三峽工程庫區(qū)巖溶岸坡巖體劣化及其災(zāi)變效應(yīng)

黃波林，殷躍平，李 濱，秦 臻，張 鵬

(1.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002；2. 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院(自然資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)中心)，北京 100081； 3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

三峽庫區(qū)處于我國第二級和三級階梯過渡帶，地質(zhì)環(huán)境脆弱復(fù)雜，歷來是我國地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)[1]。三峽工程建設(shè)以來，針對水庫蓄水誘發(fā)的滑坡，尤其是侏羅系紅層滑坡、三疊系巴東組易滑地層和堆積層滑坡，開展了大量的調(diào)查、監(jiān)測、勘查、防治和相關(guān)研究工作，取得了豐碩的成果[2-5]，三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害得到了有效防控。

2008年11月，三峽工程試驗(yàn)性蓄水175 m以來，由于周期性水位調(diào)度，三峽庫區(qū)已經(jīng)經(jīng)歷了10 多年145～175 m的水位波動(dòng)。水位變化常態(tài)化強(qiáng)烈地改變了庫岸斜坡的地質(zhì)環(huán)境條件，三峽庫區(qū)水位變動(dòng)帶巖體損傷松動(dòng)強(qiáng)烈，部分區(qū)域形成了高30 m的斜坡劣化帶[6]。其中，以往關(guān)注較少的峽谷區(qū)巖溶岸坡，部分水位變動(dòng)帶溶蝕巖體劣化快速而強(qiáng)烈。由于其高勢能和強(qiáng)致災(zāi)性，巖溶岸坡巖體劣化及其災(zāi)變效應(yīng)受到大量學(xué)者和政府的廣泛關(guān)注。

溶蝕巖體坡內(nèi)孔隙、裂隙與巖溶管道發(fā)育，水位變動(dòng)帶溶蝕巖體遭受的應(yīng)力和環(huán)境條件周期性變化，庫水/地下水與溶蝕巖體岸坡的相互作用活躍[7]，溶蝕巖體損傷強(qiáng)烈。陳瑜等[8]利用三維表面激光形貌儀，研究了不同溫度下水-巖作用后白云巖、灰?guī)r巖石表面形貌的變化。馮夏庭等[9]通過化學(xué)腐蝕下巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化,建立了以空隙率為變量的細(xì)觀化學(xué)損傷變量計(jì)算公式。微細(xì)觀到宏觀巖體的變化導(dǎo)致水位變動(dòng)帶巖體質(zhì)量和物理力學(xué)性能快速下降[10]。Dochez等[11]研究了不同pH值溶液對灰?guī)r的溶蝕作用，提出對灰?guī)r巖橋的改造引發(fā)了結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的下降。王偉等[12]展開了系統(tǒng)的力學(xué)試驗(yàn),分析了周期性飽水對大理巖巖石力學(xué)特性的影響規(guī)律，建立了巖石損傷動(dòng)態(tài)演化方程。

溶蝕巖體宏觀損傷加速了部分巖溶岸坡變形破壞演化進(jìn)程，帶來了前所未有的工程災(zāi)變效應(yīng)問題，誘發(fā)或新生了如龔家坊滑坡、青石滑坡、箭穿洞危巖體、板壁巖危巖體、棺木嶺危巖體、黃巖窩危巖體等大量地質(zhì)災(zāi)害，造成了數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)損失[6，13-15]。溶蝕巖體易脆性破壞，以較大的速度沖擊水體，形成災(zāi)害性涌浪[16-17]。三峽航道是長江黃金水道的重要咽喉，巖溶岸坡巖體劣化的災(zāi)變是當(dāng)前三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治面臨的新挑戰(zhàn)。

與碎屑巖和堆積層完全不同，碳酸鹽巖與庫水長期變動(dòng)的耦合作用具有與其巖性、巖體特征相符的特定作用方式[18]。針對巖溶水動(dòng)力具體特征，大量學(xué)者提出了不同的類型。曹金亮等[20]分析了天橋泉域巖溶水系統(tǒng)，提出了動(dòng)蕩型、滯后型和消耗型三種巖溶水動(dòng)力類型。徐德威[21]分析了基準(zhǔn)面河流、斜坡型河流和懸托型河流與巖溶水動(dòng)力的關(guān)系，以及導(dǎo)致的區(qū)域巖溶工程地質(zhì)條件。鄒成杰等[22]系統(tǒng)分析了河谷巖溶水動(dòng)力作用，總結(jié)了深層巖溶水動(dòng)力特征。前人的研究都是針對區(qū)域或河谷巖溶地下水或水庫區(qū)域滲流等，對淺表層具體岸坡的巖溶水動(dòng)力作用針對性不夠，指導(dǎo)性不強(qiáng)。通過10 多年的持續(xù)跟蹤調(diào)查研究，本文研究了巖溶岸坡結(jié)構(gòu)與巖溶水動(dòng)力類型，分析溶蝕巖體沿結(jié)構(gòu)面劣化的機(jī)制，提出巖體劣化引起的災(zāi)變效應(yīng)，為三峽庫區(qū)巖溶岸坡預(yù)測預(yù)警與防治提供技術(shù)支撐。

1 巖溶岸坡結(jié)構(gòu)與巖溶水動(dòng)力類型

1.1 碳酸鹽巖岸坡結(jié)構(gòu)

三峽庫區(qū)碳酸鹽巖分布廣泛，從震旦系至三疊系均有出露，分布區(qū)域從庫首秭歸縣到奉節(jié)縣都有出露，尤其三個(gè)峽谷區(qū)和一些支流區(qū)域集中出露(圖1)。碳酸鹽巖可分為三大巖溶層組，包括震旦系燈影組-水井沱組；寒武系下統(tǒng)天河板組-奧陶系；石炭系-三疊系巴東組。寒武系下統(tǒng)石牌組、志留系和侏羅系是三個(gè)區(qū)域性碎屑巖隔水層組。碳酸鹽巖中部分層位偶夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r、泥巖或頁巖隔水層。

在三峽庫區(qū)碳酸鹽巖巖體以塊狀、層狀結(jié)構(gòu)為主，也有部分巖體為碎裂結(jié)構(gòu)。碳酸鹽巖岸坡屬于層狀巖質(zhì)岸坡，具有一般層狀巖質(zhì)岸坡的共同特征。因此，碳酸鹽巖岸坡結(jié)構(gòu)類型可分為逆向岸坡、順向岸坡、平緩層狀岸坡等。根據(jù)巖層中是否夾有或含有碎屑巖、泥巖巖層和與巖層產(chǎn)狀的交切關(guān)系，可以把岸坡類型進(jìn)一步細(xì)化[19]。由于碳酸鹽巖的特殊性，易被地表水和地下水溶蝕；在岸坡巖體中形成各異的管道-裂隙-孔隙等多重尺度的溶蝕結(jié)構(gòu)。巖溶結(jié)構(gòu)在巖體劣化及其災(zāi)變過程中非常重要。

圖1 三峽庫區(qū)碳酸鹽巖主要分布區(qū)Fig.1 Main distribution areas of carbonate rocks in the Three Gorges Reservoir area

在三峽庫區(qū)，碳酸鹽巖庫岸斜坡具有兩個(gè)典型特點(diǎn)：一是形成高陡岸坡，例如三峽(瞿塘峽、巫峽和西陵峽)、小三峽(大寧河)、烏江等干支流的高山峽谷。二是庫岸斜坡與周期性變動(dòng)的庫水-地下水系統(tǒng)的巖溶作用聯(lián)系密切。在斜坡表面，降雨和地表水的面流對巖體產(chǎn)生面狀溶蝕。侵蝕性水體深入巖體內(nèi)部后，沿著導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)溶蝕。表層和深層的溶蝕可形成溶孔、溶隙、溶溝、溶槽、管道或洞穴等巖溶結(jié)構(gòu)[7]。在一定條件下，也會(huì)產(chǎn)生碳酸鈣的再沉積與結(jié)晶作用。碳酸鹽巖巖層表面有時(shí)看到一層碳酸鈣薄膜，或松散堆積物發(fā)生鈣質(zhì)膠結(jié)，或一些裂隙被CaCO3充填。顯然，巖溶水動(dòng)力作用對庫岸斜坡穩(wěn)定性影響很大，例如巖溶水動(dòng)力通道提供了破壞的物理邊界和水力學(xué)邊界，而溶蝕與膠結(jié)影響了巖體的強(qiáng)度[23]。

1.2 巖溶水動(dòng)力類型

經(jīng)過調(diào)勘查，根據(jù)斜坡巖體結(jié)構(gòu)和巖溶地下水徑流特征，三峽庫區(qū)淺層巖溶岸坡地下水徑流類型可以總結(jié)為裂隙-層面徑流型、層面-裂隙徑流型和裂隙徑流型等三種常見類型。當(dāng)順層斜坡中存在相對隔水的泥巖巖層或泥灰?guī)r巖層，且結(jié)構(gòu)面或破裂面以層面為主時(shí)，表層和層間的裂隙為下滲通道，層面為巖溶水的主要通道；可命名為裂隙-層面徑流型(圖2a)。層面-裂隙徑流型的主要巖溶水徑流通道為層面-裂隙網(wǎng)絡(luò)，一般在較為均質(zhì)的厚層碳酸鹽巖中形成(圖2b)，沿層面滲流的區(qū)段溝通淺表層內(nèi)裂隙或管道。巖溶水的滲流基本以裂隙網(wǎng)絡(luò)為主時(shí)，可稱為裂隙徑流型(圖2c)。

庫區(qū)河岸斜坡地下水的補(bǔ)給一般以降雨為主。不同的岸坡結(jié)構(gòu)都可能存在上述三種徑流類型，圖2給出了庫區(qū)常見的岸坡結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力型的組合形態(tài)。排泄的水通過地表或地下流向最低侵蝕基準(zhǔn)面。

蓄水后，水位上升且最低侵蝕基準(zhǔn)面周期性波動(dòng)；巖溶水補(bǔ)徑排關(guān)系周期性改變和調(diào)整。這種水面上升與下降將造成消落帶庫岸斜坡反復(fù)重新處于活躍的充氣帶內(nèi)。巖溶水在充氣帶內(nèi)將以季節(jié)性垂直運(yùn)動(dòng)為主和部分水平交替運(yùn)動(dòng)，形成淺表層的溶溝、落水洞、豎井等巖溶形態(tài)[22-23]。蓄水造成的巖溶水力關(guān)系改變是形成當(dāng)前溶蝕巖體劣化的根源。

2 巖體劣化發(fā)育分布與機(jī)制

2.1 巖體劣化發(fā)育情況

大量調(diào)查顯示，巖溶岸坡消落帶巖體劣化的現(xiàn)象主要包括溶蝕/溶解、裂縫顯化與擴(kuò)展和機(jī)械淘蝕等，岸坡巖體質(zhì)量和巖體物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)快速下降[10]。2006 —2019 年持續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)(圖3)，三峽水庫峽谷區(qū)巖體劣化強(qiáng)烈段分布不均一；密集分布在巫峽、大寧河、九畹溪等區(qū)域和零星分布在其他巖溶岸坡出露的區(qū)域(圖3)。巫峽段巖體劣化強(qiáng)烈區(qū)域集中分布在以下3段：

圖2 三峽庫區(qū)庫岸常見巖溶水徑流類型Fig.2 Common karst hydrodynamic types for the karst rocky banks of the Three Gorges Reservoir

圖3 三峽水庫巖溶區(qū)典型強(qiáng)烈?guī)r體劣化帶分布圖Fig.3 Distribution map of typical deterioration zone in the karst area of the Three Gorges ReservoirA—大寧河小三峽；B—龔家坊-獨(dú)龍段；C—箭穿峽至箭穿洞段；D—神女峰至抱龍河口左岸；E—神女峰至抱龍河口右岸；F—板壁巖段；G—黃巖窩段；H—梭子山段；I—九畹溪棺木嶺段

(1)龔家坊至獨(dú)龍段

該段長約4.5 km，其特征為薄—中層陡傾層狀碎裂結(jié)構(gòu)灰?guī)r，被大量機(jī)械侵蝕沖蝕。沿坡面侵蝕或沿大型順坡向結(jié)構(gòu)面?zhèn)认蚯治g，坡面侵蝕深度達(dá)2.2～3.5 m。因?yàn)榇嬖谪炌ǖ慕Y(jié)構(gòu)面，175 m之上的一些巖體由于失去支撐而失穩(wěn)滑塌，局部形成了侵蝕崖(或陡壁)，崖壁最大的高差超過30 m。

(2)箭穿峽至箭穿洞段

該段長約1 km，其特征為平緩橫向結(jié)構(gòu)岸坡中厚層—巨厚層巖體中溶蝕溝槽裂隙發(fā)育(圖4a)。由于巖層傾角較小，垂直巖層的溶蝕結(jié)構(gòu)面發(fā)育，地下水流向及地表水沖蝕以近垂向結(jié)構(gòu)面為主。10年來的溶蝕/潛蝕造成了這一區(qū)段消落帶溶溝、溶槽非常發(fā)育。

(3)神女峰至抱龍河口兩岸

該段左岸1.5 km，右岸2.8 km長；其特征為陡傾—陡立順層岸坡層狀結(jié)構(gòu)巖體中巖體結(jié)構(gòu)面增多、巖體破碎加劇(圖4b)。結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展或顯化后，在重力作用下，引發(fā)塊體沿陡傾的層面旋轉(zhuǎn)或下滑；造成巖體表層松動(dòng)破碎，巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步增多。

2.2 巖體劣化機(jī)制

根據(jù)巫峽巖溶岸坡巖體劣化的調(diào)查與測試，淺層巖體劣化以結(jié)構(gòu)面的劣化為主；巖石的低劣化率夾雜結(jié)構(gòu)面的高劣化率，具有不均一性；根據(jù)風(fēng)化界線或巖體裂隙分帶，在區(qū)內(nèi)或帶內(nèi)則有相近的劣化率，具有分帶性[10]。因此，溶蝕巖體劣化首先應(yīng)關(guān)注巖體結(jié)構(gòu)面。這一認(rèn)識與谷德振[24]和孫廣忠[25]的“巖體結(jié)構(gòu)控制理論”認(rèn)識一致。

在溶蝕巖體結(jié)構(gòu)中常見閉合或張開的裂隙，很多張開的裂隙中有充填物。根據(jù)溶蝕巖體結(jié)構(gòu)中充填物的性質(zhì)可分為碎石土充填、黏土充填、膠結(jié)物或鈣華充填及方解石充填等類型(圖5)。充填結(jié)構(gòu)面是否劣化及劣化程度首先取決于充填介質(zhì)類型和形狀。

圖5 溶蝕巖體裂隙填充物Fig.5 Situation of fissure filling materials in karst rock mass

如果地表-地下水動(dòng)力作用以機(jī)械搬運(yùn)為主時(shí)，無膠結(jié)的碎石土和黏土充填物會(huì)被慢慢的潛蝕或沖蝕出裂縫區(qū)。圖5(a)為消落帶巖體表層大量張開無填充的裂縫，原來充填的黏土或碎石土被沖刷殆盡。

裂隙中膠結(jié)物、鈣華和方解石脈充填等都與歷史時(shí)期CaCO3再沉淀結(jié)晶有關(guān)。從宏-微觀結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成來看，鈣華和鈣質(zhì)膠結(jié)薄膜孔隙空隙較多，且含黏土礦物。因此，侵蝕性溶液可以容易的深入這2種物質(zhì)中，并在短時(shí)間尺度上起作用。一旦它們重新浸泡在侵蝕性溶液中，其溶解速度會(huì)遠(yuǎn)大于致密的方解石脈和灰?guī)r；從而在短時(shí)間尺度上(數(shù)年至十多年)發(fā)生“黏結(jié)鍵”松動(dòng)或脫落。當(dāng)前在消落帶巖體表層可以看見大量脫落的多孔鈣華和松動(dòng)的膠結(jié)物，“黏結(jié)鍵”被溶解是其主要機(jī)制[26-27]。

顯然，當(dāng)鈣華和膠結(jié)物因化學(xué)作用而松動(dòng)脫落后，會(huì)被地下水或地表水慢慢潛蝕或侵蝕掉，這些機(jī)械搬運(yùn)作用會(huì)改變裂縫的充填情況，見圖4(a)。因此，根據(jù)水力、化學(xué)和應(yīng)力等作用力的主導(dǎo)性，可以歸納溶蝕巖體劣化的機(jī)制為物理機(jī)制、化學(xué)機(jī)制和力學(xué)機(jī)制等模式(圖6)。顯然，地表流水及地下滲流導(dǎo)致的機(jī)械淘蝕與潛蝕是以物理機(jī)制為主的巖體劣化，溶蝕與溶解是以化學(xué)機(jī)制為主的巖體劣化。這2種機(jī)制中，應(yīng)力作用僅是環(huán)境或輔助加速作用。譬如當(dāng)應(yīng)力集中后，化學(xué)溶蝕速率會(huì)明顯加速[9，28-29]，有利于“黏結(jié)鍵”的快速溶解。

在較大的應(yīng)力環(huán)境和弱腐蝕性流水共同作用下，溶蝕巖體會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象。即在山體應(yīng)力以及化學(xué)溶液腐蝕的長期作用下，巖橋或閉合結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度下降發(fā)生斷裂或破裂。應(yīng)力腐蝕斷裂導(dǎo)致巖體在中低應(yīng)力(相比正常破壞應(yīng)力狀態(tài))環(huán)境下發(fā)生破壞，是一種巖體化學(xué)-應(yīng)力耦合效應(yīng)[30]。馮夏庭等[9]通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未受化學(xué)溶液腐蝕試件的破壞為脆性破壞；受化學(xué)溶液浸泡腐蝕后，裂紋尖端受到腐蝕和軟化，裂紋展開、擴(kuò)展尺寸和速度均減小?；瘜W(xué)溶液腐蝕對裂隙碳酸鹽巖試件強(qiáng)度有一定的影響。丁梧秀等[31]詳細(xì)分析了化學(xué)溶液對灰?guī)r全應(yīng)力-應(yīng)變過程的影響特征和機(jī)理，獲得了不同化學(xué)溶液對灰?guī)r變形及強(qiáng)度腐蝕效應(yīng)的影響規(guī)律。馬登輝等[32]提出水化學(xué)溶液對灰?guī)r內(nèi)部微裂隙的溶蝕和潤滑作用也是導(dǎo)致灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)劣化的原因。同時(shí)，周期性的水-化學(xué)-應(yīng)力耦合作用和宏觀損傷增加，促進(jìn)了巖體強(qiáng)度的下降，導(dǎo)致斷裂更易發(fā)生[33-35]。因此，消落帶巖體的裂縫顯化與擴(kuò)展是以力學(xué)機(jī)制為主的巖體劣化。

巖體劣化因地表水-地下水水位變動(dòng)而形成，其損傷劣化位置也必然與巖溶水力調(diào)整區(qū)域有關(guān)。盡管每周期的損傷劣化可能較小，但多年累積形成的劣化現(xiàn)象驚人，造成巖體強(qiáng)度持續(xù)下降，加速斜坡的不穩(wěn)定演化。

3 巖體劣化引起的災(zāi)變效應(yīng)

3.1 災(zāi)變機(jī)理與趨勢

從巖體劣化的物理、化學(xué)機(jī)制看，巖體滲流的變化形成了水位變動(dòng)帶巖體損傷劣化，裂隙張開度更大、深度更深，延伸更長；反過來又加強(qiáng)了巖溶水滲流作用[36-37]。從巖體劣化的力學(xué)機(jī)制看，當(dāng)斜坡處于淺表層改造過程中時(shí)，淺表層巖體形變導(dǎo)致應(yīng)力集中或需承擔(dān)額外的力時(shí)，裂隙會(huì)顯化新生或擴(kuò)展；反過來加強(qiáng)淺表層巖體形變。因此，巖體劣化-巖溶水動(dòng)力作用-岸坡形變(“水-巖-岸”)這三者是互饋促進(jìn)的關(guān)系(圖7)。顯然，不是每個(gè)斜坡在水位變動(dòng)下都會(huì)發(fā)生快速演化。但當(dāng)某個(gè)斜坡處于這三者互相促進(jìn)發(fā)展時(shí)，這一斜坡消落帶表現(xiàn)為巖體劣化強(qiáng)烈且發(fā)展迅速，斜坡處于快速演化為不穩(wěn)定斜坡階段[38-39]?！八?巖-岸”的互饋促進(jìn)是岸坡災(zāi)變的形成機(jī)理。例如巫峽段的箭穿洞危巖體和支流九畹溪內(nèi)的棺木嶺危巖體就是典型案例。

圖7 巖體劣化因素的相互關(guān)系圖Fig.7 Relationship between factors of the deterioration of rock mass

多年調(diào)查顯示，三峽庫區(qū)箭穿洞危巖體，水位變動(dòng)帶的基座灰?guī)r巖體持續(xù)壓裂損傷。2012 年與2018 年的基座照片對比顯示，變化區(qū)域基本覆蓋整個(gè)基座。發(fā)生松動(dòng)掉塊的有4個(gè)區(qū)域， 8個(gè)區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)烈的裂縫擴(kuò)展和新生(圖8)?；鶐r體破碎造成水巖作用強(qiáng)烈。從基座坑道內(nèi)的壓應(yīng)力監(jiān)測曲線看，年最大壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷增大(圖8)，基座遭受的壓力越來越大[14，40]。由此，箭穿洞危巖體的“水-巖-岸”互饋機(jī)制形成，加速了巖體劣化的影響。調(diào)查及監(jiān)測數(shù)據(jù)說明該危巖體逐步與母巖分裂脫離，三維邊界正在快速形成；危巖體災(zāi)變失穩(wěn)明顯。箭穿洞危巖體于2019 年正式進(jìn)入了工程防治階段。該防治工程是三峽庫區(qū)因巖體劣化問題而開展徹底治理的第一個(gè)案例。

圖8 箭穿洞危巖體基座巖體宏觀損傷變化及壓力變化圖Fig.8 Diagram showing the macro-damage and pressure change of the foundation rock mass of the Jianchuandong rock mass

庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育與誘發(fā)因素呈明顯的階段性(表1)。第一階段為1994 年三峽移民工程開工之前，庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要由河流沖刷和降雨等自然因素誘發(fā)。第二階段為1994 —2003 年移民遷建期間，高強(qiáng)度的人類工程活動(dòng)和暴雨是主要的誘發(fā)因素。第三階段為2003 —2008 年三峽水庫階段性蓄水期間，主要由庫水位變動(dòng)引發(fā)。第四階段為2008 年開始的175 m水位試驗(yàn)性蓄水，誘發(fā)因素為庫水周期性變動(dòng)及降雨[6]。

表1 三峽庫區(qū)階段性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育與誘發(fā)因素

巖體劣化的災(zāi)變效應(yīng)可能將三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害帶入第五個(gè)階段。其標(biāo)志性事件是箭穿洞危巖體防治和卡門子灣滑坡。2019 年12 月無明顯水位變動(dòng)和降雨，秭歸卡門子灣在12 月10 日發(fā)生了滑坡。10 多年水位變動(dòng)導(dǎo)致的滑體中下部巖體劣化，是該紅層基巖滑坡的誘發(fā)因素[41]。

3.2 巖體劣化災(zāi)變表現(xiàn)

三峽庫區(qū)因?yàn)閹r體劣化加速形成了大量的巖溶地質(zhì)災(zāi)害。調(diào)查分析表明，圖3中近10 km的巫峽干流、小三峽等多個(gè)支流和棺木嶺等許多典型岸坡都存在因巖體劣化而災(zāi)變的風(fēng)險(xiǎn)。三峽庫區(qū)巖溶岸坡巖體劣化引起的災(zāi)變效應(yīng)顯現(xiàn)。

以神女峰至抱龍河口兩岸近4.5 km長的岸坡為例分析災(zāi)變效應(yīng)的具體表現(xiàn)。在巖體劣化作用下，該段溶蝕巖體結(jié)構(gòu)降級，巖體結(jié)構(gòu)由層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為碎裂結(jié)構(gòu)。盡管表層裂隙眾多，但均為小型結(jié)構(gòu)面；層面是地下水滲流的主要通道。

盡管層面巖橋的黏結(jié)力強(qiáng)，但在長期應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)制下，層面的巖橋加速破壞[11]。層面巖橋的破壞意味著底破壞面(滑面)的進(jìn)一步貫通。大量的小型結(jié)構(gòu)面將層面邊界切割形成塊體，在重力作用下塊體有沿層面滑移和旋轉(zhuǎn)的趨勢。當(dāng)下滑力大于阻滑力時(shí)，小塊體或塊體集合體會(huì)發(fā)生滑塌。例如2018年12月轎頂峰2號斜坡的局部巖體順層滑移(圖9)。順層滑動(dòng)的體積約200 m3；共有2～3 個(gè)巖層的塊體。

圖9 轎頂峰2號斜坡局部滑塌(照片攝于2019年6月)Fig.9 Local slide of Jiaoding peak 2#

2019 年以來，對該4.5 km長的多個(gè)斜坡進(jìn)行了相對位移和GNSS地表位移監(jiān)測。盡管GNSS地表位移形變特征不明顯，但消落帶表層塊體相對位移非常清晰。圖10展示了抱龍河口青石17號斜坡塊體間相對位移典型監(jiān)測曲線。部分塊體在發(fā)生緩慢滑移或旋轉(zhuǎn)，相對位移速度非常小，約為0.16 mm/月。說明消落帶斜坡局部形變，但沒有演化到斜坡整體發(fā)生形變階段。

圖10 青石17號斜坡及裂縫相對位移監(jiān)測Fig.10 Relative displacement monitoring in Qingshi slope 17#

仔細(xì)觀察圖9中新鮮露出的層面可以發(fā)現(xiàn)，裂縫密集度、開度及延展度均低于表層巖體。說明它的風(fēng)化程度低于表層。在周期性水位變動(dòng)下，這一新鮮巖層也會(huì)進(jìn)入到圖7的巖體劣化循環(huán)中。黃波林等[10]跨孔聲波測試結(jié)果表明，巖體劣化程度在深度方向呈下降趨勢。因此，表層巖體是巖體劣化最為強(qiáng)烈的區(qū)域。由于卸荷和巖溶作用，表層溶蝕巖體的結(jié)構(gòu)一般最為破碎。兩者疊加的結(jié)果就是消落帶附近表層巖體可能因巖體劣化不斷發(fā)生小型的滑塌。這一段順層岸坡巖體劣化引起的災(zāi)變效應(yīng)早期可能具有破壞趨于淺表層、岸坡不斷后退的表現(xiàn)。

圖11 典型變形破壞模式Fig.11 Deforming and failure mode of the columnar rockfall

柱狀危巖體基座的小型崩塌(如箭穿洞基座巖體的掉塊和小三峽龍門寨危巖體基座附近的小型崩塌)和龔家坊至獨(dú)龍段逆向岸坡的小型滑塌等現(xiàn)象，也是趨表-后退的具體表現(xiàn)。消落帶附近岸坡不斷的“趨表-后退”，將使斜坡在消落帶區(qū)域形成類似“海蝕崖”的地貌。

消落帶附近的這種巖體劣化和“趨表-后退”改變了低高程區(qū)岸坡和巖體結(jié)構(gòu)，形成牽引破壞或卸荷，極大加速了岸坡破壞失穩(wěn)。因溶蝕巖體劣化而災(zāi)變的岸坡在三峽庫區(qū)有3種常見的岸坡破壞模式：塔狀危巖體崩塌、順層岸坡滑移和逆向岸坡傾倒(圖11)。

對柱狀危巖體，底部的大型結(jié)構(gòu)面或底部巖體遭受周期性水位變動(dòng)時(shí)，一方面加劇了底部巖體或結(jié)構(gòu)面的水巖相互作用，導(dǎo)致巖體劣化。另一方面，由于巖體強(qiáng)度降低，“趨表-后退”現(xiàn)象或變形破壞會(huì)進(jìn)一步加劇?！八?巖-岸”互饋促進(jìn)，導(dǎo)致危巖體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展和應(yīng)力重分布。根據(jù)柱狀危巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和進(jìn)一步破壞失穩(wěn)的特征，柱狀危巖體崩塌模式一般有壓潰式破壞、滑移式破壞和傾倒破壞。

由于順層岸坡的主要水動(dòng)力類型為裂隙-層面型，因此“水-巖-岸”互饋主要促進(jìn)層面的貫通和切割邊界的形成。巖體劣化將導(dǎo)致水位變動(dòng)帶的層面開裂和形成相關(guān)切割邊界，趨表-后退效應(yīng)不斷下切消落帶岸坡。不論滑移型岸坡的主要滑動(dòng)力來自于中后部還是中前部，水位變動(dòng)帶巖體劣化都會(huì)加速岸坡的變形演化。如果剪出口位于水位變動(dòng)帶內(nèi)，且滑動(dòng)力主要來源于中前部，則可能出現(xiàn)前緣局部失穩(wěn)牽引整體變形。如果剪出口在水位變動(dòng)帶之外，水位變動(dòng)帶巖體劣化強(qiáng)烈，可能導(dǎo)致剪出口的遷移。

對傾倒的碎裂巖體逆向岸坡而言，水位變動(dòng)帶處于中低高程區(qū)域時(shí)，有趨表-后退表現(xiàn)，“水-巖-岸”互饋導(dǎo)致不斷的小型崩滑，造成岸坡傾倒變形中的阻滑段破壞，減少阻滑力，加速變形破壞演化。

需要注意的是，有些岸坡的破壞模式會(huì)因?yàn)閹r體劣化而發(fā)生模式變化或轉(zhuǎn)化。同時(shí)，不論哪種巖溶岸坡破壞模式，當(dāng)其失穩(wěn)時(shí)，都極可能產(chǎn)生災(zāi)難性涌浪。次生涌浪的災(zāi)害性也應(yīng)在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)警及防治中進(jìn)行考慮，不可忽視。

4 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)淺表層岸坡巖溶地下水流動(dòng)路徑特征，岸坡巖溶水動(dòng)力類型可分為裂隙-層面型、層面-裂隙型和裂隙型。地表水、地下水周期性變動(dòng)帶來了巖溶水動(dòng)力作用的調(diào)整，形成了溶蝕巖體劣化環(huán)境。

(2)三峽水庫巖溶區(qū)巖體劣化程度不一；其中巫峽段巖體劣化強(qiáng)烈區(qū)域集中分布約10 km。以機(jī)械搬運(yùn)為主的物理機(jī)制、以溶蝕、溶解為主的化學(xué)機(jī)制和以應(yīng)力腐蝕斷裂為主的力學(xué)機(jī)制都會(huì)造成溶蝕巖體劣化，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)趨于破碎，巖體強(qiáng)度下降。

(3)巖體劣化-巖溶水動(dòng)力作用-岸坡形變的互饋促進(jìn)推動(dòng)了岸坡災(zāi)變的形成。巖溶岸坡巖體劣化引起的災(zāi)變效應(yīng)早期可能具有破壞趨于淺表層、岸坡不斷后退的表現(xiàn)。

(4)巖體劣化可能將三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害帶入新的發(fā)育與誘發(fā)階段，這種災(zāi)變效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)。巖體劣化給三峽庫區(qū)高陡巖溶岸坡帶來了前所未有的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，使得庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治面臨了巨大挑戰(zhàn)，建議持續(xù)開展相關(guān)觀測和系統(tǒng)研究，為防治減災(zāi)提供依據(jù)和技術(shù)支撐。