烏東德庫區(qū)小汊頭紅層滑坡形成機(jī)制研究

劉 敬 民,高 陽 陽,鄧 建 輝,葉 成 林,彭 正

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,四川 成都 610065; 2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室,四川 成都 610065; 3.中國三峽建工(集團(tuán))有限公司,四川 成都 610095; 4.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢),湖北 武漢 430074)

0 引 言

中國紅層區(qū)域可劃分為以川滇紅層為主的西南地區(qū)紅層、以甘肅紅層為主的西北地區(qū)紅層、中南、東南地區(qū)紅層和以西藏紅層為主的其他地區(qū)紅層[1]。作為川滇紅層重要組成部分的金沙江下游庫區(qū)紅層,因金沙江下游梯級電站的興建而得到研究人員的重視。由于紅層地區(qū)工程性質(zhì)較為特殊,往往是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)[2],烏東德庫區(qū)具有紅層滑坡密集發(fā)育的特點,且與歷史上一次大型滑坡堵江事件有關(guān),因此對這類滑坡的研究顯得尤為重要。

紅層巖體親水性較強(qiáng),遇水后易產(chǎn)生滲流、軟化、崩解等工程地質(zhì)問題[3-6]。紅層滑坡的誘發(fā)因素通常為降雨或庫水位變動[7-9],其特殊的水巖作用與巖體類別、結(jié)構(gòu)以及黏土礦物等親水性礦物的含量密切相關(guān)[10-13]。其中含膏紅層軟巖的溶蝕特性受到廣泛關(guān)注[14-16],這類紅層遇水后石膏大量溶解,導(dǎo)致巖體內(nèi)的礦物流失,孔隙度變大,滲透性能增強(qiáng),在酸性環(huán)境下溶蝕現(xiàn)象更為顯著。

一些學(xué)者重點對降雨作用下順層緩傾角紅層滑坡的形成模式和失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了研究。張倬元等[17]首次提出了平推式滑坡的概念,經(jīng)過大量研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)其主要發(fā)生在平緩層狀斜坡中,主要變形機(jī)制有滑移-壓制拉裂和塑流-拉裂兩種模式;李保雄等[18]系統(tǒng)地分析了中國西北部紅層軟巖滑坡變形與滑動面貫通機(jī)制,滑坡先后經(jīng)歷蠕變、滑動、失穩(wěn)劇滑和固結(jié)壓密階段;白永健等[19]采用現(xiàn)場調(diào)查地質(zhì)分析與離心機(jī)模型試驗相結(jié)合的方法,分析了降雨作用下紅層滑坡災(zāi)變演化過程,認(rèn)為巖體的損傷破壞與水軟化效應(yīng)相耦合的作用是導(dǎo)致紅層邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。李江[20]、鐘傳貴[21]等對川東地區(qū)緩傾角紅層滑坡成因機(jī)制進(jìn)行了研究,認(rèn)為在滑坡后緣裂縫充水后形成的靜水壓力與底滑面揚(yáng)壓力共同作用下,滑帶土逐漸軟化并最終導(dǎo)致滑體沿砂泥巖層面滑出。但針對堰塞堵江水位變動作用下,紅層砂泥巖互層狀滑坡的水巖作用機(jī)制與變形破壞模式相結(jié)合的研究甚少,且揭示程度不夠深入和完善。

本文以烏東德庫區(qū)小汊頭滑坡為例,在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,開展紅層水巖作用特征的研究,并對流固耦合作用下紅層滑坡失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行分析,研究成果有助于庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治,對保障庫區(qū)安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

1 小汊頭滑坡概況

小汊頭滑坡位于烏東德庫區(qū)金沙江右岸,距上游的江邊鄉(xiāng)約 13.6 km,距下游的罵拉莫村約2 km?；伦笥覂蓚?cè)可見沖溝,滑坡前后緣高程分別為920 m和1 300 m,前緣至后緣寬度自300 m至570 m,其平面面積約為0.29 km2,體積約為2 400萬 m3,中部相對前后緣較厚(見圖1)?；瑓^(qū)形貌總體呈上緩下陡的趨勢,平均坡度為26°～40°。

圖1 小汊頭滑坡全貌Fig.1 Landscape of the Xiaochatou landslide

滑體主要分為三級平臺,前緣內(nèi)側(cè)存在條帶狀分布的洼狀地形,中部平臺寬約30 m,后緣存在高達(dá)30 m 的近直立陡坎?；w物質(zhì)成分復(fù)雜,表層土中夾雜部分石膏碎屑,中部以厚層狀塊石為主,底部多為碎塊石土,下伏基巖為白堊系馬頭山組及江底河組砂巖、粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖,其中江底河組含石膏透鏡體,巖層傾向北東,傾角一般10°～16°。

2 紅層巖土體水巖作用特征

小汊頭滑坡采取的紅層巖(土)試樣來自滑坡前緣左側(cè)邊界處的基巖裸露面上,取樣點高程為970 m,包括礫巖、砂巖、泥巖、鈣質(zhì)膠結(jié)物、卵石層下部土樣,其中XCT-1、XCT-2和XCT-3分別為完整的礫巖、砂巖和泥巖;XCT-4為溶蝕后的砂巖;XCT-5和XCT-6為節(jié)理間鈣質(zhì)沉淀物;XCT-7為卵石層下部土樣(見圖2)。所取的完整礫巖與砂巖制成Φ50 mm×100 mm的圓柱試樣,泥巖試樣制成Φ25 mm×50 mm 的圓柱試樣。針對紅層巖土體遇水易崩解、溶蝕、軟化的特點,XCT-1和XCT-2巖樣用于浸泡在去離子水中的溶解試驗,泥巖用于干濕循環(huán)下的波速測試,研究紅層巖土體水巖作用下物質(zhì)成分、微觀結(jié)構(gòu)以及巖石強(qiáng)度的演變過程。

圖2 紅層滑坡巖樣Fig.2 Red bed landslide samples

2.1 礦物分析與礦物鑒定

通過X射線衍射儀(XRD)得到所取紅層巖(土)樣的礦物成分及占比情況見表1。其中XCT-1、XCT-2的巖樣磨片在偏光顯微鏡下的照片如圖3所示,巖樣的鑒定結(jié)果如下:

表1 紅層巖樣X射線衍射分析礦物成分Tab.1 Mineral composition of red-bed rock samples by XRD %

圖3 巖樣的偏光顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Polarizing microscope photos of rock samples

巖樣XCT-1為鈣質(zhì)砂質(zhì)復(fù)成分礫巖,巖石由大量礫石,混雜填隙物組成。礫石多呈圓狀、次圓狀,磨圓度較好,粒度相差較大,在2～50 mm之間不等,成分復(fù)雜,類型為(變質(zhì))砂巖礫石、石英片巖礫石、白云巖礫石、安山-玄武巖礫石等。填隙物呈充填狀分布在礫石顆粒之間,成分主要為巖屑、石英、長石、鈣質(zhì)及鐵-泥質(zhì)。其中,巖屑,粒度多在0.15～2.00 mm之間,成分與礫石相近;石英、長石,粒度多在0.05～1.00 mm之間,石英多潔凈,長石因蝕變存在較渾濁;鈣質(zhì),粒狀,粒度多在0.60 mm以下不等,具高級白干涉色,經(jīng)茜素紅試劑染色變紅,為方解石。鐵-泥質(zhì),呈塵狀,紅褐色,混雜在巖屑等砂質(zhì)成分之間。

巖樣XCT-2為細(xì)粒鈣質(zhì)長石石英砂巖,巖石由大量碎屑、混雜少量填隙物組成。整體分布具有定向性。其中,碎屑,多呈棱角狀-次棱角狀,粒度多在 0.05～0.20 mm 之間,磨圓度差,分選性好。顆粒之間多呈線-點狀接觸。碎屑主要為石英,少見長石、云母,微量綠泥石。其中,石英,無色,表面因不發(fā)育蝕變較潔凈;長石,雙晶特征發(fā)育,堿性長石、斜長石均可見,表面多因蝕變存在較渾濁;云母,黑云母、白云母均可見,夾雜在長英質(zhì)顆粒之間,分布具定向性;綠泥石,綠色-淡綠色,干涉色多被自身顏色所掩蓋或呈異常干涉色。填隙物呈充填狀分布在碎屑顆粒之間,成分主要為鈣質(zhì),微量硅質(zhì)、鐵-泥質(zhì)。其中,鈣質(zhì),具高級白干涉色,滴加稀鹽酸起泡劇烈,為方解石;硅質(zhì),細(xì)小米粒狀;鐵-泥質(zhì),黃褐色-黑褐色、紅褐色,鐵質(zhì)多呈粒狀。

2.2 浸水溶解試驗

2.2.1浸水過程溶液離子濃度變化特征

取礫巖、砂巖的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)樣各5個置于空桶內(nèi),注入去離子水1 000 mL沒過試樣。按照7,14,21,28 d的間隔取10 mL浸泡液上層清液,通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)與離子色譜儀(IC)分別對溶液中所溶解的陽離子與陰離子的類型進(jìn)行判定,并定量分析其濃度大小。

由圖4可見,礫巖浸泡液中SO42-的濃度最大,陽離子中濃度最大的是Na+,其次是Ca2+;SO42-的離子濃度增幅最快,其次是Ca2+、Na+,其他離子濃度增幅不大。砂巖浸泡液中SO42-的濃度最大,陽離子中濃度最大的是Ca2+,其次是Na+、Mg2+;SO42-的離子濃度增幅最快,其次是Ca2+、Na+,其他離子濃度增幅不明顯。

圖4 巖樣浸水后離子濃度隨時間變化曲線Fig.4 Variation curve of ion concentration with time after immersion of rock samples

根據(jù)礦物分析結(jié)果,礫巖和砂巖中含有的可溶性礦物主要為石膏、鈣質(zhì)膠結(jié)物和綠泥石。去離子水中溶解產(chǎn)生的Ca2+、SO42-濃度較高,由此可見石膏為主要的溶解礦物。石膏是一種鹽湖沉積相的可溶性鹽巖,其化學(xué)方程式為CaSO4·2H2O,為單斜晶系礦物,晶體形態(tài)多呈板狀、致密塊狀或纖維狀,在紅色砂巖、頁巖中較為常見[22]。石膏的水解反應(yīng)為

(1)

庫區(qū)紅層巖體中含有的石膏溶于地下水中,通過水的流動匯集于巖體的裂縫之中,隨著溶液濃度的不斷增加,達(dá)到溶解平衡后石膏以晶體形式析出,常附著在巖體表面或填充巖體間裂縫(見圖5(a)),導(dǎo)致原有巖體的石膏礦物成分流失,紅層巖體結(jié)構(gòu)被破壞,形成部分溶蝕孔洞(見圖5(b)),孔隙度變大,滲透性能進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.2.2浸水前后微觀結(jié)構(gòu)特征

圖6和圖7分別為礫巖和砂巖浸水前后微觀結(jié)構(gòu)圖。由圖6(a)可見巖樣表面有大量的纖維狀、長條狀石膏膠結(jié)體,分布較為均勻;從圖6(c)能夠明顯觀察到蜂窩狀綠泥石,其單晶形態(tài)呈薄六角葉片狀或板狀,呈孔隙襯墊結(jié)構(gòu)。觀察浸水前的微觀形態(tài),可見晶體多呈塊狀、板狀結(jié)構(gòu),晶面較為光滑、平整,結(jié)構(gòu)間接觸較為緊密,完整性較好,附著少量黏土礦物,沒有明顯的溶蝕破壞現(xiàn)象。由圖6(b)和(d)可見浸水后巖樣微觀形態(tài),受到水流的溶蝕作用,塊體被溶蝕切割成較小的形態(tài),表面的“刀砍狀”溶痕明顯,完整性較差。石膏、綠泥石等可溶性礦物被溶蝕水解,形成大量溶蝕孔洞,增大了與水的接觸面積并向內(nèi)部溶蝕,隨著其進(jìn)一步發(fā)展,塊體之間的聯(lián)結(jié)力逐漸減弱,最終形成細(xì)小顆粒。

圖6 浸水前后礫巖不同放大倍數(shù)下SEM微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 SEM microstructure of conglomerate at different magnification before and after immersion

從圖7(a)和(c)可觀察到巖樣浸水前表面呈現(xiàn)階梯狀,且零星分布有石膏,晶體多呈板狀、長條狀結(jié)構(gòu),可見少量微小裂隙的存在。由圖7(b)和(d)可見浸水后巖樣微觀形態(tài),由于水流的溶蝕沖刷作用,巖體內(nèi)的可溶性礦物石膏溶于去離子水中,部分溶蝕孔洞形成。表面細(xì)小的顆?；騽兟浠蛉芙?結(jié)構(gòu)面變得粗糙、松散,溶蝕后的結(jié)構(gòu)呈片狀,微裂隙逐漸延伸拓寬。

2.3 泥巖干濕循環(huán)下波速測試

研究區(qū)位于金沙江干熱河谷地區(qū),屬于低緯度高原季風(fēng)氣候帶,全年氣溫普遍偏高,沿金沙江河道區(qū)域日照充沛,蒸發(fā)作用強(qiáng),雨量集中,干濕季分明。針對庫區(qū)的該種氣候特點開展紅層巖體在干濕循環(huán)下的波速測試,研究泥巖在干濕循環(huán)條件下的軟化特性。

取4塊泥巖試樣進(jìn)行測試,用去離子水浸泡的紅層軟巖,重點測試了每次干濕循環(huán)過程后試樣的波速,在反復(fù)的浸水與失水環(huán)境下,泥巖表面逐漸生成微裂紋,表面有部分薄層脫落,水更易進(jìn)入巖石使其礦物水化造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。圖8試驗結(jié)果表明,在多次干濕循環(huán)后泥巖的結(jié)構(gòu)被破壞,P波和S波波速明顯降低。在第1次干濕循環(huán)后,泥巖從干燥狀態(tài)下吸收了大量的水分,波速發(fā)生顯著降低。4次干濕循環(huán)過程中,泥巖縱波與橫波波速始終呈下降趨勢,且橫波波速損失比縱波大。波速與巖石其他物理力學(xué)性質(zhì)有緊密聯(lián)系,波速的顯著下降能夠反映泥巖在干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度衰減特征[23]。

圖8 泥巖干濕循環(huán)過程中波速變化Fig.8 Variation trend of wave velocity with wetting-drying cycles of mudstone

2.4 水巖作用對邊坡穩(wěn)定性的影響

庫區(qū)巖層以砂泥巖互層狀分布,在金沙江庫水的長期浸潤下,紅層巖體發(fā)生一系列物理化學(xué)作用,砂巖中可溶性礦物溶解流失巖體滲透性增強(qiáng),地下水向坡內(nèi)入滲匯集于泥巖表面。泥巖在多次飽水與干燥環(huán)境下軟化,其強(qiáng)度不斷降低并向坡外蠕滑,使得泥巖上部砂巖因壓制拉裂而破壞,在庫水位的變動下上述過程持續(xù)發(fā)生,最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。

3 小汊頭滑坡數(shù)值模擬

烏東德庫區(qū)存在連續(xù)分布的湖相沉積物,可見的湖相沉積物高程從908 m至1 038 m,說明歷史上庫區(qū)曾發(fā)生過大型滑坡堵江事件,在此背景下運(yùn)用GeoStudio巖土工程數(shù)值分析軟件中SEEP/W和SIGMA/W兩個模塊,分析庫區(qū)古堰塞湖形成過程中滲流與應(yīng)力耦合作用下的滑坡形成機(jī)制。

3.1 計算模型

根據(jù)小汊頭滑坡1-1′地質(zhì)剖面圖建立滑前概化地質(zhì)模型,滑坡整體上為厚層砂巖夾薄層泥巖狀產(chǎn)出,泥巖厚度約為1 m。全局網(wǎng)格采用三角形和四邊形單元,砂巖網(wǎng)格尺寸為15 m,泥巖網(wǎng)格尺寸為5 m,節(jié)點數(shù)為15 364,單元數(shù)為12 799,網(wǎng)格模型見圖9。

3.2 計算參數(shù)及邊界條件

在前人試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上[24-25],綜合巖石力學(xué)參數(shù)手冊,并估計巖體的體積含水量函數(shù)和水力傳導(dǎo)函數(shù),計算所采用的參數(shù)如表2所列。

表2 小汊頭滑坡計算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of Xiaochatou landslide

此次模擬中需設(shè)置滲流與應(yīng)力兩個模塊的邊界條件。在SEEP/W模塊中,模型左側(cè)設(shè)置初始水位為900 m的定水頭邊界以及900～1 050 m的動水頭邊界,底部為零流量邊界;在SIGMA/W模塊中,設(shè)置邊坡模型兩側(cè)面采用水平方向位移為0的單向約束支座,底面采用水平及豎直方向位移為0的雙向約束支座。

3.3 計算步驟

首先計算穩(wěn)態(tài)滲水面水位為900 m時的初始地下水位,模擬堰塞湖水位上升900～1 050 m,水位每上升50 m計算一次岸坡滲流場,得到邊坡體積含水量云圖;其次將滲流結(jié)果導(dǎo)入SIGMA/W中,所有材料模型均為線彈性并將初始地應(yīng)力下的位移清零,對與水充分接觸的泥巖進(jìn)行強(qiáng)度折減,軟化后的泥巖材料設(shè)為摩爾庫倫模型,計算泥巖軟化后的邊坡位移與應(yīng)力云圖,裂縫設(shè)置為透水性極好、強(qiáng)度極低的摩爾庫倫模型。重復(fù)上述操作至水位上升到1 050 m。

3.4 計算結(jié)果

河流初始水位為900 m時邊坡體積含水量如圖10所示,模擬堰塞湖形成過程中水位自900 m上升至1 050 m,時步為15 d。

圖10 初始水位900 m體積含水量Fig.10 Volumetric water content at initial water level of 900 m

第5天水位升至950 m時,體積含水量分布如圖11所示,砂巖為透水層,泥巖為相對不透水層,水通過砂巖滲入坡內(nèi)接觸并軟化部分薄層泥巖。將滲流計算的結(jié)果導(dǎo)入SIGMA/W中并不斷對被水浸潤的泥巖進(jìn)行強(qiáng)度折減,當(dāng)折減系數(shù)為1.6即C=62.5 kPa,φ=19.84°,E=625 MPa時,泥巖作為控滑層面與上部巖體有傾向坡外滑移趨勢(見圖12),泥巖上覆砂巖體內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中區(qū)(見圖13),拉應(yīng)力大小約46.2～783.8 kPa,故在砂巖體內(nèi)形成一條與滑移面近于垂直的上窄下寬的拉張裂縫(平均寬度約20 cm)。將計算結(jié)果導(dǎo)入瞬態(tài)滲流分析中發(fā)現(xiàn)水流大量匯集于拉張裂縫中(見圖14),進(jìn)一步向坡內(nèi)滲流軟化薄層泥巖。隨著水位的上升,上述變形過程循環(huán)反復(fù)的發(fā)生,拉張裂縫向上擴(kuò)展至地面且逐漸偏向于最大主應(yīng)力方向(大致平行坡面);第15天水位升至1 050 m,體積含水量分布如圖15所示,巖體有傾向坡外滑移的趨勢,拉應(yīng)力區(qū)如圖16所示,拉應(yīng)力大小約11.5～1 518.7 kPa,裂縫內(nèi)充滿水(見圖17)。向坡內(nèi)不斷發(fā)展的平緩滑移面與縱向拉張裂縫相貫通,邊坡形成階梯狀滑動面后失穩(wěn)(見圖18)。

圖11 水位950 m體積含水量Fig.11 Volumetric water content at 950 m water level

圖12 水位950 m軟化泥巖后位移云圖Fig.12 Displacement cloud image after mudstone softening at 950 m water level

圖13 水位950 m拉應(yīng)力區(qū)域Fig.13 Tensile stress zone at 950 m water level

圖14 水位950 m裂縫生成后體積含水量Fig.14 Volumetric water content after fracture generation at 950 m water level

圖15 水位1 050 m體積含水量Fig.15 Volumetric water content at 1050 m water level

圖16 水位1 050 m拉應(yīng)力區(qū)域Fig.16 Tensile stress zone at 1 050 m water level

圖17 水位1 050 m裂縫生成后體積含水量Fig.17 Volumetric water content after fracture generation at 1 050 m water level

圖18 邊坡形成階梯狀滑動面后逐漸失穩(wěn)Fig.18 The slope is failared after forming step-like sliding surface

4 小汊頭滑坡形成機(jī)制分析

庫區(qū)紅層滑坡整體上呈厚層砂巖夾薄層泥巖互層狀產(chǎn)出,砂巖底部局部含有礫巖,其中砂巖屬硬巖,泥巖屬于軟巖。砂巖中含有石膏等可溶性礦物,砂巖的滲透性能較好為透水層,而泥巖為不透水層,在古堰塞湖湖水的浸潤下砂巖中的石膏、黏土礦物、鈣質(zhì)膠結(jié)物等溶解于水中,這些可溶性礦物隨著水的流動從巖石中被帶走,導(dǎo)致砂巖形成大量的溶蝕孔洞,滲透性能進(jìn)一步增強(qiáng),古堰塞湖水會通過砂巖透水層進(jìn)一步滲入坡體內(nèi)部,匯集于薄層泥巖上下層面。

泥巖含有大量黏土礦物,具有比表面大、親水性強(qiáng)等特性,呈明顯的塑性變形特征,與水作用后強(qiáng)度大幅降低。泥巖在上覆砂巖體的壓力作用下向坡前臨空方向產(chǎn)生緩慢的蠕變滑移,使得砂巖產(chǎn)生沿夾層的卸荷回彈,在滑移面的鎖固點或錯列點附近,因拉應(yīng)力集中砂巖內(nèi)部形成與滑移面近于垂直的拉張裂縫,并不斷向上擴(kuò)展其方向逐漸與最大主應(yīng)力趨于一致(大體平行于坡面),伴隨有局部滑移,屬壓致拉裂[24]。

拉張裂縫的形成有利于地表水的下滲,水流沿裂縫最終匯集于砂泥巖交界面,并向坡內(nèi)進(jìn)一步滲流,軟化泥巖并降低其強(qiáng)度,上部的砂巖拉裂面再次形成并不斷向上擴(kuò)展至地面?；坪屠炎冃问怯尚逼聝?nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面處自下而上發(fā)展起來的。自下而上的臺階狀裂紋形成后,變形體便開始轉(zhuǎn)動,使得坡體前緣嵌合體先后被剪斷、壓碎,坡面略有隆起,待陡傾縱向裂縫與平緩滑移面構(gòu)成貫通性階梯狀滑動面后,邊坡隨即失穩(wěn)破壞。

5 結(jié) 論

(1) 烏東德庫區(qū)紅層的砂巖礫巖中含有石膏、綠泥石等可溶性礦物,巖樣浸水后溶解的離子多為SO42-、Ca2+和Na+,主要的溶蝕礦物為石膏。浸水后微觀形貌發(fā)生變化,易溶解生成孔洞,增加巖體滲透性。

(2) 泥巖在干濕循環(huán)條件下內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞,完整性變差,波速顯著減小,能夠反映其強(qiáng)度衰減特征。

(3) 滑坡變形模式為緩傾角巖層的滑移-壓致拉裂,在該模式下泥巖作為控滑層面,使砂巖在變形過程中內(nèi)部形成上窄下寬的裂縫并不斷向上擴(kuò)展延伸,直至斜坡巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞。