三峡库区神农溪段消落带岩体劣化对地质灾害的影响

王 灿，田 酬，刘 波，柳宇凯

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434000； 2.巴东县沿渡河国土资源所,湖北 巴东 444300； 3.湖北省自然灾害应急技术中心，湖北 武汉 430064)

自2003年5月三峡库区蓄水以来,三峡水库共经历了三次大幅蓄水过程,分别为2003年6月135 m水位,2006年156 m水位和2008年175 m水位,后坝前水位在145～175 m间波动[1]。库水位每年在175～145 m之间周期性波动的作用下,形成了最大30 m高差的消落带区。

库区两岸斜坡多次发生新生地质灾害事件,据调查发现两侧斜坡消落带劣化现象明显形成劣化带,对新增及复活的地质灾害存在着重要的影响。本文以三峡库区神农溪段为例根据两岸斜坡消落带的劣化现状调查及相关干湿循环实验数据资料,探讨分析三峡库区斜坡劣化带对蓄水以来地质灾害发育的影响。

1 地质环境条件

神农溪为三峡库区长江干流左侧一支流,库区涉及河流长度约26 km,地貌主要为峡谷地貌,两岸坡度均较陡,微地貌主要为近垂直的陡崖和陡坡两大类。

每年3月—4月为三峡库水位缓慢消落阶段,5月—6月为库水位快速消落阶段,7月—8月为汛期,9月—10月为蓄水阶段,11月—次年2月为库水位175 m高水位运行期。消落带受库水位涨落冲蚀影响,使得表层覆土剥离基岩出露。通过调查可见神农溪两岸岩性主要为碎屑岩与碳酸盐岩两大类。碎屑岩以三叠系巴东组紫红色泥质砂岩为主；碳酸盐岩以三叠系嘉陵江组和大冶组的灰岩为主。

2 消落带岩体劣化特征

目前三峡库区蓄水运行至今已15年有余,根据三峡库区神农溪流域的调查得知最高水位线与最低水位线之间形成高差30 m的消落带。消落带因库区水位涨落冲蚀基岩裸露,与消落带上部岩体对比具有肉眼可分辨的明显差异性。消落带的劣化现象根据岩性划分主要分为碳酸盐岩和碎屑岩两大类,劣化特征表现形式为如下三种。

2.1 节理裂隙

在库水位涨落造成的干湿循环的物理侵蚀作用以及碳酸盐岩的溶蚀作用下,消落带出露岩体节理裂隙的发育程度要强于上部自然风化下的岩体。消落带在裂隙的规模上,如裂隙长度、深度和宽度上对比175 m水位以上岩体均有一定的增大,同时在裂隙发育的密度上也要高于175 m水位以上的岩体裂隙发育密度。据前期学者调查可知，消落带岩体裂隙发育程度约为175 m水位以上的10倍[2]，并且溶蚀、潜蚀现象有明显的增大。通过对现场照片进行分析对比,可以清晰观测出消落带劣化后与其上部岩体的节理裂隙风化差异(见照片1)。

照片1 消落带劣化后和上部岩体裂隙发育对比Photo 1 Comparison of fracture development in the upper rock mass after the degradation of the extinction zone

碳酸盐岩的裂隙主要受溶蚀影响,在溶蚀作用下形成溶沟、溶槽,多见长度>1 m、且宽度>2 m的溶槽。碎屑岩主要受潜蚀影响,在干湿循环下形成表层裂隙,在库水潜蚀作用下裂隙面遇水软化的颗粒被带走,裂隙逐步加深、扩大,切割岩体,碎屑岩区裂隙多呈密集网纹状发育,长度多为0.1～0.5 m,深度多<0.1 m,密度较大,5～8条/m。

2.2 冲蚀凹岩腔

消落带岩体破碎软弱且含有部分软弱夹层,在受到水位涨落冲蚀掏蚀作用下,通过流水冲力侵蚀、地下水流潜蚀或携沙水体磨蚀等机械力侵蚀,形成了凹岩腔。据调查消落带内凹岩腔发育明显,规模可见长度多在10 m以上,宽度多>1 m，可见深度最大>1 m(见照片2)。

照片2 消落带岩体劣化形成的凹岩腔Photo 2 Concave rock cavity formed by rock mass degradation in the depression zone

该现象主要发育在碳酸盐岩中,而碎屑岩在凹岩腔形成的初期,因岩体抗风化能力较弱,且遇水易软化,便发生了崩塌剥落现象,无法形成完整规模的凹岩腔现象。

2.3 表层剥落

表层剥落的现象一般多见于碎屑岩类巴东组紫红色泥质粉砂岩地层中。剥落物形状呈不规则状。消落带劣化后岩体表层剥落通常是沿着密集的劈理面和微层理面剥落。成因主要是由于库水上升之后,消落带岩体被库水长期浸泡并且几乎达到饱和状态；而库水下降之后,消落带岩体所处环境的温度和湿度都发生了很大的变化,并且在库水位涨落时,水动力变化对消落带岩体的稳定性有不利的影响,造成表层岩体的剥落。因此,在消落带的岩体表层剥落现象比其上部不受库水影响的岩体更为严重(见照片3)。

照片3 消落带劣化后岩体表层剥落Photo 3 Surface spalling of rock mass after attenuation zone degradation

3 消落带岩体劣化发育趋势预测分析

消落带岩体劣化的形成主要是因为库水位在涨落时,消落带岩土体在库水周期性升降的作用下处于一种“干燥—浸湿”的循环状态,这种干湿循环作用将造成岩土体强度的劣化。所以可以通过模拟这种干湿循环的状态做室内实验来预测分析岩体劣化的趋势。前人多位学者做过此类实验,并取得了一定成果,本文针对神农溪范围内的岩性特征分为碳酸盐岩和碎屑岩两类对前人资料进行选取和引用分析,预测消落带岩体劣化的发展趋势。

3.1 碳酸盐岩

对碳酸盐岩进行干湿循环岩石力学性质劣化的研究,目前有朱珩[3]测试利用预应力约束过的泥质白云岩岩样干湿循环后的岩体力学性质,其结果是抗压强度平均下降率约为2.6%。抗压强度、变形参数随循环次数N的衰减规律以二元一次方程拟合较为合理。还有王伟等[4]以锦屏水库岸坡的大理岩为研究对象,开展干湿循环后岩石力学实验,其结果是抗剪强度参数每次循环的下降率为 0.3%～0.7%,其弹性模量随干湿循环次数N的衰减以指数函数拟合较为合理。对于三峡库区的碳酸盐岩干湿循环实验,黄波林[5]等在巫峡青石采集三叠系嘉陵江组中厚层灰岩制作岩芯试样用以研究,所得抗压强度平均每循环的下降率与王伟等所得较类似,与朱珩相差较大,其原因可能与其实验早期的预应力约束有关。但最后得到了碳酸盐岩的干湿循环劣化幅度指数是增大的,其劣化机理非常复杂,主要为结构面填充物的溶蚀或潜蚀[6]和温差导致硬质岩体裂缝扩展与新生[7]。

3.2 碎屑岩

神农溪库区范围内的碎屑岩岸坡主要为巴东组泥质粉砂岩。前人针对红砂岩等软岩做过大量的实验,库区内巴东组泥质粉砂岩可以对此有一定的借鉴。通过张振华[8]等人对水库运行期岸坡消落带红砂岩抗拉强度劣化机理分析,可知在水压力和“湿干”交替共同作用的过程中,红砂岩的抗拉强度随着“湿干”交替作用次数的增加逐渐劣化，劣化幅度逐渐减小最终趋于零。而简文星等人对三峡库区消落带巴东组软岩抗剪强度劣化机理分析研究,得到巴东组软岩初期干湿循环时抗剪强度发生严重劣化；软岩抗剪强度的劣化是由于蒙脱石遇水膨胀和岩石中裂隙吸附水分产生楔裂压力的发展造成的这一劣化机理。

通过前人学者实验数据及结果对比神农溪库区范围内岩性特征可知：碳酸盐岩的劣化机理主要为溶蚀、潜蚀和温差变化,其发育趋势是随着干湿循环的次数增加而成指数式增大；碎屑岩的劣化机理主要是内部矿物质遇水膨胀和楔裂压力,其发育趋势随着干湿循环的次数增加而成对数式增大。考虑到库区的运行具有长期性,因此劣化因素更为复杂,水化学作用、水压力变化以及水动力作用等均对劣化发育有着一定的影响。因此劣化带的实际发育相对于室内干湿循环实验结果而言,其劣化程度和速率要大于室内实验结果。

3.3 地质灾害发育趋势

据资料统计分析,神农溪流域库区范围内现有滑坡、崩塌和泥石流127处,其中滑坡大多分布在碎屑岩区,崩塌分布在碳酸盐岩区,一处泥石流为早期泥石流，位于碎屑岩区,近年未发生变形处于基本稳定状态,本次分析不将泥石流考虑在内。

2003年三峡库区开始蓄水后,地质灾害发育进入多发期,除新增的地质灾害外还有部分蓄水前的地质灾害出现复活现象。根据往年监测资料可知，神农溪库区范围内地质灾害的始发及变形频率主要集中在2003年、2006—2008年、2014年至今三个时间段,其地质灾害的变形较活跃。前期其原因主要为水库波动及大气降雨两个因素,与水库的蓄水阶段、气象资料的变化基本吻合。而变形活跃的时间段在2014年至今,地质灾害的变形频率逐步增加,推测与消落带的劣化有着一定关系。通过前文分析可知，劣化程度的增加对地质灾害发生变形的影响权重将会越来越大,其表现为2018年调查发现劣化带范围内新增大量危岩体,偶有碎石崩落的现象发生(见照片4),且涉水滑坡变形加剧,存在复活迹象。

照片4 消落带岩体劣化后新增危岩Photo 4 New dangerous rock mass after rock mass degradation in the falling zone

4 消落带岩体劣化对地质灾害的影响

随着库区的运行,消落带岩体劣化的发育程度越来越大,对地质灾害的影响也愈发严重。通过神农溪库区范围内的调查,分析消落带岩体劣化的发育对地质灾害的影响,研究其致灾机理,对以后库区地质灾害防治工作有着重要的指导和帮助。在成灾模式上,调查区内主要分为滑坡和崩塌两大类。其具体的成灾机理分析如下。

4.1 滑坡

滑坡主要分布在碎屑岩区,岩性多为泥质粉砂岩,岩质较软,地形多为陡坡地貌,前缘大多涉水。劣化带的发育往往造成了坡角处岩体的碎裂及表层剥落。根据简文星在三峡库区消落带巴东组软岩抗剪强度劣化机理[9]与周宝璐的干湿循环岩体强度劣化效应及边坡稳定性分析[10]等文献的干湿循环实验数据可知,随着水库的运行,消落带软岩区的岩体粘聚力不断下降,对红粘土的干湿循环实验证明，8次干湿循环后粘聚力降为天然状态下的57%,内摩擦角出现小幅度的增大,约7%,岩石总体上抗破坏能力变弱。同时表层的剥落造成了地形的改变、坡脚变陡,为滑坡形成提供了良好的临空面。消落带岩体劣化诱发的滑坡为牵引式滑坡。

4.2 崩塌

崩塌主要分布在碳酸盐岩区,岩性多为灰岩,岩质坚硬,地形多为近垂直的陡崖地貌。其形成机理有3种：①消落带岩体在库区水位涨落水动力作用及干湿循环作用下,岩体完整性变差,岩体力学强度逐渐降低,劣化程度逐步增大,最终导致消落带岩体破碎或顺坡向结构面发生变形,进而引起上部岩体发生滑移形成滑移式崩塌；②消落带岩体破碎软弱,受水位涨落影响形成凹岩腔,导致危岩下部悬空,凹岩腔或下部岩体破碎崩落或掏蚀后形成的悬空处发生坠落式崩塌；③随着消落带岩体劣化的发育及变形形成软弱基座,上部危岩体与母岩分离后重心逐渐外倾,危岩体沿某一支点向临空方向发生转动性倾倒,形成倾倒式崩塌。

5 结论

(1) 对三峡库区神农溪范围内的消落带进行了详细的野外调研,发现在库水位周期性升降的影响下,消落带岩体劣化现象非常严重。

(2) 针对区域内的岩性特征分别对碳酸盐岩和碎屑岩进行了干湿循环实验结果分析，认为碳酸盐岩的劣化趋势成指数式增大,其机理主要为溶蚀、潜蚀和温差；碎屑岩的劣化趋势成对数式增大,其机理主要为内部矿物遇水膨胀和裂隙吸附水分产生的楔裂压力。同时水化学作用、水动力作用以及水压力对岩体的劣化也有一定的影响,推测消落带岩体的发育趋势要大于室内的实验结果。

(3) 统计分析三峡库区自蓄水运行以来,神农溪范围内地质灾害的发育情况及规律。推测消落带岩体劣化的发育对库区地质灾害发育的影响权重逐步加大。

(4) 区域内消落带岩体劣化诱发地质灾害的成灾模式主要为滑坡和崩塌。滑坡成灾机理主要为前缘岩体力学强度的破坏和地形的改变形成临空面诱发牵引式滑坡。崩塌的成灾机理主要为消落带岩体的破坏,及不断劣化诱发的滑移式、坠落式和倾倒式三种崩塌破坏模式。

(5) 通过对三峡库区神农溪范围内消落带岩体劣化的研究,查明与地质灾害发生的关系,对进一步了解三峡库区同类地质灾害提供了理论依据，为三峡库区地质灾害隐患点监测预警及治理工作提供了一定的技术支撑。