川藏铁路某特大桥成都侧岸坡工程地质特征及稳定性评价

周洪福 ，冯治国 ，石胜伟 ，王保弟 ，徐如阁 ，冉 涛

（1.中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081；2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；3.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430055；4.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734；5.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083）

受印度板块向北俯冲欧亚板块导致青藏高原快速隆升的影响[1]，青藏高原东缘构造运动强烈、活动断裂发育[2]，地质灾害高发、频发[3-5]。

川藏铁路穿行于青藏高原东缘地形急变带，沿线山高谷深，加之强烈的内外动力作用以及高原特殊的气候条件，区内高陡边坡岩体风化卸荷深度变化幅度大[6-7]，大规模开挖的地质力学响应机理复杂[8]。前人研究表明，川藏铁路沿线边坡岩体变形失稳模式多样[9-10]，成灾机理复杂[11-12]，加固和防治难度较大[13-15]。在降雨、强震或人类强烈工程活动影响下易发生崩滑等地质灾害[16]，对川藏铁路的规划建设和建成后的安全运营带来很大威胁[17]。

拟建的川藏铁路某特大桥是一座重要的控制性桥梁，桥梁两侧岸坡特征及稳定性分析评价对特大桥桥址的选择、建成后的安全运营，以及桥梁岸坡防灾减灾具有重要的工程意义和现实意义。特别是成都侧岸坡岩性为构造混杂岩，岩性复杂多变，结构面发育，岩体风化卸荷强烈，斜坡浅表部发育多个规模不等的危岩体。现场调查发现受八曲的切割作用，在岸坡上游八曲侧形成顺层岩质斜坡，历史上曾发生较大规模的顺层下滑移动。

前人采用多种技术方法进行过较多的高山峡谷区高陡斜坡稳定性分析[18-20]，但是对于川藏铁路沿线特大桥岸坡的调查评价尚不能完全满足工程规划建设和安全运营的需要，特别是缺少针对特大桥岸坡不同工况条件下的稳定性评价及具体的工程防治措施建议，反映了该方面研究的薄弱性与进一步研究的必要性。为此，本文在调查特大桥两侧岸坡基本特征的基础上，选择特大桥成都侧岸坡为研究对象，采用现场调查、遥感解译、剖面测量以及稳定性计算等技术手段，对成都侧岸坡地形地貌、地层岩性、结构面发育以及变形破坏等特征进行调查分析，在此基础上初步分析评价特大桥成都岸八曲侧斜坡不同工况条件下的稳定性，最后提出工程防治措施建议，为川藏铁路规划建设以及后期安全运营提供地质依据和技术支撑。

1 岸坡基本特征

1.1 地形地貌特征

川藏铁路某特大桥位于西藏自治区八宿县境内，属于高原构造剥蚀高山峡谷地貌，河谷区为典型的“V”字型河谷（图1），桥面标高3 650 m，桥位区江水位高程约3 040 m，桥面距离江水位高差超过600 m。特大桥两岸斜坡山高坡陡，地形险峻，地形总体呈下陡上缓趋势，其中斜坡中下部整体地形坡度超过40°，斜坡浅表部岩体中裂隙发育，岩体完整性遭到破坏，岩体结构较差，发育多个危岩体。

图1 某拟建特大桥两岸高陡斜坡地形地貌（镜向SE130°）Fig.1 Topography of high and steep slopes on both sides of the grand bridge (photograph direction: SE130°)

特大桥成都侧（左岸）自然斜坡顶部高程3 824 m，整个斜坡垂直高差达780 m。地形总体呈上缓下陡：在高程3 560 m以下，地形坡度平均54°；高程3 560～3 650 m之间，除局部地段地形较陡外，整体地形较缓，平均坡度15°；高程3 650 m以上，地形进一步变缓，总体坡度小于10°。

结合现场调查和遥感影像可知，成都侧岸坡受河流和冲沟的联合切割作用，形成斜坡南侧、西侧均临空的地形。根据斜坡地形、地质特点以及桥梁布置方案，可将成都侧岸坡划分为桥位边坡、八曲侧边坡和桥位东侧边坡（图2）。

图2 成都侧岸坡分区图Fig.2 Zoning characteristic of bank slope to Chengdu

受八曲和主河的联合切割作用，成都侧岸坡呈三面临空的状态。地质调查发现，八曲侧斜坡从主河与八曲交汇口往八曲上游方向发育3个陡崖和4个缓坡，分别为一级陡崖、二级陡崖、三级陡崖。陡崖发育于各级坡面之间，高20～100 m，主要沿着陡倾结构面发育而成。缓坡则分别命名为一级斜坡、二级斜坡、三级斜坡和四级斜坡。八曲自北向南流，但从第三级斜坡时开始偏转：第三级斜坡上游，八曲河谷走向与片理面倾向夹角约75°，大角度相交；第三级斜坡下游，八曲河谷走向与边坡片理面倾向夹角约25°～40°，小角度相交，局部为顺层斜坡（图3）。

图3 成都侧岸坡特征以及桥梁主墩和隧道口位置（镜向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 地层岩性特征

野外地质调查和钻孔、平硐揭露，特大桥成都侧岸坡岩性较为复杂，地层岩性主要有2类：斜坡上部为石英片岩、绿片岩等，斜坡下部为二长花岗岩、花岗闪长岩（图4）。其中斜坡上部石英片岩、绿片岩主要由三组岩性组成，分别是怒江岩组、惜机卡岩组和俄学岩组。怒江岩组为一套灰白色绢云石英片岩、云母片岩、黑云石英片岩等夹变火山岩岩块。惜机卡岩组主要为一套二云石英片岩，下部夹变流纹岩，上部夹大理岩岩块。俄学岩组以碳酸盐化超基性岩与惜机卡岩组断层接触，随后变为强变形泥质板岩及钙质板岩等。

图4 成都侧岸坡工程地质剖面图Fig.4 Engineering geological profile of bank slope to Chengdu

1.3 结构面发育特征

受区域构造以及斜坡岩体风化卸荷影响，特大桥成都侧岸坡浅表部岩体破碎，结构面发育。地面调查以及勘探平硐揭露，位于斜坡浅表部的结构面普遍张开，张开宽度1～3 mm，最大可达3～5 cm，充填少量岩块、岩屑和夹泥。勘探平硐内结构面可见迹长普遍在30～80 cm之间，少量结构面贯穿平硐壁和洞顶。地质调查结合平硐资料揭示，斜坡岩体中主要发育5组优势结构面（图5）：①285°∠70°，相对桥位边坡陡倾坡内，相对八曲侧斜坡陡倾坡外；② 345°∠40°，相对桥位边坡和八曲侧斜坡均为中陡倾坡内；③ 213°∠30°，相对桥位边坡中倾坡内，相对八曲侧斜坡中倾坡外；④ 30°∠77°，与桥位边坡垂直，相对八曲侧斜坡陡倾坡内；⑤ 156°∠82°，相对桥位边坡和八曲侧边坡均为陡倾坡外。

图5 成都侧岸坡岩体裂隙极点图（上半球投影）Fig.5 Discontinuities dominant orientation of bank slope to Chengdu（upper projection）

2 岸坡变形破坏特征

从地形地貌来看，特大桥成都侧为山脊陡倾、单薄斜坡，岸坡中上部为构造混杂岩带。斜坡岩性为二云石英片岩、绿片岩，局部夹少量黑云片岩和大理岩等。河流下切导致斜坡岩体向临空面卸荷回弹，外界风化营力进入斜坡内部，加上强烈的构造活动，导致斜坡浅表部岩体风化卸荷强烈，岩体完整性和工程特性差。野外地质调查发现成都侧岸坡浅表部发育多处危岩体（图6），存在崩滑、落石、滚石等威胁桥梁和桥基工程安全的隐患。另外拟建桥位上游发育八曲冲沟，其中左岸（靠拟建桥墩一侧）为顺层斜坡，该斜坡历史上曾发生多次较大规模滑动，目前在斜坡中下部仍堆积有最大厚度达60余米的崩滑堆积体，在斜坡顶部发育2处较大规模潜在危岩体，如图6（a）所示。根据设计资料，特大桥成都岸主桥墩距离斜坡顶部山脊仅40～50 m，一旦八曲侧斜坡在地震等工况下再次发生较大规模顺层下滑垮塌，可能直接破坏或摧毁大桥桥墩，从而影响特大桥以及整个川藏铁路的安全运营（图7）。

图6 成都侧岸坡变形破坏特征Fig.6 Deformation and failure characteristics of bank slope to Chengdu

图7 成都侧八曲顺层斜坡工程地质剖面图Fig.7 Engineering geological profile of bedding slope of the Baqu river

基于野外地质调查，总结成都侧岸坡岩体变形破坏模式主要有以下3种：

①顺层滑移破坏，主要发育在八曲侧顺层斜坡。这类破坏主要受层间弱面影响控制：斜坡岩体顺层间弱面蠕变变形，当变形达到一定程度后，受降雨、地震等外界扰动，斜坡岩体突然发生顺层间弱面的下滑破坏，如图6（a）所示。

②坠落式破坏，主要发育在桥位边坡，规模一般小于10 m3。这类破坏主要受多组结构面切割以及强烈卸荷拉张裂隙影响控制，如图6（b）所示。

③倾倒式破坏，在桥位边坡和桥位东侧边坡均有发育，规模一般从几立方米至上百立方米不等。这类破坏和岩体结构、坡体结构以及与临空面的组合关系密切相关，主要是部分层状或似层状岩体在长期的重力作用下发生向临空面的弯曲变形破坏，如图6（c）所示。

3 八曲侧岸坡稳定性分析

3.1 稳定性计算

成都岸八曲侧斜坡历史上曾发生过较大规模下滑垮塌破坏，目前在坡脚仍堆积有厚数十米的崩滑堆积体，并且八曲侧斜坡局部地段为顺层斜坡。结合现场调查、经验判断以及工程类比分析，考虑到斜坡岩体结构、岩性特征以及构造片理面发育特征，未来在强震或暴雨工况下，八曲侧岸坡的稳定性相对成都岸其它两侧岸坡稍差。因此在地质调查的基础上，采用刚体极限平衡法进一步计算八曲侧斜坡不同工况下的稳定性，为工程治理以及防灾减灾提供地质依据。

斜坡潜在滑动面的确定是斜坡稳定性分析计算的一个重要前置条件，也是工程防治设计的重要参考，直接决定着斜坡稳定性分析计算结果的科学性和合理性。在本次研究工作中，采用数值模型计算八曲侧斜坡位移和变形趋势，结合现场调查以及钻探和平硐揭露情况，综合分析确定八曲侧斜坡潜在滑动面位置，并进行不同工况条件下的稳定性计算。

采用PHASE软件进行数值计算，结果表明：强震工况下八曲侧斜坡中上部强风化岩体出现明显位移变形趋势，特别是在斜坡顶部的危岩体出现向临空面和斜坡下方较大的位移量，斜坡岩体存在顺构造片理面下滑破坏趋势（图8）。

图8 地震工况（PGA=0.3 g）八曲侧斜坡位移矢量及云图Fig.8 Displacement vector of the Baqu slope（PGA=0.3 g）

根据数值分析结果，结合八曲侧斜坡地质结构和变形破坏模式、边界条件等，建立相应的刚体极限平衡法计算模型，如图9所示。计算模型中一共设置2个潜在非圆弧破裂下滑面，分别为滑面1和滑面2：滑面1对应的下滑体是斜坡顶部潜在危岩体；滑面2对应的下滑体是强风化、强卸荷带内潜在的顺层滑动破坏。

图9 八曲侧斜坡稳定性分析计算模型Fig.9 Model of rigid body limit equilibrium of the Baqu slope

稳定性计算采用商用软件slide，计算模型中的材料分别有堆积体、强风化岩体、弱风化岩体、微风化岩体以及强风化和弱风化岩体中的顺层片理面。计算参数参考铁路系统专题报告给出的各类材料物理力学参数，具体见表1。计算工况见表2。

表1 八曲侧斜坡稳定性计算参数表Table 1 Calculation parameters of slope stability

为了对比分析不同计算方法得到的稳定性结果，采用一般条分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法和Morgenstern法等5种方法计算不同工况条件下八曲侧斜坡的稳定性，结果见表2。从表2可知，对于斜坡顶部危岩体（滑面1）：

表2 八曲侧斜坡稳定系数计算结果Table 2 FOS calculation results of stability of the Baqu slope

①天然和暴雨工况下的稳定系数分别在1.44～1.46和1.13～1.15之间，处于稳定状态，这与现场调查斜坡顶部危岩体稳定性现状吻合。

②地震工况计算结果表明，PGA≤0.2g时，斜坡顶部危岩体稳定系数在1.07～1.28之间，整体处于稳定状态；当PGA进一步增大到0.3g时，计算得到的稳定系数小于1.0，危岩体可能发生整体的失稳破坏。

③暴雨+地震工况下，当PGA=0.1g时，危岩体整体稳定系数在0.97～1.00之间，基本处于极限平衡状态；当PGA≥0.15g时，危岩体整体稳定系数小于0.95，可能出现整体的失稳破坏。

对于强风化、强卸荷带内顺层面滑动体（滑面2）：

①天然和暴雨工况，潜在滑动体的整体稳定系数大于1.2，处于整体稳定状态。

②地震工况，当PGA≤0.2g时，潜在滑动体整体稳定系数在1.1以上，处于整体稳定状态；当PGA进一步增大到0.3g时，潜在滑动体的稳定系数在0.97～1.01之间，基本处于极限平衡状态。

③暴雨+地震工况，当PGA≤0.15g时，潜在滑动体稳定系数在1.0左右，处于整体稳定状态；当PGA≥0.2g时，潜在滑动体稳定系数小于0.94，可能出现下滑失稳破坏。

本文所述的滑面1和滑面2是根据现场调查结合理论分析确定的，对应的稳定性计算结果与斜坡岩体中发育的优势结构面方位和连通率密切相关，特别是第三组优势结构面（213°∠30°），对八曲侧顺层岩质斜坡稳定性有较大的影响。建议后续进一步加强勘察，掌握优势结构面三维空间展布特征以及连通率，分析不同工况条件下，巴曲侧顺层岩质斜坡不同方位、不同连通率情况下的稳定性。

根据表2的计算结果，将5种方法计算得到的稳定系数（FOS）的平均值与计算工况置于同一个坐标系中进行分析，如图10所示。总体而言，在相同工况条件下，滑面1对应的潜在滑坡体比滑面2对应的潜在滑坡体稳定系数稍低，意味着相同工况条件下，八曲侧斜坡顶部危岩体稳定性比强风化、强卸荷带内顺层面滑动体稳定性低一些，这与实际调查情况吻合。另外当斜坡遭遇强烈地震时（PGA≥0.3g），八曲侧顺层岩质斜坡，特别是斜坡顶部潜在危岩体可能出现较大规模失稳破坏，威胁特大桥塔墩以及火车的安全运行。

图10 滑面1和滑面2不同工况稳定性计算结果对比分析Fig.10 Stability calculation results of sliding surface 1 and sliding surface 2 under different conditions

3.2 八曲侧岸坡稳定性综合分析

从前面的分析结果可知，川藏铁路某特大桥成都岸八曲侧斜坡强震工况以及暴雨+地震工况的稳定性较差，可能出现局部（斜坡顶部潜在危岩体）及强风化、强卸荷带内的顺层滑动破坏。一旦八曲侧斜坡中上部出现较大规模顺层下滑破坏，可能直接导致上游侧特大桥主塔墩出现变形拉裂，甚至断裂垮塌，影响甚至中断川藏铁路的正常通行。另外，成都岸斜坡中上部主桥墩和隧道锚位置岩性为二云石英片岩、绢云石英片岩、石英岩、绿泥钠长片岩等，岩体中结构面发育，岩体结构和完整性差，导致其工程力学特性较差，在斜坡岩体自重以及铁路建成后火车运行形成的交变荷载长期作用下，斜坡岩体深层蠕滑变形问题也不容忽视。

4 结论

（1）川藏铁路某特大桥河谷为典型的“V”字型河谷。岸坡整体地形坡度上缓下陡，拟建的特大桥桥面距河水面高差超过600 m。其中成都侧岸坡三面临空，整个岸坡由桥位边坡、桥位东侧边坡和八曲侧边坡组成，一共发育5组中陡倾优势结构面。

（2）川藏铁路某特大桥成都侧岸坡主要发育顺层滑移破坏、坠落式破坏和倾倒式破坏等3种变形破坏模式，其中对桥基稳定性影响最大的是八曲侧顺层岩质斜坡。历史上该斜坡曾发生大规模顺层崩滑灾害，拟建的主塔墩距八曲侧斜坡顶部山脊线直线距离最近处仅40～50 m。一旦八曲侧斜坡再次发生较大规模崩滑，或持续发生多次较小规模崩滑（类似“剥洋葱”式的持续崩滑垮塌），可能导致特大桥主塔墩出现拉裂、下沉等变形破坏，直接影响特大桥以及整个川藏铁路的安全运营。

（3）八曲侧顺层岩质斜坡稳定性计算结果表明：天然和暴雨工况，斜坡稳定性较好。强震以及暴雨+强震工况，斜坡稳定性较差，可能出现局部或整体失稳破坏，导致主塔墩出现拉裂、倾倒、不均匀沉降等变形破坏，进而影响或中断特大桥以及铁路的正常安全运行。

建议对该特大桥成都岸现有危岩体进行清除、加固后，针对八曲侧顺层岩质斜坡进行深入勘探研究，特别是重点研究强震、暴雨以及长期蠕滑变形等工况下八曲侧斜坡可能出现的变形破坏模式、范围和程度，采取科学、合理、经济的工程措施予以处理，降低特大桥施工以及运行期间的地质安全风险。

致谢：成都地质调查中心的王冬兵、刘函等人参与野外地质调查并提供部分图件素材，在此一并表示感谢！