三峽庫區(qū)青石-抱龍段順層灰?guī)r庫岸坡變形破壞機(jī)理

余 姝，張枝華，黃波林，胡明軍，王 健

(1.重慶市地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)(重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院)，重慶 400700；2.三峽大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；3.湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站，湖北 宜昌 443002)

0 引言

世界上一些巨型災(zāi)難性滑坡大都是順層滑坡[1]，例如意大利的瓦伊昂滑坡[2-3]。在長江三峽庫區(qū)，順層滑坡也是災(zāi)難性滑坡的主要類型之一。例如2004年9月5日發(fā)生的萬州吉安滑坡，體積約為7.00×106m3，摧毀了一個集鎮(zhèn)和高速公路，滑坡形成的堰塞湖給下游的人民生命財產(chǎn)帶來了極大威脅[4]。

三峽庫區(qū)的巖性除了壩址區(qū)為花崗巖外，其他區(qū)域都為沉積巖。三峽庫區(qū)發(fā)育的基巖順層滑坡大多以砂泥巖互層或泥巖與泥灰?guī)r互層為主，發(fā)生機(jī)制主要以滑移-剪切或滑移-拉裂為主[5-7]。它們的滑帶一般為原生巖石經(jīng)過層間剪切改造而形成[8]。例如涪陵五中滑坡的滑動帶為泥巖改造形成的泥化夾層[9],千將坪滑坡滑床上則明顯可見層間剪切留下的方解石結(jié)晶和擦痕[10]。

在三峽地區(qū)灰?guī)r(順層)滑坡較少發(fā)生，很少見到相關(guān)文獻(xiàn)報道，少量被報道的滑坡發(fā)生機(jī)制也非常特殊。例如武隆雞尾山的視傾向滑動機(jī)制，滑坡主要受重力、巖溶和采礦影響，側(cè)向擠壓滑動[11]。武隆雞尾山滑坡的發(fā)生與關(guān)鍵阻滑塊體的壓碎密切相關(guān)[12]?；?guī)r順層滑坡還存在一些彎曲或潰屈等特殊的機(jī)制，尤其是當(dāng)其產(chǎn)出傾角較大時。例如雅礱江金龍山變形體主要巖性為玄武巖和灰?guī)r，它是一個受控于軟弱層間擠壓帶的“滑移-彎曲”變形體[7]。

本文首先描述新近在三峽庫區(qū)發(fā)現(xiàn)的青石-抱龍段順層灰?guī)r斜坡變形特征，進(jìn)而采用數(shù)值法分析其滑移-彎曲機(jī)制，討論了灰?guī)r順層庫岸的演化階段，為該類型庫岸防治提供技術(shù)支撐。

1 三峽庫區(qū)青石-抱龍段順層灰?guī)r庫岸坡變形特征

青石-抱龍一帶順層庫岸位于三峽庫區(qū)巫山縣青石社區(qū)點(diǎn)下游長江右岸，沿長江至上游的巫山縣城約16 km，沿長江至下游的巴東縣城約32 km(圖1)。該段庫岸起始于青石社區(qū)下游300 m，止于下游抱龍河口，沿長江約有3.7 km長。庫岸中分布有20條沖溝，將庫岸分割為21個自然庫岸，分別命名為青巖子1#斜坡-青巖子21#斜坡。

圖1 青石-抱龍順層灰?guī)r庫岸位置圖Fig.1 The bedding limestone bank from Qingshi to Baolong

地貌上，這些庫岸斜坡由臨江的平直斜坡、中部懸崖或馬鞍狀斜坡和山頂巖溶淺丘平臺構(gòu)成。巖溶淺丘平臺為夷平面，最高高程約820 m。構(gòu)造上，該斜坡處于官渡口向斜的南翼和楠木園背斜的北翼，地層穩(wěn)定，無斷裂通過。出露基巖為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組三段和二段地層，巖性主要為淺灰色薄層夾中厚層泥?；?guī)r及中薄層白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r。平直斜坡段巖層產(chǎn)狀為340°～350°∠40°～55°，馬鞍狀斜坡段(一些庫岸的中部為陡立懸崖段)產(chǎn)狀開始變緩，至巖溶淺丘平臺處產(chǎn)狀近水平，為楠木園背斜的核部。因此這些平直斜坡段順層灰?guī)r庫岸后緣高程在300～400 m不等，前緣插入長江。長江在該區(qū)域河床高程約40 m，江水水位在145～175 m波動。

由于兩側(cè)沖溝并不等間距發(fā)育，后緣高程也不盡相同，青巖子各順向斜坡的寬度和縱向長度不一。145 m水位時，青巖子各順向斜坡順長江寬約100～300 m，縱長約250～350 m，總體坡向?yàn)?40°～360°。由于坡度略小于巖層傾角，坡面由多個巖層面組成，平均坡角約為40°，為典型的順向巖質(zhì)岸坡。

這些順向岸坡坡面上一般發(fā)育2組結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀分別為270°∠80°和34°∠70°。這兩組結(jié)構(gòu)面延伸一般非常小，傾向偶爾有一些變化，在表面巖層中發(fā)育。斜坡區(qū)沖溝應(yīng)是從結(jié)構(gòu)面演化發(fā)育而來，這些沖溝都近平行，走向近南北向。

在大量斜坡裸露的巖層面上發(fā)現(xiàn)了大量方解石擦痕。例如在6#斜坡上發(fā)現(xiàn)的擦痕走向325°，傾角約48°。經(jīng)過詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查，青石-抱龍一帶21個順層斜坡中有9個斜坡巖層在消落帶區(qū)域(由于周期性水位變動，該區(qū)域基本沒有植被，而其他區(qū)域植被非常發(fā)育)發(fā)現(xiàn)了淺層巖體波狀彎曲。這9個斜坡具有一定的隨機(jī)性，并不相連。這種彎曲現(xiàn)象在空間上不連續(xù)，彎曲程度不一致，不具有區(qū)域性。因此，它們不是地質(zhì)構(gòu)造作用造成的，而是后期重力作用造成的。

有些彎曲變形發(fā)育在斜坡的沖溝內(nèi)，深度方向上大量巖層均出現(xiàn)了起伏不一的彎折(圖2)，這些彎曲區(qū)近似在一條線上。有些波狀彎曲的巖層則在斜坡面上被發(fā)現(xiàn)，呈非常不規(guī)則形狀產(chǎn)出(圖3)。這種波狀彎曲大多沒有跨沖溝發(fā)育，且即便緊鄰的斜坡都發(fā)育這種現(xiàn)象，它們在坡面上的高程亦不相同。例如青巖子3#斜坡彎曲區(qū)域在坡面上的高程為150 m附近，而青巖子6#斜坡彎曲區(qū)域在坡面上的高程為165 m附近。這種波狀彎曲的轉(zhuǎn)折端多為角礫巖或角礫填充的裂縫。在彎曲巖層的層間可見隆起現(xiàn)象，角礫巖填充或中空。

圖2 彎曲變形在青石-抱龍一帶岸坡中的分布情況圖Fig.2 Distribution of bending deformation at the bank slope from Qingshi to Baolong

圖3 青巖子3#斜坡沖溝內(nèi)的巖層彎曲現(xiàn)象Fig.3 Strata Bending in the gully 3# of Qingshizi slope

青巖子5#斜坡上的彎曲現(xiàn)象非常強(qiáng)烈，巖層彎曲后出露的巖層傾角十分平緩，并以類似“逆斷層”方式接觸其下部巖層(圖4)。青石至抱龍一系列岸坡上波狀彎曲繼續(xù)擠壓都會形成這一“逆斷層”現(xiàn)象(圖5)。通過對青巖子6#斜坡的剖面測量、坡面和沖溝內(nèi)巖層調(diào)查，形成了地質(zhì)剖面圖，主滑面主要結(jié)合沖溝內(nèi)薄層泥灰?guī)r夾層的位置和地貌形態(tài)來確定。這一典型剖面基本可以代表青石-抱龍一帶的順層灰?guī)r岸坡的剖面形態(tài)。

圖4 青巖子5#斜坡坡面上的巖層彎曲現(xiàn)象Fig.4 Strata Bending at the slope surface of slope 5#

圖5 青巖子滑坡剖面圖Fig.5 The profile of the Qingyanzi Landslide

2 青石-抱龍順層滑坡變形破壞機(jī)理

在重力作用下斜坡巖體沿層狀結(jié)構(gòu)面滑移可以產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。這種滑移-彎曲機(jī)制很早就被一些研究者報道過[7，13-14]。它主要發(fā)育在中-陡傾角的層狀斜坡中，尤以薄層狀巖體及延性較強(qiáng)的碳酸巖中為多見[7]。葡萄牙的阿爾加維西海岸陡立層狀巖體也存在明顯的潰屈現(xiàn)象[15]。彎曲一般發(fā)生在邊坡表層，屈曲形式受控于邊坡的滑動變形[16]。物理模型試驗(yàn)表明順層滑坡發(fā)生滑移-彎曲需要具備一定的條件，也有一定的變形失穩(wěn)特征[17]?；?彎曲的滑坡滑面一般為兩段線的滑面，上段提供軸向的下滑力，下段為被動段或阻滑段[18]。

為了深入理解這一重力造成的彎曲現(xiàn)象及今后發(fā)展趨勢，采用UDEC進(jìn)行數(shù)值分析。非連續(xù)力學(xué)方法范疇的UDEC程序基于離散的角度來對待物理介質(zhì)，它可將巖體的兩個基本組成對象——巖塊和結(jié)構(gòu)面分別以連續(xù)力學(xué)定律和接觸定律加以描述。結(jié)構(gòu)面是連續(xù)體(巖塊)的邊界，單個的連續(xù)體在進(jìn)行力學(xué)求解過程中可以被處理成獨(dú)立對象，并通過接觸和其他連續(xù)體發(fā)生相互作用，其中連續(xù)體可具有可變性、或剛性受力變形特征[19]。就具備可變形能力的單個連續(xù)體分析環(huán)節(jié)而言，介質(zhì)受力變形求解方法完全遵從FLAC快速拉格朗日定律。UDEC被廣泛應(yīng)用在巖質(zhì)邊坡的變形破壞機(jī)理研究中，例如可利用UDEC研究不同傾角對切坡引起的傾倒破壞的影響[20]。

根據(jù)青巖子6#斜坡的工程地質(zhì)特征，構(gòu)建了一個二維的UDEC數(shù)值模型。模型中巖體采用連續(xù)介質(zhì)的Morh-Coulomb本構(gòu)模型，層面為不連續(xù)介質(zhì)的Coulomb slip 模型。采用的青巖子滑坡巖石、結(jié)構(gòu)面的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。數(shù)值模型長約400 m，高約400 m，采用的層厚不等，層厚范圍為0.4～2.8 m。

經(jīng)過1 200 000時步的計算后，在170 m高程附近出現(xiàn)了明顯隆起現(xiàn)象。從力學(xué)機(jī)制上來看，斜坡中上部的順層滑移巖體為主動傳力段，高程170 m附近彎曲-隆起巖體為被動擠壓段。主動傳力段的自重下滑力驅(qū)使巖層沿結(jié)構(gòu)面滑移，后緣出現(xiàn)下錯。高程160 m以下斜坡坡度變緩，滑移巖層在高程160 m以下出現(xiàn)急劇增厚的覆蓋巖層，滑移嚴(yán)重受阻。主動傳力區(qū)傳遞的力在此部位不能沿層面以滑移的形式傳遞/耗散，而產(chǎn)生被動擠壓。擠壓產(chǎn)生了垂直于層面的變形，即彎曲-隆起。從應(yīng)力上來看(圖6)，主應(yīng)力跡線有明顯偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力方向由垂直過渡到傾斜；在淺表層，最大主應(yīng)力方向平行坡面。由于受力狀態(tài)不一樣，平直滑移段巖體以拉破壞為主，彎曲-隆起段巖體則存在拉張破壞和剪切破壞。

表1 離散元模擬所需巖體和結(jié)構(gòu)面參數(shù)表Table 1 Rock mass and joint parameters for discrete element simulation

圖6 1 200 000時步下模型主應(yīng)力跡線和運(yùn)動速度矢量圖Fig.6 The principal stress trajectory and velocity vector of the model at 1.2 million time steps

根據(jù)圖7位移圖可見，主動滑移段的位移值基本一致，不同層可能有差異，主動滑移段長度約200 m。而在被動彎曲-隆起段的位移則急劇下降，被動彎曲-隆起段僅約30 m長。被動彎曲段約占總變形長度的13.0%。這種主動傳力區(qū)的滑移和被動擠壓的彎曲-隆起構(gòu)成了一個完整的變形體系，控制協(xié)調(diào)著整個斜坡的變形破壞現(xiàn)象。彎曲顯著后，巖層會隆起，出現(xiàn)架空或充填，地面也會出現(xiàn)隆起(圖7)。層狀體較薄時，滑移彎曲變形加劇后，彎曲的巖層形成褶曲的彎曲形態(tài)。

圖7 1 200 000時步下模型位移云圖Fig.7 The displacement nephogram of the model at 1.2 million time steps

3 青石-抱龍順層斜坡所處演化階段

青石-抱龍的灰?guī)r順層庫岸長約3.7 km，同時其他地段也還有很多這種灰?guī)r順向斜坡，探討他們的演化進(jìn)程及其對應(yīng)的現(xiàn)象很有意義。根據(jù)青巖-抱龍順層斜坡調(diào)查、數(shù)值分析和其他研究者的成果，可將灰?guī)r順向斜坡的變形分為三個典型階段：輕微彎曲階段、強(qiáng)烈彎曲-隆起階段和潰屈貫通階段[7]。

(1)輕微彎曲階段(圖8-a)。坡面輕微隆起，巖體輕微松動，彎曲部位僅出現(xiàn)局部壓碎和類似褶曲現(xiàn)象。彎曲隆起部位通常出現(xiàn)在坡腳或地形凹處。

(2)強(qiáng)烈彎曲-隆起階段(圖8-b)。地面顯著隆起，巖體松動加劇，彎曲-隆起區(qū)內(nèi)拉應(yīng)力的增強(qiáng)導(dǎo)致緩傾滑移面出現(xiàn)。由于彎曲部位巖體強(qiáng)烈擴(kuò)容，往往剪出口附近出現(xiàn)局部的崩落或滑落。

(3)潰屈貫通階段(圖8-c)。當(dāng)下滑力大于彎曲-隆起區(qū)滑移面巖橋強(qiáng)度時，彎曲板梁潰曲破壞，滑移面貫通，形成大規(guī)模的滑動。

圖8 滑移-彎曲型滑坡演化過程(修改自文獻(xiàn)[7](Zhang et al. (1993))Fig.8 Evolution process of slid-bending type landslide

當(dāng)前，青巖子系列斜坡的整體隆起和彎曲并不是很明顯，沒有達(dá)到長距離的彎曲或大的隆起。從旁側(cè)斜坡和本段庫岸的巖體松動現(xiàn)象來看，盡管局部有巖體劇烈彎曲，但在斜坡的整體彎曲-隆起區(qū)并沒有明顯的巖體松動現(xiàn)象。當(dāng)斜坡層狀灰?guī)r巖體為硬度較大的脆性巖體時，要形成這種破壞小的似柔性彎曲變形，必須在極低的應(yīng)變速率下長時間的累進(jìn)變形。因此，青巖子庫岸的滑移-彎曲應(yīng)變速率較低，造成了當(dāng)前巖體彎曲類似“流變”，應(yīng)力增加較小，松動破壞較少。這些都說明了當(dāng)前青巖子庫岸處于滑移-彎曲變形的早期階段，主要以累進(jìn)性變形為主。

由于水位周期性變動在彎曲隆起帶重疊，而水位周期性變動會加速巖體的劣化(黃波林 等，2016)，這造成了彎曲隆起帶更易破壞。水位周期性變動會加速青石-抱龍一帶順向灰?guī)r庫岸的演化進(jìn)程。

4 結(jié)論與建議

通過對三峽庫區(qū)新發(fā)現(xiàn)的灰?guī)r順層庫岸開展大量的野外調(diào)查和數(shù)值模擬分析，得到了以下結(jié)論和建議：

(1)青石-抱龍段順向庫岸坡有21個斜坡，由灰?guī)r、白云巖組成，巖層產(chǎn)狀為340°～350°∠40°～50°，在9個斜坡的坡面和沖溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)了巖層的波狀彎曲，巖層面上存在大量擦痕。分析顯示該段斜坡變形破壞的機(jī)制為滑移-彎曲機(jī)制。

(2)采用UDEC軟件開展的典型剖面應(yīng)力應(yīng)變分析表明，在自重下滑力驅(qū)使下，約200 m長的巖層產(chǎn)生大位移的滑移；受下部急劇增厚的覆蓋巖層阻擋，高程170 m附近約30 m長的巖層被動擠壓彎曲隆起，該段位移量相對滑移段急劇減小。

(3)當(dāng)前，青石-抱龍段順向庫岸的整體隆起和彎曲并不是很明顯，巖體松動破壞也較少，尚處于滑移-彎曲變形的早期階段，主要以累進(jìn)性變形為主。

(4)鑒于水庫區(qū)灰?guī)r順層庫岸潰屈失穩(wěn)將產(chǎn)生高速滑坡及較大的涌浪災(zāi)害，建議對青石-抱龍灰?guī)r順向庫岸開展長期專業(yè)監(jiān)測，進(jìn)一步的調(diào)查和研究工作也是非常必要的。