卡門子灣滑坡及周邊碎屑巖岸坡劣化變形機制初步研究

何鈺銘，王金波，金卉林，聶邦亮，葉義成，廖偉杰，馬 振

(湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,湖北 宜昌 443000)

湖北省三峽庫區(qū)蓄水后,庫周斜坡水文地質(zhì)條件發(fā)生復(fù)雜的變化,岸坡劣化導(dǎo)致的斜坡穩(wěn)定性問題逐步顯現(xiàn),庫周發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性增大。近些年三峽庫區(qū)因劣化引起的巖質(zhì)滑坡有杉樹槽滑坡、卡門子灣滑坡等,對庫區(qū)人民的經(jīng)濟發(fā)展和生命財產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅。基于卡門子灣滑坡及周邊碎屑巖庫岸野外調(diào)(勘)查[1]、現(xiàn)場實驗工作,本文對岸坡劣化引起的斜坡變形機制進(jìn)行初步研究,為三峽庫區(qū)碎屑巖岸坡劣化[2]研究、庫區(qū)順層巖質(zhì)滑坡研究和防治提供技術(shù)支撐。

卡門子灣滑坡[3]位于長江一級支流泄灘河左岸,行政區(qū)劃隸屬湖北省秭歸縣泄灘鄉(xiāng)陳家灣村7組。受三峽庫水位變動長期影響,滑坡前緣巖體劣化,強度降低,2019年12月10日16：50,庫區(qū)高水位運行期間滑坡出現(xiàn)整體滑移,堵塞泄灘河,造成泄牛路損毀等。同時,卡門子灣滑坡變形使泄灘鄉(xiāng)全鄉(xiāng)約1.23萬人出行受阻,對全鄉(xiāng)居民的生產(chǎn)生活造成較大影響。

1 滑坡基本特征

1.1 基本特征

卡門子灣滑坡所處斜坡高程為150～305 m,斜坡自然坡度35°～45°,坡向315°,坡體中前部有泄牛路穿過。滑坡整體縱長約331.5 m,橫寬約77～135 m,面積約3.32×104m2,厚度8.8～24.5 m,總體積約53.12×104m3,主滑方向350°。

卡門子灣滑坡由滑動區(qū)和牽引區(qū)組成,滑動區(qū)縱長約267 m,橫寬約77～135 m,面積約2.67×104m2,滑體厚度8.8～24.5 m,滑動體積約42.72×104m3；牽引區(qū)面積約0.55×104m2,滑體厚度10～20 m,體積約10.4×104m3(照片1，圖1-圖2)。

圖1 卡門子灣滑坡地質(zhì)平面圖Fig.1 Geological plan of Kamenziwan landslide1.第四系殘坡積；2.滑坡堆積物；3.侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組；4.滑坡邊界；5.變形牽引區(qū)邊界；6.地面裂縫及編號；7.剖面線及編號；8.第四系與基巖界線；9.175 m(吳淞高程)水位線。

圖2 卡門子灣滑坡縱剖面示意圖Fig.2 Vertical section of Kamenziwan landslide1.第四系殘坡積；2.第四系滑坡堆積；3.侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組；4.滑動面；5.碎塊石土；6.碎裂巖；7.粉砂巖；8.泥質(zhì)粉砂巖。

照片1 卡門子灣滑坡全貌Photo 1 Pnorama of Kamenziwan landslide

滑坡所處斜坡及周邊出露巖體為侏羅系中統(tǒng)沙鎮(zhèn)溪組(J2s1)紫紅色薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層。據(jù)勘查鉆孔揭露并結(jié)合滑坡體巖層特征,確定滑體厚度為8.8～24.5 m?；轮饕貛r體層面切層滑移,滑坡南側(cè)滑移面出露,滑帶為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,厚度2～15 mm。

1.2 變形特征

卡門子灣滑坡首次變形發(fā)生于2019年11月20日,主要為中下部出現(xiàn)變形裂縫,且不斷向后緣擴展,至2019年12月10日,滑坡發(fā)生整體滑移,滑坡前緣涌入長江支流泄灘河河道,并導(dǎo)致泄牛路損毀,后部牽引變形裂縫仍在向斜坡上部擴展,至2020年5月13日,萬翁路已完全中斷(照片2-照片7)。

照片2 滑坡左側(cè)邊界滑移面特征照片Photo 2 Characteristic photos of slip surface on the left side of landslide

照片3 滑帶特征照片Photo 3 Characteristic photos of slide belt

照片4 滑坡左側(cè)邊界滑移照片(2019年12月10日)Photo 4 Photo of left boundary slip of landslide

照片5 前部路面拉張裂縫(2019年12月10日滑動前)Photo 5 Tension cracks in the front pavement

照片6 牽引區(qū)后緣萬翁路下座(2020年5月13日)Photo 6 Wanweng road interrupted at the rear edge of traction area

照片7 牽引區(qū)后緣坍滑(2020年5月13日)Photo 7 Sliding of rear edge of traction area

2 滑坡及周邊碎屑巖岸坡劣化現(xiàn)象

2.1 滑坡前緣岸坡劣化現(xiàn)象

該滑坡所處庫岸屬碎屑巖庫岸,巖性主要以中—厚層粉砂巖、薄層泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主,其中粉砂巖強度相對較高,泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖強度相對較低,劣化存在一定差異性,岸坡坡向近北西,斜坡巖層產(chǎn)狀30°∠40°,該斜坡結(jié)構(gòu)為斜順向坡?；虑熬壈镀禄鶐r裸露,表部粉砂巖多劣化散裂成塊狀,泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖碎裂成顆粒狀,岸坡劣化后坡腳坡度較陡,坡度50°～60°,為滑坡變形提供了良好的臨空條件?；虑熬壈镀铝踊F(xiàn)象主要為崩落、掉塊、沿結(jié)構(gòu)面的剝落等。

2.2 周邊碎屑巖庫岸劣化現(xiàn)象

通過對滑坡及周邊碎屑巖岸坡進(jìn)行對比調(diào)查,發(fā)現(xiàn)碎屑巖岸坡劣化特點主要是差異性劣化,因砂巖、粉砂巖和泥巖巖性強度及成分差異,在自然風(fēng)化重力卸荷作用下,受三峽庫區(qū)水位長期循環(huán)漲落影響,表層巖體出現(xiàn)劣化速度及劣化程度上的差異,導(dǎo)致岸坡出現(xiàn)劣化變形。岸坡劣化現(xiàn)象主要包括散裂碎裂現(xiàn)象、機械掏蝕沖蝕現(xiàn)象。

2.2.1散裂碎裂現(xiàn)象

由于汛期三峽庫區(qū)騰空庫容低水位運行,碎屑巖岸坡巖體裸露,受夏季極端氣候(高溫、暴雨)影響風(fēng)化作用強烈,風(fēng)化巖體主要沿結(jié)構(gòu)面發(fā)育裂縫,隨著時間的推移裂縫由閉合到顯現(xiàn)、由顯現(xiàn)到張開、由張開到擴展貫通,強度略高的粉砂巖巖體劣化散裂呈塊狀,而強度較低的泥質(zhì)粉砂巖巖體則劣化碎裂呈顆粒狀,隨著結(jié)構(gòu)面的逐步增多,巖體強度逐步嚴(yán)重下降,這也是岸坡巖體劣化的重要標(biāo)志,水庫的運行加速了這一過程(照片8、照片9)。

照片8 粉砂巖散裂現(xiàn)象Photo 8 Spallation of siltstone

照片9 泥質(zhì)粉砂巖碎裂現(xiàn)象Photo 9 Fragmentation of argillaceous siltstone

2.2.2機械掏蝕沖蝕現(xiàn)象

在三峽庫區(qū)運行過程中,庫水位變動尤為常見,庫水的機械掏蝕沖蝕[4]現(xiàn)象也較為常見,它最明顯的作用表現(xiàn)在以下幾個步驟：①覆蓋層較薄的岸坡土體及裂隙面充填物被掏蝕,導(dǎo)致巖體裸露；②機械的沖刷造成已有裂縫進(jìn)一步加寬加深,破壞了淺表層巖體結(jié)構(gòu),最終導(dǎo)致崩落、掉塊；③對表層因劣化產(chǎn)生的松動巖體沖刷攜帶,坡體內(nèi)凹；④下一循環(huán)劣化沖刷過程中,岸坡逐步后移,巖體強度降低,斜坡前緣抗滑力降低(照片10)。

照片10 碎屑巖岸坡庫水掏蝕沖蝕現(xiàn)象Photo 10 Water erosion of clastic rock bank slope reservoir

3 岸坡劣化特征初步分析

為進(jìn)一步查明本次碎屑巖巖體劣化引起的斜坡變形原因,除對滑坡進(jìn)行全面調(diào)(勘)查外,在滑坡周邊類似地質(zhì)情況的碎屑巖岸坡亦進(jìn)行了大量現(xiàn)場實驗及取樣分析,現(xiàn)場實驗主要包括點荷載、回彈實驗,取樣主要完成了樣品的成分分析、干濕循環(huán)實驗等,對碎屑巖岸坡劣化特征進(jìn)行充分研究,因本次滑坡出現(xiàn)在坡體結(jié)構(gòu)為斜順向坡部位,所以開展的庫岸調(diào)(勘)查工作主要針對坡體結(jié)構(gòu)為順向坡或斜順向坡。以下根據(jù)調(diào)(勘)查成果結(jié)合實驗進(jìn)行分析。

3.1 強度劣化特征

針對岸坡巖體劣化現(xiàn)狀,采用大量現(xiàn)場回彈和點荷載實驗,對岸坡175 m水位線上和消落區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場回彈強度實驗,同一斜坡部位水位線上強度略高于消落區(qū)巖體。經(jīng)過水上、水下各128次的回彈實驗，成果匯總見表1。因此通過實驗成果不難看出,泥質(zhì)粉砂巖巖體在相同環(huán)境下劣化速度較粉砂巖巖體速度略快,水下與水上部位巖體比較,庫水位變動對泥質(zhì)粉砂巖的影響略大于粉砂巖。

表1 碎屑巖岸坡回彈實驗匯總表Table 1 Summary of rebound test of clastic rock bank slope

針對地表巖塊實施現(xiàn)場點荷載實驗,選取強度類似巖塊進(jìn)行實驗取平均值對比分析,實驗方向均為垂直巖層面方向,滑坡周邊岸坡現(xiàn)狀粉砂巖塊體的破壞荷載在15.3～18.7 kN之間,泥質(zhì)粉砂巖塊體的強度在2.3～3.8 kN之間,泥質(zhì)粉砂巖表層選取塊體較為困難,多可手捏即碎,因此強度值應(yīng)較實驗值更低。對卡門子灣滑坡勘查后選取鉆孔中風(fēng)化粉砂巖樣和泥質(zhì)粉砂巖樣進(jìn)行對比點荷載實驗,粉砂巖破壞荷載平均值為25.7 kN,泥質(zhì)粉砂巖破壞荷載平均值為5.9 kN。岸坡表部現(xiàn)狀粉砂巖平均強度值較中風(fēng)化巖體強度總體下降約33.8%,泥質(zhì)粉砂巖總體下降約47.5%(見表2)。

表2 碎屑巖岸坡及鉆孔中風(fēng)化巖樣點荷載實驗成果匯總表Table 2 Summary of load test results of weathered rock samples in clastic rock bank slope and borehole

對粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖制樣后進(jìn)行干濕循環(huán)下巖石強度劣化對比研究,對不同循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)實驗。干濕循環(huán)實驗巖樣在水中飽和24 h,在45 ℃的烘干箱中烘干48 h為1次循環(huán),目前三峽庫區(qū)高水位運行自2008年開始已經(jīng)歷12年,本次模擬進(jìn)行12次干濕循環(huán)實驗,每次循環(huán)后進(jìn)行聲波測試和力學(xué)應(yīng)力測試。

泥質(zhì)粉砂巖干濕循環(huán)實驗隨循環(huán)次數(shù)增加,劣化明顯,標(biāo)準(zhǔn)巖樣隨干濕循環(huán)次數(shù)增加表面產(chǎn)生肉眼可見的裂隙變大。波速與干濕循環(huán)次數(shù)成反比,泥質(zhì)粉砂巖波速隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低。巖石波速經(jīng)過12次干濕循環(huán)后平均波速由2 725 m/s下降至2 169 m/s。巖塊單軸壓縮實驗應(yīng)力經(jīng)過12次干濕循環(huán)后平均峰值強度由93.701 MPa下降至54.346 MPa,應(yīng)力下降42%。

粉砂巖干濕循環(huán)實驗隨循環(huán)次數(shù)增加,劣化較明顯,試樣空隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。波速與干濕循環(huán)次數(shù)成反比,波速隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低。巖石波速經(jīng)過12次干濕循環(huán)后平均波速由3 020 m/s下降至2 679 m/s。巖塊單軸壓縮實驗應(yīng)力經(jīng)過12次干濕循環(huán)后平均峰值強度由197.201 MPa下降至135.436 MPa,應(yīng)力下降31.3%。

3.2 成分分析

對粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖分別取樣進(jìn)行電鏡掃描成分對比分析。

泥質(zhì)粉砂巖主要礦物元素有C、O、Fe、Mg、Si、Al,推斷由粉砂級碎屑(7%)、砂級碎屑(<5%)、粘土礦物(83%)、碳酸鹽礦物(5%)和不透明礦物(<5%)組成。

粉砂巖主要礦物元素有C、O、Ca、Si、Fe等,由砂級碎屑(14%)、粉砂級碎屑(76%)、粘土礦物(5%)和鐵質(zhì)(<5%)組成。

由上述實驗成果可見,泥質(zhì)粉砂巖中親水的粘土礦物含量高達(dá)83%,而粉砂巖中粘土礦物含量僅占5%,這一特性決定其裸露后泥質(zhì)粉砂巖的劣化速度較粉砂巖要快很多。為了驗證這一劣化特性,勘查期間對鉆孔中風(fēng)化粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖巖樣裸露放置,通過觀察對比,泥質(zhì)粉砂巖巖樣在夏天高溫放置2—6 h后就會出現(xiàn)裂紋,2—4 d后完全散裂崩解成顆粒狀或巖屑,強度急劇降低,粉砂巖巖樣放置后強度降低亦較明顯,主要沿巖層面斷開,碎裂呈餅狀(照片11、照片12)。

照片12 粉砂巖劣化散裂特征Photo 12 Deterioration and spallation characteristics of siltstone

照片11 泥質(zhì)粉砂巖碎裂崩解Photo 11 Argillaceous siltstone disintegration

泥質(zhì)粉砂巖崩解主要原因為巖體內(nèi)親水物質(zhì)在失水條件下,發(fā)生了不均勻的收縮作用,產(chǎn)生偏應(yīng)力,其結(jié)果是局部應(yīng)力超過巖石現(xiàn)有的抗拉強度,巖體就崩解成顆粒狀或巖屑。因此通過成分分析對比，裸露粉砂巖巖體與泥質(zhì)粉砂巖巖體在自然環(huán)境下劣化速度差異較為明顯。

3.3 岸坡地形地貌劣化特征

根據(jù)對類似岸坡,及同一部位的水上、水下地形地貌調(diào)查對比,水下地形坡度明顯略陡于水上坡度,粉砂巖岸坡水上、水下地形坡度對比相差5°～20°,泥質(zhì)粉砂巖岸坡水上、水下地形坡度對比相差約3°～12°(照片13、照片14)。

照片13 粉砂巖岸坡坡度對比Photo 13 Slope comparison of sandstone bank slope

照片14 泥質(zhì)粉砂巖岸坡坡度對比Photo 14 Comparison of bank slopes of argillaceous siltstone and mudstone

因粉砂巖巖體和泥質(zhì)粉砂巖巖體存在強度及成分的差異,在自然風(fēng)化、重力卸荷作用下受三峽庫區(qū)水位長期循環(huán)漲落影響,表層巖體出現(xiàn)劣化速度及程度上的差異,導(dǎo)致岸坡出現(xiàn)劣化變形。地貌形態(tài)上多呈“指狀”展布,當(dāng)斜坡結(jié)構(gòu)為斜順向坡或順向坡時,庫區(qū)側(cè)向侵蝕劣化差異形成特有的地貌形態(tài)(照片15)。

照片15 側(cè)向侵蝕差異性劣化地貌特征Photo 15 Geomorphological characteristics of differential deterioration of lateral erosion

4 滑坡劣化變形機制初步研究

卡門子灣滑坡所處斜坡坡向315°,巖層產(chǎn)狀為30°∠40°,滑坡所處部位地層為紫紅色薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層,存在多層的軟弱夾層,雖然坡體結(jié)構(gòu)為一斜交順向坡,但巖體內(nèi)發(fā)育有一貫通性較好的不利裂隙面,裂隙面330°∠60°,裂隙面發(fā)育密度規(guī)律性較強,構(gòu)成了此次的滑動。

該滑坡為一新生涉水滑坡,剪出口位于泄灘河河底(高程約150 m),此次變形過程初步分析為自2008年三峽庫區(qū)175 m水位運行后,經(jīng)過10多年的庫水位變動,滑坡前緣碎屑巖岸坡逐步劣化,表層松軟巖土體剝離后,岸坡劣化向后推移形成高陡臨空條件,經(jīng)過近幾年的漲落干濕循環(huán),巖體劣化深度逐步加深,強度逐步降低,岸坡巖體經(jīng)2019年夏季高溫進(jìn)一步劣化后,斜坡穩(wěn)定性達(dá)到臨界狀態(tài)。同年10月份三峽庫區(qū)蓄水,高水位運行近1個月后,劣化岸坡經(jīng)歷飽水軟化后強度進(jìn)一步降低,斜坡抗滑力不足,11月中旬前緣開始出現(xiàn)變形,致使前緣公路出現(xiàn)拉張下座變形。因本次滑坡變形主要受控于巖層面和裂隙面,滑坡左側(cè)邊界為一山脊,主要在滑坡右側(cè)及后部切層滑動,無完整連續(xù)的滑面,這也是造成滑坡滑動速度較慢、滑動過程聲音較大的原因?；伦蚤_始變形后,變形速率逐步加快,后緣逐漸形成貫通拉張下座裂縫,前緣臨空的部位直抵河谷基巖支撐,滑動趨緩,后緣滑動形成高陡臨空面,隨即臨空面部位又進(jìn)一步向后部擴展形成沿層面及裂隙面控制的楔形體牽引滑動,形成了最終的滑坡形態(tài)。

滑坡變形期間近一個月內(nèi)無降雨情況,該滑坡為一新生滑坡,無已有滑動面,摩擦滑動過程中形成滑帶,故滑帶厚度較小,自滑坡左側(cè)邊界及變形區(qū)后緣清晰可見滑帶形成過程,因此本次滑動的主要誘發(fā)原因為岸坡巖體劣化后,在高水位運行期間庫水浸泡軟化引起的滑坡變形。

綜上所述,卡門子灣滑坡變形破壞機制可概括為：岸坡巖體劣化—前緣下座變形—層面裂隙面切層滑移—后部貫通拉張下座—整體滑動—前部抵河底阻滑—滑體變形趨緩—后緣滑壁擴展?fàn)恳冃巍?/p>

總之,卡門子灣滑坡為庫區(qū)岸坡巖體多年劣化后,高水位運行期間斜坡坡腳強度降低,斜坡穩(wěn)定性達(dá)到臨界后滑動。本次滑坡是一起軟弱夾層與切層裂隙組合的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制下的斜坡碎屑巖楔形體在高水位浸泡下產(chǎn)生的順向滑移。

5 結(jié)語與體會

本文通過對卡門子灣滑坡的基本特征、變形特征和周邊庫區(qū)碎屑巖岸坡劣化特征全面綜合的分析,結(jié)合岸坡劣化引起斜坡變形的過程,對卡門子灣滑坡劣化變形機制進(jìn)行初步研究。

根據(jù)卡門子灣滑坡特征、穩(wěn)定現(xiàn)狀及其主要影響因素,結(jié)合滑動后的地形地貌特征,建議采取削坡減載+回填壓腳+護(hù)腳墻+模袋混凝土護(hù)坡(回填區(qū)水下部分)+格構(gòu)植被護(hù)坡(回填區(qū)水上部分)+坡面整形+綠化生態(tài)修復(fù)等工程措施對滑坡進(jìn)行綜合治理,以確?；抡w穩(wěn)定及環(huán)境綠化協(xié)調(diào)。

巖體的劣化發(fā)展是一個動態(tài)變化的過程。在水庫運行和庫區(qū)開發(fā)建設(shè)等新的環(huán)境條件下,巖體劣化將會有新的變形特征和趨勢。三峽水庫進(jìn)入正常運行期后,受水庫水位漲落變幅的影響,庫周斜坡水文地質(zhì)條件會發(fā)生復(fù)雜的變化,岸坡劣化導(dǎo)致的斜坡穩(wěn)定性問題會逐步顯現(xiàn),庫周發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性增大。因此,研究水庫運行后巖體劣化的斜坡變形機制及趨勢預(yù)測尤為重要,為后期合理進(jìn)行岸坡巖體劣化評價、劃定岸坡劣化危險區(qū)段、庫區(qū)劣化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及劣化防治工作提供支撐,保障庫區(qū)人民生命財產(chǎn)安全意義重大,同時,對中國類似庫區(qū)巖體劣化研究也具有參考意義。