三峡库区巫峡口—独龙高陡岸坡变形破坏机理研究

刘广宁，黄波林，王世昌

(中国地质调查局 武汉地质调查中心，武汉 430205)

三峡库区巫峡口—独龙高陡岸坡变形破坏机理研究

刘广宁，黄波林，王世昌

(中国地质调查局 武汉地质调查中心，武汉 430205)

三峡库区自175 m蓄水以来，地质灾害事件频发，尤其在地质环境脆弱的巫峡库岸段，2008年龚家方斜坡发生380 000 m3崩滑，产生高达13 m的涌浪，严重影响该库岸段航道运营安全。以巫峡口—独龙库岸段为研究区域，通过资料搜集、地面调查、工程地质测绘、山地工程等多种手段，在掌握其环境工程地质条件和岸坡岩体结构类型的基础上，根据库岸段内斜坡变形及破坏特征，划分出18个潜在不稳定斜坡。分析表明：该库岸段变形破坏模式为复合弯曲倾倒、“V”倾倒、剪切破坏，其可能诱发斜坡整体失稳模式为倾倒型和滑移型。总结出其存在累进性破坏、“锁固段”脆性破坏和整体性破坏3种机理。成果可为今后同类高陡岸坡的调查研究提供借鉴意义，同时为三峡库区防灾减灾、地质灾害工程治理提供依据。

三峡库区；巫峡；高陡岸坡；失稳模式；变形破坏机理

1 研究进展

1.1 工程背景

三峡库区175 m蓄水以来，库岸稳定性受到严重影响，地质灾害事件时有发生，尤其是在三峡库区巫峡段。仅在2006—2011年间巫峡库岸段就发生了近10起地质灾害事件[1-5]，其中2008年11月23日龚家方崩塌为规模最大的一次。这些地质灾害事件以及其产生的次生灾害(如涌浪灾害)严重影响了当地社会经济的发展和人民群众生命财产的安全，长江航道安全运营也受到严重影响。该库岸段地质灾害相当密集、发生频率高，引起国内外一些专家学者的密切关注。目前三峡库区正处于水位在145～175 m间周期性波动，在库岸坡脚形成约30 m垂直落差的消落带，其诱发了一些古灾害体复活、激发了新生灾害体的启动。

三峡库区为长江黄金水道，重庆市巫山也是我国著名的旅游地,初步统计，仅巫山县旅游年接待近500万人次，旅游综合效益计划达到15亿元。此外，自三峡大坝工程竣工后，尤其是三峡库区135 m蓄水开始后，虽然大坝截断了上下水的船只自由往返通行，但随着我国经济的高速发展，作为“黄金水道”闻名世界的长江，无疑成为货运、客运的重要交通要道，通过大坝的航运量也逐年增多，2005年以后货运量已大于6 000万t，是蓄水前的货运量的近4倍。根据笔者所在课题组实地调查统计：长江航道通过研究区库段的船只每6 min 1艘，每日通过量超百艘，以大型货船、游船、快艇、渔船为主，如此密集的通行量，岸坡稳定性更显其举足轻重的位置，尤其大型豪华游轮，载有大量外国游客，一旦发生事故，必将产生不良国际影响。目前三峡库区巫峡口—独龙段岸坡在库水位升降、降雨、水岩作用等等因素影响下，消落带均出现不同程度变形破坏，本文通过对其变形破坏特征的分析，从而对其可能诱发的地质灾害机理进行研究。

1.2 区域地质概况

研究区位于巫山县县城东4.5～9 km长江左岸巫峡峡口—独龙库岸段。区内属侵蚀中低山峡谷地貌见图1，山势呈NEE展布，山脊从西向东为长江大桥—大石坡—望天坪—阴坡—棺材盖一线，山顶最高点在文峰观、棺材盖处，高程730～1 211.5 m。据访问长江谷底高程为30 m左右，相对高差800～1 200 m。该库岸段地形坡角35°～42°，为逆向坡。500 m以上坡度较陡平均坡角62°～74°，直至坡顶形成陡崖；500 m高程以下坡角35°～55°，多发育横向冲沟，越靠近江边，切割越深。冲沟宽度一般3～15 m，沟两侧底部呈直立状，冲沟切割深度5～50 m，独龙一带切割深度较大，冲沟内呈跌坎状，跌坎高度5～12 m，冲沟两侧突出山脊坡向多为160°～180°，地形上起伏变化较大。区内地层出露主要为三叠系下统嘉陵江组—三叠系下统大冶组，岩性可分为泥灰岩、灰岩、白云岩、白云质灰岩、页岩和盐溶角砾岩，库岸段内高陡岸坡局部坡面可见冲洪积块碎石土、第四系崩坡积。

图1 研究区地形地貌特征Fig.1 Landform features of research area

图2 巫峡口—独龙段潜在不稳定斜坡分布Fig.2 Distribution of potentially unstable slope from Wu Gorge entrance to Dulong

研究区斜坡位于横石溪背斜NW翼[6]，岩层为单斜产出，正常岩层产状(320°～350°)∠(55°～62°), 高程在500 m以下的冲沟两侧山脊近地表可见弯折变形现象，岩层产状逐渐变缓，倾角22°～45°，研究区高陡岸坡斜坡均为逆向坡。区内岩体结构极其破碎，主要发育3组节理、裂隙：①产状(150°～170°)∠(42°～80°)(为外倾裂隙)；②(80°～100°)∠(60°～78°)；③(220°～240°)∠(62°～80°)。研究区节理、裂隙极其发育，高程在500 m以下的坡面岩体由于长期在自身重力作用和卸荷作用下，冲沟与山脊交汇地段凸出部分的岩体极破碎，由冲沟被切割的深度推算，破碎岩体厚度约15～40 m。

2 潜在不稳定斜坡分布状况及发育特征

通过野外对巫峡口至独龙段岸坡详细调查，根据裂隙节理的发育度和岩层产状的变化情况，在微地貌和IKNOS遥感影像的辅助下，以冲沟山脊为界，将区域内的潜在不稳定斜坡划分为18个潜在不稳定斜坡(图2)。这18个斜坡的坡向均为160°～210°，其中岩质斜坡11个，岩土质斜坡7个，斜坡平均坡角40°～70°，呈峻坡状，多为上陡-中缓-下陡-底缓状。该库岸段塌岸长度1.3 km，占该段岸坡长度的28.89%。该库岸段斜坡为层状中陡倾角的逆向岸坡。根据现场实地调查发现，潜在不稳定斜坡均以冲沟为界，冲沟底部为斜坡岩体风化强软界线，根据该界线估算了这些潜在不稳定斜坡的发育厚度。

通过野外实地详细调查、工程地质测绘、山地工程等多手段综合运用，以掌握其环境工程地质条件、岸坡岩体结构类型，对该库岸段斜坡的基本概况、变形特征、控制性结构面发育状况进行统计分析，该库岸段内斜坡多呈三面临空状态，均存在不同程度变形，其中以潜在不稳定斜坡编号T10和T11为代表变形最为强烈，其节理、裂隙发育程度、延伸贯通形成大型优势结构面特征，基本代表了该库岸段内斜坡普遍存在的规律特征,见图3。

图3 优势结构面赤平投影Fig.3 Stereographic projection of preponderant structure planes

3 斜坡变形特征

3.1 复合弯曲倾倒

巫峡口至独龙段库岸斜坡调查中存在最为广泛的2种类型的变形破坏特征为：块体复合弯曲倾倒和“V”型倾倒[7]。桥头不稳定斜坡(T1)可以视为复合弯曲倾倒斜坡的典型实例(图4)。块体复合弯曲倾倒的特征是岩层的变形似连续弯曲变形，是沿着横节理产生大量的微小位移，因此在地表出现的张裂隙和反坡陡坎较少。此类弯曲是由于岩块产状缓慢变化的结果，通过调查、测量，岩层倾角的变化(相邻岩块间)小于5°甚至更小；所以看起来就像是连续的、塑性的弯曲变形[8]。

图4 复合弯曲倾倒变形特征Fig.4 Deformation features of composite bending-toppling

3.2 “V”倾倒

虽然大量的斜坡展现的是这种岩块复合弯曲倾倒现象，但也有部分斜坡或斜坡的某些区域发生“V”型倾倒变形破坏(图5)。以T10的下游侧斜坡区域为例，岩层倾角的突然变化是“V”型倾倒变形的主要表现特征，折断面及其明显[9-10]。岩层的倾角在折断面上下有很大变化，折断面之上或之下的岩体内岩层产状比较统一变化十分微弱。因此，这种变形宏观上表现出像是岩层的呈“V”型。“V”型倾倒可能导致在坡面上形成以折断面为界线的大型滑动面，折断岩体可沿该界面发生滑移失稳。

图5 “V”倾倒变形特征Fig.5 Deformation features of V-shape toppling

3.3 层间剪切

在该库岸段内个别斜坡体露头在岩层面均可看到明显擦痕，大量类似擦痕在其他坡体的落石中也有发现。调查中发现有方解石覆盖擦痕显现、甚至有些方解石有侵蚀现象。根据阶步的发育特征，可知是由于层间剪切破坏所致，同时可以推断出岩层的运动特征，即上方岩层向坡内运动，下方岩层向坡外运动。

调查进一步证明，层间发生过错动剪切破坏是在横石溪背斜形成过程中或后期由于自身重力作用产生的。倘若是前者形成过程中产生的，那么在构造力的作用下，背斜东翼高陡斜坡中擦痕面下部岩体向上做相对运动，上部岩层向下做相对运动；倘若将倾倒的根部当作是背斜的轴线，那么这一岩体在该背斜西翼高陡斜坡中擦痕面下部岩层向下做相对运动，擦痕面上部的岩层向上做相对运动。时间上，在横石溪背斜构造运动之后，层间剪切是在斜坡自身重力作用下发生倾倒变形而产生的(见图6)。

图6 层间剪切破坏特征Fig.6 Deformation and failure features of interlayer shear failure

4 库岸破坏机理分析

4.1 累进性破坏机理

该库岸段内斜坡内在倾倒和微倾倒岩体之间发育着大量此类近直线型的破裂面，这些破裂面是在倾倒破坏发生过程中逐渐产生的。在出现倾倒的前提下，岩体发生平移或转动，根部会出现剪切破坏或拉张破坏，节理、裂隙随之出现。这种岩体蠕滑断裂产生的原因是节理、裂隙的作用，当破裂面逐渐拓展至完全贯通时，滑动就发生了。这一滑动同样显示了其连续性、累进性的变形特征。但一个是失稳阶段的变形破坏特征，一个是岸坡变形阶段的变形破坏特征。具有明显的连续性、柔性、塑性等特点，两者并没有清晰界限，可能是互为主辅或相互伴随。

在T10的上游侧发现倾倒岩体有明显的滑动迹象，正好印证这一理论。中薄层灰岩夹泥灰岩、尤其是薄层页岩条带中小型节理、裂隙及其发育(节理密度为3～7 cm/条)，滑移面是由3组大型节理构成。岩层顺滑移面蠕滑是在重力的下滑分力作用下发生的，拖曳现象出现在滑移面的上部岩体中，泥灰岩条带局部断裂、局部相连形成断续的破碎带。根据下方泥灰岩标志层的运动轨迹得出最大的相对位移达1m以上。之所以岩体中明显可以发现已经形成了一个剪切带，是因为坡体中2组滑移面发生滑动位移，倾向坡外的多组剪切面在剪切带内发育。滑块在剪切作用下逐渐形成，在边界剪切力的作用下，滑块发生内旋或下滑现象，故滑块边界岩块发生转动，无明显棱角。剪切面明显为倾倒造成的折线脆性断裂面后期改造形成。由于泥岩夹层及其发育的节理、裂隙的存在，形成了类似于柔性体内部的塑性剪切破坏(图7)。

图7 累进性破坏机理Fig.7 Mechanism of progressive failure

4.2 “锁固段”脆性破坏机理

首先该类岸坡坡体主体由相对均质的脆性岩体或半成岩体构成[11]，上部发育在张应力作用下易于发生拉裂的结构岩体，中部发育有厚层起到“锁固”作用的岩体结构(图8)，同时在坡脚消落带区域发育有相对较薄的软弱夹层构成的互层状结构岩体。

图8 “锁固段”突发脆性变形破坏机理Fig.8 Mechanism of unexpected brittle deformation failure in “locked area”

在巫峡口—独龙段内该类斜坡的变形破坏机理主要表现在：此类岩质岸坡在形成过程中，首先斜体整体由于时效发生卸荷回弹变形[12]，拉张应力区形成于斜坡顶部，大量的拉张裂缝随之出现；其次库水位周期性波动、冲刷、淘蚀从而使得坡脚的岩体沿破碎结构面发生坍塌、库岸再造，大大降低其对上部岩体的承载能力。高陡斜坡在自身重力持续长期作用和影响下，蠕滑变形沿切层陆续产生，并导致坡体后缘拉裂的向下延伸、扩展，从而形成前缘的冲刷、淘蚀蠕滑段和后缘的拉裂段。当拉裂段和蠕滑段的进一步发展，夹在它们之间完整的、强度较高的厚层结构岩体就构成了岸坡变形的“锁固段”，该“锁固段”将维持高陡斜坡体的受力平衡和稳定性，其应力也将因拉裂段和蠕滑段的进一步发展而逐步累积。当拉裂变形拓展到一定深度时，累进性破坏将发生在“锁固段”岩体内部，达到应力极限状态时“锁固段”岩体被剪断，发生脆性破坏，从而导致斜坡整体破坏失稳[13-15]。

图9 整体性破坏机理Fig.9 Mechanism of integral failure

4.3 整体性破坏机理

巫峡口—独龙段该类斜坡主要发育在独龙附近、地层岩性为大冶组2段(T1d2)地层，岩体成层状均一发育，完整性较好。下部江水冲刷、淘蚀强烈，上部拉张应力区，逐渐出现具有一定倾角的剪切裂缝，在自身重力作用下，拉裂缝向下拓展、延伸，发生切层剪切，当剪应力达到临界状态时，沿剪切贯通面发生滑移失稳(图9)。该类型斜坡变形破坏机理与“锁固段”破坏机理截然不同，从岩体结构上，其上部岩体结构较好，宏观上可视为一完整结构体，只发育一组切层剪切滑移面，下部为含泥岩软弱夹层的软弱基底。由于库水位周期性波动，消落带逐渐破坏坍塌向内凹陷，导致斜坡坡前缘临空卸荷，破坏了其原有的平衡状态。上部岩体在自重作用下应力重分布，剪切面上部岩体的下滑力超过抗滑力时，从而发生整体滑移失稳[16-18]。

综上所述，从宏观变形破坏特征、失稳模式角度对该库岸段内所有斜坡进行分析：T7为已发生崩滑的龚家方斜坡，目前治理工作已接近尾声；单一复合弯曲倾倒变形破坏的斜坡为T1；“V”型倾倒、剪切破坏复合型的斜坡为T2，T3，T10，T11；复合弯曲倾倒、剪切破坏复合型的斜坡为T8，T9，T13；单一剪切破坏的斜坡为T4，T5，T6，T12，T14，T15，T16，T17，T18，除了T1，T2，T3可能的诱发失稳模式为倾倒外，其余斜坡可能的诱发失稳模式均为滑移式。从各斜坡的破坏机理角度进行分析：T1岩性组合单一，以累进性变形破坏机理为主；T2至T12地层岩性跨度大，其中T1d4岩性段起到“锁固段”、“悬臂梁”作用，这些斜坡以“锁固段”脆性破坏机理为主；T13至T18地层岩性发育均一，整体性较好，以整体性破坏机理为主。

5 结论及建议

(1) 巫峡口至独龙段库岸长度4.5 km，域内发育潜在不稳定斜坡18个，斜坡的坡向为160°～210°，其中岩质斜坡11个，岩土质斜坡7个。临江塌岸长度1.3 km，占该段岸坡长度的28.89%。

(2) 该库岸段内斜坡变形破坏特征主要为复合弯曲倾倒、“V”倾倒和剪切破坏；其可能诱发斜坡整体可能失稳的模式为倾倒型和滑移型。

(3) 由于地层岩性发育、岩体结构组合特征的不同，该库岸段内斜坡主要存在累进性破坏、“锁固段”脆性破坏、整体性破坏3种破坏机理。

(4) 针对该库岸段内斜坡目前的变形状况，建议加强多方法专业监测，在掌握斜坡具体的变形状况的前提下对斜坡变形破坏的影响因素进行研究。

(5) 依据该段岸坡的特点、可能的致灾状况，建议当地政府建立长期联动机制，进行涌浪风险评估，对该段岸坡进行风险管理；通过专业监测、工程治理、清除、避让等防治对策，降低致灾风险。

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(编辑：王 慰)

Deformation and Failure Mechanism of High Steep Slope in the Areafrom Wu Gorge Entrance to Dulong of Three Gorges Reservoir Area

LIU Guang-ning, HUANG Bo-lin, WANG Shi-chang

(Wuhan Centre of China Geological Survey, Wuhan 430205, China)

Geological disasters occurred frequently since the impoundment level of Three Gorges reservoir area reached 175mm. Especially in Wu Gorge where the geological environment is vulnerable, an amount of 380 000m3collapsed at Gongjiafang slope in 2008, causing surge waves of 13m high, severely affecting the safety of waterway transportation. Through data gathering, ground investigation, engineering geology surveying and mapping, we researched the engineering geology and bank slope structure, and identified 18 potentially unstable slopes according to the bank slope’s deformation and failure features. Analysis shows that the deformation failure mode are composite bending-toppling, V-shape toppling and interlayer shear failure, which would give rise to toppling and sliding instability. There are three failure mechanisms: progressive failure, brittle failure in “locked area” and integral failure. The research achievements provide reference for similar high steep bank slope research in the future and for disaster prevention and mitigation in Three Gorges area.

Three Gorges reservoir area; Wu Gorge; high steep slope; instability mode; deformation and failure mechanism

2013-09-29；

2013-11-10

国家自然科学基金项目(41372321)；中国地质调查局灾害预警项目(1212011014027)

刘广宁(1980-)，男，河北大城人，工程师，硕士，主要从事环境地质灾害研究，(电话)18971274623(电子信箱)guangning1123@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.019

P642.22

A

1001-5485(2015)02-0092-06

2015,32(02):92-97