復雜地質作用下環庫高速公路選線研究

王振翠

摘要：研究區處于祁呂賀山字型構造和隴西旋卷構造體系的復合部位，臨近劉家峽水庫，區域地質構造與水文地質條件復雜，巖性多樣，不良地質與特殊性巖土發育，嚴重制約路線方案布設。本論述從高速公路工程實例出發，針對環庫高速公路可能存在的地質問題進行探討，結合技術可行性、地質類型等多方面的要求，闡述了環庫公路可能遇到的地質問題，并提出處治建議。為確保環庫高速公路安全通，盡量避開潛在地質高風險區，重視主動控制加固措施，提高公路安全水平。該研究成果可為環庫公路選線提供參考。

關鍵詞：環庫公路;地質選線;不良地質與特殊性巖土

中圖分類號：U416.14文獻標志碼：A

0 引言

復雜地質環境下公路選線“地質先行”已經成為業內共識，不重視前期地質研究往往造成公路地質災害頻發，后期走廊變更頻繁，造成重大經濟損失以及人員傷亡[1]。

復雜山區高速公路選線制約因素主要有地形條件、環境保護、礦產資源覆蓋等，要充分利用地形特征，盡量避免高填深挖、不良地質與特殊性巖土、活動構造等不利于公路安全與穩定地段[2]，同時也要兼顧保護環境、推動地方經濟、旅游，方便周邊居民出行[3]。

目前，公路選線主要有生態選線[4]（水源保護區、自然保護區等）、規劃選線（城鎮規劃、產業園區規劃等）、工程地質選線[5]（不良地質、特殊性巖土、活動斷層等）、安全選線等[6]。

本論述以劉家峽水庫環庫高速公路某段為例，探討環庫高速公路地質選線的理念和思路。

1 項目概況

劉家峽水庫環庫高速公路起點位于永靖縣三條峴（大臺子），與規劃蘭州至永靖至臨夏高速相接，經牛鼻子咀、尤家村、峴塬鎮、三塬鎮、向陽村、尕白家、海螺山，終點位于積石山縣，與臨大高速相接，全長74 km。如圖1 所示。

區域內海拔落差較大，地形復雜，山川交錯，河谷縱橫，屬于盆地邊緣的次高山群及高原丘陵區。地貌形態按其成因，分為侵蝕堆積河谷階地地貌、剝蝕堆積黃土梁峁溝壑地貌和構造剝蝕石質低中山地貌三種類型。

2 氣象與水文

2.1 氣象

研究區地處青藏高原東北邊緣，氣候處于溫帶半濕潤區與高寒陰濕區過渡帶，具有大陸性、季風性的山地氣候特點，年降雨量小于300 m，標準凍土深度113cm。在全國公路氣候自然分區中屬黃土高原干濕過渡區（Ⅲ區）的甘東黃土山地區（Ⅲ3區）。

2.2 水文

路線多沿著黃河及支流階地布設，主要河流由黃河、銀川河、吹麻灘河，水庫為劉家峽水庫。

劉家峽水庫：路線沿著水庫西側布設。劉家峽水庫位于黃河上游，位于甘肅臨夏永靖縣城西南1 km 處。水庫東起劉家峽大壩，西至炳靈寺峽口，呈西南-東北走向，南接東鄉、臨夏縣，北連永靖縣，湖岸線長55 km，水面最寬處6 km，水域面積達130多 km2，蓄水量約57億多m3，劉家峽水庫設計正常蓄水位為1 735 m，設計洪水位為1 735 m，校核洪水位為1 738 m，汛期限制水位為1 726 m，死水位為1 694 m，與上游龍羊峽水庫聯合調度，兩庫從2000年進入正常運行狀態，根據劉家峽水庫2000～ 2012年實際運行水位資料，水位在1 717～ 1735 m之間變動，實際出現的最低運行水位為1 717 m。水域面積達130 km2，呈西南—東北向延伸，達 54 km[7，8]。

3 區域地質條件

3.1 水文地質

研究區地下水的形成有三種類型：基巖裂隙水、黃土丘陵區潛水、河谷潛水。水量大小不等，水質屬重碳酸鹽鈣型水，礦化度在0.4～ 8g/L之間，總硬度10左右，境內各種類型地下水，含水層分布零散，彼此之間獨立無聯系，水質各異。大部分地下水水質較好，泉水礦化度低，水化學性質一般為重碳酸鹽——鈣型、碳酸鹽——鈣鎂型。北部山區有硫酸鹽、氯化物鈉鎂型水，礦化度一般較高。

3.2 區域地質構造

區域地質構造處于祁呂賀山字型構造和隴西旋卷構造體系的復合部位，屬祁連山與秦嶺褶皺帶之間，區域構造上屬于祁連山加里東褶皺帶-中祁連隆起帶，系祁連山褶皺帶臨夏-臨洮向斜盆地的西部邊沿，是夾于拉脊山斷裂、西秦嶺北緣斷裂和馬銜山斷裂所圍限的具坳陷性質的盆地（如圖2所示）。線路與王哥集逆斷層相交，屬于非活動性斷層。

王哥集逆斷層：位于向陽碼頭至銀川河一段，主斷裂與路線分別相交于 AK47+700段，以隧道形式小角度通過;該斷層主要發生于白堊統至新近統之間，屬于非全新世活動逆斷裂，延伸方向為20°，延伸長度約18 km，斷層面一般傾向北西，傾角40°～ 60°（320°∠40°）。本斷層有一分支進入下盤新近系之中，其走向也為北東延伸，斷層面傾向北西，傾角74°，與路線相交于 AK44+100段小角度相交，路線主要以橋梁形式通過，對橋梁影響較小，建議橋樁穿透斷層破碎帶，置于穩定地層。因斷層切割 AK40～ AK44、AK47～ AK49段山體斜坡坡頂多呈斷層三角面，坡陡，覆蓋大厚度黃土層，下伏新近系巖體破碎，斜坡穩定性差，滑坡發育，建議臨坡段滑坡進行繞避，并做好支擋防護措施。

3.3 地層巖性

研究區出露地層主要為三疊系、白堊系、新近系和第四系中更新統、上更新統、全新統地層及加里東期火山巖。其中更新統黃土、新近系泥巖、細砂巖為本區主要地層，也是易滑地層，控制區域不良地質與特殊性巖土的發育，如圖3所示。

3.4 新構造運動及地震

3.4.1 新構造運動

新構造運動在本區以垂直升降運動為主，最明顯的標志為河流開闊河段發育了Ⅰ ～Ⅴ級階地。由于歷次構造的影響，形成了第四系與新近系不整合接觸。中、新生界的褶皺一般不很發育，多呈短軸形式，軸向不明顯。

3.4.2地震

研究區處于南北地震帶的蘭州—通渭地震亞帶，該地震亞帶北界為景泰地震亞帶，南界位于臨夏、臨洮、秦安一線以北，東西兩端分別延入陜西、青海境內。地震烈度Ⅶ～ Ⅷ度。

4 不良地質與特殊性巖土

通過野外地質調查以及遙感解譯，線路區及走廊帶內，不良地質主要有滑坡、泥石流、岸坡坍塌等，特殊性巖土為濕陷性黃土、膨脹性泥巖、淤泥質土。

4.1 不良地質

4.1.1滑坡

研究區滑坡主要分布向陽碼頭至合心坪斜坡一帶?；骂愋蜑辄S土滑坡、黃土-泥巖滑坡，其滑體由各種成因的黃土和新近系泥巖共同組成，主要分布于劉家峽水庫西南側斜坡段，如圖4 所示。

臨近水庫段山體基巖破碎，沖溝發育，上部風積黃土、沖積黃土，下部新近系泥巖、礫巖?；露嗯R近劉家峽水庫，黃河流水切割形成高位臨空后，在重力卸荷及降雨作用下形成大-巨型滑坡，其邊界多呈弧狀展布，滑動方向與自然斜坡垂直，發育高度200～ 500 m，滑坡后緣明顯，多呈圈椅狀，坡體呈舌狀或簸箕狀，多為大型或巨型牽引式黃土-泥巖滑坡，滑坡規模大，并以深層滑坡居多。本次共發現滑坡32處，對小型滑塌體采用清除處理+坡腳支擋措施處治。大型、巨型滑坡地質風險高且不易處治，采取繞避措施。如圖5 所示。

4.1.2泥石流

研究區泥石流主要發育于劉家峽水庫西岸溝谷地帶，植被覆蓋極差，區內地層黃土具大孔隙，結構疏松，垂直節理發育等特征，下伏基巖新近系泥巖、礫巖略具成巖作用，風化強烈，受強降雨和水流侵蝕后極易崩解，形成滑坡和崩塌等堆積在溝道和岸坡之上，為泥石流提供充足的固體物源。

降雨是泥石流產生的動力條件，多發生于6 ～9 月份，均由暴雨所誘發，屬于大中型暴雨型泥石流，均處于發育期。由于研究區新構造運動處于穩定上升期，溝床強烈下切且紊亂，常具有猛沖猛淤的特點，往往在短時間運移大量的固體物質，使主溝縱坡不斷進行調整。

泥石流物質組成顆粒差異性大，由黏粒、粉粒、砂粒、圓礫、碎塊石等大小不同的粒徑混雜而成。流域形成多呈溝谷型，呈 V 型谷，主溝縱坡降一般40‰～ 300‰，流域面積一般0.1 ～5.0 km2，基本能劃分出形成區、流通區及堆積區，通常上段為清水補給區，下段為固體物質供給區。危害區為溝口洪積扇和溝道兩岸，以沖淤、淤埋為主，流體重度一般大于16 kN/m3，層流有陣流、紊流，懸力大，沖擊力大，磨蝕力強等特點。路線跨越10處泥石流溝，建議溝心橋樁設置防撞措施，或設置導流渠。

4.1.3岸坡坍塌

主要分布于劉家峽水庫上游，水庫采用“冬蓄夏泄”的調度方式，冬季水位一般在1 733～ 1735 m，夏季水位1 723～ 1724 m，水位調幅變化可達10～ 12 m，如此大的水位變幅，使庫岸地質條件、水文條件大大改變。經多年運行，多數庫岸段坍塌已基本停止，屬塌岸后期，在設計正常蓄水位1735 m 以下多形成緩坡，為淺灘帶，基本處于穩定狀態。1735 m 以上多為黃土塬臺地貌，為陡峻土質岸坡，岸坡穩定性差或較差，由于對庫岸沒有進行必要的防護，在庫水浸泡、側蝕作用下常有大、小規模不等的塌岸發生，庫岸仍不斷向岸外在擴展。

另外在黃土塬臺面建成了眾多提灌工程，由于長期漫灌，灌溉回歸水大量滲入地下，改變了庫岸天然水文地質條件，進一步加劇了庫岸的坍塌破壞。水庫塌岸，造成岸線后移，嚴重威脅坡頂公路運行安全。

路線經過段屬于巖土混合岸坡、土質岸坡、泥巖岸坡三類，上部覆蓋層黃土厚度在1.5～ 5.0 m，坡腳有泥巖出露。土體結構松散，局部架空，抗沖刷能力較好，多形成陡坡，垂直裂隙發育，易發生岸邊卸荷，巖體軟弱破碎，泥鈣質膠結差，在水位變動及風浪的作用下，受干濕交替變化和風浪沖刷發生軟化崩解，從而導致岸坡發生破壞，抗沖刷能力差，塌岸較頻繁。

4.2 特殊性巖土

4.2.1濕陷性黃土

沿線濕陷性黃土可分為：第四系全新統濕陷性黃土狀土（Q4al+pl） ，主要分布在河流級Ⅰ、Ⅱ階地之上，厚度一般2 ～8 m 左右，具有Ⅱ級（中等）～ Ⅲ級（嚴重）自重濕陷性，對路基有一定影響;第四系上更新統風積黃土（Q3eol） 和沖積黃土（Q3al） 主要分布于黃土殘塬和高階地區，黃土陷穴較為發育，土體垂直節理和大孔隙發育，具有自重濕陷性，濕陷深度大于10 m，濕陷等級多為Ⅲ級（嚴重）- Ⅳ級（很嚴重）自重濕陷。

濕陷性黃土對路基可采用強夯碾壓或灰土換填等處理措施，經處理后對線路不會構成重大危害。盡量避免高邊坡出現，不可避免時可采用1：1～ 1.25的坡率進行放坡處理，對形成的高邊坡坡面應進行全面防護，防護措施可采用格構防護，在格溝內覆土種草或者采用漿砌塊石進行防護。

4.2.2膨脹型泥巖

主要分布于劉家峽水庫西岸段，地層為新近系臨夏組泥巖、砂質泥巖，屬軟質黏土巖，通過地質調繪發現，該巖石暴露于空氣易風化，遇水易軟化膨脹、崩解，受雨水沖刷易發生變形破壞。根據工程試驗，泥巖自由膨脹率 Fs 為40% ～55%，依據《公路工程地質勘察規范》JTG C20-2011表 8.3.4膨脹土分級標準，泥巖具有弱膨脹性，在設計時應考慮其膨脹性。

4.2.3淤泥質土

主要分布于劉家峽水庫庫區。上部為沖積黃土與砂礫互層，或者完全為沖積黃土，該層厚度20～ 25 m，多呈淤泥狀，壓縮性高，承載力低;新近系泥巖膠結疏松，且遇水易軟化崩解特性，承載力較低。隨著庫水淤泥的逐年沉積以及地震影響，對橋梁樁基可能產生負摩阻力。建議橋樁穿透淤泥質土層，以中風化泥巖作為橋樁持力層，并考慮負摩阻力產生下拉荷載對橋樁的影響，適當延長樁長。

5 典型工點評價

路線走廊區內主要工點為韭灘隧道，和炳靈寺黃河大橋，兩者地質條復雜，施工難度大，屬于控制性工程。

韭灘嶺隧道：隧道長3.2 km 。地處構造剝蝕石質低中山區。路線以隧道形式穿越馬家山弧形山體。山體呈月牙狀，山脊呈魚脊狀，海拔1 720～ 2160 m，高差約 440 m，地形起伏變化大，整體坡陡西緩東陡。東側斜坡滑坡發育，沖溝發育，地表支離破碎。西側斜坡基巖裸露，多呈陡崖狀，整體較整齊。地層巖性上部為第四系中更新統（Q2al+pl）碎石土：雜色，稍密-中密，稍濕，泥質微膠結，粒徑一般在2 ～5 cm，最大粒徑可達20 cm，砂土填充，骨架顆粒以花崗巖、砂巖、片麻巖碎屑為主。為不良工程地質巖組，邊坡穩定性差，開挖易滑塌，圍巖穩定性差，圍巖級別Ⅴ級。新近系臨夏組（ N） 泥巖：棕紅色，層狀構造，泥質結構，成巖差，屬于極軟巖，圍巖穩定性差，圍巖級別Ⅴ級。白堊系（K） ：暗紫紅色砂礫巖，厚層狀構造，夾薄層砂巖，礫巖由滾圓度很差的礫石組成，局部為角礫巖，其成分隨地而異，膠結物為砂質、泥質，當砂質成分增多時，即變為砂礫巖，一般分選很差，層理發育不好，該層成巖程度差，勘探機械易擾動破碎，錘擊易碎，抗壓強度低，遇水易崩解，圍巖穩定性差，圍巖級別Ⅴ級。

炳靈寺黃河大橋：長約1.6 km，位于侵蝕堆積河谷低階地區。路線以橋梁形式跨越劉家峽水庫庫區及淹沒區。該段地形受庫水位升降影響明顯，一般6 ～8 月份庫水位下降，淹沒區Ⅱ ～Ⅲ級階地出露，向河谷方向傾斜。自上而下依次為淤泥粉土層-黃土狀粉土層-砂卵石呈-新近系泥巖呈，分述如下：（1） 淤泥質粉土層：褐黃色，土質較均勻，含沙量較大，基本不含黏粒，孔隙發育，軟塑，局部夾有沖、淤積薄細砂層，最大厚度約15 m;（2） 黃土狀粉土：黃褐色，土質較均勻，大孔隙發育，稍密，厚度變化較大，一般10～ 20 m;（3）卵石層：雜色，磨圓度較好，粒徑以2 ～8 cm 為主，填充物以中粗砂為主，卵石含量占60% ～65% 。厚約10～ 15 m;（4）新近系泥巖：棕紅色，層狀構造，泥質結構，略成巖，屬于極軟巖。特殊性巖土主要為因庫水侵泡形成的淤泥質土，根據原有土層厚度以及新近系泥巖膠結疏松，且遇水易軟化崩解特性，建議劉家峽特大橋淤泥層深度按30 m 考慮。

主要工程地質問題：（1） 岸坡穩定性問題;（2）橋樁抗浮穩定性問題。

6 結論

（1） 本論述通過遙感解譯以及地質調查，對研究區范圍內地形地貌、水文地質、區域地質、地層巖性、不良地質與特殊性巖土等工程地質特性研究，確定了路線走廊帶內不良地質與特殊性巖土類型、分布以及其成因機制。通過分析不良地質與特殊巖土對路線走廊方案的影響，并提出針對性的處治措施。

（2） 針對環庫高速公路可能存在的地質問題進行探討，結合技術可行性、地質類型等多方面的要求，闡述了環庫公路可能遇到的地質問題，并提出處治建議。為確保環庫高速公路安全通，盡量避開潛在地質高風險區，重視主動控制加固措施，提升公路安全水平。

參考文獻：

[1]江文德，郭正言.高等級公路路線設計與環境保護[J].公路，1996（4）：18-21.

[2]林宣財，王掌軍，王孟超.少洛高速公路路線方案設計[J].中外公路，2005（3）：6—8.

[3]唐中華.渝遂高速公路擴能項目（北碚至銅梁段）路線方案研究[J].公路交通技術，2019，（35）6：6—11.

[4] 唐正光，徐則民，吳華金，等.基于氣候、植被及工程地質的公路“環境選線”[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版） 2009，33（5）：1016-1019.

[5] 嚴鋒，山區高速公路工程地質選線研究[D].西安：長安大學，2014.

[6] 鐘晶，蒲浩，謝春玲，基于運行車速法的交互式道路安全選線CAD系統研究與應用[J].交通與計算機，2008（3）：101— 104.

[7]李新杰，周恒，李暉，黃河劉家峽水庫增建減游發電工程及調控關鍵技術研究與應用[J].西北水電，2021（5）：10—16.

[8]樂茂華，李永清，付廷勤，等.黃河劉家峽水庫洮河口排沙洞運行效果及庫區河道響應[J].泥沙研究，2021（2）：29—34.