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

(湖北省水文地質工程地質勘察院,湖北 宜昌 443000)

湖北省三峽庫區蓄水后,庫周斜坡水文地質條件發生復雜的變化,岸坡劣化導致的斜坡穩定性問題逐步顯現,庫周發生地質災害的可能性增大。近些年三峽庫區因劣化引起的巖質滑坡有杉樹槽滑坡、卡門子灣滑坡等,對庫區人民的經濟發展和生命財產安全構成極大威脅。基于卡門子灣滑坡及周邊碎屑巖庫岸野外調(勘)查[1]、現場實驗工作,本文對岸坡劣化引起的斜坡變形機制進行初步研究,為三峽庫區碎屑巖岸坡劣化[2]研究、庫區順層巖質滑坡研究和防治提供技術支撐。

卡門子灣滑坡[3]位于長江一級支流泄灘河左岸,行政區劃隸屬湖北省秭歸縣泄灘鄉陳家灣村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,庫區高水位運行期間滑坡出現整體滑移,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全鄉約1.23萬人出行受阻,對全鄉居民的生產生活造成較大影響。

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和牽引區組成,滑動區縱長約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.侏羅系中統沙溪廟組；4.滑坡邊界；5.變形牽引區邊界；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.侏羅系中統沙溪廟組；4.滑動面；5.碎塊石土；6.碎裂巖；7.粉砂巖；8.泥質粉砂巖。

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沙鎮溪組(J2s1)紫紅色薄層粉砂巖、泥質粉砂巖與粉砂質泥巖不等厚互層。據勘查鉆孔揭露并結合滑坡體巖層特征,確定滑體厚度為8.8～24.5 m。滑坡主要沿巖體層面切層滑移,滑坡南側滑移面出露,滑帶為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖,厚度2～15 mm。

1.2 變形特征

卡門子灣滑坡首次變形發生于2019年11月20日,主要為中下部出現變形裂縫,且不斷向后緣擴展,至2019年12月10日,滑坡發生整體滑移,滑坡前緣涌入長江支流泄灘河河道,并導致泄牛路損毀,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象

2.1 滑坡前緣岸坡劣化現象

該滑坡所處庫岸屬碎屑巖庫岸,巖性主要以中—厚層粉砂巖、薄層泥質粉砂巖和粉砂質泥巖為主,其中粉砂巖強度相對較高,泥質粉砂巖、粉砂質泥巖強度相對較低,劣化存在一定差異性,岸坡坡向近北西,斜坡巖層產狀30°∠40°,該斜坡結構為斜順向坡。滑坡前緣岸坡基巖裸露,表部粉砂巖多劣化散裂成塊狀,泥質粉砂巖和粉砂質泥巖碎裂成顆粒狀,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。滑坡前緣岸坡劣化現象主要為崩落、掉塊、沿結構面的剝落等。

2.2 周邊碎屑巖庫岸劣化現象

通過對滑坡及周邊碎屑巖岸坡進行對比調查,發現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,在自然風化重力卸荷作用下,受三峽庫區水位長期循環漲落影響,表層巖體出現劣化速度及劣化程度上的差異,導致岸坡出現劣化變形。岸坡劣化現象主要包括散裂碎裂現象、機械掏蝕沖蝕現象。

2.2.1散裂碎裂現象

由于汛期三峽庫區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)影響風化作用強烈,風化巖體主要沿結構面發育裂縫,隨著時間的推移裂縫由閉合到顯現、由顯現到張開、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,而強度較低的泥質粉砂巖巖體則劣化碎裂呈顆粒狀,隨著結構面的逐步增多,巖體強度逐步嚴重下降,這也是岸坡巖體劣化的重要標志,水庫的運行加速了這一過程(照片8、照片9)。

照片8 粉砂巖散裂現象Photo 8 Spallation of siltstone

照片9 泥質粉砂巖碎裂現象Photo 9 Fragmentation of argillaceous siltstone

2.2.2機械掏蝕沖蝕現象

在三峽庫區運行過程中,庫水位變動尤為常見,庫水的機械掏蝕沖蝕[4]現象也較為常見,它最明顯的作用表現在以下幾個步驟：①覆蓋層較薄的岸坡土體及裂隙面充填物被掏蝕,導致巖體裸露；②機械的沖刷造成已有裂縫進一步加寬加深,破壞了淺表層巖體結構,最終導致崩落、掉塊；③對表層因劣化產生的松動巖體沖刷攜帶,坡體內凹；④下一循環劣化沖刷過程中,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象Photo 10 Water erosion of clastic rock bank slope reservoir

3 岸坡劣化特征初步分析

為進一步查明本次碎屑巖巖體劣化引起的斜坡變形原因,除對滑坡進行全面調(勘)查外,在滑坡周邊類似地質情況的碎屑巖岸坡亦進行了大量現場實驗及取樣分析,現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、干濕循環實驗等,對碎屑巖岸坡劣化特征進行充分研究,因本次滑坡出現在坡體結構為斜順向坡部位,所以開展的庫岸調(勘)查工作主要針對坡體結構為順向坡或斜順向坡。以下根據調(勘)查成果結合實驗進行分析。

3.1 強度劣化特征

針對岸坡巖體劣化現狀,采用大量現場回彈和點荷載實驗,對岸坡175 m水位線上和消落區進行了現場回彈強度實驗,同一斜坡部位水位線上強度略高于消落區巖體。經過水上、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,泥質粉砂巖巖體在相同環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場點荷載實驗,選取強度類似巖塊進行實驗取平均值對比分析,實驗方向均為垂直巖層面方向,滑坡周邊岸坡現狀粉砂巖塊體的破壞荷載在15.3～18.7 kN之間,泥質粉砂巖塊體的強度在2.3～3.8 kN之間,泥質粉砂巖表層選取塊體較為困難,多可手捏即碎,因此強度值應較實驗值更低。對卡門子灣滑坡勘查后選取鉆孔中風化粉砂巖樣和泥質粉砂巖樣進行對比點荷載實驗,粉砂巖破壞荷載平均值為25.7 kN,泥質粉砂巖破壞荷載平均值為5.9 kN。岸坡表部現狀粉砂巖平均強度值較中風化巖體強度總體下降約33.8%,泥質粉砂巖總體下降約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

對粉砂巖和泥質粉砂巖制樣后進行干濕循環下巖石強度劣化對比研究,對不同循環次數的試樣進行力學性質實驗。干濕循環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,目前三峽庫區高水位運行自2008年開始已經歷12年,本次模擬進行12次干濕循環實驗,每次循環后進行聲波測試和力學應力測試。

泥質粉砂巖干濕循環實驗隨循環次數增加,劣化明顯,標準巖樣隨干濕循環次數增加表面產生肉眼可見的裂隙變大。波速與干濕循環次數成反比,泥質粉砂巖波速隨干濕循環次數增加而降低。巖石波速經過12次干濕循環后平均波速由2 725 m/s下降至2 169 m/s。巖塊單軸壓縮實驗應力經過12次干濕循環后平均峰值強度由93.701 MPa下降至54.346 MPa,應力下降42%。

粉砂巖干濕循環實驗隨循環次數增加,劣化較明顯,試樣空隙結構發生明顯變化。波速與干濕循環次數成反比,波速隨干濕循環次數增加而降低。巖石波速經過12次干濕循環后平均波速由3 020 m/s下降至2 679 m/s。巖塊單軸壓縮實驗應力經過12次干濕循環后平均峰值強度由197.201 MPa下降至135.436 MPa,應力下降31.3%。

3.2 成分分析

對粉砂質泥巖和粉砂巖分別取樣進行電鏡掃描成分對比分析。

泥質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(<5%)組成。

由上述實驗成果可見,泥質粉砂巖中親水的粘土礦物含量高達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化粉砂巖、泥質粉砂巖巖樣裸露放置,通過觀察對比,泥質粉砂巖巖樣在夏天高溫放置2—6 h后就會出現裂紋,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 泥質粉砂巖碎裂崩解Photo 11 Argillaceous siltstone disintegration

泥質粉砂巖崩解主要原因為巖體內親水物質在失水條件下,發生了不均勻的收縮作用,產生偏應力,其結果是局部應力超過巖石現有的抗拉強度,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粉砂巖巖體在自然環境下劣化速度差異較為明顯。

3.3 岸坡地形地貌劣化特征

根據對類似岸坡,及同一部位的水上、水下地形地貌調查對比,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粉砂巖巖體存在強度及成分的差異,在自然風化、重力卸荷作用下受三峽庫區水位長期循環漲落影響,表層巖體出現劣化速度及程度上的差異,導致岸坡出現劣化變形。地貌形態上多呈“指狀”展布,當斜坡結構為斜順向坡或順向坡時,庫區側向侵蝕劣化差異形成特有的地貌形態(照片15)。

照片15 側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°,巖層產狀為30°∠40°,滑坡所處部位地層為紫紅色薄層粉砂巖、泥質粉砂巖不等厚互層,存在多層的軟弱夾層,雖然坡體結構為一斜交順向坡,但巖體內發育有一貫通性較好的不利裂隙面,裂隙面330°∠60°,裂隙面發育密度規律性較強,構成了此次的滑動。

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175 m水位運行后,經過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,經過近幾年的漲落干濕循環,巖體劣化深度逐步加深,強度逐步降低,岸坡巖體經2019年夏季高溫進一步劣化后,斜坡穩定性達到臨界狀態。同年10月份三峽庫區蓄水,高水位運行近1個月后,劣化岸坡經歷飽水軟化后強度進一步降低,斜坡抗滑力不足,11月中旬前緣開始出現變形,致使前緣公路出現拉張下座變形。因本次滑坡變形主要受控于巖層面和裂隙面,滑坡左側邊界為一山脊,主要在滑坡右側及后部切層滑動,無完整連續的滑面,這也是造成滑坡滑動速度較慢、滑動過程聲音較大的原因。滑坡自開始變形后,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。

滑坡變形期間近一個月內無降雨情況,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,自滑坡左側邊界及變形區后緣清晰可見滑帶形成過程,因此本次滑動的主要誘發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—后緣滑壁擴展牽引變形。

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

5 結語與體會

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碎屑巖岸坡劣化特征全面綜合的分析,結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行初步研究。

根據卡門子灣滑坡特征、穩定現狀及其主要影響因素,結合滑動后的地形地貌特征,建議采取削坡減載+回填壓腳+護腳墻+模袋混凝土護坡(回填區水下部分)+格構植被護坡(回填區水上部分)+坡面整形+綠化生態修復等工程措施對滑坡進行綜合治理,以確保滑坡整體穩定及環境綠化協調。

巖體的劣化發展是一個動態變化的過程。在水庫運行和庫區開發建設等新的環境條件下,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,庫周斜坡水文地質條件會發生復雜的變化,岸坡劣化導致的斜坡穩定性問題會逐步顯現,庫周發生地質災害的可能性增大。因此,研究水庫運行后巖體劣化的斜坡變形機制及趨勢預測尤為重要,為后期合理進行岸坡巖體劣化評價、劃定岸坡劣化危險區段、庫區劣化地質災害監測預警及劣化防治工作提供支撐,保障庫區人民生命財產安全意義重大,同時,對中國類似庫區巖體劣化研究也具有參考意義。