王文瑞

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

新建中蘭鐵路北起寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市，經(jīng)甘肅省靖遠(yuǎn)縣、白銀市、皋蘭縣，向南引入蘭州新區(qū)(見圖1)，全長219.67 km，是我國“十三五”高速鐵路規(guī)劃的重要組成部分。其中北灣至轉(zhuǎn)石梁段行走于西北黃土高原梁峁區(qū)，沿線氣候惡劣，地形起伏大，地層巖性脆弱，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，加之長期季節(jié)性凍融作用和風(fēng)蝕作用的影響，致使在沿線溝壑內(nèi)發(fā)育有大量黃土滑坡，嚴(yán)重威脅線路的安全運(yùn)營。

圖1 中蘭鐵路線位

目前，許多學(xué)者已對黃土滑坡進(jìn)行了深入研究。王家鼎以甘肅劉家峽黃土滑坡群為例，通過對災(zāi)害體特征的深入分析，論述了滑坡的成因機(jī)理[1]。馬鵬輝等通過野外調(diào)查，認(rèn)為滑體古土壤的隔水效應(yīng)是導(dǎo)致蔣劉黃土滑坡形成的主要原因[2]。亓星等認(rèn)為滑坡弧形凹槽產(chǎn)生的匯水作用是促使甘肅黑方臺滑坡3次滑動(dòng)的重要因素[3]。孫萍等以甘肅天水渭河北岸滑坡為例，利用室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法查明了該處黃土-泥巖滑坡成因機(jī)理[4]。董捷等總結(jié)了黃土-泥巖型滑坡的發(fā)育特性、成因和分布規(guī)律[5]。然而，以往對黃土滑坡的研究多集中于純黃土滑坡和黃土-紅層(泥巖)滑坡，對黃土-砂巖型滑坡的研究較少。為此，以下采用野外調(diào)查、工程勘探、遙感解譯、無人機(jī)航拍等手段，對中蘭鐵路沿線黃土-砂巖型滑坡的發(fā)育特征和成因機(jī)理進(jìn)行研究。以保障鐵路的安全運(yùn)營，豐富黃土滑坡的研究內(nèi)容，為區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌

中蘭鐵路北灣至轉(zhuǎn)石梁段地面高程為1 420～1 760 m，相對高差最大達(dá)300 m以上。沿線地貌以黃土梁、峁為主，局部基巖出露處發(fā)育有風(fēng)蝕地貌。黃土梁峁區(qū)溝壑發(fā)育，河流切割深度大，溝谷多呈“V”形。黃土斜坡一般較陡，坡度為20°～50°，坡面上沖溝發(fā)育，植被欠發(fā)育。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

線路經(jīng)過區(qū)屬中祁連島鏈構(gòu)造單元，構(gòu)造軸線呈北西-南東向，褶皺、斷裂構(gòu)造普遍為風(fēng)積黃土層所覆蓋，直接出露跡象較為罕見。根據(jù)遙感解譯和野外調(diào)查結(jié)果，該區(qū)褶皺構(gòu)造較斷裂構(gòu)造發(fā)育程度高。其中，褶皺構(gòu)造以向斜為主，多呈傾豎褶曲、斜歪褶曲；而斷裂構(gòu)造以逆斷層為主，多為下盤被上盤推覆的逆掩斷層(見圖2)。

圖2 研究區(qū)構(gòu)造綱要及滑坡災(zāi)害分布

1.3 地層巖性

線路經(jīng)過區(qū)域下伏基巖為白堊系下統(tǒng)河口組上組和下組砂巖。受區(qū)域構(gòu)造影響，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角為2°～15°。第四系覆蓋層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，分布面積占研究區(qū)的33.8%。其結(jié)構(gòu)較為松散，垂直裂隙發(fā)育，力學(xué)參數(shù)脆弱，是研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要承擔(dān)者。

1.4 地震及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

研究區(qū)地處黃土高原西部，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地震活動(dòng)頻繁[7]。近年來，區(qū)內(nèi)地震以低強(qiáng)度淺源地震為主，震源深度集中在12 km左右。近50年來，區(qū)內(nèi)Ms<4.0級的地震有36次，Ms≥4.0級的有7次。歷史地震統(tǒng)計(jì)資料表明，對研究區(qū)影響最為嚴(yán)重的為發(fā)生于1920年的“海原地震”，震級約8.5級，曾在該區(qū)誘發(fā)數(shù)十起大型-巨型滑坡[8]。

2 滑坡災(zāi)害工程地質(zhì)特征

產(chǎn)狀平緩的下伏砂巖，為第四系黃土層的風(fēng)積貯存提供了良好的平臺條件。據(jù)勘探資料，區(qū)內(nèi)風(fēng)積層厚10～52 m，局部可達(dá)60 m以上。這種上部松散、下部堅(jiān)硬的“雙層異質(zhì)”結(jié)構(gòu)，是孕育不良地質(zhì)災(zāi)害的主要斜坡結(jié)構(gòu)之一[9]。

2.1 形態(tài)特征

區(qū)內(nèi)滑坡多為單體滑坡，罕有群體性滑坡?；乱话阍跍羡窒虑酗@著的斜坡上形成，運(yùn)移距離一般較小(20～60 m)。其在平面上多呈簸箕形或長舌形，發(fā)育規(guī)模一般較小(體積為0.2×105～1.5×105m3)。滑坡滑面普遍發(fā)育于近似均質(zhì)的黃土內(nèi)，其后壁多呈圓弧狀(見圖3、圖4)；側(cè)壁受黃土垂直裂隙控制，常較陡(坡度為50°～70°)，形成凸向坡腳的單薄山脊。滑面后緣的陡壁上可見明顯的土巖分界線，呈近似水平的直線狀，貫穿于斜坡中上部，是辨識黃土層內(nèi)滑坡的主要特征之一[10]。

圖3 沿線1號典型滑坡災(zāi)害全貌

圖4 1號滑坡災(zāi)害縱剖面

在主滑剖面上，區(qū)內(nèi)滑坡的形成區(qū)與堆積區(qū)可明確區(qū)分，而滑移區(qū)表層多為風(fēng)積土層覆蓋，運(yùn)移跡象不甚明顯，各滑坡前后緣高差為30～80 m之間?；瑒?dòng)初期，滑體的滑動(dòng)速度一般較小(6～15 m/s)，在運(yùn)動(dòng)過程中，松散程度進(jìn)一步加劇，在降雨及季節(jié)性凍融作用下，滑體前緣常發(fā)育有多個(gè)淺層次級滑坡，堆積體上普遍發(fā)育有Ⅱ～Ⅳ級平臺?；露逊e體坡面坡度為20°～40°，次級滑坡后壁常形成多條橫向貫通裂縫，遍布前緣堆積體。因此，“低滑速、短滑距、多期滑動(dòng)”是沿線黃土滑坡普遍具有的特征。

2.2 物質(zhì)特征

上更新統(tǒng)風(fēng)積土層的力學(xué)行為是該區(qū)滑坡孕災(zāi)的關(guān)鍵。該層一般厚度為10～52 m。由于孕育滑坡的原始斜坡形成時(shí)間較為久遠(yuǎn)，發(fā)育有相對十分廣闊的坡前平臺，斜坡前緣一般受河流下切嚴(yán)重。因此，厚層-巨厚層風(fēng)積黃土傾滑后，在坡前常呈長舌狀堆積，滑體厚度伴隨滑動(dòng)過程急劇減小(堆積體厚度為7～10 m，為滑前黃土層層厚的1/3)。受低滑速、短運(yùn)距運(yùn)動(dòng)特征的影響，滑體中土層粒序受到的擾動(dòng)較小，多表現(xiàn)為上部小、下部大的正常粒序[11]，且一般保留較為完整。在下伏基巖風(fēng)化嚴(yán)重的斜坡上，滑體在運(yùn)移中常剪切擾動(dòng)底部砂巖，故會在某些滑體底部保留有大量砂巖碎塊(見圖5、圖6)。其磨圓度一般較差，且不具分選性，在滑體底部呈不均勻帶狀展布。

圖5 沿線2號典型滑坡災(zāi)害全貌

圖6 2號滑坡災(zāi)害右側(cè)基巖赤平投影分析

區(qū)內(nèi)滑坡的滑帶也多位于上覆黃土內(nèi)部，厚度為10～20 cm。受剪切作用影響，滑帶常呈泥狀。在一些下伏基巖風(fēng)化嚴(yán)重的斜坡中，滑帶常下侵至下伏砂巖淺層，滑帶上可見明顯剪切擦痕。

2.3 變形特征

斜坡滑移后，其后壁多呈圓弧仰斜狀，坡度一般較陡，而前緣多呈長舌狀堆積，坡度明顯變緩。因此，滑坡體中上部形成了“上陡下緩”的儲水地貌。在豐雨期，雨水常裹挾黃土形成的粘滯泥流浸潤沖刷后壁，或形成規(guī)模較大的淺層溜坍體覆于舊滑體之上。因此，多數(shù)滑坡后緣變形跡象顯著，后壁表層處常發(fā)育有一層流塑狀土體(見圖7)，厚10～30 cm。其在枯雨期呈干土塊狀，在連續(xù)強(qiáng)降水或地震觸發(fā)下，黃土浸潤沖刷體或淺層溜坍體規(guī)模會迅速壯大，發(fā)育形成規(guī)模較大的復(fù)活滑體。

圖7 2號滑坡災(zāi)害后壁沖刷痕跡

受制于“上陡下緩”的儲水地貌，滑坡堆積體含水量分布不甚均勻。堆積體后緣土體含水率較大，一般接近土質(zhì)塑限，呈可塑-流塑狀；前緣土體含水率一般小于塑限，呈硬塑狀。前緣堆積體常在中上部形成下挫橫向裂縫，或發(fā)育成前緣次級滑坡的滑面，常使滑坡堆積體從后向前呈“階梯狀”展布(見圖3)。因此，區(qū)內(nèi)滑坡變形特征普遍顯著，滑坡前緣和后緣在強(qiáng)降水條件下均有復(fù)活的可能。

3 滑坡災(zāi)害成因機(jī)理分析

滑坡是指斜坡上的脆弱巖土體在自身內(nèi)部損傷或外部因素(降雨、地震等)誘發(fā)下，向坡外發(fā)生運(yùn)動(dòng)破壞的自然災(zāi)害[12-13]。鉆探結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)滑坡形成后，堆積體成分多為砂質(zhì)黃土(見圖8(a))，少數(shù)規(guī)模較大的滑坡底部可見砂巖碎塊層(見圖8(b))，厚度為0.3～2.0 m。按地質(zhì)成因機(jī)理，沿線滑坡災(zāi)害可分為牽引-溜坍型和溜坍-剪切型兩類。

圖8 滑坡堆積體工程鉆探成果

3.1 牽引-溜坍型滑坡

該類滑坡上部為黃土，下部為弱風(fēng)化砂巖。斜坡上覆黃土層普遍較厚，垂直裂隙發(fā)育，土巖分界面常展布于斜坡中、低高程處。受深厚黃土層的隔絕，下伏砂巖淺層風(fēng)化程度弱，一般僅發(fā)育有一組結(jié)構(gòu)面[14-15]。

在降水期，雨水在破壞黃土土質(zhì)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過土體內(nèi)部垂直裂隙滲入至土巖界面處。由于弱風(fēng)化砂巖透水性較差，在土巖界面處形成了弱透水邊界，導(dǎo)致土體內(nèi)滲水遇基巖面后流向變?yōu)樗较?，在斜坡?nèi)形成了緩向坡外的滲流場(見圖9(a))。在滲流場的長期作用和自身飽和損傷的共同作用下，坡腳黃土最先失穩(wěn)，進(jìn)而牽引后緣土體形成滑坡(見圖9(b)、圖9(c))。由于下伏基巖產(chǎn)狀平緩，在土巖界面處形成的滲流場梯度較小。因此，該類滑坡災(zāi)害發(fā)生過程常較為緩慢，后壁處明顯可見的黃土浸潤沖刷痕跡是該類滑坡正在演化成災(zāi)的主要表現(xiàn)，而現(xiàn)有災(zāi)害體的形態(tài)是斜坡由外向內(nèi)逐級漸近式溜坍破壞的結(jié)果。

圖9 牽引-溜坍型滑坡災(zāi)害孕育模式

3.2 溜坍-剪切型滑坡災(zāi)害

與牽引-溜坍型滑坡不同，該類斜坡上覆黃土層常較薄，土巖分界面展布于斜坡高處，在外動(dòng)力地質(zhì)作用下，下伏砂巖風(fēng)化程度較高，巖體力學(xué)性質(zhì)相對較差。加之多期地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響，下伏基巖內(nèi)普遍發(fā)育有2～3組結(jié)構(gòu)面，巖體常被切割成規(guī)則塊體，大小不一。

在降雨期，斜坡上覆黃土首先軟化形成溜坍體，并呈泥流狀沿坡面徑流。溜坍體在經(jīng)由基巖處時(shí)運(yùn)動(dòng)受阻，在交界面處形成黏滯剪切帶(見圖10)，下伏體積較小的砂巖塊體在長期剪切作用下被破壞，形成含碎屑的溜坍體并向坡外漫流。由于剪切啟動(dòng)所需剪切應(yīng)力較大，故該類滑坡的形成多受強(qiáng)降雨或連續(xù)降雨的誘發(fā)，形成過程一般較短，但形成后態(tài)勢發(fā)展迅猛，成災(zāi)規(guī)模往往較大。

圖10 溜坍-剪切型滑坡災(zāi)害孕育模式

4 沿線滑坡災(zāi)害分布特征

該區(qū)內(nèi)共發(fā)育有36處黃土滑坡(見表1)?？碧劫Y料揭露，滑坡堆積體僅為黃土的有29處，堆積體底部含砂巖碎塊層的有7處，故區(qū)內(nèi)滑坡以牽引-溜坍型為主。

表1 沿線滑坡分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)

(1)由表1可知，沿線滑坡高程為1 590～1 670 m，并在不同高程帶內(nèi)呈規(guī)律性分布。牽引-溜坍型滑坡上覆土層較厚，且此類滑坡發(fā)育于斜坡的中、低處，并在高程1 590～1 640 m內(nèi)集中發(fā)育，占該類滑坡總數(shù)的72.4%；溜坍-剪切型滑坡上覆土層一般較薄，且大都孕育于斜坡的較高處，并在高程1 630～1 670 m內(nèi)集中發(fā)育，占該類滑坡總數(shù)的85.7%。

(2)牽引-溜坍型滑坡形成過程緩慢，呈漸近式溜坍破壞，因而此類滑坡多為體積小于10×104m3的小型滑坡，在少數(shù)處于溝腦內(nèi)的斜坡上，發(fā)育有體積大于10×104m3的中型牽引-溜坍型滑坡(占此類滑坡的37.9%)。溜坍-剪切型滑坡形成過程迅猛，所需的剪切擾動(dòng)應(yīng)力較大，因而此類滑坡發(fā)育規(guī)模多大于10×104m3，多為中型滑坡，占此類滑坡的71.4%。

(3)遙感解譯結(jié)果表明，23處滑坡分布在距斷裂、褶皺構(gòu)造2 km的范圍內(nèi)，約占區(qū)內(nèi)滑坡總數(shù)的63.9%，特別是在磚石梁隧道附近，構(gòu)造密集發(fā)育。此外，有13處滑坡分布在遠(yuǎn)離構(gòu)造區(qū)，多集中在沙河流域兩岸的陡立岸坡處。

5 滑坡對鐵路的危害及防治措施建議

調(diào)查期間，區(qū)內(nèi)各滑坡災(zāi)害變形明顯，兩類滑坡后壁處均可見黃土浸潤沖刷痕跡，前緣多發(fā)育有次級滑坡。在多雨或強(qiáng)降雨條件下，區(qū)內(nèi)滑坡繼續(xù)發(fā)生逐級垮塌的可能性較大，可能會對鐵路路基造成沖毀、掩埋破壞。根據(jù)前述分析，風(fēng)積黃土在降雨條件下的力學(xué)行為是沿線滑坡孕育成災(zāi)的關(guān)鍵。建議采取如下防治措施：(1)防治中應(yīng)注重對風(fēng)積黃土的處理，可采取放坡開挖、減緩上覆黃土層坡度、清除風(fēng)積土方等措施，以減少或消除治災(zāi)因子；(2)防治中應(yīng)采取排水設(shè)施與坡面防護(hù)設(shè)施相結(jié)合的方法，引出和排除地表水，減少坡面雨水徑流，以阻止風(fēng)積土層遇水形成致災(zāi)溜坍體。