湖北省三峽庫(kù)區(qū)砂泥巖互層巖體劣化特征與劣化機(jī)理分析

收稿日期：2023-11-02

作者簡(jiǎn)介：何鈺銘（1984—），男，湖北應(yīng)城人，高級(jí)工程師。研究方向：水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查與設(shè)計(jì)。

摘要：受水位周期性變動(dòng)影響，三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生復(fù)雜變化，尤其是對(duì)碎屑巖岸坡砂泥巖互層巖體劣化的影響顯著。本文通過(guò)對(duì)湖北省三峽庫(kù)區(qū)碎屑巖岸坡砂泥巖互層巖體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)成果，對(duì)比分析碎屑巖砂泥巖互層巖體兩種結(jié)構(gòu)單元的劣化差異，結(jié)合岸坡互層巖體的劣化現(xiàn)狀，分析砂泥巖互層結(jié)構(gòu)的岸坡巖體劣化變形過(guò)程，揭示砂泥巖互層巖體的劣化機(jī)理及其對(duì)岸坡致災(zāi)發(fā)展的影響，為后期合理進(jìn)行岸坡巖體劣化評(píng)價(jià)及防治提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：三峽庫(kù)區(qū)；碎屑巖庫(kù)岸；砂泥巖互層；巖體劣化；劣化機(jī)理

中圖分類號(hào)：TV223；P542.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）01-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.010

Analysis of the deterioration characteristics and mechanism of sandstone-mudstone interbedded rock mass in the Three Gorges Reservoir Area of Hubei Province

HE Yuming1，2， PENG Zhenghua1，2， SHI Changbai1，2， XIE Di1，2， ZHAO Zhenyang1，2， HUANG Ning1，2

（1. Hydrogeology Engineering Geology Brigade of Hubei Geological Bureau; 2. Hubei Provincial Key Laboratory of Resources and Ecological Environment Geology， Hubei Geological Bureau， Jingzhou 434000， China）

Abstract： Due to the periodic changes in water level， the geological environment in the Three Gorges Reservoir area undergoes complex changes， especially with a significant impact on the deterioration of the interbedded sandstone-mudstone rock mass on the clastic rock bank slopes. Through on-site investigation of the sandstone-mudstone interbedded rock mass on the bank slope of the Three Gorges Reservoir Area in Hubei Province， combined with on-site testing and indoor test results， this paper compares and analyzes the deterioration differences of the two structural units of the sandstone-mudstone interbedded rock mass in the clastic rock， and based on the degradation status of the interbedded rock mass on the bank slope， analyzes the degradation deformation process of the interbedded structure of sandstone-mudstone on the bank slope rock mass， and reveals the degradation mechanism of the interbedded rock mass of sandstone-mudstone and its impact on the development of bank slope disasters， thus providing theoretical support for the rational evaluation and prevention of bank slope rock mass degradation in the later stage.

Keywords： Three Gorges Reservoir Area; clastic reservoir bank; sandstone-mudstone interbeds; rock mass deterioration; deterioration mechanism

在水位的周期性變動(dòng)影響下，三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生復(fù)雜變化，尤其是對(duì)碎屑巖岸坡砂泥巖互層巖體劣化的影響顯著，消落區(qū)劣化導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低甚至失穩(wěn)的問(wèn)題逐步顯現(xiàn)。近些年，湖北省三峽庫(kù)區(qū)碎屑巖岸坡因砂泥巖互層巖體劣化引起的巖質(zhì)滑坡有杉樹(shù)槽滑坡、卡門子灣滑坡等，對(duì)庫(kù)區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成極大威脅。在碎屑巖岸坡劣化地質(zhì)調(diào)查[1-2]成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)碎屑巖岸坡中較不利的巖性組合——泥巖和砂巖互層結(jié)構(gòu)的劣化特征及劣化變形過(guò)程進(jìn)行分析，揭示岸坡巖體劣化引起斜坡變形的致災(zāi)機(jī)理，為庫(kù)區(qū)碎屑巖互層巖體劣化研究及其劣化引發(fā)的滑坡防治提供參考。

1 碎屑巖岸坡互層巖體劣化現(xiàn)象

通過(guò)庫(kù)區(qū)岸坡巖體劣化的地質(zhì)調(diào)查，碎屑巖分布廣泛且具有較強(qiáng)的代表性，碎屑巖岸坡的砂巖和泥巖互層結(jié)構(gòu)在庫(kù)水長(zhǎng)期作用下形成以裂隙切割、散裂、碎裂、塊裂以及沖蝕掏蝕為主的劣化現(xiàn)象[3-5]。

1.1 裂隙切割型

夏季，三峽庫(kù)區(qū)低水位運(yùn)行期間，受高溫影響，碎屑巖互層岸坡表層裸露巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈，在庫(kù)水位的調(diào)洪變動(dòng)影響下，互層巖體表面發(fā)生明顯劣化現(xiàn)象。其中，砂巖層沿巖體原生結(jié)構(gòu)面或者節(jié)理面的裂縫顯化，并逐漸擴(kuò)展貫通，最終將巖體切割成碎塊狀，形成岸坡巖體碎裂、塊裂的宏觀表現(xiàn)，如圖1所示。

1.2 崩解散裂型

在庫(kù)水長(zhǎng)期作用下，強(qiáng)度較低的泥巖發(fā)生黏土礦物軟化，水位降落后，在高溫作用下，巖體內(nèi)水分流失導(dǎo)致礦物黏結(jié)減弱，在輕微擾動(dòng)下即可崩解。巖體表部裂紋密布，完整性極差，手捏即碎，如圖2所示。

1.3 掏蝕沖蝕型

三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)水位周期性調(diào)度，尤其在汛期低水位運(yùn)行期，庫(kù)水位變動(dòng)尤為頻繁。在庫(kù)水反復(fù)掏蝕沖刷作用下，較軟的岸坡巖體受到庫(kù)水軟化作用后發(fā)生遷移，較硬的巖體依然留在原來(lái)的位置，形成互層結(jié)構(gòu)巖體中常見(jiàn)的凹凸組合地形，如圖3所示。

2 互層巖體結(jié)構(gòu)單元室內(nèi)劣化特性

碎屑巖互層巖體結(jié)構(gòu)單元中，砂巖和泥巖占較大比例，在典型岸坡上鉆孔取芯，獲取完整性較好的弱風(fēng)化、中風(fēng)化巖石樣本，開(kāi)展互層巖體結(jié)構(gòu)單元的室內(nèi)劣化特性對(duì)比試驗(yàn)。

2.1 巖石的分類測(cè)試

石英砂巖的鏡下特征顯示，石英為他形粒狀，磨圓度較好，次圓狀為主，無(wú)色透明，具波狀消光，粒徑為0.05～0.65 mm。填隙物主要為鐵質(zhì)，膠結(jié)類型以孔隙式為主，接觸式為輔。整體上，石英含量約占90%，巖屑含量小于5%，填隙物含量約為5%。粉砂質(zhì)泥巖的鏡下特征顯示，砂級(jí)碎屑成分有石英和白云母，少量為長(zhǎng)石、巖屑，磨圓度一般。石英為他形粒狀，無(wú)色透明，具波狀消光。粉砂級(jí)碎屑與砂級(jí)碎屑成分相當(dāng)，呈次棱角狀，粒徑為0.01～0.06 mm。

2.2 巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)測(cè)試

通過(guò)掃描電鏡（SEM）測(cè)試，含砂質(zhì)泥巖內(nèi)含大量的黏土礦物，表面可見(jiàn)諸多明顯的微裂隙，石英顆粒較為粗糙破碎，呈現(xiàn)散亂的狀態(tài)，膠結(jié)程度差。石英砂巖可見(jiàn)比較完整石英顆粒，顆粒間被黏土礦物充填，膠結(jié)程度較好。

2.3 巖石的干濕循環(huán)試驗(yàn)

在干濕循環(huán)試驗(yàn)中，粉砂質(zhì)泥巖試樣浸泡2 h，表面有氣泡產(chǎn)生，隨著時(shí)間增加，氣泡產(chǎn)生量不斷減少；浸泡2 d，試樣周圍有霧化現(xiàn)象出現(xiàn)，試樣表面有明顯裂紋產(chǎn)生，試樣整體較為破碎；第1次烘干后，試樣整體崩解嚴(yán)重，破碎分裂成碎塊狀，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，顆粒粒徑不斷減小，第4次烘干結(jié)束后，巖石已經(jīng)變成粉末狀。試樣中石英含量略微減少，鈉長(zhǎng)石含量大幅度提升。試樣在水溶液中浸泡時(shí)，石英的溶解度很低，黏土礦物的溶解比較嚴(yán)重。此類試樣黏土礦物含量占比大，在長(zhǎng)期浸泡下，黏土礦物和膠結(jié)礦物出現(xiàn)大幅度的溶解現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣內(nèi)部出現(xiàn)大量次生孔隙，膠結(jié)程度降低，最終引起試樣崩解碎裂。相比之下，石英砂巖在干濕循環(huán)試驗(yàn)中完整性較好，僅在經(jīng)歷4次干濕循環(huán)作用后端部出現(xiàn)極少量黏手物質(zhì)，未見(jiàn)其他明顯形態(tài)變化。

2.4 基于試驗(yàn)成果的巖石劣化過(guò)程分析

2.4.1 含砂質(zhì)泥巖的劣化分析

通過(guò)對(duì)含砂質(zhì)泥巖室內(nèi)長(zhǎng)期浸泡、干濕循環(huán)等試驗(yàn)及礦物和細(xì)觀結(jié)構(gòu)等測(cè)試分析，褐紅色的含砂質(zhì)泥巖試樣含有大量的黏土礦物成分，石英等骨架礦物含量較少，因而在水環(huán)境中極易發(fā)生破裂崩解。在庫(kù)水周期性調(diào)度條件下，含砂泥巖易崩解溶解，其劣化控制因素主要為干濕循環(huán)作用。在庫(kù)水高水位運(yùn)行條件下，含砂泥巖易軟化泥化，其劣化控制因素主要為庫(kù)水的長(zhǎng)期浸泡。

2.4.2 砂巖劣化分析

通過(guò)對(duì)砂巖室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)、礦物和細(xì)觀結(jié)構(gòu)測(cè)試分析，砂巖經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后，孔隙度增大，部分礦物溶解于水中，干濕循環(huán)作用引起巖石微裂隙擴(kuò)展聯(lián)通，巖石波速降低，同時(shí)，淺表層出現(xiàn)碎裂掉塊。對(duì)于處于消落區(qū)的砂巖，主要表現(xiàn)為裂隙擴(kuò)展延伸和碎裂等劣化現(xiàn)象。

3 互層結(jié)構(gòu)岸坡巖體現(xiàn)狀

3.1 強(qiáng)度特征

水上、水下各100次的回彈試驗(yàn)成果表明，同斜坡部位巖體水位線上強(qiáng)度略高于消落區(qū)巖體。粉砂質(zhì)泥巖水上平均回彈值為16.5Rm，水下回彈值為11.5Rm；砂巖水上平均回彈值為35.3Rm，水下回彈值為33.9Rm。其中，Rm為測(cè)區(qū)平均回彈值。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)崩解觀測(cè)

將鉆孔內(nèi)取出的中風(fēng)化砂巖和粉砂質(zhì)泥巖巖樣裸露放置在空氣中，觀察發(fā)現(xiàn)，粉砂質(zhì)泥巖巖樣在夏天高溫放置2～6 h后就會(huì)出現(xiàn)裂紋，2～4 d后完全散裂崩解成顆粒狀或巖屑，強(qiáng)度急劇降低。砂巖巖樣放置后形貌改變不及粉砂質(zhì)泥巖明顯，但長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下局部出現(xiàn)沿巖層面斷開(kāi)的現(xiàn)象。

4 劣化變形過(guò)程分析

根據(jù)劣化分析成果，消落區(qū)互層巖體劣化變形過(guò)程可大致分為3個(gè)階段。

4.1 劣化初始階段：軟化、碎裂、散裂與崩解

由于汛期三峽庫(kù)區(qū)騰空庫(kù)容低水位運(yùn)行，碎屑巖岸坡巖體裸露，受夏季極端氣候（高溫、暴雨）影響，巖體主要沿結(jié)構(gòu)面發(fā)育裂縫，隨著時(shí)間的推移，裂縫由閉合到顯現(xiàn)，由顯現(xiàn)到張開(kāi)，由張開(kāi)到擴(kuò)展貫通，強(qiáng)度略高的砂巖巖體劣化碎裂成塊狀，而強(qiáng)度較低的砂質(zhì)泥巖巖體則劣化崩解散裂成顆粒狀，隨著時(shí)間推移，巖體強(qiáng)度逐步嚴(yán)重下降，水庫(kù)的運(yùn)行加速這一過(guò)程。

4.2 劣化發(fā)展循環(huán)階段：潛蝕、溶蝕形成凹腔

在三峽庫(kù)區(qū)運(yùn)行過(guò)程中，庫(kù)水位變動(dòng)頻繁，水位變動(dòng)對(duì)巖體的主要表現(xiàn)分為3個(gè)步驟：覆蓋層較薄的岸坡土體及裂隙面充填物被掏蝕，導(dǎo)致巖體裸露；水位周期性升降造成已有裂縫進(jìn)一步加寬加深，破壞淺表層巖體結(jié)構(gòu)；表層劣化產(chǎn)生的松動(dòng)巖體被沖刷攜帶，繼續(xù)弱化巖體強(qiáng)度，斜坡前緣臨空岸坡抗滑力降低。

4.3 劣化變形階段：波浪沖蝕改造岸坡或致災(zāi)

波浪對(duì)已經(jīng)發(fā)生劣化的區(qū)域形成長(zhǎng)時(shí)間沖擊，該沖擊力對(duì)巖石形成較大的外力擾動(dòng)，強(qiáng)度弱化最快的部分是受波浪沖蝕作用最強(qiáng)烈的部位，該部分被沖蝕成波蝕龕。波蝕龕進(jìn)一步發(fā)展，巖體下部被掏蝕出空洞，直接剪斷或者壓裂表面的巖體，產(chǎn)生崩落或者垮塌。

5 碎屑巖岸坡劣化致災(zāi)機(jī)理初步分析

根據(jù)湖北省三峽庫(kù)區(qū)劣化地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，碎屑巖地層發(fā)育的互層巖體坡體結(jié)構(gòu)可分為順向、斜順向、逆向或緩傾橫向坡，因互層巖體劣化的速度和程度存在一定差異，分別對(duì)順向坡和逆向坡劣化致災(zāi)機(jī)理[6-8]進(jìn)行分析。

5.1 順向或斜順向岸坡互層巖體劣化致災(zāi)機(jī)理

泥巖黏土礦物含量高、強(qiáng)度較低，在水庫(kù)作用下，夏季庫(kù)水低位運(yùn)行，巖體裸露，受高溫、暴雨等極端天氣作用，巖體崩解散裂，表部巖體裂紋密布，庫(kù)水和降雨沖刷，崩解顆粒流失，冬春季庫(kù)水高水位運(yùn)行，受庫(kù)水浸泡沖刷侵蝕，泥巖巖體軟化剝落，依此逐年循環(huán)，斜坡泥巖巖體部位逐步凹陷，側(cè)向或縱向侵蝕劣化變形；砂巖巖體較泥巖強(qiáng)度高，黏土礦物含量少，在水庫(kù)作用及夏季高溫等不利條件影響下，砂巖巖體以結(jié)構(gòu)面劣化為主，多為表層巖體結(jié)構(gòu)面顯現(xiàn)、擴(kuò)展、貫通導(dǎo)致巖體碎裂、塊裂，產(chǎn)生崩落掉塊，局部互層的支撐泥巖劣化侵蝕后懸空產(chǎn)生一定范圍的垮塌變形。岸坡坡度變陡，因順向坡互層存在多層軟弱帶，斜坡坡腳岸坡擴(kuò)展變形至臨界值，將導(dǎo)致斜坡整體變形滑移。

5.2 逆向或緩傾橫向岸坡互層巖體劣化致災(zāi)機(jī)理

坡面多形成小型凹凸地形，泥巖部位凹陷，砂巖部位凸出，表部劣化變形特征多為崩落、掉塊，相對(duì)順向岸坡，變形規(guī)模較小，主要為緩慢擴(kuò)展的塌岸變形，劣化變形塌岸的速度相對(duì)順向坡較慢，危害也相對(duì)較小。

6 結(jié)語(yǔ)

碎屑巖互層巖體的劣化是一個(gè)非常典型的劣化特例，其劣化特征差異性較為明顯，特別在岸坡結(jié)構(gòu)為順向或斜順向時(shí)易產(chǎn)生新生突發(fā)災(zāi)害，突發(fā)性危害較大。在大型水庫(kù)運(yùn)行和開(kāi)發(fā)建設(shè)等新的地質(zhì)環(huán)境變化條件下，互層巖體劣化將會(huì)有更明顯的差異和趨勢(shì)，因巖體劣化是一緩慢發(fā)生的過(guò)程，隨時(shí)間的推移，互層巖體岸坡差異劣化導(dǎo)致的斜坡穩(wěn)定性問(wèn)題會(huì)逐步顯現(xiàn)，該類庫(kù)岸段內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性增大。因此，研究水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中互層巖體劣化的變形機(jī)制及趨勢(shì)預(yù)測(cè)較為重要，為后期合理進(jìn)行岸坡巖體劣化評(píng)價(jià)、劣化變形監(jiān)測(cè)預(yù)警及劣化防治工作提供支撐，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，服務(wù)庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)對(duì)類似庫(kù)區(qū)碎屑巖互層巖體劣化研究也具有參考意義。

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