查、地質鉆探工作，分析變形體成因機制，判別變形體危險區(qū)域及長期穩(wěn)定性，提出3種公路重建方案。經對比分析，推薦采用新建隧道、橋梁的施工及運營安全可控的路線方案。可供類似庫區(qū)山體變形公路損毀后，科學制定重建方案參考。