岸坡消落帶巖體劣化的新生型滑坡(崩塌)隱患演化模式研究*

張 鵬 張森林 黃波林 王 勛 郭 健 代貞偉 鄭嘉豪 閆國強

(①三峽大學防災減災湖北省重點實驗室， 宜昌 443002， 中國)

(②三峽大學湖北長江三峽滑坡國家野外觀測站， 宜昌 443002， 中國)

(③重慶市地質礦產勘查開發局107地質隊， 重慶 401120， 中國)

(④中國地質調查局武漢地質調查中心， 武漢 433000， 中國)

(⑤中國地質大學(武漢)工程學院， 武漢 430074， 中國)

0 引 言

三峽水利樞紐工程是世界上最大的水利工程，三峽庫區歷來是地質災害隱患較為集中的區域，庫水位的變化造成庫岸兩側巖體形成兩條平行的岸坡消落帶(劉春等， 2004)。消落帶巖體在各種不利條件綜合作用下劣化現象明顯是庫岸邊坡較為脆弱的地方。劣化隨著時間進一步加劇，極易誘發庫岸邊坡產生失穩破壞。如1961年湖南省的資水柘溪水庫發生的順層基巖滑坡(肖詩榮等， 2010)、2003年三峽庫區秭歸縣千將坪滑坡(侯珍珠等， 2019； 李會中等， 2006a，2006b)、2008年的巫峽龔家方崩塌(黃波林， 2014)、2014年秭歸縣杉樹槽滑坡(王鳴等， 2015)、以及箭穿洞危巖體的變形、破壞(張枝華等， 2018)等都與水庫消落帶巖體劣化相關(劉廣寧等， 2017)。消落帶的巖體劣化間接關系到庫區廣大人民生命及財產安全，因此查明岸坡巖體劣化形成的新生型滑坡(崩塌)的演化模式對水庫巖質岸坡穩定性評價具有重要的意義。

在水庫周期性漲落的條件下，一方面岸坡消落帶巖體的孔隙水壓會發生循環變化，另一方面周期性的干濕交替進一步加快了巖體的風化速度也加劇了巖體的風化程度，同時這種風化產生的效果會逐漸積累，也許前期的變化并不顯著，但其影響是存在的，隨著時間的推移損傷效應就可能會集中凸顯出來，使邊坡向著不穩定的方向發展(尹宏磊等， 2008； 鄧華鋒等， 2017)。

國內外許多專家和學者對庫岸邊坡巖體進行了大量研究。王燦等(2020)認為三峽庫區神農溪段巖體劣化對地質災害發育的影響愈發凸顯，該段巖體劣化的表現形式為節理裂隙的發育，溶蝕凹腔和巖體表層剝落3種。王士天等(1997)認為在庫水位波動及動水壓力長期作用下，消落帶巖體的穩定性會發生不同程度的降低。肖捷夫等(2020)認為庫水漲落的越快滑坡產生的變形越大，且庫水位下降造成的邊坡變形遠比庫水上升帶來的影響更加明顯。劉廣寧(2018)認為巖體在干-濕循環條件下強度和耐崩解性不斷降低，內部結構會向著不穩定的方向發展，進一步表明了消落帶巖體強度受庫水影響明顯。

閆國強等(2020)對三峽庫區巫峽段灰巖岸坡巖體進行了多次的飽和-風干劣化試驗，查明巖體強度劣化情況并建立了基于核衰變的劣化控制方程。Li et al. (2020)認為在干濕交替條件下巖體劣化，抗剪強度變化主要受控于水的潤滑作用，主要表現在巖石摩擦角的變化。Sun et al. (2018)通過試驗證明在含有碳酸鹽/赤鐵礦填充的巖樣中，膠結物顆粒對巖體劣化有著顯著作用。Gupta et al. (2007)認為碳酸鹽巖的耐崩解性主要受控于巖石的密度，孔隙度和結構而與水的pH值沒有直接的相關性。Huang et al. (2018)，Paronuzzi et al. (2013)，Miao et al. (2016)，Gutierrez et al. (2010)都發文說明了庫水作用是影響岸坡失穩的重要因素。

以往對消落帶巖體的研究多針對特定區域內巖體劣化與某些因素的相關性，對庫區宏觀上的總結與探討較少，本研究通過大量野外觀測資料和室內分析工作，系統總結了三峽庫區秭歸至巴東段岸坡消落帶巖體劣化的類型以及滑坡隱患點的演化模式。為三峽庫區岸坡預測預警與防治提供技術支持。

1 研究區巖體劣化發育現狀

三峽庫區秭歸至巴東段岸坡是秭歸縣和巴東縣長江主河道沿線，地處長江三峽腹地，由上游巴東流向下游秭歸。區內地質構造復雜，九畹溪斷裂、仙女山斷裂，秭歸向斜、黃陵背斜等地質構造的發育致使區內巖體結構極為破碎，是三峽庫區地質災害多發的生態功能區。區內巖性組合為泥巖、泥質頁巖、泥質粉砂巖、碳酸鹽巖及部分煤層和黏土層。通過對研究區岸坡消落帶實地考查，區內岸坡消落帶巖性為碳酸巖鹽及碎屑巖，由西向東依次出露的地層為侏羅系(J)、三疊系(T)、二疊系(P)、石炭系(C)、泥盆系(D)、志留系(S)、奧陶系(O)、寒武系(∈)、震旦系(Z)、南華系(Nh)。區內除缺失志留系上統(S2)、泥盆系下統(D1)、石炭系上統(C2)和第三系(N)地層外，從前震旦系(Zt)至第四系(Q)地層均有出露，總體上以黃陵結晶巖為界，向東、西兩側地層逐漸變新。

三峽庫區蓄水后，長江干流兩岸均受有不同程度的劣化現象。在秭歸至巴東峽谷段岸坡消落帶巖體劣化現象明顯，且不同區段劣化表現出顯著差異性。根據野外調查與室內分析，研究區岸坡消落帶巖體劣化主要表現為結構面松動、巖體斷裂、巖體表面剝落、表層沖蝕溶蝕孔洞、機械剝蝕等。因此，根據地層巖性，岸坡結構以及破壞的方式將研究區消落帶巖體劣化分為碳酸鹽巖與碎屑巖兩大類共計7種類型，碳酸鹽巖類巖體劣化類型表現為溶蝕(潛蝕)型、裂縫顯化與擴張型、機械侵蝕型； 碎屑巖類巖體劣化類型主要表現為松動(剝落)型、沖蝕(磨蝕)型、結構面崩解塊裂型及軟硬相間侵蝕型，如表1 所示。

表1 研究區巖體劣化類型統計表

長江左岸劣化帶分區：L1→L88，共計88段劣化分段帶； 長江右岸劣化帶分區：R1→R81，共計81段劣化分段帶，研究區共計劣化分段帶169段。其中以松動/剝落型的劣化類型最為發育，左岸25處，右岸15處，共計40段，總長度為26.4km占總劣化區的22.5%。沖蝕/磨蝕型次之左岸16段，右岸11段，共計27段，總長度為15.3km占總劣化區的13.0%。其中左岸存在的滑坡(崩塌)隱患點有68處，占研究區左岸劣化區的77.3%，右岸存在的滑坡(崩塌)隱患點有54處，占研究區右岸劣化區的66.7%，共計122處滑坡(崩塌)隱患點，占研究區總劣化帶的72.2%。劣化類型及滑坡隱患點的分布詳細分布見圖2。

圖1 三峽庫區秭歸至巴東段地形地貌及沿長江主干道地質剖面概要圖

圖2 研究區岸坡消落帶巖體劣化類型及隱患點分布圖

2 研究區潛在滑坡隱患點發育特征及野外識別

2.1 碳酸鹽巖類岸坡消落帶巖體劣化的潛在滑坡隱患點發育特征及野外識別

2.1.1 基座碎裂壓潰型崩塌隱患點發育特征及野外識別

基座碎裂壓潰型潛在崩塌隱患點的地形大部分以陡坡為主，甚至是近直立岸坡。溶蝕/潛蝕致使岸坡消落帶巖體中發育大量的沿節理裂隙和層面的溶隙、溶槽及不等規模的溶孔，使岸坡消落帶巖體結構面急劇增多，巖體質量嚴重下降，形成卸荷作用致使上部極易出現卸荷裂隙，進一步發育形成危巖體地質災害。

基座碎裂壓潰型典型潛在崩塌隱患點發育特征如圖3 所示。隱患點的巖層大多為緩傾構造、塔柱狀岸坡結構，坡度較陡近直立，其發育特征受控于庫岸的地形及地貌。部分潛在崩塌隱患點下部軟弱基座輕微內凹，為危巖體的形成提供了臨空條件。其次，在地質構造方面，研究區內巖體應力集中，坡體內部巖體擠壓，構造裂隙發育且多為縱張性，應力越集中，裂隙的貫通性和張開度越好。再者，地層巖性方面，基座碎裂壓潰型潛在崩塌隱患點巖性構成主體為泥質灰巖、灰巖； 頂部為白云巖、泥質灰巖； 基座為礫屑、砂屑灰巖，為接觸式膠結，膠結物為泥鈣質，且層間具條帶狀構造，為軟弱夾層，極易被水淘蝕，上軟下硬的巖性組合提供了危巖體的物質基礎。

圖3 基座碎裂壓潰型潛在崩塌隱患點發育特征圖(鏡頭方向NE20°)

2.1.2 基座掏空傾倒型崩塌隱患點發育特征及野外識別

基座掏空傾倒型崩塌隱患點的發育與研究區內碳酸鹽巖類岸坡巖體發生的溶蝕/潛蝕及裂縫顯化與擴張等劣化現象密切相關。在長期機械侵蝕和化學溶蝕作用下，消落帶巖體結構面及其軟弱層會進一步受損，機械沖刷會使節理裂隙進一步加寬變深，消落帶上的巖體在自身重力作用下極易發生傾倒破壞，形成基座掏空型的潛在崩塌隱患點。

研究區內發育的基座掏空傾倒型崩塌隱患點主要以不穩定斜坡為主，少量發育潛在危巖體，其發育規模均較小，形態大多以簸箕形居多。其劣化程度受控于岸坡結構、岸坡地層巖性及內外動力條件等。研究發現消落帶的巖體與非消落帶的巖體相比劣化特征表現在岸坡消落帶裂縫數量上增多，裂縫寬度普遍增大，裂縫跡長普遍增加，進而使結構面貫通。形成的典型潛在滑坡隱患點如圖4。

圖4 基座掏空傾倒型潛在崩塌隱患點發育特征圖(鏡頭方向NE60°)

2.1.3 順向滑移型滑坡隱患點演化與發育特征及野外識別

順向滑移型潛在滑坡隱患點多以順向、斜順向岸坡為主，巖性以灰巖、白云質灰巖和白云巖等硬質巖為主，部分岸坡坡度較緩。這類滑坡隱患點淺表層巖體結構面發育，經常會出現結構面或裂縫變寬、變深的現象。在長期的庫水位波動及內動力作用下，部分岸坡消落帶巖體沿層面順向滑移，落入江內。經野外調查與室內分析，這類巖體劣化為主的潛在滑坡隱患點以順向滑移型潛在不穩定斜坡為主，典型的滑坡隱患點如圖5。

圖5 順向滑移型潛在滑坡隱患點發育現狀圖(鏡頭方向NW20°)

2.2 碎屑巖類岸坡消落帶巖體劣化的潛在滑坡隱患點演化與發育特征及野外識別

2.2.1 軟硬相間坍(崩)塌型滑坡隱患點識別與發育特征及野外識別

軟硬相間坍(崩)塌型滑坡隱患點發育規模主要以小型為主。其發育特征與岸坡消落帶的地層巖性及內外動力條件密切相關。當碎屑巖類岸坡消落帶以軟巖(泥頁巖)和硬巖紫紅色砂巖交替出露時，泥頁巖作為夾層遇水極易發生軟化，在動水作用下發生掏空剝蝕，致使薄至中厚層的砂巖沿著層面發生脫落，從而使岸坡巖體劣化。長期的水動力作用使軟巖進一步軟化，硬巖層失去支撐作用被迫開裂，形成次生節理，當垂直于巖層層面的節理裂隙貫通后，逐漸形成多條平行于坡面或垂直于巖層走向的卸荷裂隙，進而演化為潛在滑坡隱患點。這類滑坡隱患點主要受控于消落帶軟硬相間巖性的碎屑巖岸坡結構，其演化為災害的類型主要以坍(崩)塌為主如圖6。

圖6 軟硬相間坍(崩)塌型滑坡隱患點發育現狀圖(鏡頭方向SE60°)

2.2.2 視傾向楔形滑動型滑坡隱患點演化與發育特征及野外識別

視傾向楔形滑動型滑坡隱患點的地質災害類型以不穩定斜坡為主。其發育的消落帶岸坡結構為順向、斜順向。巖性多以軟硬相間巖層為主。軟巖在庫水位波動下，發生軟化，在長期的水動力作用下，產生沖蝕磨蝕、松動剝落、結構面崩解塊裂等碎屑巖類巖體劣化現象。軟巖及崩解的塊體在水位波動和浪蝕作用下極易被沖刷搬運走，留下大量沖蝕孔洞，進而形成卸荷裂隙及后緣拉張裂縫。前緣硬巖層逐漸形成臨空面，且極易發育兩組深切巖層的節理裂隙，致使坡體逐步形成與原巖分離的楔形體，發生卸荷作用后，上部坡體逐漸失穩，形成楔形滑面，在自身重力作用下逐步貫通軟弱層形成滑帶，從而發生楔形滑動。典型視傾向楔形滑動型潛在滑坡隱患點的發育現狀如圖7。這類滑坡隱患點的失穩演化過程主要表現為巖層結構面發生開裂-結構面貫通-楔形面形成-滑移。

圖7 視傾向楔形滑動型滑坡隱患點發育現狀圖(鏡頭方向NE45°)

2.2.3 順向滑移型滑坡隱患點演化與發育特征及野外識別

順向滑移型滑坡隱患點巖性以泥質砂巖及泥頁巖互層為主，在順向、斜順向岸坡中，軟巖遇水極易發生軟化卸荷，在水流淘蝕和自身重力作用下硬巖即沿層面發生向下滑動、剝落，從而形成岸坡巖體劣化現象，進一步發育即會形成潛在順向滑移型滑坡隱患點。這類隱患點主要發育于松動/剝落型的碎屑巖類岸坡巖體劣化帶中，發育的地質災害類型以不穩定斜坡為主，以小規模為主。岸坡結構多以順向、斜順向岸坡為主，且多伴隨著軟硬相間巖層，軟巖在庫水位波動下，發生軟化，硬巖層形成卸荷作用后，沿著節理面發生開裂-松動-滑移等現象。通過野外實地調查與室內航遙數據對比分析，順向滑移型滑坡隱患點主要表現特征為坡面有大小不均的塊體，以紫紅色砂巖為主，可見沖蝕孔洞，節理貫通性好，坡體巖性大部分為薄層-厚層砂巖夾薄層泥頁巖，坡面局部可見第四系堆積物，部分硬巖塊體有沿層面向下滑動的趨勢。典型碎屑巖類順向滑移型滑坡隱患點發育現狀如圖8。

圖8 順向滑移型滑坡隱患點發育現狀圖(鏡頭方向NW30°)

2.2.4 逆向傾倒型滑坡隱患點發育特征及野外識別

逆向傾倒型滑坡隱患點與沖蝕/磨蝕型、結構面崩解塊裂型的碎屑巖類岸坡巖體劣化及岸坡巖性、結構密切相關。研究區內大量出露砂巖夾泥頁巖互層，泥頁巖作為岸坡中的軟弱層，其遇水極易發生軟化，在水流淘蝕作用下發生掏空剝蝕，致使中厚層的砂巖沿著原生結構面發生崩解塊裂，從而使岸坡巖體發生結構面崩解塊裂型劣化現象。長期的庫水位波動及水動力作用下，軟巖(泥頁巖)軟化并隨水流被沖刷搬運，留下大量沖蝕/磨蝕孔洞，為硬巖層提供了形成潛在不穩定斜坡的必要條件——臨空面，在結構面崩解塊裂作用下，硬巖層(如中厚層的砂巖)發生開裂，形成次生節理(垂直于層面的結構面逐漸發育)，逐步貫通，進而使巖體發生卸荷作用，產生剝落掉塊、傾倒等現象。大部分岸坡結構為逆向岸坡，坡體巖性主要為砂巖夾泥頁巖。典型逆向傾倒型潛在滑坡隱患點發育現狀如圖9 所示。

圖9 典型逆向傾倒型潛在滑坡隱患發育現狀圖(鏡頭方向NE20°)

3 研究區巖體劣化的潛在滑坡隱患點演化模式

根據研究區岸坡消落帶巖體劣化類型的調查與分析結果，結合結構面發育特征，岸坡結構，巖性結構及邊界特征系統總結了以下幾種潛在巖體劣化的新生型滑坡(隱患)災害演化模式。

3.1 碳酸鹽巖類岸坡消落帶巖體劣化的潛在滑坡隱患點演化模式

3.1.1 基座碎裂壓潰型

基座碎裂壓潰型演化模式潛在崩塌隱患點以溶蝕潛蝕、裂隙擴展型為主，大型結構面/控制性結構面發育形成邊界，岸坡結構多為逆向岸坡或平緩層狀岸坡，巖體結構類型大多為塊狀結構或層狀結構或碎裂結構或散體結構或軟硬相間結構。這類潛在滑坡隱患點的基座發育了大量溶溝、溶槽、溶隙及溶洞，在降雨或其他外力作用觸發下，穩定性較差的巖體將會沿著溶蝕裂隙和卸荷裂隙逐漸解體，進而發生坍(崩)塌或滑坡等地質災害。概化模式示意圖如圖10 所示。

圖10 基座碎裂壓潰模式

3.1.2 基座掏空傾倒型

基座掏空傾倒型演化模式的潛在崩塌隱患點巖體劣化類型以裂縫顯化與擴張型、機械沖刷為主，大型外傾或陡立結構面/控制性結構面發育，岸坡結構多為逆向岸坡或平緩層狀岸坡。基座巖體在庫水長期的浸泡和淘蝕作用下，軟弱的巖體發生軟化、泥化最后被水流帶走，導致基座被掏空，形成形狀不一的侵蝕裂隙和侵蝕凹腔，裂隙和凹腔形成使巖體下部整體性遭到破壞，難以承受上部巖體的重量，在水位消退后，失去了水的側向壓力，巖體上部就產生了拉張裂隙，一旦形成了江水涌進巖體內部的通道，這種劣化類型就會進一步加速發育，當拉張裂隙進一步發育貫通后消落帶岸坡就會發生局部坍(崩)塌破壞。概化模式示意圖如圖11 所示。

圖11 基座掏空模式

3.1.3 順向滑移型

順向滑移型演化模式的潛在滑坡隱患點巖體劣化類型主要為溶蝕潛蝕型、裂縫顯化與擴張和機械侵蝕型，岸坡結構多為順向岸坡或斜順向岸坡，層面發育在長期的庫水位波動下，發生沖蝕、淘蝕。碳酸巖鹽類岸坡會發生溶蝕潛蝕等溶蝕作用，長年累月順向層面被掏空，逐步發育大量沿層面和垂直于層面的節理裂隙，完整的巖體被新生的垂直于層面的裂隙切割，被裂隙切割的巖體或者局部失穩巖體在自身重力及浪蝕等作用下發生沿層面向庫區滑動。主要發生在順向和斜順向的巖質岸坡區域。概化模式示意圖如圖12 所示。

圖12 順向滑移型模式

3.2 碎屑巖類岸坡消落帶巖體劣化的潛在滑坡隱患點形式

3.2.1 軟硬相間坍(崩)塌型

軟硬相間坍(崩)塌型演化模式的潛在滑坡隱患點巖體劣化類型主要為軟硬相間侵蝕型。隨機結構面發育，岸坡結構多為順向岸坡或斜順向岸坡或逆向岸坡，巖體結構類型大多為層狀軟硬相間結構。坡體內的軟巖(泥頁巖)在長期的庫水位波動下，發生軟化卸荷，層間的硬巖(砂巖)發生斷裂破碎，節理裂隙逐步發育，逐漸形成貫通的垂直層面的卸荷裂隙。主要發生在巖質軟硬相間的岸坡的較陡區域。概化模式示意圖如圖13 所示。

圖13 軟硬相間坍(崩)塌模式

3.2.2 視傾向楔形滑動型

視傾向楔形滑動型演化模式的潛在滑坡隱患點巖體結構類型大多為層狀結構，在長期的庫水位作用下，視傾向岸坡消落帶巖體(粉砂巖和泥巖)在水位變動條件和周期性干濕交替環境下極易發生強烈劣化。坡體前緣的抗滑體發生巖體劣化后，后緣逐漸形成兩個滑面(相交的楔形滑面)，滑坡體在楔形滑面逐漸貫通后，底部沿著軟弱面(帶)向庫區發生整體楔形滑移，進而發生滑坡災害。如2019年12月10日研究區內發生的秭歸縣卡門子灣滑坡，該滑坡即為視傾向楔形滑動。概化模式示意圖如圖14 所示。

圖14 視傾向楔形滑動模式

3.2.3 順向滑移型

順向滑移型潛在滑坡隱患點巖體劣化類型主要為沖蝕磨蝕型、結構面崩解塊裂型，大型結構面/控制性結構面發育，岸坡結構多為順向岸坡或斜順向岸坡，巖體結構類型大多為層狀結構，含軟弱層。順向滑移型潛在滑坡隱患點岸坡表面全風化和強風化巖體在庫水作用下，不斷地被搬運帶走，發生呈緩慢后退的沖刷剝蝕破壞，岸坡表層巖體沿層面發生向庫區滑移，使得岸坡消落帶形成不穩定斜坡。這是研究區內較典型的新生型碎屑巖類滑坡(隱患)演化模式。主要發生在研究區巖質岸坡的強風化帶其概化模式示意圖如圖15 所示。

圖15 順向滑移模式

3.2.4 逆向傾倒型

逆向傾倒型演化模式的潛在滑坡隱患點巖體劣化類型主要為軟硬相間侵蝕型、松動剝落型、結構面崩解塊裂型，大中型結構面/控制性結構面發育或追蹤性大型結構面發育，岸坡結構多為逆向岸坡，岸坡巖體結構類型大多為層狀結構或碎裂結構。長期的庫水位波動與水流作用，逆向岸坡消落帶巖體發生強烈的巖體劣化，其劣化原理和碳酸巖類的基座傾倒型類似，拉張裂隙開始后逐漸形成貫通的垂直于層面的卸荷裂隙，卸荷裂隙使局部較陡的區域先發生破壞，接著失穩范圍不斷擴大使整個巖體向庫區坍(崩)塌傾倒。主要發生在碎屑巖類岸坡的較陡區域。概化模式示意圖如圖16 所示。

圖16 逆向傾倒模式

4 結 論

針對三峽庫區秭歸至巴東段岸坡消落帶巖體劣化產生的新生型滑坡(崩塌)隱患的演化模式進行研究，得到了以下結論：

(1)通過對研究區多期次的野外調查，根據岸坡消落帶巖體劣化發育特征將岸坡消落帶進行了劣化分段共計169段，其劣化類型主要為碳酸鹽巖(3小類)與碎屑巖(4小類)，其中碳酸鹽巖類巖體劣化類型主要為溶蝕(潛蝕)、裂縫顯化與擴張、機械侵蝕； 碎屑巖類巖體劣化類型主要為松動(剝落)、沖蝕(磨蝕)、結構面崩解塊裂及軟硬相間侵蝕，在此基礎上發現了122處滑坡(崩塌)隱患點。

(2)通過對研究區典型岸坡消落帶巖體劣化類型與滑坡(崩塌)隱患發育特征分析，總結了新生型滑坡(崩塌)隱患演化模式。碳酸鹽巖類岸坡消落帶發育的新生型滑坡(崩塌)隱患演化模式主要為基座碎裂壓潰、基座掏空傾倒和順向滑移； 碎屑巖類的主要為軟硬相間坍塌、視傾向楔形滑動、順向滑移和逆向傾倒。

(3)通過對研究區巖體劣化模式的研究，厘清了研究區內巖體劣化的類型與對應滑坡隱患演化模式的關系，可為三峽庫區岸坡長期穩定性提供科學依據。