三峽庫區(qū)神農(nóng)溪段消落帶巖體劣化對地質(zhì)災害的影響

王 燦，田 酬，劉 波，柳宇凱

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州 434000； 2.巴東縣沿渡河國土資源所,湖北 巴東 444300； 3.湖北省自然災害應急技術中心，湖北 武漢 430064)

自2003年5月三峽庫區(qū)蓄水以來,三峽水庫共經(jīng)歷了三次大幅蓄水過程,分別為2003年6月135 m水位,2006年156 m水位和2008年175 m水位,后壩前水位在145～175 m間波動[1]。庫水位每年在175～145 m之間周期性波動的作用下,形成了最大30 m高差的消落帶區(qū)。

庫區(qū)兩岸斜坡多次發(fā)生新生地質(zhì)災害事件,據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)兩側斜坡消落帶劣化現(xiàn)象明顯形成劣化帶,對新增及復活的地質(zhì)災害存在著重要的影響。本文以三峽庫區(qū)神農(nóng)溪段為例根據(jù)兩岸斜坡消落帶的劣化現(xiàn)狀調(diào)查及相關干濕循環(huán)實驗數(shù)據(jù)資料,探討分析三峽庫區(qū)斜坡劣化帶對蓄水以來地質(zhì)災害發(fā)育的影響。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

神農(nóng)溪為三峽庫區(qū)長江干流左側一支流,庫區(qū)涉及河流長度約26 km,地貌主要為峽谷地貌,兩岸坡度均較陡,微地貌主要為近垂直的陡崖和陡坡兩大類。

每年3月—4月為三峽庫水位緩慢消落階段,5月—6月為庫水位快速消落階段,7月—8月為汛期,9月—10月為蓄水階段,11月—次年2月為庫水位175 m高水位運行期。消落帶受庫水位漲落沖蝕影響,使得表層覆土剝離基巖出露。通過調(diào)查可見神農(nóng)溪兩岸巖性主要為碎屑巖與碳酸鹽巖兩大類。碎屑巖以三疊系巴東組紫紅色泥質(zhì)砂巖為主；碳酸鹽巖以三疊系嘉陵江組和大冶組的灰?guī)r為主。

2 消落帶巖體劣化特征

目前三峽庫區(qū)蓄水運行至今已15年有余,根據(jù)三峽庫區(qū)神農(nóng)溪流域的調(diào)查得知最高水位線與最低水位線之間形成高差30 m的消落帶。消落帶因庫區(qū)水位漲落沖蝕基巖裸露,與消落帶上部巖體對比具有肉眼可分辨的明顯差異性。消落帶的劣化現(xiàn)象根據(jù)巖性劃分主要分為碳酸鹽巖和碎屑巖兩大類,劣化特征表現(xiàn)形式為如下三種。

2.1 節(jié)理裂隙

在庫水位漲落造成的干濕循環(huán)的物理侵蝕作用以及碳酸鹽巖的溶蝕作用下,消落帶出露巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度要強于上部自然風化下的巖體。消落帶在裂隙的規(guī)模上,如裂隙長度、深度和寬度上對比175 m水位以上巖體均有一定的增大,同時在裂隙發(fā)育的密度上也要高于175 m水位以上的巖體裂隙發(fā)育密度。據(jù)前期學者調(diào)查可知，消落帶巖體裂隙發(fā)育程度約為175 m水位以上的10倍[2]，并且溶蝕、潛蝕現(xiàn)象有明顯的增大。通過對現(xiàn)場照片進行分析對比,可以清晰觀測出消落帶劣化后與其上部巖體的節(jié)理裂隙風化差異(見照片1)。

照片1 消落帶劣化后和上部巖體裂隙發(fā)育對比Photo 1 Comparison of fracture development in the upper rock mass after the degradation of the extinction zone

碳酸鹽巖的裂隙主要受溶蝕影響,在溶蝕作用下形成溶溝、溶槽,多見長度>1 m、且寬度>2 m的溶槽。碎屑巖主要受潛蝕影響,在干濕循環(huán)下形成表層裂隙,在庫水潛蝕作用下裂隙面遇水軟化的顆粒被帶走,裂隙逐步加深、擴大,切割巖體,碎屑巖區(qū)裂隙多呈密集網(wǎng)紋狀發(fā)育,長度多為0.1～0.5 m,深度多<0.1 m,密度較大,5～8條/m。

2.2 沖蝕凹巖腔

消落帶巖體破碎軟弱且含有部分軟弱夾層,在受到水位漲落沖蝕掏蝕作用下,通過流水沖力侵蝕、地下水流潛蝕或攜沙水體磨蝕等機械力侵蝕,形成了凹巖腔。據(jù)調(diào)查消落帶內(nèi)凹巖腔發(fā)育明顯,規(guī)模可見長度多在10 m以上,寬度多>1 m，可見深度最大>1 m(見照片2)。

照片2 消落帶巖體劣化形成的凹巖腔Photo 2 Concave rock cavity formed by rock mass degradation in the depression zone

該現(xiàn)象主要發(fā)育在碳酸鹽巖中,而碎屑巖在凹巖腔形成的初期,因巖體抗風化能力較弱,且遇水易軟化,便發(fā)生了崩塌剝落現(xiàn)象,無法形成完整規(guī)模的凹巖腔現(xiàn)象。

2.3 表層剝落

表層剝落的現(xiàn)象一般多見于碎屑巖類巴東組紫紅色泥質(zhì)粉砂巖地層中。剝落物形狀呈不規(guī)則狀。消落帶劣化后巖體表層剝落通常是沿著密集的劈理面和微層理面剝落。成因主要是由于庫水上升之后,消落帶巖體被庫水長期浸泡并且?guī)缀踹_到飽和狀態(tài)；而庫水下降之后,消落帶巖體所處環(huán)境的溫度和濕度都發(fā)生了很大的變化,并且在庫水位漲落時,水動力變化對消落帶巖體的穩(wěn)定性有不利的影響,造成表層巖體的剝落。因此,在消落帶的巖體表層剝落現(xiàn)象比其上部不受庫水影響的巖體更為嚴重(見照片3)。

照片3 消落帶劣化后巖體表層剝落Photo 3 Surface spalling of rock mass after attenuation zone degradation

3 消落帶巖體劣化發(fā)育趨勢預測分析

消落帶巖體劣化的形成主要是因為庫水位在漲落時,消落帶巖土體在庫水周期性升降的作用下處于一種“干燥—浸濕”的循環(huán)狀態(tài),這種干濕循環(huán)作用將造成巖土體強度的劣化。所以可以通過模擬這種干濕循環(huán)的狀態(tài)做室內(nèi)實驗來預測分析巖體劣化的趨勢。前人多位學者做過此類實驗,并取得了一定成果,本文針對神農(nóng)溪范圍內(nèi)的巖性特征分為碳酸鹽巖和碎屑巖兩類對前人資料進行選取和引用分析,預測消落帶巖體劣化的發(fā)展趨勢。

3.1 碳酸鹽巖

對碳酸鹽巖進行干濕循環(huán)巖石力學性質(zhì)劣化的研究,目前有朱珩[3]測試利用預應力約束過的泥質(zhì)白云巖巖樣干濕循環(huán)后的巖體力學性質(zhì),其結果是抗壓強度平均下降率約為2.6%。抗壓強度、變形參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)N的衰減規(guī)律以二元一次方程擬合較為合理。還有王偉等[4]以錦屏水庫岸坡的大理巖為研究對象,開展干濕循環(huán)后巖石力學實驗,其結果是抗剪強度參數(shù)每次循環(huán)的下降率為 0.3%～0.7%,其彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)N的衰減以指數(shù)函數(shù)擬合較為合理。對于三峽庫區(qū)的碳酸鹽巖干濕循環(huán)實驗,黃波林[5]等在巫峽青石采集三疊系嘉陵江組中厚層灰?guī)r制作巖芯試樣用以研究,所得抗壓強度平均每循環(huán)的下降率與王偉等所得較類似,與朱珩相差較大,其原因可能與其實驗早期的預應力約束有關。但最后得到了碳酸鹽巖的干濕循環(huán)劣化幅度指數(shù)是增大的,其劣化機理非常復雜,主要為結構面填充物的溶蝕或潛蝕[6]和溫差導致硬質(zhì)巖體裂縫擴展與新生[7]。

3.2 碎屑巖

神農(nóng)溪庫區(qū)范圍內(nèi)的碎屑巖岸坡主要為巴東組泥質(zhì)粉砂巖。前人針對紅砂巖等軟巖做過大量的實驗,庫區(qū)內(nèi)巴東組泥質(zhì)粉砂巖可以對此有一定的借鑒。通過張振華[8]等人對水庫運行期岸坡消落帶紅砂巖抗拉強度劣化機理分析,可知在水壓力和“濕干”交替共同作用的過程中,紅砂巖的抗拉強度隨著“濕干”交替作用次數(shù)的增加逐漸劣化，劣化幅度逐漸減小最終趨于零。而簡文星等人對三峽庫區(qū)消落帶巴東組軟巖抗剪強度劣化機理分析研究,得到巴東組軟巖初期干濕循環(huán)時抗剪強度發(fā)生嚴重劣化；軟巖抗剪強度的劣化是由于蒙脫石遇水膨脹和巖石中裂隙吸附水分產(chǎn)生楔裂壓力的發(fā)展造成的這一劣化機理。

通過前人學者實驗數(shù)據(jù)及結果對比神農(nóng)溪庫區(qū)范圍內(nèi)巖性特征可知：碳酸鹽巖的劣化機理主要為溶蝕、潛蝕和溫差變化,其發(fā)育趨勢是隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而成指數(shù)式增大；碎屑巖的劣化機理主要是內(nèi)部礦物質(zhì)遇水膨脹和楔裂壓力,其發(fā)育趨勢隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而成對數(shù)式增大。考慮到庫區(qū)的運行具有長期性,因此劣化因素更為復雜,水化學作用、水壓力變化以及水動力作用等均對劣化發(fā)育有著一定的影響。因此劣化帶的實際發(fā)育相對于室內(nèi)干濕循環(huán)實驗結果而言,其劣化程度和速率要大于室內(nèi)實驗結果。

3.3 地質(zhì)災害發(fā)育趨勢

據(jù)資料統(tǒng)計分析,神農(nóng)溪流域庫區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有滑坡、崩塌和泥石流127處,其中滑坡大多分布在碎屑巖區(qū),崩塌分布在碳酸鹽巖區(qū),一處泥石流為早期泥石流，位于碎屑巖區(qū),近年未發(fā)生變形處于基本穩(wěn)定狀態(tài),本次分析不將泥石流考慮在內(nèi)。

2003年三峽庫區(qū)開始蓄水后,地質(zhì)災害發(fā)育進入多發(fā)期,除新增的地質(zhì)災害外還有部分蓄水前的地質(zhì)災害出現(xiàn)復活現(xiàn)象。根據(jù)往年監(jiān)測資料可知，神農(nóng)溪庫區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)災害的始發(fā)及變形頻率主要集中在2003年、2006—2008年、2014年至今三個時間段,其地質(zhì)災害的變形較活躍。前期其原因主要為水庫波動及大氣降雨兩個因素,與水庫的蓄水階段、氣象資料的變化基本吻合。而變形活躍的時間段在2014年至今,地質(zhì)災害的變形頻率逐步增加,推測與消落帶的劣化有著一定關系。通過前文分析可知，劣化程度的增加對地質(zhì)災害發(fā)生變形的影響權重將會越來越大,其表現(xiàn)為2018年調(diào)查發(fā)現(xiàn)劣化帶范圍內(nèi)新增大量危巖體,偶有碎石崩落的現(xiàn)象發(fā)生(見照片4),且涉水滑坡變形加劇,存在復活跡象。

照片4 消落帶巖體劣化后新增危巖Photo 4 New dangerous rock mass after rock mass degradation in the falling zone

4 消落帶巖體劣化對地質(zhì)災害的影響

隨著庫區(qū)的運行,消落帶巖體劣化的發(fā)育程度越來越大,對地質(zhì)災害的影響也愈發(fā)嚴重。通過神農(nóng)溪庫區(qū)范圍內(nèi)的調(diào)查,分析消落帶巖體劣化的發(fā)育對地質(zhì)災害的影響,研究其致災機理,對以后庫區(qū)地質(zhì)災害防治工作有著重要的指導和幫助。在成災模式上,調(diào)查區(qū)內(nèi)主要分為滑坡和崩塌兩大類。其具體的成災機理分析如下。

4.1 滑坡

滑坡主要分布在碎屑巖區(qū),巖性多為泥質(zhì)粉砂巖,巖質(zhì)較軟,地形多為陡坡地貌,前緣大多涉水。劣化帶的發(fā)育往往造成了坡角處巖體的碎裂及表層剝落。根據(jù)簡文星在三峽庫區(qū)消落帶巴東組軟巖抗剪強度劣化機理[9]與周寶璐的干濕循環(huán)巖體強度劣化效應及邊坡穩(wěn)定性分析[10]等文獻的干濕循環(huán)實驗數(shù)據(jù)可知,隨著水庫的運行,消落帶軟巖區(qū)的巖體粘聚力不斷下降,對紅粘土的干濕循環(huán)實驗證明，8次干濕循環(huán)后粘聚力降為天然狀態(tài)下的57%,內(nèi)摩擦角出現(xiàn)小幅度的增大,約7%,巖石總體上抗破壞能力變?nèi)酢Ｍ瑫r表層的剝落造成了地形的改變、坡腳變陡,為滑坡形成提供了良好的臨空面。消落帶巖體劣化誘發(fā)的滑坡為牽引式滑坡。

4.2 崩塌

崩塌主要分布在碳酸鹽巖區(qū),巖性多為灰?guī)r,巖質(zhì)堅硬,地形多為近垂直的陡崖地貌。其形成機理有3種：①消落帶巖體在庫區(qū)水位漲落水動力作用及干濕循環(huán)作用下,巖體完整性變差,巖體力學強度逐漸降低,劣化程度逐步增大,最終導致消落帶巖體破碎或順坡向結構面發(fā)生變形,進而引起上部巖體發(fā)生滑移形成滑移式崩塌；②消落帶巖體破碎軟弱,受水位漲落影響形成凹巖腔,導致危巖下部懸空,凹巖腔或下部巖體破碎崩落或掏蝕后形成的懸空處發(fā)生墜落式崩塌；③隨著消落帶巖體劣化的發(fā)育及變形形成軟弱基座,上部危巖體與母巖分離后重心逐漸外傾,危巖體沿某一支點向臨空方向發(fā)生轉(zhuǎn)動性傾倒,形成傾倒式崩塌。

5 結論

(1) 對三峽庫區(qū)神農(nóng)溪范圍內(nèi)的消落帶進行了詳細的野外調(diào)研,發(fā)現(xiàn)在庫水位周期性升降的影響下,消落帶巖體劣化現(xiàn)象非常嚴重。

(2) 針對區(qū)域內(nèi)的巖性特征分別對碳酸鹽巖和碎屑巖進行了干濕循環(huán)實驗結果分析，認為碳酸鹽巖的劣化趨勢成指數(shù)式增大,其機理主要為溶蝕、潛蝕和溫差；碎屑巖的劣化趨勢成對數(shù)式增大,其機理主要為內(nèi)部礦物遇水膨脹和裂隙吸附水分產(chǎn)生的楔裂壓力。同時水化學作用、水動力作用以及水壓力對巖體的劣化也有一定的影響,推測消落帶巖體的發(fā)育趨勢要大于室內(nèi)的實驗結果。

(3) 統(tǒng)計分析三峽庫區(qū)自蓄水運行以來,神農(nóng)溪范圍內(nèi)地質(zhì)災害的發(fā)育情況及規(guī)律。推測消落帶巖體劣化的發(fā)育對庫區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育的影響權重逐步加大。

(4) 區(qū)域內(nèi)消落帶巖體劣化誘發(fā)地質(zhì)災害的成災模式主要為滑坡和崩塌。滑坡成災機理主要為前緣巖體力學強度的破壞和地形的改變形成臨空面誘發(fā)牽引式滑坡。崩塌的成災機理主要為消落帶巖體的破壞,及不斷劣化誘發(fā)的滑移式、墜落式和傾倒式三種崩塌破壞模式。

(5) 通過對三峽庫區(qū)神農(nóng)溪范圍內(nèi)消落帶巖體劣化的研究,查明與地質(zhì)災害發(fā)生的關系,對進一步了解三峽庫區(qū)同類地質(zhì)災害提供了理論依據(jù)，為三峽庫區(qū)地質(zhì)災害隱患點監(jiān)測預警及治理工作提供了一定的技術支撐。