川藏高速公路复杂地质灾害体综合处治分析 ——以喇叭嘴泥石流、滑坡、崩塌、弃渣、高填综合处治为例

1、引言

川藏高速公路雅（安）～康（定）段位于我国地势由第一阶梯青藏高原向第二阶梯四川盆地过渡段，山体陡峻高差大，大江大河发育，断裂活动频繁，气象环境变化快速，具有极其复杂的地质条件，极其脆弱的生态条件，极其困难的工程建设条件，桥隧比高达80%左右，每公里工程投资达2亿元以上，是目前我国双向四车道建设标准中工程造价最高的高速公路。川藏高速公路沿线滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害体分布广泛，工程弃渣、高填路堤、深挖路堑等工程灾害居高不下，甚至出现多类型地质灾害体共生的情况，对高速公路形成了巨大的安全隐患、建设成本和工期压力。通过对川藏高速公路雅康段喇叭嘴泥石流、滑坡、崩塌、弃渣、高填的复杂地质灾害体综合处治方案研究，以期能为今后通过区内的川藏铁路等的类似复杂地质灾害体处治提供一定的借鉴。喇叭嘴段原设计线路为典型的“两隧夹一桥”，其中小里程端龙进隧道长1274m，大里程端日地1#隧道长1883m，喇叭嘴中桥长80m，桥面距沟底标高20～25m。工程建设期间接连发生了日地1#隧道进口段滑坡变形、山体卸荷开裂和崩塌落石，龙进隧道出口段滑塌和落石，大量隧道弃渣弃于桥梁部位，以及补充地质调查时发现喇叭嘴沟属于泥石流沟等地质灾害体等，对工程的建设形成了巨大安全隐患。由此，围绕高烈度地震区复杂地质灾害体的综合处治，相关各方进行了长达近一年半的讨论，处治方案几经调整，但最终的设计方案仍存在一定的优化空间。2、工程地质环境和灾害体特征项目区属河流侵蚀-构造剥蚀的高中山峡谷地貌，位于康定-甘孜地震带地块，东侧为大渡河活动断裂带，西侧为康定-磨西活动断裂带，构造活动强烈而地震多发，地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.3g，属于典型的高烈度地震区。区内广泛分布晋宁～澄江期粗粒结构、块状构造的花岗岩，山体坡度一般为35～55°，线路距下部大渡河水库弃渣场高差约450m，距康定县城约21km，属高山亚寒带气候，年均气温6.5℃，年平均降雨量830mm。

2.1、喇叭嘴泥石流喇叭嘴沟主沟全长7.46km，平均纵坡比降398‰，沟谷宽6～70m，流域面积约8.46km2，流域切割密度3.24km/km2，源头海拔4744m，沟口海拔1640m，主沟相对高差 3104m。喇叭嘴泥石流沟根据4744m～3900m、3900m ～1860m 、1860m～1660m、1660m～1640m 四段高程分为寒冻风化区、形成区、流通区和堆积区。寒冻风化区面积约1.16 km2，沟道长度为1.74km，纵坡比降为 599‰；形成区面积约7.25km2，沟道长5.23km，平均纵坡比降为429‰。寒冻风化区和形成区的季节性积雪及高海拔影响碎块石，以及沟谷两侧高陡岸坡形成的崩坡积物为泥石流物质的主要来源，泥石流静储量约为112.49×104m3，动储量为31.25×104m3。流通区面积约0.04km2，沟道长度为 0.38 km，平均纵坡比降为 750‰，其下游为落差超过 100m 的陡崖，陡崖以外即为堆积区。堆积区面积0.01km2 ，沟道长度为0.15 km，平均纵坡比降140‰，地形比较平缓。

喇叭嘴沟在1937年和1958年发生过两次规模较大的泥石流，造成国道G318断道。近年来沟中偶有小规模的泥石流发生，但主要停积在沟道中上游。沟内分布大量的漂木和呈稍密~中密状砾石等泥石流堆积物，其中粒径大于20cm的颗粒含量占60～70%，2～20cm的颗粒含量占20～30%，0.2～2cm的颗粒含量占5～10%，颗粒母岩为花岗岩，最大粒径4～8m。沟内海拔3000m以上地段植被多为草甸和稀疏灌木，随着海拔降低沟内乔木比例逐渐提高，尤其是在2100m左右的高速公路附近，沟内植被茂盛，乔木直径可达到40cm以上。沟内常年的稳定水流约为0.5m3/s，在暴雨时水量大幅增加，属于典型的暴涨暴跌型山区沟谷，目前泥石流堆积区的国道G318附近为大量居民区。

图1 喇叭嘴泥石流沟沟床纵剖面图

2.2、日地1#隧道进口段和龙进隧道出口段坡体构成坡体的灰白色斜长花岗岩（γ02（4））中发育五组结构面，产状分别为J1：80°∠70°， J2：78～83°∠25～32°，J3：269°∠72°，J4：301°∠33°，J5：175°∠70°。1）日地1#隧道进口段：边坡自然坡度40～60°，坡向75°，地表为厚约10m的稍密状崩坡积（Q4c+dl）碎块石。粒径大于2cm的颗粒含量60%以上，粒径多0.3～1.5m，最大约5～6m；粒径0.2～2cm的颗粒含量占10～20%。坡面多有裂缝分布，落石现象严重，树木多呈“马刀树”状。下伏的强～中风化花岗岩中，倾向坡外的J1结构面追踪发育卸荷裂隙，其贯通度达10m以上，倾向坡外的J2结构面贯通度5m以上。陡倾的J1结构面和缓倾的J2结构面组合对坡体稳定性具有控制作用。2017年2月下旬，隧道开挖时仰坡出现约300m3垮塌，坡外约70m的位置出现两条长约15m的贯通状裂缝，其侧界明显受花岗岩中发育的J4和J5结构面控制；距隧道洞口约20～40m的隧道洞身出现多条状环向裂缝，其形态与花岗岩中发育的J1和J2结构面相一致。

图2 日地1#隧道进口边坡              图3 龙进隧道出口边坡2）龙进隧道出口段：自然坡度50～70°，坡向269°，线路走向255°。隧道仰坡部位坡体主要由强～中风化花岗岩（γ02（4））构成，与自然坡向一致而与线路斜交的J3结构面贯通度10m以上，坡面常有零星落石掉落；隧道标高以下崩坡积（Q4c+dl）碎块石厚度约10m，其中粒径大于2cm的颗粒含量占60%以上，粒径多0.5～1.5m，最大约4～6m；粒径0.2～2cm的颗粒含量占10～20%。

2017年5月中旬，隧道左、右洞之间的沟槽部位，沿与J3结构面近于一致的基岩面发生了约1000m3的堆积体滑塌，造成隧道下部堆积体发生较大变形而威胁线路安全。

2.3、隧道弃渣

项目区弃渣场位于高差约450m的下部大渡河水库之中，巨大的运输安全隐患和转运成本造成弃渣场无法投入应用。由此，工程单位就地在隧道口的喇叭嘴沟中弃置了约22×104m3、颗粒多为2～35cm的花岗岩隧道弃渣。根据调查，原沟底多呈台阶形，有厚约3～17m的泥石流堆积体分布，沟底纵坡约350‰。喇叭嘴沟在高速公路附近呈相对宽缓的U型，沟宽约50～70m，两侧岸坡堆积厚约10m以上的稍密状崩坡积体，自然坡度约40°。弃渣体下部主沟两侧岸坡陡立，基岩完整性好，沟宽约7m左右，使弃渣所在沟谷呈典型的“葫芦状”。沟内的大量弃渣在极端条件有成为泥石流物源的可能，存在巨大的安全隐患。

图4 流入弃渣的沟内汇水                图5 喇叭嘴沟内隧道弃渣3、地质灾害体机理分析3.1、喇叭嘴泥石流沟是典型的高海拔沟谷型泥石流。低气温、强日照、大温差、季节性积雪，为泥石流物源创造了条件；季节性融雪、强降雨和寒冻风化带的开阔地形，为泥石流的形成提供了良好的水源；寒冻风化带和3000m以上的高海拔地带植被稀少而基岩裸露，山体和沟谷岸坡高陡，有利于夏季雪山融水和雨季地表水的快速汇流冲刷，为泥石流的爆发提供了良好的水动力条件。

图6喇叭嘴沟内遍布的碎块石和漂木自1937年和1958年爆发两次规模较大的泥石流发来，喇叭嘴泥石流多次小规模爆发，但由于季节性积雪的不断减少和区内植被的有效恢复，加之泥石流沟道多弯而狭长，使小规模爆发的泥石流多在沟道后部由于阻塞而停积。但存在多年蓄能后在强震激发和极端强降雨条件下爆发较大规模泥石流的可能。3.2、日地1#隧道洞口场地平整时开挖形成了最大高度约21m仰坡，造成二元结构边坡上部欠稳定状态的堆积体由于前缘支撑力度减弱而沿土岩界面发生滑移，并伴有局部坡体垮塌和坡面落石。其滑坡主轴长75m，平均宽约76m，滑体平均厚度为9m，滑坡体积约5×104m3，主滑方向为75°。

此外，隧道挖深60m左右时，在距隧道洞口约25～40m的范围内隧道洞身出现多条环状、贯通裂缝，洞顶累计下沉约10mm左右，洞底仰拱部位裂缝深约2～3m。根据补充勘察，仰拱下部7.4～16.5m的部位存在稳定水位，其水位线与花岗岩中发育的倾角为25～32°的J2结构面倾角基本吻合；而隧道洞身开裂的裂缝依据花岗岩中发育的倾角为70°的J1结构面向上延伸时与地表的覆盖层滑坡后缘裂缝基本吻合。以上地质形态说明，隧道所在坡体由于沟谷陡深而卸荷严重，隧道开挖后造成花岗岩体依附于倾向坡外的J1和J2两组结构面发生强烈卸荷，造成隧道在上部岩土体在重力作用下沿陡倾结构面J1发生挤压开裂；隧道下部花岗岩体在开挖扰动、卸荷等作用下沿缓倾结构面J2发生回弹开裂。若不能有效的对卸荷体进行处治，在后期工程扰动、卸荷和地下水的作用下存在结构面逐渐贯通而产生变形的可能。3.3、龙进隧道左洞进洞前对侧向边坡进行开挖，形成了高约12m的边坡，造成上部覆盖层沿基岩面发生了约1000m3的滑塌，对下部堆积体形成加载而发生了较大变形。同时，由于山体高陡，常有落石掉块发生，严重威胁着下部隧道与桥梁的安全。3.4、日地1#隧道进口段坡面孤石分布密度大，形成的落石常沿坡面滚落于坡脚；龙进隧道出口端山体高大陡峻，岩体在不利结构面切割和风化作用下常发生的崩塌落石坠落于坡脚，形成了深厚的崩坡积体。这两个隧道洞口的危岩落石直径多集中在0.3～1.5m，最大可达6m左右，工程前期虽采取了主动网和被动网进行防护，但项目区内属于高烈度地震区，一旦发震将可能引发大规模的崩塌而直接威胁下部桥梁的安全。3.5、位于线路部位及其下游弃置的22×104m3隧道花岗岩弃渣，考虑到大量弃渣转运的可行性差，若不能原位对弃渣进行有效处治，在长期沟水作用下存在沿下伏较陡的沟底纵坡发生滑坡的可能，将直接威胁弃渣中后部的高速公路桥梁安全。将花岗岩弃渣作为高速公路的路堤填方材料进行处治，若不能有效解决弃渣高填方的不均匀沉降造成上部设置的泥石流排导槽开裂，极易使沟中汇水快速渗流入弃渣后造成路堤的开裂变形。甚至在沟内暴发洪水或泥石流的情况下，强大的冲刷能力极易造成隧道弃渣成为泥石流的新物源，将直接威胁下游大量民居和国道G318的安全。此外，在强震作用下，花岗岩弃渣在振密的过程中发生下沉或失稳将影响高速公路的安全，故需对弃渣进行必要的工程措施处治。

图7 高速公路喇叭嘴沟段地质剖面图5、复杂地质灾害体综合处治方案分析

项目区地质灾害体包括滑坡、崩塌、泥石流、弃渣，各地质灾害体之间的工程处治既相互联系，又相互制约。因此，工程处治方案应具有针对性和兼顾性特征，确保高烈度地震区各灾害体的安全。5.1、泥石流处治分析喇叭嘴泥石流的合理处治对滑坡、崩塌、弃渣处治方案确定和线路的通过形式具有直接的影响，因此，合理的确定泥石的特征和相关参数，是项目区复杂地质灾害体综合处治的关键。5.1.1、泥石流防治标准确定设计依据地质报告提供的遥感解译资料，确定泥石流为中频、轻度易发、中度危险型泥石流，泥石流的防治标准和工程设计保证率取2%。表1 喇叭嘴泥石流相关参数表

频率

（%）

一次沟道泥石流总量（m3）

沟道泥石流流量（m3/s）

泥石流流速

（m/s）

泥石流整体冲压力(KPa)

泥石流最大冲高（m）

1

37990.30

92.24

4.42

83.45

1.57

2

24021.23

58.34

3.92

63.81

1.23

5

10508.45

25.5

2.99

36.21

0.72

10

6120.37

14.85

1.88

13.61

0.28根据现场实地调查，喇叭嘴沟泥石流在1937年和1958年发生过两次规模较大的泥石流，泥石流规模不大于1.3×104m3。近年来虽有小规模的泥石流发生，但基本停积在沟道中上游，路线上游约800m范围的沟内，树木高大挺拔。结合泥石流的流域、沟型、堆积扇、物质贮量、暴雨强度、植被、危害对象等指标判定，喇叭嘴泥石流宜定性为低频、泥石流活动规模中等、灾害等级为Ⅱ级、危害程度为一般灾害。基于此，喇叭嘴泥石流防治标准和工程设计保证率宜为10～5%。考虑到泥石流的是项目区复杂地质灾害体综合处治的关键，故防治标准和工程设计保证率取5%。5.1.2、泥石流处治方案分析喇叭嘴泥石流间歇性发生、爆发频率低，沟内大颗粒物源占比大，存在巨大漂砾，对高速公路和堆积区的民居和国道存在直接的安全隐患，且项目区属于无人区，一旦损坏很难进行工程恢复，故需设置工程进行分级有效拦挡和疏排。

依据泥石流特征和工程建设条件，在线路上游490m与355m处的沟道分别设置梅花形布置的3排桩林，对泥石流中的粗大花岗岩颗粒、漂木等进行拦截，形成连锁停积，有效减小泥石流的冲击力；在线路上游221m处设置一道刚性梳齿坝，对由桩林拦截下泄后的泥石流较大颗粒进行再次拦截；在线路上游150m处设置一道拦砂坝，对泥石流中的颗粒进行有效拦截，从而有效控制泥石流下泄后的冲刷、撞击能力和停淤隐患，提高下游结构物的安全。1）设计处治方案①第一排桩林由3排直径1.8m、纵横向间距4.0m，桩长13m的15根C30钢筋砼桩组成，其中露出地面以上8.0m，桩头和地面处用系梁进行连接，以提高桩林的整体性。；第二排桩林由3排直径1.2m、纵横向间距为6.8m，桩长11m的15根C30钢筋砼棱台桩组成，其中露出地面以上6.0m。梳齿坝主要由梳齿高5.0m、间距0.8m、截面为1.5×1.2m的13根C30钢筋砼桩构成，并通过承台与下部为8根Φ1.5m、间距1.3m、埋深7m的锚固桩连接。拦砂坝长35m、高6.0m，由C20砼构成，墙前设9.0m长护坦，并直接与下部排导槽相连，拦砂坝库容1.4×104m3。②为使经上游拦截后的泥石流按一定的线路排泄，减少对下部高速公路等构造物的威胁，在拦砂坝与线路之间设置，纵坡为20～40%、顶宽12m、底宽10m高5.5m的C30钢纤维砼排导槽。2）设计方案优化

图8 喇叭嘴泥石流拦截工程措施布置图根据泥石流的相关分析计算，需对第一排和第二排桩林工程进行有效优化，方能有效确保拦截工程的安全。即：第一排桩林依据泥石流的撞击能量、库容等，宜将桩林纵横向间距调整为5.0m，且根据计算分析，桩身宜加长至19m并进入基岩3m以上方能确保桩林的稳定；第二排桩林设计采用纵横向间距为6.8m的钢筋砼棱台桩不利于泥石流的分级有效拦截和桩林安全，而宜结合上级桩林的泥石流拦截效果，采用纵横向间距3.4m的普通圆桩进行拦截，且纵桩身宜加长至17m并进入基岩2m以上，桩头和地面处采用系梁进行连接，以提高桩林的整体性，如图8。5.2、隧道洞口地质灾害体处治分析日地1#隧道进口端的主要病害为堆积体滑坡和依附于花岗岩结构面的卸荷体，以及与龙进隧洞出口端共同存在的崩塌落石，需对其进行有效治理，并应确保线路下部泥石流的正常通过。5.2.1、地质灾害体相关参数分析1）日地1#隧道进口端的花岗岩卸荷体是洞口的控制性病害，而堆积体病害可以在花岗岩卸荷体进行处治时进行兼顾处治。设计对卸荷体结构面参数确定时没有区分岩体的风化程度和结构面的性质，直接造成了卸荷体潜在下滑力明显偏大。依据隧道上部的陡倾张性结构面和隧道下部的缓倾压性结构面性质，以及卸荷体的风化段落，结构面贯通长度、充填度和张开度，并结合区内相似的水电站花岗岩结构面参数进行校核，参数选取如表2。其中下滑力计算时的控制性工况为地震工况，安全系数K=1.15。

表2 不同性质花岗岩结构面参数及潜在下滑力对比表

项目

设计

优化

结构面参数

内摩擦角Φ（°）

粘聚力c（KPa）

内摩擦角Φ（°）

粘聚力c（KPa）

强风化

张性结构面

26.1

50

28

20

压性结构面

31.4

100

31

80

中风化

张性结构面

26.1

50

32

100

压性结构面

31.4

100

43.5

200

控制工况下滑力

4613.4KN/m

1323.3KN/m从表2的对比分析来看，由于卸荷结构面参数的取值偏小，造成花岗岩卸荷体的潜在下滑力较实际情况增大了348.6%。5.2.2、地质灾害体处治方案分析隧道口堆积体滑坡和花岗岩卸荷体的治理，需同时考虑崩塌落石工程的有效防治，提高线路的抗灾能力，且有利于泥石流的正常通过。1）设计处治方案

①日地1#隧道进口仰坡的堆积体滑坡和花岗岩卸荷体，在隧道上部采用4排长12m的锚杆和13排长19～36m锚索工程进行加固；将喇叭嘴中桥由80m减跨为40m，利用花岗岩弃渣对“桥改路”段的日地1#隧道进口段和龙进隧道出口段坡体进行反压。②减跨后的喇叭嘴中桥桥下设置同线路上游相同参数的排导槽对泥石流进行引排。

图9 隧道洞口处质灾害体综合处治工程设计布置图2）设计方案优化①在对日地1#隧道进口仰坡的堆积体滑坡和于花岗岩卸荷体采用锚杆锚索工程进行加固的基础上，对隧道开裂区段加强衬砌和长锚杆环向注浆，提高隧道的抗变形能力。②喇叭嘴中桥减跨反压，虽有效对花岗岩卸荷体进行了处治，也在一定程度上提高了线路的防崩塌落石能力。但减跨后的中桥桩基位于下伏泥石流堆积体中，花岗岩弃渣的沉降和稳定性对其存在较大的安全隐患。基于此，在考虑到泥石流在上游进行有效拦截的基础上，将喇叭嘴中桥全部进行桥改路，从而大幅提高线路对崩塌落石的抗灾能力，进一步提高花岗岩卸荷体的稳定性，更加有效的消化弃渣。此外，根据落石轨迹和能量，在日地1#隧道进口段和龙进隧道出口段30m和50m的路基部位设置柔性明洞，从而大大提高隧道洞口的崩塌落石防护等级。

图10隧道洞口地质灾害体综合处治工程优化布置图③喇叭嘴中桥进行桥改路时对花岗岩弃渣进行强夯补强，在路基部位设置有较大安全冗余、抗裂性较好的直径Φ8m的双层圆形钢波纹管式排导槽涵洞，槽底设置厚50cm的砂石垫层和土工格栅，有效提高排导槽对基底可能的不均匀沉降适应能力。5.3、花岗岩弃渣和高填处治分析喇叭嘴沟内的花岗岩弃渣方量大，在沟内汇水和高烈度地震作用下存大较大的安全隐患，一旦出现过大沉降和失稳，则会造成高速公路的病害和泥石流排导系统的破坏，以及在极端情况下花岗岩弃渣自身成为泥石流物源的可能。故需进行针对性的工程处治，以确保复杂地质灾害体综合处治的成功。1）设计处治方案①花岗岩弃渣采用1:1.5～1.75坡率进行放坡，路肩以外约10m部位设置一排直径Φ2m、桩长18～25m的圆形埋入式抗滑桩，桩顶距填方坡面约20m，桩顶伸出原地面约8m。每5m设置一层土工格栅，并逐层强夯，路堤边坡最大高度78.5m。②坡脚设置顶宽3.5m，高12m,基础埋深2m的C30拱形砼挡墙，挡墙两端嵌入中风化花岗岩岸坡不小于1.5m，墙前设置C30钢筋砼消能弧。③弃渣坡面上设置与线路部位相同参数的钢筋砼排导槽，且在槽底设置2排共4根Φ2m、桩长13m和20m的圆形固定桩。

图11 弃渣、高填综合处治工程设计布置图2）设计方案优化①在泥石流和高烈度地震区的高填方，应将路堤与弃渣隔断分别进行处治，而设计采用抗弯能力较差的埋入式圆形滑桩，不能确保极端条件下路堤的稳定。基于此，根据分析计算，在路堤一级平台部位设置桩基托梁挡墙对路基与花岗岩弃渣进行隔离，以有效确保高速公路安全。其中为有效减小抗滑桩悬臂长度，特在桩顶设置高10m的衡重式挡墙，抗滑桩基规格为2×3m@5m，长24.5m。②花岗岩岩弃渣填方区设置钢筋砼排导槽抗裂性较差，极易由于不均匀沉降而开裂，从而可能危及整个弃方的安全。基于此，在弃渣进行强夯和分层设置土工格栅的基础上，排导槽采用双层半圆形钢波纹管以有效提高泥石流排导槽在弃渣填方体上的抗裂性，并可有效提高排导槽的“束流攻沙”效果，在管底设置厚50cm的砂石垫层和土工格栅对可能的差异沉降进行调节。③进一步放缓花岗岩弃渣填方的边坡坡率，以提高填方稳定性和减小泥石流对排导槽的冲刷，并加大坡脚挡墙前部的消能弧抗冲力度。。④依据分析计算，为有效提高弃渣填方体的稳定性，在坡脚拱形砼挡墙下部采用3排Φ180钢管微型桩进行加固。

图12 弃渣、高填综合处治工程设计布置图5、结语1）川西西藏峡谷深切，地质构造复杂、新构造运动强烈，地质灾害频发，高速公路应贯彻地质选线理念，尽量避免在地质灾害群发地段通过。2）泥石流的有效治理是喇叭嘴复杂地质灾害体成功治理的基础，而大量弃渣的有效综合处治、利用是复杂地质灾害体成功治理的关键。3）复杂地段的泥石流治理工程，宜采用分级拦挡工程和抗裂性较好的排导槽，而沟内高烈度地震区的高填与弃渣应进行隔断分别进行处治，并适当提高工程的安全冗余。4）合理分析堆积体滑坡性质和花岗岩卸荷体的发展趋势，积极采用“桥改路”反压工程有效提高了坡体稳定性和线路的抗崩塌落石等级。5）地质灾害复杂地段，应合理设置弃渣场地，严格控制工程施工风险，加强工程管理，防止人工次生灾害的发生。