金沙江溪洛渡—白鶴灘段岸坡變形破壞規(guī)律

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059； 2.四川省水利基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督中心站，成都 610017)

1 研究背景

中國西南地區(qū)處于地形第一級向第二級的過渡地帶，地形高差較大，是較為理想的水電開發(fā)地區(qū)[1]。以金沙江干流下游為例，從攀枝花市至宜賓市河段就有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4個大型梯級水電站。但是，在本區(qū)域強烈的外動力地質(zhì)作用下，河流快速下切，河谷切割深度達500～2 000 m，兩岸形成高山峽谷地貌[2]，造成庫區(qū)沿線岸坡地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育，規(guī)模龐大[3]。同時，水庫蓄水將引起水位變幅帶影響范圍內(nèi)岸坡的水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，誘發(fā)潛在地質(zhì)災(zāi)害，威脅水庫本身及庫岸附近人民生命財產(chǎn)安全[4-7]。因此，研究庫區(qū)岸坡變形破壞的形成與分布規(guī)律，分析其演化趨勢及其長期穩(wěn)定性是水電站建設(shè)全過程及運營期高度關(guān)注的問題之一。相關(guān)學(xué)者也在這方面開展了大量的研究[8-12]，但是針對金沙江干流河段的研究較少，僅有鄧宏艷等[3]、崔玉龍等[10]、趙建軍[13]開展了部分定性和少量的統(tǒng)計分析。

本文以金沙江溪洛渡—白鶴灘段庫區(qū)為例，通過現(xiàn)場調(diào)查復(fù)核，結(jié)合高清航空影像資料解譯，按照“地質(zhì)過程機制分析”和“系統(tǒng)工程地質(zhì)學(xué)”的思想，對庫區(qū)岸坡變形破壞規(guī)律采用統(tǒng)計學(xué)方法及自組織理論進行分析。深入探討岸坡變形破壞與庫區(qū)地形地貌、巖土體類型與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，總結(jié)出研究區(qū)段岸坡變形破壞的統(tǒng)計規(guī)律。

2 庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境

2.1 地形地貌

溪洛渡水電站庫區(qū)地處云貴高原和四川盆地兩大地貌單元所接壤的大涼山地帶向川中盆地之過渡地段，屬強侵蝕高山、中山地貌類型。金沙江總體呈北東向展布，河谷切割深度在1 500 m左右，基本上以“V”型谷為主，河谷狹窄，谷坡陡峭。

2.2 地層巖性

庫區(qū)內(nèi)除缺失石炭系、侏羅系上統(tǒng)及第三系之外，從元古界至第四系均有出露。巖性涵蓋巖漿巖、變質(zhì)巖及沉積巖，主要有峨眉山玄武巖、千枚巖、白云巖、灰?guī)r及砂頁巖等。前震旦系(Pt(m))僅出露于對坪一帶，震旦系(Z)分布在庫區(qū)嶺脊部位，且與區(qū)域斷層相伴出露。古生界寒武系(∈)、奧陶系(O)、志留系(S)和二疊系(P)分布在庫區(qū)絕大部分庫段，為庫區(qū)的主要地層，約占庫區(qū)面積的70%～80%，其中峨眉山玄武巖(P2β)主要分布在溪洛渡、白鶴灘壩址區(qū)及庫區(qū)中部黃坪上游。中生界三疊系(T)主要分布在溪洛渡兩側(cè)壩肩以上區(qū)域及庫區(qū)外圍。第四系松散堆積零星分布在沿江兩岸坡腳及金沙江河床和階地部位。

2.3 區(qū)域構(gòu)造

溪洛渡水電站庫區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺西部的二級構(gòu)造單元上揚子臺褶帶西北側(cè)。西鄰康滇地軸，東接四川臺拗。在庫區(qū)內(nèi)，構(gòu)造類型以北東向和南北向的斷裂、褶皺為主，而小規(guī)模的北西向斷層則屬北東向斷裂的伴生構(gòu)造。從庫區(qū)上游至壩址構(gòu)造形跡由以斷裂為主過渡為以褶皺為主。抓抓巖—牛欄江河段發(fā)育北東向蓮峰斷裂及南北向峨邊—金陽斷裂，石板灘以下的近壩庫段和壩址區(qū)主要發(fā)育一系列的北東向褶皺。

2.4 水文地質(zhì)

庫區(qū)地下水主要劃分為松散堆積物孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水3大類。松散堆積物孔隙水主要賦存于第四系沖洪積、崩坡積及滑坡堆積塊碎石或塊碎石夾黏土層中，受大氣降水補給；基巖裂隙水主要賦存于寒武系(∈)、二疊系(P)與三疊系(T)裂隙較為發(fā)育的玄武巖、粉砂巖以及砂巖地層中，其補給源主要為大氣降水，向金沙江排泄；碳酸鹽巖巖溶裂隙水主要分布于白云巖、灰?guī)r地層中，富水程度取決于該巖類的巖溶化程度，補給仍以大氣降水為主，集中向金沙江排泄。

3 岸坡變形破壞的統(tǒng)計規(guī)律

研究表明，岸坡變形破壞是多種內(nèi)外環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果[12,14-16]。限于篇幅，本文僅從岸坡結(jié)構(gòu)和地層巖性兩大類主要因素入手分析，揭示研究區(qū)段內(nèi)岸坡變形破壞的主要規(guī)律。

3.1 變形破壞與岸坡結(jié)構(gòu)的關(guān)系

3.1.1 岸坡結(jié)構(gòu)的劃分

庫區(qū)岸坡結(jié)構(gòu)是岸坡變形破壞的基本條件，不同的岸坡結(jié)構(gòu)決定著岸坡變形破壞類型、數(shù)量和規(guī)模[13]，而確定巖土體岸坡類型及其空間分布也是岸坡變形破壞規(guī)律與岸坡穩(wěn)定性評價研究的基礎(chǔ)[17]。

調(diào)查表明，庫區(qū)巖體結(jié)構(gòu)類型與岸坡結(jié)構(gòu)類型、變形破壞特征關(guān)系密切。首先，根據(jù)兩岸出露巖體結(jié)構(gòu)特點，將岸坡結(jié)構(gòu)劃分為4個主類，即中厚—厚層狀結(jié)構(gòu)、薄層—互層狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。然后，選取巖層傾向與岸坡傾向間的夾角φ和巖層傾角β作為細分岸坡結(jié)構(gòu)亞類的基本依據(jù)。根據(jù)文獻[13]的研究，本文略作改動，將溪洛渡庫區(qū)岸坡結(jié)構(gòu)劃分為18種類型，詳見表1。

3.1.2 岸坡結(jié)構(gòu)發(fā)育特征

岸坡結(jié)構(gòu)類型分布如圖1所示。根據(jù)各個結(jié)構(gòu)類型岸坡分布的岸線長度統(tǒng)計分析，各類岸坡沿江兩岸均有不同程度的發(fā)育分布。其中，雜亂松散堆積結(jié)構(gòu)(Ⅳ2)岸坡最為發(fā)育，長度占比接近20%，其成因主要是由于高陡岸坡在長期外動力地質(zhì)作用下發(fā)生破壞，碎屑物質(zhì)大量散亂堆積于坡腳形成崩坡積堆積。其他的中厚—厚層狀結(jié)構(gòu)橫向(Ⅰ1)、逆向(Ⅰ 2)、順向(Ⅰ 3)岸坡，薄層—互層狀結(jié)構(gòu)橫向(Ⅱ1)、中傾—緩傾逆向(Ⅱ 21，Ⅱ 22)岸坡及層狀松散堆積結(jié)構(gòu)(Ⅳ1)岸坡占比均>5%，而薄層—互層狀結(jié)構(gòu)陡傾(Ⅱ 23，Ⅱ 33)岸坡分布較少，占比<2%。

表1 岸坡結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計情況一覽表Table 1 Classification of bank slope structure types

圖1 岸坡結(jié)構(gòu)類型分布直方圖Fig.1 Histogram of bank slope structure types

從岸坡的巖體結(jié)構(gòu)統(tǒng)計分析可見，除鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)岸坡占比較小外，其余3類岸坡占比較為接近。

3.1.3 變形破壞與岸坡結(jié)構(gòu)關(guān)系

經(jīng)現(xiàn)場復(fù)核和遙感解譯，確定庫區(qū)滑坡、崩塌及變形體共計95個。其中滑坡77個，占總個數(shù)的81.05%，累計體積達29.84×108m3，占總體積的98.63%；崩塌5個，占總個數(shù)的5.26%，累計體積為1 144.5×104m3，占總體積的0.38%；變形體13個，占總個數(shù)的13.69%，累計體積為3 006×104m3，占總體積的0.99%。以上統(tǒng)計表明，無論是數(shù)量還是規(guī)模，庫區(qū)岸坡變形破壞均以滑坡最為發(fā)育，基巖變形體次之。

要合理評價庫區(qū)沿岸變形破壞發(fā)育特征，分析不同地質(zhì)環(huán)境因素對變形破壞形成的影響程度，就要在不同地質(zhì)環(huán)境條件下，分析變形破壞的數(shù)量特征和規(guī)模特征。比如，某類地質(zhì)環(huán)境下，單位岸線長度發(fā)育的變形破壞數(shù)量越多或者規(guī)模越大，則變形破壞強度越大。因此，這里類比劉漢超等[18]的研究成果，給出變形破壞相對發(fā)育s強度指數(shù)RDII(Relative Development Intensity Index)的計算式為

j=1,2,…,N。

(1)

本文選擇變形破壞的密度指標(biāo)(個/km)和模數(shù)指標(biāo)(104m3/km)作為評價指標(biāo)，且兩類指標(biāo)對變形破壞相對發(fā)育強度貢獻相等，也即w1=w2=0.5。

變形破壞發(fā)育強度判別標(biāo)準(zhǔn)見表2，變形破壞與岸坡結(jié)構(gòu)的關(guān)系的計算結(jié)果如圖2所示。

表2 變形破壞發(fā)育強度判別標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard of development intensity ofdeformation and failure

圖2 變形破壞與岸坡結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.2 Relationships between characteristics ofdeformation and failure and bank slope structure

由圖2可見：中厚—厚層狀結(jié)構(gòu)(Ⅰ)和散體結(jié)構(gòu)(Ⅳ)的岸坡長度占比均在30%左右，但變形破壞的數(shù)量和規(guī)模占比反而較小，RDII在0.20～0.30之間，說明這兩類結(jié)構(gòu)岸坡變形破壞發(fā)育一般。其原因主要是巖層越厚，化學(xué)與物理力學(xué)性質(zhì)相對越穩(wěn)定，裂隙形成、風(fēng)化作用等對岸坡的影響越??；沖洪積、崩坡積物等松散堆積體的形成過程本身就是從不穩(wěn)定演化為次穩(wěn)定狀態(tài)的自組織過程[19]，短期內(nèi)再次發(fā)生變形破壞的概率相對較小。

由圖2還可以看出，薄層—互層狀結(jié)構(gòu)(Ⅱ)岸坡長度的占比僅34.8%，形成的變形破壞數(shù)量占比則高達65.3%，規(guī)模占比更高達76.8%，RDII已經(jīng)達到1.00，說明在密度和模數(shù)2類指標(biāo)中均為最大值，該類結(jié)構(gòu)的岸坡穩(wěn)定性差，極易發(fā)生變形破壞，屬于強烈發(fā)育。而且規(guī)模占比要大于數(shù)量占比，說明該類結(jié)構(gòu)岸坡單個變形破壞的規(guī)模相對更大，這與散體結(jié)構(gòu)岸坡正好相反。因鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)(III)岸坡沒有變形破壞，故變形破壞占比為0。

將層狀基巖岸坡按巖層傾向細分，得到變形破壞與岸坡結(jié)構(gòu)的另一種關(guān)系如圖3所示。結(jié)果顯示，橫向岸坡的變形破壞數(shù)量占比較規(guī)模占比要大，說明該類結(jié)構(gòu)岸坡變形破壞的規(guī)模占比都較小，逆向坡則兩種占比接近，而順向坡明顯表現(xiàn)出單個變形破壞占比較大的特征。從RDII指標(biāo)看，橫向坡為一般發(fā)育類型岸坡，逆向坡為中等發(fā)育類型岸坡，順向坡為強烈發(fā)育類型岸坡。

圖3 變形破壞與細分層狀結(jié)構(gòu)后的岸坡結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.3 Relationships between characteristics ofdeformation and failure and layered bank slope structure

3.2 變形破壞與地層巖性的關(guān)系

按照前面的計算方法，將不同地層巖性的變形破壞密度和模數(shù)進行分析。變形破壞與地層巖性的關(guān)系如圖4所示。結(jié)果顯示，前震旦系(Pt(m))地層變形破壞的密度最大，達到1.88個/km，其次是寒武系中統(tǒng)西王廟組(∈2x)地層和奧陶系上統(tǒng)與志留系(O3+S)地層，分別為0.68個/km和0.66個/km；而變形破壞模數(shù)則是奧陶系上統(tǒng)與志留系(O3+S)地層最大，前震旦系(Pt(m))地層相對較小。從RDII綜合分析，各個地層變形破壞的相對發(fā)育強度差異較大，除上述3類地層為較強發(fā)育外，其余地層均為弱發(fā)育。

圖4 變形破壞與地層巖性的關(guān)系Fig.4 Relationships between characteristics ofdeformation and failure and lithology

此外，按照工程地質(zhì)巖組區(qū)分，變形破壞與工程地質(zhì)巖組的關(guān)系如圖5所示。變質(zhì)巖巖組屬于較強發(fā)育類型，碎屑巖巖組屬于中等發(fā)育類型，巖漿巖巖組、碳酸鹽巖巖組和第四紀(jì)堆積層巖組均為弱發(fā)育類型。

圖5 變形破壞與工程地質(zhì)巖組的關(guān)系Fig.5Relationships between characteristics of deformationand failure and engineering geological rock group

4 變形破壞發(fā)育的冪律特征

黃潤秋等(1997)在《工程地質(zhì)廣義系統(tǒng)科學(xué)分析原理及應(yīng)用》一書中指出：“世界上各種事物之間存在著普遍適用的規(guī)律，不僅在于它們微觀結(jié)構(gòu)的單一性，更重要的是表現(xiàn)在宏觀結(jié)構(gòu)的形成遵從某些普適性規(guī)律，存在一些普適性常數(shù)以及同型定律和冪律規(guī)則”。而根據(jù)Bak等[20]對自組織臨界特征的研究，認為冪律規(guī)則是自組織臨界狀態(tài)的行為標(biāo)志。國內(nèi)的許強等[21]、姚令侃等[22]、邱海軍等[23]也從大量的研究成果中發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率的冪律特征。本文也運用這一思想，對金沙江溪洛渡—白鶴灘段庫區(qū)岸坡變形破壞的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，總結(jié)出發(fā)育規(guī)律的冪律特征。

4.1 變形破壞的形態(tài)特征冪律關(guān)系

變形破壞的空間形態(tài)參數(shù)主要有水平投影長度L、水平投影寬度D、平均厚度H、體積V、前緣高程FE、后緣高程TE、平均坡度θ等。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料及部分點的詳細勘察資料，結(jié)合解譯成果，得到庫區(qū)95個變形破壞體的詳細空間形態(tài)數(shù)據(jù)。將以上數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到線性擬合圖形及公式如圖6。圖中，N為形態(tài)參數(shù)大于某限值的變形破壞體數(shù)量，N0為統(tǒng)計的變形破壞體總數(shù)。

圖6 形態(tài)特征與累計頻率關(guān)系Fig.6Relationships between morphological characteristicsand cumulative frequency of deformation and failure

從圖6可以看出，變形破壞的形態(tài)特征與變形破壞累加數(shù)量的自然對數(shù)存在較強的線性關(guān)系。但是，以上關(guān)系式均與統(tǒng)計量N有關(guān)，不能反映該區(qū)域變形破壞發(fā)育的普遍情況。因此，以水平投影長度L為例，考慮作如下變換，即

(2)

P(L)=[exp(-0.001 61L+4.750 3)]/N0。(3)

由此，得到變形破壞體形態(tài)特征大于某個量值的頻率分布規(guī)律。其余頻率表達式見式(4)—式(9)。

水平投影寬度>D的頻率P(D)為

P(D)=[exp(-0.002 17D+4.698 1)]/N0；(4)

平均厚度>H的頻率P(H)為

P(H)=[exp(-0.028 15H+4.661 9)]/N0；(5)

體積>V的頻率P(V)為

前緣高程>FE的頻率P(FE)為

P(FE)=[exp(-0.005 37FE+

6.871 9)]/N0；

(7)

后緣高程>TE的頻率P(TE)為

P(TE)=[exp(-1.061 9×10-9TE3+

4.679 7)]/N0。

(8)

平均坡度>θ的頻率P(θ)為

通過以上各式，得到變形破壞形態(tài)特征參數(shù)的統(tǒng)計特征如表3所示。

表3 變形破壞形態(tài)特征參數(shù)的統(tǒng)計特征(顯著性水平α=0.05)Table 3 Statistics of morphological characteristics ofdeformation and failure (significance level α=0.05)

由于變形破壞體的平均坡度頻率關(guān)系式明顯與其余各式不同，對式(9)作進一步討論。

4.2 變形破壞的發(fā)育特征冪律關(guān)系

按照4.1節(jié)的思路，將前面計算得到的變形破壞密度和模數(shù)進行統(tǒng)計，得到線性擬合圖形及公式如圖7。圖中，P(A)為變形破壞密度大于某值A(chǔ)(個/km)的頻率，P(B)為變形破壞模數(shù)大于某值B(104m3/km)的頻率。

圖7 發(fā)育特征與累計頻率關(guān)系曲線Fig.7Relationships between development characteristicsand cumulative frequency of deformation and failure

由圖7中公式可計算，α=0.05水平下，金沙江溪洛渡—白鶴灘段庫區(qū)變形破壞密度在0.038～1.184個/km之間，變形破壞模數(shù)在(20～4 656)×104m3/km之間。

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)過實地復(fù)核、高清航空影像解譯，結(jié)合前人調(diào)查成果，整理出金沙江溪洛渡—白鶴灘段庫區(qū)岸坡變形破壞點共計95個。其中滑坡77個，累計體積29.84×108m3，崩塌5個，累計體積1 144.5×104m3，變形體13個，累計體積3 006×104m3。

(2)根據(jù)庫區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特點，將岸坡結(jié)構(gòu)類型劃分為4個主類，即中厚—厚層狀結(jié)構(gòu)、薄層—互層狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合巖層傾向與岸坡傾向間的夾角φ和巖層傾角β的關(guān)系，進一步細分為18種類型。對比發(fā)現(xiàn)，雜亂堆積結(jié)構(gòu)岸坡(Ⅳ2)最為發(fā)育，而薄層—互層狀陡傾結(jié)構(gòu)岸坡(Ⅱ23，Ⅱ33)分布較少。

(3)提出變形破壞相對發(fā)育強度指數(shù)RDII，用以評價不同統(tǒng)計參量對變形破壞發(fā)育狀況的共同影響程度。計算結(jié)果顯示：薄層—互層狀結(jié)構(gòu)岸坡RDII已經(jīng)達到1.00，屬于變形破壞強烈發(fā)育，中厚—厚層狀結(jié)構(gòu)岸坡和散體結(jié)構(gòu)岸坡RDII在0.20～0.30之間，屬于變形破壞一般發(fā)育，其余結(jié)構(gòu)岸坡為弱發(fā)育;前震旦系(Pt(m))地層、寒武系中統(tǒng)西王廟組(∈2x)地層和奧陶系上統(tǒng)與志留系(O3+S)地層的RDII為0.60～0.68，屬于變形破壞較強發(fā)育，其余地層均為弱發(fā)育。

(4)庫區(qū)岸坡變形破壞的形態(tài)特征遵從自組織臨界性的冪律規(guī)則:在半對數(shù)坐標(biāo)系中采用最小二乘法進行曲線擬合，得到變形破壞水平投影長度L、水平投影寬度D、平均厚度H、體積V、前緣高程FE、后緣高程TE、平均坡度θ與累計頻率P均呈現(xiàn)一種負指數(shù)關(guān)系，而且擬合效果較好;通過對平均坡度與累計頻率P之間關(guān)系的進一步分析，認為變形破壞發(fā)育過程中存在一個相對穩(wěn)定坡度θ0=25.9°。

(5)根據(jù)擬合公式，可推導(dǎo)出變形破壞形態(tài)特征大于某個量值的累計頻率分布函數(shù)，并計算出在α=0.05水平下，各個形態(tài)特征參量的范圍值。

(6)根據(jù)變形破壞發(fā)育特征的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出變形破壞密度、模數(shù)和累計頻率之間另一種類型的冪律關(guān)系，并計算出在α=0.05水平下，庫區(qū)變形破壞密度在0.038～1.184個/km之間，變形破壞模數(shù)在(20～4 656)×104m3/km之間。