二古溪变形体致灾机理及公路重建方案研究

刘 平,何云勇,2,叶尚其,胡朝旭

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

2013年10月5日至2013年11月13日四川省阿坝州狮子坪库区二古溪发生山体变形，导致国道317线二古溪路段受灾严重，二古溪大桥桥台下沉、移位、开裂、桥面隆起，二古溪一、二号隧道拱墙及路面出现喷射混凝土开裂、剥落、掉块、路面隆起等结构破坏性病害，车辆无法通行。鉴于国道317线是四川成都连接西藏、青海、甘肃的重要通道，国道断道将对沿线民众出行，交通运输带来巨大影响。灾害发生后，相关部门立即响应，短时间打通了临时保通便道，并研究公路重建方案。针对水电站库区变形体对库岸公路的影响与防治研究，已有学者开展了研究，取得了一些研究成果[1-8]。本文在已有研究成果的基础上，通过对狮子坪库尾二古溪变形体进行遥感解译、现场调查、地质钻探工作，分析变形体成因机制，并对变形体进行危险分区和评估，为国道317线重建方案提供科学依据。

1 二古溪变形体致灾机理分析

1.1 二古溪变形体规模

二古溪变形体位于狮子坪水电站库区库尾左岸，下距坝址约7.2 km，上距库尾约2.3 km。现场地质调查显示，二古溪变形体整体呈狭长的扇形，近似于三角形，变形体顺河长1 000～1 050 m，横河宽1 050～1 100 m，前缘高程约2 510 m，后缘高程约3 290 m，相对高差约780 m，自然坡度35～45 °。根据地质测绘物探及钻孔勘探资料揭示，推测变形体底界面深度30～80 m，平均厚度约45 m，估计总体方量约2 400×104m3。变形体表部覆盖层物质主要为块碎石土、含块碎砾石土，下部基岩为三叠系上统杂谷脑组变质砂岩夹千枚状板岩、侏倭组千枚状板岩与变质砂岩互层。

1.2 二古溪变形体特征

根据变形体规模、分布特征、发展过程、变形发育程度、裂缝分布范围及微地貌特征，将二古溪变形体分为A、B区两大区(图1)。其中A区为变形主体，依据变形迹象特征又进一步分为A1、A2、A3等三小区。总体来看，A区变形明显，边界完备，其上下游边界及后缘发育的主裂缝已经完全贯通，形成圈闭状态。A区边坡向临空面变形及向下沉降变形迹象明显，坡体前缘的原二古溪1号、2号隧道变形破坏也十分明显，在其前缘地表及构筑物上的变形破坏分段特征清晰。B区变形破坏迹象轻微，仅在前缘2号隧道上游G317公路挡墙有轻微的变形迹象，后缘也隐约发现有数条尚未贯通的小裂缝。

图1 二古溪变形体分区航拍[9]

A1区范围为上游侧边界沿已建二古溪1号隧道上游洞口裂缝向上方延伸，下游侧边界为已建二古溪大桥左岸桥头下游侧裂缝，后缘地表调查暂未发现裂缝，推测高程在2 900～2 950 m。A1区整体呈扇形，顺河宽度约500 m，垂直河长度大于665 m，分布高程2 508～2 950 m。根据地质测绘及钻孔勘探资料揭示，变形体底界面深度30～80 m，推测平均厚度约45 m，估计总方量约800×104m3。A1区变形迹象明显，前缘河边可见地表失稳垮塌，上、下游可见裂缝，位于该区下部的二古溪1号隧道变形破坏迹象显著，底板隆起、错台，洞壁及洞顶产生塌落，洞型由标准“马蹄”型变形为“扁马蹄”型A1区物质组成以含块碎石土为主，前缘约30 m处于正常蓄水位以下，分析变形方式以牵引式覆盖层滑塌为主。

A2区范围为上游侧边界沿已建二古溪2号隧道外侧公路裂缝向上方延伸，下游侧边界为二古溪2号隧道下游洞口外裂缝，而后缘边界不明朗，推测高程在2 700～2 750 m。A2区整体呈宽扇形，沿河延伸长度约320 m，分布高程2 510～2 710 m，变形体平均厚度45～60 m，估计总方量139～162×104m3。A2区变形迹象明显，前缘公路挡墙出现剪切裂缝、二古溪2号隧道内隧道底板错台隆起，边墙及顶拱剪切痕迹明显。A2区物质组成以变质砂岩与板岩为主，坡体前缘约30 m处于正常蓄水位以下，破坏方式以基岩的倾倒折断变形为主。

A3区范围为上述A区内除A1区和A2区以外的部分，坡体表层由崩坡积块碎石土及含块碎砾石土组成，下覆基岩为三叠系中统杂谷脑组(T2z)变质砂岩夹千枚状板岩、侏倭组千枚状板岩与变质砂岩互层。地表调查变形迹象较弱，其后缘除A区主边界裂缝外，A3区内部未见明显变形，表部植被发育十分良好。

B区范围为：上游侧边界以二古溪2号隧道上游洞口外的小型冲沟向上方延伸，下游侧以穿过2号隧道的主裂缝(即A区的上游侧边界)为界，后缘以2 910 m左右的数条隐约贯通的裂缝为界。B区整体呈宽“簸箕”形，沿河延伸长度约280 m，分布高程2 510～2 910 m，推测变形体厚度30～60 m，估计总体方量约500×104m3。该区物质组成以块碎石土为主，前缘约30 m处于正常蓄水位以下。目前B区变形迹象不明显，地表调查未见有明显的变形迹象，仅在2号隧道上游洞口外侧公路挡墙有轻微的鼓出，后缘隐约发现有数条尚未贯通的小裂缝。

1.3 二古溪变形体成因

1.3.1 地形条件及地层结构

二古溪坡体地形较陡，平均坡度30～50 °，地表形态呈凹凸不平，有利于雨水下渗，坡体前缘地形陡峻，临空条件好。坡体多被第四系松散物覆盖，局部出露基岩，坡体表部覆盖崩坡积的块碎石土，结构松散，架空严重，下部覆盖冰积块碎砾石土，结构较密实，但其内部夹砾石粉土，性状较软。下覆基岩为三叠系杂谷脑组变质砂岩夹千枚状板岩、侏倭组变质砂岩与千枚状板岩互层，千枚状板岩岩质软，岩体结构有利于发生变形破坏。由于岩层走向与岸坡小角度相交，倾向坡内，倾角较陡，一般70～85 °，加之坡体处于芦干桥背斜的核部附近，受构造影响，岩体较破碎，这种岩体结构决定了一旦出现临空面，在重力场作用下，岩体向临空面方向逐渐变形、倾倒，离地面越近，高程越高，倾倒变形越大，随着变形的加剧，在倾倒较强烈的部位产生楔形拉裂缝，发生弯曲、折断。

1.3.2 地震影响

二古溪变形体位于龙门山断裂带北西侧，距龙门山断裂带之后山断裂(茂汶断裂)约59 km，距龙门山断裂带之中央断裂(北川～映秀断裂)约77 km。2008年5月12日汶川发生8.0级特大地震，对地表产生了强烈的破坏作用，工程区为汶川地震的波及区，影响烈度为Ⅶ度，坡体受地震的影响出现了地表松弛破坏，形成损伤，为雨水入渗提供了有利条件。汶川地震后，二古溪附近还出现了多次4.5级以上的余震，进一步破坏了坡体结构，边坡自稳能力降低，造成工程区两岸多次发生崩塌、滑坡等地质灾害。2013年 4月20日芦山发生7.0级地震，二古溪为地震的波及区，坡体结构受到影响，加剧了坡体的损伤，为坡体进一步变形提供条件。

1.3.3 降雨影响

降雨是诱发山体变形的主要因素之一，尤其是持续高强度降雨，近几年每年雨季(5月～10月)，特别是2012年雨季二古溪边坡遭遇20 d左右持续强降雨影响，表水入渗进一步弱化了岩土体的性质，降低了岩土体的物理力学强度。加之岩土体吸水饱和，静水压力和动水压力增大，重度增大，更易于产生变形，进一步降低了坡体的稳定性，当强度降低到一定程度，在重力等作用下上覆岩土体将沿软弱面产生变形。

1.3.4 水库蓄水影响

2009年狮子坪水库开始一期蓄水(水位2 490 m)，库尾未到达二古溪库段(该段河面高程约2 510 m)，河道保持天然状态。2013年5月狮子坪电站开始二期蓄水，水位从2 465 m开始上升，2013年7月25日水位上升到2 530 m。监测成果显示，库岸前缘边坡开始变形，随后库水位开始下降；当2013年8月15日水位降到2 500 m时，边坡变形趋于稳定；此后库水位又开始上升，当2013年10月9日水位到达2 535 m，边坡变形明显加快；此后水位开始下降，当2013年11月1日水位降到2 520 m以后，变形明显开始收敛，过程线走势平缓。受库水位上升和降落变化的影响，库岸边坡出现变形，导致岸坡前缘产生小规模的塌岸，边坡的稳定性进一步降低，加剧了二古溪坡体的变形破坏。监测资料表明，水库蓄水与岸坡变形具相关性，当库水位上升到2 530 m以上时，坡体前缘变形明显加剧[10]。

2 二古溪变形体发展趋势及稳定性

A区位于B区的下游，总体为强变形区，周边裂缝已经基本贯通，前缘也见明显变形。根据不同部位间变形的差异性，稳定性又存在差异。

(1)A1区位于A区下游侧，其下部二古溪1号隧道已经变形明显，前缘位于库水位以下，局部已经出现垮塌失稳，上、下游侧边界也已经出现拉裂变形，后缘高程2 980 m左右，目前稳定性较差，但由于其前缘物质组成主要为碎裂岩体碎裂松动变形后形成的块碎砾石土，分析其失稳模式可能是前缘以解体式变形破坏为主，基岩以强倾倒变形为主；强倾倒变形带为欠稳定状态。

(2)A2区位于A区上游侧，其前缘二古溪2号隧道及G317公路边坡已经出现明显变形，上、下游侧边界也已经出现拉裂变形，坡内及后缘变形不明显。该区岩体主要由杂谷脑组变质砂岩与板岩组成，岩层走向与谷坡小角度相交，倾向坡内。由于板岩岩质较软，容易产生弯曲变形，加之杂谷脑河快速下切，形成高陡谷坡，在重力作用下，岩体向临空面方向逐渐变形、倾倒，随着变形的加剧，在倾倒较强烈的部位产生楔形拉裂缝，发生弯曲、折断。分析在库水、连续降雨等因素作用下，可能出现变形；强倾倒变形带为欠稳定状态。

(3)A3区位于A1、A2区之间，地表调查其变形迹象微弱，现状整体基本稳定。但在A1区、A2区变形失稳后会失去支撑，形成临空面，失去支撑的上部堆积体物质变形可能进一步加剧，存在失稳的可能。

(4)B区位于A区的上游，总体为弱变形区，地表调查未见有明显的下错和变形迹象，周边裂缝未贯通，无统一边界，前缘也未见明显变形，地表变形迹象微弱，现状整体基本稳定。

从地表地质调查、钻孔勘探与监测资料分析，二古溪变形体发生整体快速失稳破坏的可能性小，但在暴雨、地震及水库蓄水等因素作用下，极易在变形体前缘出现一定规模的局部库岸失稳，继而影响变形体的整体稳定。

3 国道317线重建路线方案对比分析

3.1 方案概况

根据变形体危险区域划分及稳定性评价，如图2所示，在来苏河两侧拟定了3个重建方案K线、A线和B线进行对比分析。其中，K线、B线方案位于来苏河左岸，设隧道穿越二古溪变形体下部；A线方案位于来苏河右岸，绕避二古溪变形体，但又受右岸纳山变形体影响。

图2 公路重建路线方案示意

3.2 方案对比

3.2.1 变形体对方案的影响分析

K线、B线二古溪隧道进口基本位于裸露的基岩；K线二古溪隧道洞顶距二古溪变形体底面约310 m，B线二古溪隧道洞顶距二古溪变形体底面600 m。两隧道出口位于变形体上游，K线隧道出口距变形体上游边界约350 m；二古溪变形体对K线、B线隧道方案影响较小。而A线九架棚二号隧道出口与二古溪变形体B区隔河相望，平面相距约不到100 m(图2)。类比2013年10月发生的大规模变形和沿库区坍岸现象，狮子坪库区再次蓄水至设计高程以后，存在变形体前缘的库岸坍塌问题，对A线九架棚二号隧道新出口及桥梁均存在威胁。

从地质调查和勘探成果分析可知，纳山变形体地表未发现明显的贯通的拉裂或破坏现象，深部也不存在明确的贯通性滑动面，但坡体后部有地表开裂和错台存在，表明局部有发生变形的迹象。因此，虽然纳山变形体目前整体稳定，但稳定程度不高，且随着时间的推移，表浅部岩体倾倒变形加剧，发生弯曲、折断后将顺谷坡向下滑动，形成如谷坡下部和坡脚堆积的碎石土。这种破坏过程是解体式渐进发展的，但A线位于狮子坪库区蓄水范围内(库尾段)，蓄水后仍会发生局部库岸再造坍塌，对A线的桥梁仍有较大威胁。

3.2.2 水库塌岸对方案的影响分析

K线、B线九架棚二号隧道出口，二古溪隧道进口斜坡附近为基岩出露，基本不受库岸再造的影响，隧道出口高程较高也基本无影响。

A线隧道出口段堆积体为碎石土，厚度大于34 m，结构松散，类比二古溪变形体和库区沿岸堆积体的坍岸现象，在蓄水及水位涨落条件下，将会发生库岸再造坍岸，对A线隧道出口段和桥梁形成直接威胁。

3.2.3 工程规模对比分析

对于3个路线方案对比见表1所示，B线隧道长达3 236 m，共2座，总造价40 600万元，工程规模大，不予推荐。K线较A线路线短0.129 km，桥梁短129 m，隧道长733 m，总体工程规模K线略多，造价多480万元。虽然A线施工工期短，工程投资少，但该方案九架棚二号隧道出口存在长、巨厚覆盖层达到36.7 m，同时狮子坪蓄水以后可能导致隧道出口路段丧失整体稳定，且处于已发生变形的二古溪变形体和稳定程度不高的纳山变形体的直接威胁地段，对隧道及桥梁工程的正常运营造成安全隐患；B线基本绕避二古溪和纳山变形体，受地质因素影响小，该方案投资较K线高5 560万元；而K线隧道、桥梁的施工及运营安全可控，且造价适中，因此推荐K线方案(表1)。

表1 K线、A线、B线工程规模对比

4 结束语

四川西部龙门山断裂带受“5·12”汶川大地震及余震破坏严重，山体松散物堆积量大、结构稳定性差，在强降雨或水库消落差影响下，易产生山体变形，损毁交通，影响公路正常通行，导致社会经济和人身财产损失严重。通过对狮子坪库尾二古溪变形体进行遥感解译、现场调查、地质钻探工作，分析变形体成因机制，判别变形体危险区域及长期稳定性，提出3种公路重建方案。经对比分析，推荐采用新建隧道、桥梁的施工及运营安全可控的路线方案。可供类似库区山体变形公路损毁后，科学制定重建方案参考。