三峽庫區大型單斜順層新生滑坡變形特征與失穩機理研究*

朱賽楠 殷躍平 黃波林 張枝華 王 平 王文沛 趙 慧 張晨陽

(①中國地質環境監測院， 北京 100081， 中國)(②防災減災湖北省重點實驗室， 三峽大學， 宜昌 443002， 中國)(③重慶市地質礦產勘查開發局208水文地質工程地質隊(重慶市地質災害防治工程勘查設計院)， 重慶 400714， 中國)(④中國地質大學(武漢)工程學院， 武漢 430074， 中國)

0 引 言

三峽工程庫區位于四川盆地與長江中下游平原的過渡地帶，跨越川東嶺谷地帶與渝鄂中山峽谷區，地質環境復雜，是地質災害高易發區。2008年試驗性蓄水以來，在三峽庫區水位調動變化等因素的綜合作用下，三峽庫區地質環境條件發生了明顯變化，新生或加速形成了大量地質災害，長江流域地質災害防治面臨嚴峻挑戰(Yin et al.，2016; 黃波林等， 2020)。

單斜順層滑坡一般發育于大型背斜褶皺構造兩翼，巖層傾向與坡向近一致。受到構造裂隙與軟弱層面控制，具有明顯蠕滑特性。孫廣忠(1983)研究了順層板裂結構巖質邊坡破壞形式，尤其是對層間錯動發生條件進行了探討。任光明等(1998)認為順層巖質滑坡形成機制為沿軟弱面控制的順層滑動，并建立了破壞的力學模型。李守定等(2007)研究了滑帶形成過程中原生軟巖、層間剪切帶和滑帶的物理性質、巖石礦物組成和含量、微結構和連接特征、礦物微觀演變、物理化學性質和物理力學性質的演化過程，總結得出了滑帶形成演化模式。殷躍平(2010)認為斜傾厚層山體滑坡視向滑動應具備層狀塊裂結構、山體傾向阻擋、臨空視向剪出、驅動塊體下滑、關鍵塊體阻滑等5個條件。肖詩榮等(2010)通過對瓦伊昂滑坡、塘巖光滑坡和千將坪滑坡的地質條件與變形特征對比，總結了水庫順層滑坡的易滑地質結構與誘發機制。王根龍等(2010)研究了受層間錯動影響的順層巖質邊坡穩定性的極限分析法，推導出了極限分析上限解。

三峽工程庫區水位在高程145～175m范圍周期性漲落，庫區巖溶岸坡消落帶巖體遭受的應力和環境條件也隨之變化，其巖體質量和物理力學性能差異性改變，稱為巖溶岸坡巖體劣化效應(黃波林等， 2019)。Collins et al.(2016)通過精細觀測發現，由于溫差循環產生的微小應力改變也能加速巖體裂隙擴展與分離。崔凱等(2019)以泥石流溝壁表層千枚巖為研究對象，針對極干-極濕、常規干濕、日常干濕等3種破壞條件下巖樣的宏觀形態、質量、縱波波速進行測試，并結合單軸無側限抗壓實驗以及與新生成分的礦物分析，闡述了千枚巖的劣化響應行為與機理。殷躍平等(2021)通過水庫運行狀態下原位跨孔聲波測試和井下電視，獲取了不同深度巖體物理力學參數，改進了GSI系統對岸坡劣化帶巖體的描述，拓展了廣義Hoek-Brown(H-B)準則在劣化帶巖體強度動態評價中的應用。鄧華鋒等(2021)通過斷續節理砂巖的水-巖作用試驗，結合力學試驗和微細觀結構檢測綜合分析了巖體劣化規律及機理。近年來，針對劣化巖體的礦物微觀演變、質量參數、物理力學性質、水巖作用等研究逐漸深入，對于揭示巖體劣化機理具有一定意義，但是應該注意到，岸坡巖體劣化造成了斜坡結構發生變化，也加速了岸坡變形破壞的演化進程。

轎頂峰2號滑坡位于三峽庫區巫峽長江干流段，屬于長江主航道，江上航道繁忙(游輪、貨輪、班船及臨水作業船只等)，僅每天通行的大型豪華游輪就有10艘。滑坡緊鄰青石旅游碼頭、神女溪景區、神女峰景區、青石水文站、青石居民點等設施，潛在威脅人數大于2000人，潛在經濟損失超1億元，破壞后果嚴重。本文結合庫水位變化、地質環境條件資料，通過現場調查測繪、無人機航空攝影測量、工程地質鉆探、地表及深部位移監測等方法，詳細分析了轎頂峰2號滑坡的基本變形特征、成因機制與發展趨勢，為三峽庫區大型單斜順層新生巖質滑坡防治提供參考依據與技術支撐。

1 滑坡區基本特征

1.1 地質環境條件

轎頂峰2號滑坡位于三峽庫區巫峽長江干流段，屬中山深切割侵蝕峽谷地貌，地勢南北高中間低。地形為上部陡崖與中下部陡坡交替的階梯狀臺地，整體坡度45°～85°，陡崖高度125～220m，陡坡整體坡度為40°～50°。最高點位于轎頂峰西北側神女峰，高程約1152m，最低點位于長江河谷谷底，高程約2m，相對高差約1150m。

滑坡位于四川盆地東南緣神女峰背斜南東翼，巖層傾向150°～182°，傾角45°～71°。斜坡整體傾向160°～185°，屬典型單斜順層結構巖質斜坡(圖1)。斜坡構造裂隙較發育，巖體切割呈較破碎狀。滑坡發育地層為三疊系下統嘉陵江組二段(T1j2)淺灰色中厚層泥質灰巖及巖溶角礫巖。滑坡區地下水的分布、埋藏、運移受巖性構造、地貌和水文網的切割程度影響較大，主要分為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖巖溶水2類。滑坡前部三峽庫區蓄水位在145～175～145m之間波動，水位變幅為30m。

圖1 轎頂峰2號滑坡地理位置與構造綱要圖

1.2 岸坡結構與滑坡空間形態

1.2.1 岸坡結構

受地質構造及河流下切等影響，轎頂峰岸坡結構類型屬于順向巖質岸坡。整體地形坡度45°～65°，傾向160°～185°，巖層產狀150°～182°∠45°～71°，岸坡水下高程105～140m區域多為陡坡或陡崖地貌，地形坡度60°～75°，存在較大范圍的順向臨空。主要發育嘉陵江組二段地層，巖性由薄-中厚層狀泥質灰巖、巖溶角礫巖、中厚層白云巖等組成，屬于硬質碳酸鹽巖局部夾軟弱夾層組合。岸坡構造裂隙較發育，將表層巖體切割成較破碎狀。

1.2.2 滑坡空間形態與邊界

滑坡范圍包括兩側自然沖溝切割范圍內巖體臨空的區域，根據現場實測，西側沖溝下切深度18.80m，東側沖溝下切41m。根據1︰1.5萬水下航道圖推測，斜坡水下臨空面高程約100～140m，后緣高程約520m，剪出口高程約140～145m。滑坡橫寬約300m，縱長約400m，平面形態呈不規則“n”型，主滑方向為182°。滑坡斜面面積約12.5×104m2，平均厚度約20m，體積約250×104m3，為大型單斜順層巖質滑坡(圖2)。

圖2 轎頂峰2號滑坡工程地質平面圖

1.3 滑坡物質組成與結構特征

根據調查測繪、勘探鉆孔揭露情況，滑坡地層巖性為三疊系嘉陵江組二段(T1j2)薄-中厚層泥質灰巖及巖溶角礫巖，其中泥質灰巖為斜坡主要巖體，屬于碳酸鹽巖堅硬巖組。巖溶角礫巖只在斜坡上游西邊界沖溝出露，主要集中出露在劣化帶及以下區域，沿岸坡往上逐漸殲滅，最高延伸至高程180m附近。該夾層為軟弱夾層，無規則層面，局部巖體層面錯亂，泥質含量較高，表層巖體較破碎，但膠結程度較好，為控制滑坡局部或整體穩定性的關鍵地層。該夾層在高程145m水位線以上發育厚度約5～12m，呈不等厚發育，沿斜坡向上逐步殲滅。

本加固方式可傳遞節點拉力及壓力，考慮壓力傳遞時，不僅要考慮節點強度，還需考慮節點穩定性。抱箍采用比被加固桿件規格大一號的的圓管加工制作而成，抱箍內徑與桿件外徑相同，厚度不小于桿件壁厚。

斜坡地質結構為順向巖質岸坡，岸坡坡角50°～60°，巖層傾角45°～58°，高程145m水位線以上岸坡局部臨空， 145m水位以下約在110～120m高程區域附近臨空，臨空巖體厚度約8～14m。滑坡巖層產狀為175°∠61°，后緣節理裂隙J1產狀為247°∠76°，節理J2產狀為152°∠68°。前緣劣化帶節理裂隙J3產狀為253°∠71°，節理J4產狀為159°∠62°，斜坡被“X”型節理和層面裂隙切割成菱形塊狀(圖3)。

圖3 轎頂峰2號滑坡工程地質剖面圖Ⅰ-Ⅰ′

1.4 滑坡變形特征

1.4.1 滑坡變形發育歷史

通過調查與資料收集，轎頂峰段斜坡在三峽庫區蓄水后時有小規模順層剝落滑塌現象。2007年7月3日和23日，轎頂峰下游約500m處5號斜坡分別發生兩次崩塌現象(圖4)，崩塌體呈板狀，東西長約20m，厚0.35m，高80m，體積560m3，嚴重威脅航道通行安全。2018年10月8日，轎頂峰2號滑坡前緣劣化帶高程150～180m處發生小規模滑塌(圖5)，滑塌體沿巖層層面剝落，東西長約15m，厚約0.45m，高約30m，體積200m3。

圖4 轎頂峰5號斜坡崩滑

圖5 轎頂峰2號滑坡崩滑

1.4.2 宏觀變形

通過調查，轎頂峰2號滑坡變形破壞主要集中在消落帶區域，主要表現為受地質構造與庫水位等影響下的巖體劣化，其破壞特征如下：

(1)消落帶區域巖體受2-3組構造裂隙的切割，將巖體切割成不規則板狀或碎塊狀，裂隙發育間距0.5～3.2m，張開度0.1～7cm，延伸長度約2.0～26.5m，局部充填碎塊石與第四系黏土(圖6a)。

(2)消落帶局部差異劣化、崩塌形成新的臨空面(凹巖腔)，且臨空巖體在裂隙切割下逐漸貫通，巖體強度不斷衰減，有局部滑移、墜落跡象，該變形為從下至上的小范圍、小規模的滑移、傾倒墜落(圖6b)。

(3)滑坡上游西側發育一條破碎帶，發育方向約65°，發育高程155～175m，寬度40～100cm，破碎帶巖體呈反傾狀，巖體結構為薄至極薄層泥質灰巖(圖6c)。

(4)劣化帶表層破碎巖體受庫水沖剝蝕較嚴重，庫水位的漲落及無規律的風浪將破碎巖體逐步搬運，形成了新的臨空面以及裂隙面的逐步擴張。巖溶角礫巖發育的消落帶區域，巖體劣化嚴重，局部可見溶蝕孔洞發育，一般溶蝕孔洞直徑約5～13cm，深度4～10cm，呈不規則狀(圖6d)。

圖6 滑坡宏觀變形特征

(5)滑坡上部發育長度約0.5～1.6m的溶蝕孔洞與溝槽，巖體局部差異風化或裂隙切割，導致小規模的崩塌掉塊，局部可見直徑約0.2～1.0m散落塊體與懸石。

(6)斜坡東側邊界裂縫被風化侵蝕掏空，其最大張開度約32cm，最大可見深度47cm，局部被碎塊石充填，邊界區域巖體局部扭曲但整體完整性較好。

1.4.3 深部變形

為了更直觀地揭露劣化帶巖體特征，采用懸挑式近水平鉆探工藝開展劣化帶鉆進，單孔鉆探深度40m，鉆孔高程158m(圖2)。利用JKX-3型全孔壁成像系統采集鉆孔柱狀剖面連續圖像，進行展開、拼接處理，觀測滑坡深部巖體變形特征。同時，采用深部位移監測儀器測定鉆孔不同深度的變形量。本次布置2處深部位移監測點，分別位于滑坡前緣劣化帶上游西側(ZK12)和下游東側(ZK17)。監測周期自2019年11月1日～2021年3月25日，共510d。選取其中9期監測數據進行處理分析，從監測曲線可以看出，ZK12位移變化量為-5.8～4.3mm， ZK17位移變化量為-8.3～4.5mm，曲線均有兩處明顯拐點，表明滑坡目前處于蠕滑變形階段(圖7)。

圖7 地層柱狀影像與深部位移監測曲線

監測點ZK12曲線總體形態為“S”型，在深度16.0～18.0m和24.0～26.0m處存在兩處明顯凸起，可能分布有滑面。據鉆孔影像資料顯示， 16.5～17.4m段和24.6～25.5m發育裂隙結構面和軟弱夾層，推測17.0m和25.0m為滑動錯動面。

監測點ZK17曲線總體形態為“B”型，在深度11.0～13.0m和29.0～31.0m處存在兩處明顯凸起，可能分布有滑面。據鉆孔影像資料顯示， 11.7～12.6m和29.8～30.3m處發育裂隙結構面和軟弱夾層，推測12.0m和30.0m為滑動錯動面。

2 滑坡成因機制分析

2.1 地形地貌

轎頂峰斜坡屬中山深切割侵蝕峽谷地貌，為順向巖質滑坡。滑坡后緣高程500m，兩側邊界被自然沖溝切割，雙溝同源，西側沖溝下切深度18.80m，東側沖溝下切41m。坡面中部發育縱向沖溝，寬度22～95m切割深度10～20m(圖8)。滑坡水下高程100～120m區域為陡崖地貌，地形坡腳約60°～75°，存在較大范圍的順向臨空，臨空巖體厚度8～14m。長江深切峽谷和高陡斜坡為滑坡提供了卸荷作用和高勢能，是滑坡失穩變形的基本條件(張永雙等， 2021； 朱賽楠等， 2021a，2021b)。

圖8 滑坡形態無人機三維影像

2.2 地層結構

滑坡位于神女峰背斜南東翼，地層巖性為泥質灰巖夾泥質軟弱夾層。斜坡揉皺錯動發育，斜坡發育兩組優勢節理裂隙，第1組產狀247°～251°∠71°～76°，張開1～70cm，充填碎塊石或巖屑，裂面凹凸不平，裂隙間距1.5～3.7m，延伸長度一般大于50m，裂隙面結合程度差，屬硬性縱張結構面。第2組產狀152°～159°∠62°～68°，張開1～30cm，下游東側邊界處張開度達2.6m，充填碎塊石或巖屑，裂面凹凸不平，裂隙間距1.8～4.6m，延伸長度大于50m，裂隙面結合程度差，屬硬性橫張結構面(圖9、圖10)。兩組優勢構造裂隙與巖層層面將巖體切割呈板狀或碎塊狀，使斜坡巖體結構劣化，控制了斜坡整體穩定性(殷躍平， 2010； 朱賽楠等， 2019， 2021a)。

圖9 泥質灰巖中發育的兩組節理裂隙

圖10 滑坡空間結構面赤平投影

2.3 消落帶劣化

聲波波速變化是巖體完整性程度的典型標志，也是巖體質量劣化的標志之一。通過原位跨鉆孔縱波波速對穿測量方法，測定水位周期變動下巖體質量的響應特征，查明深部巖體質量劣化的空間分布特征。通過劣化巖體波速與單軸抗壓強度，定量計算巖體基本質量指標(BQ)，分析巖體質量劣化程度(GB/T50218-2014)(中華人民共和國行業標準編寫組，2014)。巖體基本質量指標(BQ)表達公式如下：

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強度，實測值為78.75MPa；Kv為巖石完整性系數，是巖體與巖石的縱波速度比的平方，其中巖體的縱波波速為實測值，巖石縱波波速為7616m·s-1。

跨孔聲波對穿測量利用ZK12和ZK13，鉆孔高程均為158m，鉆孔間距為5m，測量時間為2019年9月。由圖11測試結果可知，ZK12/13在深度3.0～10.0m段巖體聲波波速急劇變化，表明該段巖體非常破碎，有軟弱帶、破碎帶或空洞區域。另外有3段沒有采集到有效數據，表明完整性非常差，深度分別為0～3.0m、10.0～12.0m和13.0～27.0m。

圖11 ZK12/13跨孔聲波波速與深度曲線

通過計算得到跨孔巖體基本質量指標，由圖12可知，ZK12/13獲得有效測試數據的巖體質量指標在359～472之間，為Ⅲ類，其中深度3.0～12.0m有部分巖體BQ為Ⅱ類，主要分布在6.6m、12.8m鉆孔深度。無有效數據段巖體非常破碎，其巖體質量指標BQ分級為Ⅴ類。

圖12 ZK12/13跨孔BQ與深度曲線

2.4 地表水與地下水

三峽水庫壩前水位每年在145～175～145m之間波動，水庫水位變幅為30m。夏天出露水面處于高溫暴曬下，冬天處于浸泡狀態下，形成了浸泡-風干周期性過程，軟化和降低了巖體強度。庫水位的升降直接作用于岸坡上，水位漲落產生的動水壓力和側蝕作用，加速了岸坡消落帶巖體的劣化。例如在箭穿洞上游庫岸可見水位175m之下的垂直裂隙明顯要多于水位線之上。同時，沿垂直裂隙極度發育大量的長條狀溶隙和溶槽。溶隙、溶槽內的巖溶碎屑有些仍然填充在其中，有些已經被淘蝕，大的溶槽寬度和高度能容納成人進入。

在庫水位波動或地下水作用下，巖體內巖橋溶蝕斷裂，裂隙逐漸擴大，巖體強度降低(陳小婷等， 2020； 肖捷夫等， 2020； 張揚等， 2020)。黃波林等對比了2012年和2017年陡傾順層斜坡表面巖體裂隙長度，年最大延伸率約為0.15m·a-1，年平均延伸率約為0.08m·a-1。比三峽的平均溶蝕率高約1300倍。如果按巖體劣化的裂縫延展率來計算減少巖橋長度，那么岸坡演化劣變會急劇加速(黃波林等， 2019； 孫祥等， 2020)。地表水和地下水對消落帶劣化嚴重影響巖體的整體穩定性(圖13)。

圖13 消落帶巖體溶蝕潛蝕劣化現象

3 滑坡變形趨勢分析

為了追蹤滑坡體實時變形情況，合理判斷滑坡發展趨勢，自2018年11月1日在滑坡主要變形區布設了GNSS地表位移監測儀器，來監控滑坡空間形變情況(圖2)。共布設3個GNSS監測點，布設位置高程分別為180m、250m和300m。圖14是三峽庫區蓄水位與滑坡3個監測點水平方向和垂直方向累積位移-時間曲線。可以看出，自2018年11月1日到2021年3月25日共875d， G01、G02和G03 3個監測點的累積水平和垂直位移逐漸增大，且垂直位移量大于水平位移，其中G01點累積水平和垂直位移量最大，分別達到9.88mm和38.89mm。位移變化與水位波動有一定關聯，滑坡以沿層面或軟弱夾層向下蠕滑錯動變形為主。從目前地表位移與鉆孔深部變形曲線的發展趨勢來看，轎頂峰2號滑坡正處于持續蠕滑變形階段，如遇極端暴雨或強震影響，前部劣化帶發生崩滑破壞失穩的可能性較大，并且存在滑坡涌浪風險，需加強專業監測預警工作(張家明， 2020)。

圖14 三峽庫區蓄水位與滑坡地表位移-時間監測曲線

4 討 論

轎頂峰2號滑坡是三峽庫區蓄水后與消落帶巖體劣化相關的典型大型順層新生巖質滑坡之一。三峽庫區冬蓄夏洪的周期性水位調控，形成了高程145～175m之間的水位消落帶。碳酸鹽巖岸坡消落帶巖體節理裂隙發育，庫水和地下水與岸坡的交互作用活躍(Derek et al.， 2007)，侵蝕及應力疲勞作用復雜，造成了巖體質量劣化，加速了岸坡變形破壞演化進程。如三峽庫區2008年重慶巫峽龔家方崩滑(Huang et al.，2012)， 2015年重慶奉節藕塘滑坡(Yin et al.，2016)， 2014年重慶秭歸杉樹槽滑坡(Huang et al.，2015)， 2019年湖北卡門子灣滑坡(Yin et al.，2020)，都是碳酸鹽巖消落帶巖體質量劣化的典型案例。

根據目前轎頂峰2號滑坡地表和深部變形以及劣化帶特征，滑坡下部軟弱夾層巖體質量處于不斷劣化過程，強度逐漸衰減，上部邊界裂縫逐漸發育貫通。主要的破壞模式可能為沿臨空層面整體滑動或局部(上游沖溝區域)沿軟弱夾層崩滑破壞。由于位于長江干流主航道，滑坡一旦滑動入江，高位勢能可能產生滑坡涌浪鏈式災害，嚴重威脅到航道過往船只以及緊鄰神女峰景區、青石旅游碼頭等相關人員設施安全。建議持續開展庫區消落帶劣化系統觀測與新生滑坡失穩機理研究，提升庫區新生滑坡災害識別與預警能力。

5 結 論

本文以三峽庫區轎頂峰2號滑坡為例，詳細分析了大型單斜順層新生巖質滑坡的基本變形特征、成因機制與發展趨勢等問題。通過現場調查測繪、無人機航空攝影測量、工程地質鉆探、地表及深部位移監測等方法，得到以下認識：

(1)滑坡位于神女峰背斜南東翼，在地貌上屬中山深切割侵蝕峽谷區，發育地層巖性為三疊系嘉陵江組泥質灰巖。滑坡后緣高程約520m，前緣高程約140m，高差380m，滑坡剪出口位于庫區蓄水位以下。斜面面積約12.5×104m2，平均厚度約20m，體積約250×104m3，為大型單斜順層新生巖質滑坡。

(2)滑坡變形破壞主要集中在上部和下部消落帶區域，發育2-3組構造裂隙，將巖體切割為碎塊狀。劣化帶破碎巖體受庫水沖剝蝕嚴重，溶蝕裂隙孔洞較發育。深部監測數據顯示消落帶發育兩條滑動錯動面，分別位于距坡面深度12.0～17.0m和25.0～30.0m之間。

(3)滑坡目前處于蠕滑變形階段，受地形地貌、地層結構、消落帶劣化以及水的影響，垂直方向變形持續增大，前部劣化帶發生崩滑破壞失穩可能性較大，并且存在滑坡涌浪災害鏈風險。建議持續開展庫區消落帶劣化系統觀測研究，提升庫區新生滑坡災害識別與預警能力。