川藏鐵路某特大橋成都側岸坡工程地質特征及穩定性評價

周洪福 ，馮治國 ，石勝偉 ，王保弟 ，徐如閣 ，冉 濤

（1.中國地質調查局成都地質調查中心，四川 成都 610081；2.山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266590；3.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430055；4.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；5.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083）

受印度板塊向北俯沖歐亞板塊導致青藏高原快速隆升的影響[1]，青藏高原東緣構造運動強烈、活動斷裂發育[2]，地質災害高發、頻發[3-5]。

川藏鐵路穿行于青藏高原東緣地形急變帶，沿線山高谷深，加之強烈的內外動力作用以及高原特殊的氣候條件，區內高陡邊坡巖體風化卸荷深度變化幅度大[6-7]，大規模開挖的地質力學響應機理復雜[8]。前人研究表明，川藏鐵路沿線邊坡巖體變形失穩模式多樣[9-10]，成災機理復雜[11-12]，加固和防治難度較大[13-15]。在降雨、強震或人類強烈工程活動影響下易發生崩滑等地質災害[16]，對川藏鐵路的規劃建設和建成后的安全運營帶來很大威脅[17]。

擬建的川藏鐵路某特大橋是一座重要的控制性橋梁，橋梁兩側岸坡特征及穩定性分析評價對特大橋橋址的選擇、建成后的安全運營，以及橋梁岸坡防災減災具有重要的工程意義和現實意義。特別是成都側岸坡巖性為構造混雜巖，巖性復雜多變，結構面發育，巖體風化卸荷強烈，斜坡淺表部發育多個規模不等的危巖體。現場調查發現受八曲的切割作用，在岸坡上游八曲側形成順層巖質斜坡，歷史上曾發生較大規模的順層下滑移動。

前人采用多種技術方法進行過較多的高山峽谷區高陡斜坡穩定性分析[18-20]，但是對于川藏鐵路沿線特大橋岸坡的調查評價尚不能完全滿足工程規劃建設和安全運營的需要，特別是缺少針對特大橋岸坡不同工況條件下的穩定性評價及具體的工程防治措施建議，反映了該方面研究的薄弱性與進一步研究的必要性。為此，本文在調查特大橋兩側岸坡基本特征的基礎上，選擇特大橋成都側岸坡為研究對象，采用現場調查、遙感解譯、剖面測量以及穩定性計算等技術手段，對成都側岸坡地形地貌、地層巖性、結構面發育以及變形破壞等特征進行調查分析，在此基礎上初步分析評價特大橋成都岸八曲側斜坡不同工況條件下的穩定性，最后提出工程防治措施建議，為川藏鐵路規劃建設以及后期安全運營提供地質依據和技術支撐。

1 岸坡基本特征

1.1 地形地貌特征

川藏鐵路某特大橋位于西藏自治區八宿縣境內，屬于高原構造剝蝕高山峽谷地貌，河谷區為典型的“V”字型河谷（圖1），橋面標高3 650 m，橋位區江水位高程約3 040 m，橋面距離江水位高差超過600 m。特大橋兩岸斜坡山高坡陡，地形險峻，地形總體呈下陡上緩趨勢，其中斜坡中下部整體地形坡度超過40°，斜坡淺表部巖體中裂隙發育，巖體完整性遭到破壞，巖體結構較差，發育多個危巖體。

圖1 某擬建特大橋兩岸高陡斜坡地形地貌（鏡向SE130°）Fig.1 Topography of high and steep slopes on both sides of the grand bridge (photograph direction: SE130°)

特大橋成都側（左岸）自然斜坡頂部高程3 824 m，整個斜坡垂直高差達780 m。地形總體呈上緩下陡：在高程3 560 m以下，地形坡度平均54°；高程3 560～3 650 m之間，除局部地段地形較陡外，整體地形較緩，平均坡度15°；高程3 650 m以上，地形進一步變緩，總體坡度小于10°。

結合現場調查和遙感影像可知，成都側岸坡受河流和沖溝的聯合切割作用，形成斜坡南側、西側均臨空的地形。根據斜坡地形、地質特點以及橋梁布置方案，可將成都側岸坡劃分為橋位邊坡、八曲側邊坡和橋位東側邊坡（圖2）。

圖2 成都側岸坡分區圖Fig.2 Zoning characteristic of bank slope to Chengdu

受八曲和主河的聯合切割作用，成都側岸坡呈三面臨空的狀態。地質調查發現，八曲側斜坡從主河與八曲交匯口往八曲上游方向發育3個陡崖和4個緩坡，分別為一級陡崖、二級陡崖、三級陡崖。陡崖發育于各級坡面之間，高20～100 m，主要沿著陡傾結構面發育而成。緩坡則分別命名為一級斜坡、二級斜坡、三級斜坡和四級斜坡。八曲自北向南流，但從第三級斜坡時開始偏轉：第三級斜坡上游，八曲河谷走向與片理面傾向夾角約75°，大角度相交；第三級斜坡下游，八曲河谷走向與邊坡片理面傾向夾角約25°～40°，小角度相交，局部為順層斜坡（圖3）。

圖3 成都側岸坡特征以及橋梁主墩和隧道口位置（鏡向NE50°）Fig.3 Characteristics of bank slope to Chengdu and location of the main bridge pier and entrance of tunnel (photograph direction: NE50°)

1.2 地層巖性特征

野外地質調查和鉆孔、平硐揭露，特大橋成都側岸坡巖性較為復雜，地層巖性主要有2類：斜坡上部為石英片巖、綠片巖等，斜坡下部為二長花崗巖、花崗閃長巖（圖4）。其中斜坡上部石英片巖、綠片巖主要由三組巖性組成，分別是怒江巖組、惜機卡巖組和俄學巖組。怒江巖組為一套灰白色絹云石英片巖、云母片巖、黑云石英片巖等夾變火山巖巖塊。惜機卡巖組主要為一套二云石英片巖，下部夾變流紋巖，上部夾大理巖巖塊。俄學巖組以碳酸鹽化超基性巖與惜機卡巖組斷層接觸，隨后變為強變形泥質板巖及鈣質板巖等。

圖4 成都側岸坡工程地質剖面圖Fig.4 Engineering geological profile of bank slope to Chengdu

1.3 結構面發育特征

受區域構造以及斜坡巖體風化卸荷影響，特大橋成都側岸坡淺表部巖體破碎，結構面發育。地面調查以及勘探平硐揭露，位于斜坡淺表部的結構面普遍張開，張開寬度1～3 mm，最大可達3～5 cm，充填少量巖塊、巖屑和夾泥。勘探平硐內結構面可見跡長普遍在30～80 cm之間，少量結構面貫穿平硐壁和洞頂。地質調查結合平硐資料揭示，斜坡巖體中主要發育5組優勢結構面（圖5）：①285°∠70°，相對橋位邊坡陡傾坡內，相對八曲側斜坡陡傾坡外；② 345°∠40°，相對橋位邊坡和八曲側斜坡均為中陡傾坡內；③ 213°∠30°，相對橋位邊坡中傾坡內，相對八曲側斜坡中傾坡外；④ 30°∠77°，與橋位邊坡垂直，相對八曲側斜坡陡傾坡內；⑤ 156°∠82°，相對橋位邊坡和八曲側邊坡均為陡傾坡外。

圖5 成都側岸坡巖體裂隙極點圖（上半球投影）Fig.5 Discontinuities dominant orientation of bank slope to Chengdu（upper projection）

2 岸坡變形破壞特征

從地形地貌來看，特大橋成都側為山脊陡傾、單薄斜坡，岸坡中上部為構造混雜巖帶。斜坡巖性為二云石英片巖、綠片巖，局部夾少量黑云片巖和大理巖等。河流下切導致斜坡巖體向臨空面卸荷回彈，外界風化營力進入斜坡內部，加上強烈的構造活動，導致斜坡淺表部巖體風化卸荷強烈，巖體完整性和工程特性差。野外地質調查發現成都側岸坡淺表部發育多處危巖體（圖6），存在崩滑、落石、滾石等威脅橋梁和橋基工程安全的隱患。另外擬建橋位上游發育八曲沖溝，其中左岸（靠擬建橋墩一側）為順層斜坡，該斜坡歷史上曾發生多次較大規模滑動，目前在斜坡中下部仍堆積有最大厚度達60余米的崩滑堆積體，在斜坡頂部發育2處較大規模潛在危巖體，如圖6（a）所示。根據設計資料，特大橋成都岸主橋墩距離斜坡頂部山脊僅40～50 m，一旦八曲側斜坡在地震等工況下再次發生較大規模順層下滑垮塌，可能直接破壞或摧毀大橋橋墩，從而影響特大橋以及整個川藏鐵路的安全運營（圖7）。

圖6 成都側岸坡變形破壞特征Fig.6 Deformation and failure characteristics of bank slope to Chengdu

圖7 成都側八曲順層斜坡工程地質剖面圖Fig.7 Engineering geological profile of bedding slope of the Baqu river

基于野外地質調查，總結成都側岸坡巖體變形破壞模式主要有以下3種：

①順層滑移破壞，主要發育在八曲側順層斜坡。這類破壞主要受層間弱面影響控制：斜坡巖體順層間弱面蠕變變形，當變形達到一定程度后，受降雨、地震等外界擾動，斜坡巖體突然發生順層間弱面的下滑破壞，如圖6（a）所示。

②墜落式破壞，主要發育在橋位邊坡，規模一般小于10 m3。這類破壞主要受多組結構面切割以及強烈卸荷拉張裂隙影響控制，如圖6（b）所示。

③傾倒式破壞，在橋位邊坡和橋位東側邊坡均有發育，規模一般從幾立方米至上百立方米不等。這類破壞和巖體結構、坡體結構以及與臨空面的組合關系密切相關，主要是部分層狀或似層狀巖體在長期的重力作用下發生向臨空面的彎曲變形破壞，如圖6（c）所示。

3 八曲側岸坡穩定性分析

3.1 穩定性計算

成都岸八曲側斜坡歷史上曾發生過較大規模下滑垮塌破壞，目前在坡腳仍堆積有厚數十米的崩滑堆積體，并且八曲側斜坡局部地段為順層斜坡。結合現場調查、經驗判斷以及工程類比分析，考慮到斜坡巖體結構、巖性特征以及構造片理面發育特征，未來在強震或暴雨工況下，八曲側岸坡的穩定性相對成都岸其它兩側岸坡稍差。因此在地質調查的基礎上，采用剛體極限平衡法進一步計算八曲側斜坡不同工況下的穩定性，為工程治理以及防災減災提供地質依據。

斜坡潛在滑動面的確定是斜坡穩定性分析計算的一個重要前置條件，也是工程防治設計的重要參考，直接決定著斜坡穩定性分析計算結果的科學性和合理性。在本次研究工作中，采用數值模型計算八曲側斜坡位移和變形趨勢，結合現場調查以及鉆探和平硐揭露情況，綜合分析確定八曲側斜坡潛在滑動面位置，并進行不同工況條件下的穩定性計算。

采用PHASE軟件進行數值計算，結果表明：強震工況下八曲側斜坡中上部強風化巖體出現明顯位移變形趨勢，特別是在斜坡頂部的危巖體出現向臨空面和斜坡下方較大的位移量，斜坡巖體存在順構造片理面下滑破壞趨勢（圖8）。

圖8 地震工況（PGA=0.3 g）八曲側斜坡位移矢量及云圖Fig.8 Displacement vector of the Baqu slope（PGA=0.3 g）

根據數值分析結果，結合八曲側斜坡地質結構和變形破壞模式、邊界條件等，建立相應的剛體極限平衡法計算模型，如圖9所示。計算模型中一共設置2個潛在非圓弧破裂下滑面，分別為滑面1和滑面2：滑面1對應的下滑體是斜坡頂部潛在危巖體；滑面2對應的下滑體是強風化、強卸荷帶內潛在的順層滑動破壞。

圖9 八曲側斜坡穩定性分析計算模型Fig.9 Model of rigid body limit equilibrium of the Baqu slope

穩定性計算采用商用軟件slide，計算模型中的材料分別有堆積體、強風化巖體、弱風化巖體、微風化巖體以及強風化和弱風化巖體中的順層片理面。計算參數參考鐵路系統專題報告給出的各類材料物理力學參數，具體見表1。計算工況見表2。

表1 八曲側斜坡穩定性計算參數表Table 1 Calculation parameters of slope stability

為了對比分析不同計算方法得到的穩定性結果，采用一般條分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法和Morgenstern法等5種方法計算不同工況條件下八曲側斜坡的穩定性，結果見表2。從表2可知，對于斜坡頂部危巖體（滑面1）：

表2 八曲側斜坡穩定系數計算結果Table 2 FOS calculation results of stability of the Baqu slope

①天然和暴雨工況下的穩定系數分別在1.44～1.46和1.13～1.15之間，處于穩定狀態，這與現場調查斜坡頂部危巖體穩定性現狀吻合。

②地震工況計算結果表明，PGA≤0.2g時，斜坡頂部危巖體穩定系數在1.07～1.28之間，整體處于穩定狀態；當PGA進一步增大到0.3g時，計算得到的穩定系數小于1.0，危巖體可能發生整體的失穩破壞。

③暴雨+地震工況下，當PGA=0.1g時，危巖體整體穩定系數在0.97～1.00之間，基本處于極限平衡狀態；當PGA≥0.15g時，危巖體整體穩定系數小于0.95，可能出現整體的失穩破壞。

對于強風化、強卸荷帶內順層面滑動體（滑面2）：

①天然和暴雨工況，潛在滑動體的整體穩定系數大于1.2，處于整體穩定狀態。

②地震工況，當PGA≤0.2g時，潛在滑動體整體穩定系數在1.1以上，處于整體穩定狀態；當PGA進一步增大到0.3g時，潛在滑動體的穩定系數在0.97～1.01之間，基本處于極限平衡狀態。

③暴雨+地震工況，當PGA≤0.15g時，潛在滑動體穩定系數在1.0左右，處于整體穩定狀態；當PGA≥0.2g時，潛在滑動體穩定系數小于0.94，可能出現下滑失穩破壞。

本文所述的滑面1和滑面2是根據現場調查結合理論分析確定的，對應的穩定性計算結果與斜坡巖體中發育的優勢結構面方位和連通率密切相關，特別是第三組優勢結構面（213°∠30°），對八曲側順層巖質斜坡穩定性有較大的影響。建議后續進一步加強勘察，掌握優勢結構面三維空間展布特征以及連通率，分析不同工況條件下，巴曲側順層巖質斜坡不同方位、不同連通率情況下的穩定性。

根據表2的計算結果，將5種方法計算得到的穩定系數（FOS）的平均值與計算工況置于同一個坐標系中進行分析，如圖10所示。總體而言，在相同工況條件下，滑面1對應的潛在滑坡體比滑面2對應的潛在滑坡體穩定系數稍低，意味著相同工況條件下，八曲側斜坡頂部危巖體穩定性比強風化、強卸荷帶內順層面滑動體穩定性低一些，這與實際調查情況吻合。另外當斜坡遭遇強烈地震時（PGA≥0.3g），八曲側順層巖質斜坡，特別是斜坡頂部潛在危巖體可能出現較大規模失穩破壞，威脅特大橋塔墩以及火車的安全運行。

圖10 滑面1和滑面2不同工況穩定性計算結果對比分析Fig.10 Stability calculation results of sliding surface 1 and sliding surface 2 under different conditions

3.2 八曲側岸坡穩定性綜合分析

從前面的分析結果可知，川藏鐵路某特大橋成都岸八曲側斜坡強震工況以及暴雨+地震工況的穩定性較差，可能出現局部（斜坡頂部潛在危巖體）及強風化、強卸荷帶內的順層滑動破壞。一旦八曲側斜坡中上部出現較大規模順層下滑破壞，可能直接導致上游側特大橋主塔墩出現變形拉裂，甚至斷裂垮塌，影響甚至中斷川藏鐵路的正常通行。另外，成都岸斜坡中上部主橋墩和隧道錨位置巖性為二云石英片巖、絹云石英片巖、石英巖、綠泥鈉長片巖等，巖體中結構面發育，巖體結構和完整性差，導致其工程力學特性較差，在斜坡巖體自重以及鐵路建成后火車運行形成的交變荷載長期作用下，斜坡巖體深層蠕滑變形問題也不容忽視。

4 結論

（1）川藏鐵路某特大橋河谷為典型的“V”字型河谷。岸坡整體地形坡度上緩下陡，擬建的特大橋橋面距河水面高差超過600 m。其中成都側岸坡三面臨空，整個岸坡由橋位邊坡、橋位東側邊坡和八曲側邊坡組成，一共發育5組中陡傾優勢結構面。

（2）川藏鐵路某特大橋成都側岸坡主要發育順層滑移破壞、墜落式破壞和傾倒式破壞等3種變形破壞模式，其中對橋基穩定性影響最大的是八曲側順層巖質斜坡。歷史上該斜坡曾發生大規模順層崩滑災害，擬建的主塔墩距八曲側斜坡頂部山脊線直線距離最近處僅40～50 m。一旦八曲側斜坡再次發生較大規模崩滑，或持續發生多次較小規模崩滑（類似“剝洋蔥”式的持續崩滑垮塌），可能導致特大橋主塔墩出現拉裂、下沉等變形破壞，直接影響特大橋以及整個川藏鐵路的安全運營。

（3）八曲側順層巖質斜坡穩定性計算結果表明：天然和暴雨工況，斜坡穩定性較好。強震以及暴雨+強震工況，斜坡穩定性較差，可能出現局部或整體失穩破壞，導致主塔墩出現拉裂、傾倒、不均勻沉降等變形破壞，進而影響或中斷特大橋以及鐵路的正常安全運行。

建議對該特大橋成都岸現有危巖體進行清除、加固后，針對八曲側順層巖質斜坡進行深入勘探研究，特別是重點研究強震、暴雨以及長期蠕滑變形等工況下八曲側斜坡可能出現的變形破壞模式、范圍和程度，采取科學、合理、經濟的工程措施予以處理，降低特大橋施工以及運行期間的地質安全風險。

致謝：成都地質調查中心的王冬兵、劉函等人參與野外地質調查并提供部分圖件素材，在此一并表示感謝！