卡门子湾滑坡及周边碎屑岩岸坡劣化变形机制初步研究

何钰铭，王金波，金卉林，聂邦亮，叶义成，廖伟杰，马 振

(湖北省水文地质工程地质勘察院,湖北 宜昌 443000)

湖北省三峡库区蓄水后,库周斜坡水文地质条件发生复杂的变化,岸坡劣化导致的斜坡稳定性问题逐步显现,库周发生地质灾害的可能性增大。近些年三峡库区因劣化引起的岩质滑坡有杉树槽滑坡、卡门子湾滑坡等,对库区人民的经济发展和生命财产安全构成极大威胁。基于卡门子湾滑坡及周边碎屑岩库岸野外调(勘)查[1]、现场实验工作,本文对岸坡劣化引起的斜坡变形机制进行初步研究,为三峡库区碎屑岩岸坡劣化[2]研究、库区顺层岩质滑坡研究和防治提供技术支撑。

卡门子湾滑坡[3]位于长江一级支流泄滩河左岸,行政区划隶属湖北省秭归县泄滩乡陈家湾村7组。受三峡库水位变动长期影响,滑坡前缘岩体劣化,强度降低,2019年12月10日16：50,库区高水位运行期间滑坡出现整体滑移,堵塞泄滩河,造成泄牛路损毁等。同时,卡门子湾滑坡变形使泄滩乡全乡约1.23万人出行受阻,对全乡居民的生产生活造成较大影响。

1 滑坡基本特征

1.1 基本特征

卡门子湾滑坡所处斜坡高程为150～305 m,斜坡自然坡度35°～45°,坡向315°,坡体中前部有泄牛路穿过。滑坡整体纵长约331.5 m,横宽约77～135 m,面积约3.32×104m2,厚度8.8～24.5 m,总体积约53.12×104m3,主滑方向350°。

卡门子湾滑坡由滑动区和牵引区组成,滑动区纵长约267 m,横宽约77～135 m,面积约2.67×104m2,滑体厚度8.8～24.5 m,滑动体积约42.72×104m3；牵引区面积约0.55×104m2,滑体厚度10～20 m,体积约10.4×104m3(照片1，图1-图2)。

图1 卡门子湾滑坡地质平面图Fig.1 Geological plan of Kamenziwan landslide1.第四系残坡积；2.滑坡堆积物；3.侏罗系中统沙溪庙组；4.滑坡边界；5.变形牵引区边界；6.地面裂缝及编号；7.剖面线及编号；8.第四系与基岩界线；9.175 m(吴淞高程)水位线。

图2 卡门子湾滑坡纵剖面示意图Fig.2 Vertical section of Kamenziwan landslide1.第四系残坡积；2.第四系滑坡堆积；3.侏罗系中统沙溪庙组；4.滑动面；5.碎块石土；6.碎裂岩；7.粉砂岩；8.泥质粉砂岩。

照片1 卡门子湾滑坡全貌Photo 1 Pnorama of Kamenziwan landslide

滑坡所处斜坡及周边出露岩体为侏罗系中统沙镇溪组(J2s1)紫红色薄层粉砂岩、泥质粉砂岩与粉砂质泥岩不等厚互层。据勘查钻孔揭露并结合滑坡体岩层特征,确定滑体厚度为8.8～24.5 m。滑坡主要沿岩体层面切层滑移,滑坡南侧滑移面出露,滑带为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩,厚度2～15 mm。

1.2 变形特征

卡门子湾滑坡首次变形发生于2019年11月20日,主要为中下部出现变形裂缝,且不断向后缘扩展,至2019年12月10日,滑坡发生整体滑移,滑坡前缘涌入长江支流泄滩河河道,并导致泄牛路损毁,后部牵引变形裂缝仍在向斜坡上部扩展,至2020年5月13日,万翁路已完全中断(照片2-照片7)。

照片2 滑坡左侧边界滑移面特征照片Photo 2 Characteristic photos of slip surface on the left side of landslide

照片3 滑带特征照片Photo 3 Characteristic photos of slide belt

照片4 滑坡左侧边界滑移照片(2019年12月10日)Photo 4 Photo of left boundary slip of landslide

照片5 前部路面拉张裂缝(2019年12月10日滑动前)Photo 5 Tension cracks in the front pavement

照片6 牵引区后缘万翁路下座(2020年5月13日)Photo 6 Wanweng road interrupted at the rear edge of traction area

照片7 牵引区后缘坍滑(2020年5月13日)Photo 7 Sliding of rear edge of traction area

2 滑坡及周边碎屑岩岸坡劣化现象

2.1 滑坡前缘岸坡劣化现象

该滑坡所处库岸属碎屑岩库岸,岩性主要以中—厚层粉砂岩、薄层泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为主,其中粉砂岩强度相对较高,泥质粉砂岩、粉砂质泥岩强度相对较低,劣化存在一定差异性,岸坡坡向近北西,斜坡岩层产状30°∠40°,该斜坡结构为斜顺向坡。滑坡前缘岸坡基岩裸露,表部粉砂岩多劣化散裂成块状,泥质粉砂岩和粉砂质泥岩碎裂成颗粒状,岸坡劣化后坡脚坡度较陡,坡度50°～60°,为滑坡变形提供了良好的临空条件。滑坡前缘岸坡劣化现象主要为崩落、掉块、沿结构面的剥落等。

2.2 周边碎屑岩库岸劣化现象

通过对滑坡及周边碎屑岩岸坡进行对比调查,发现碎屑岩岸坡劣化特点主要是差异性劣化,因砂岩、粉砂岩和泥岩岩性强度及成分差异,在自然风化重力卸荷作用下,受三峡库区水位长期循环涨落影响,表层岩体出现劣化速度及劣化程度上的差异,导致岸坡出现劣化变形。岸坡劣化现象主要包括散裂碎裂现象、机械掏蚀冲蚀现象。

2.2.1散裂碎裂现象

由于汛期三峡库区腾空库容低水位运行,碎屑岩岸坡岩体裸露,受夏季极端气候(高温、暴雨)影响风化作用强烈,风化岩体主要沿结构面发育裂缝,随着时间的推移裂缝由闭合到显现、由显现到张开、由张开到扩展贯通,强度略高的粉砂岩岩体劣化散裂呈块状,而强度较低的泥质粉砂岩岩体则劣化碎裂呈颗粒状,随着结构面的逐步增多,岩体强度逐步严重下降,这也是岸坡岩体劣化的重要标志,水库的运行加速了这一过程(照片8、照片9)。

照片8 粉砂岩散裂现象Photo 8 Spallation of siltstone

照片9 泥质粉砂岩碎裂现象Photo 9 Fragmentation of argillaceous siltstone

2.2.2机械掏蚀冲蚀现象

在三峡库区运行过程中,库水位变动尤为常见,库水的机械掏蚀冲蚀[4]现象也较为常见,它最明显的作用表现在以下几个步骤：①覆盖层较薄的岸坡土体及裂隙面充填物被掏蚀,导致岩体裸露；②机械的冲刷造成已有裂缝进一步加宽加深,破坏了浅表层岩体结构,最终导致崩落、掉块；③对表层因劣化产生的松动岩体冲刷携带,坡体内凹；④下一循环劣化冲刷过程中,岸坡逐步后移,岩体强度降低,斜坡前缘抗滑力降低(照片10)。

照片10 碎屑岩岸坡库水掏蚀冲蚀现象Photo 10 Water erosion of clastic rock bank slope reservoir

3 岸坡劣化特征初步分析

为进一步查明本次碎屑岩岩体劣化引起的斜坡变形原因,除对滑坡进行全面调(勘)查外,在滑坡周边类似地质情况的碎屑岩岸坡亦进行了大量现场实验及取样分析,现场实验主要包括点荷载、回弹实验,取样主要完成了样品的成分分析、干湿循环实验等,对碎屑岩岸坡劣化特征进行充分研究,因本次滑坡出现在坡体结构为斜顺向坡部位,所以开展的库岸调(勘)查工作主要针对坡体结构为顺向坡或斜顺向坡。以下根据调(勘)查成果结合实验进行分析。

3.1 强度劣化特征

针对岸坡岩体劣化现状,采用大量现场回弹和点荷载实验,对岸坡175 m水位线上和消落区进行了现场回弹强度实验,同一斜坡部位水位线上强度略高于消落区岩体。经过水上、水下各128次的回弹实验，成果汇总见表1。因此通过实验成果不难看出,泥质粉砂岩岩体在相同环境下劣化速度较粉砂岩岩体速度略快,水下与水上部位岩体比较,库水位变动对泥质粉砂岩的影响略大于粉砂岩。

表1 碎屑岩岸坡回弹实验汇总表Table 1 Summary of rebound test of clastic rock bank slope

针对地表岩块实施现场点荷载实验,选取强度类似岩块进行实验取平均值对比分析,实验方向均为垂直岩层面方向,滑坡周边岸坡现状粉砂岩块体的破坏荷载在15.3～18.7 kN之间,泥质粉砂岩块体的强度在2.3～3.8 kN之间,泥质粉砂岩表层选取块体较为困难,多可手捏即碎,因此强度值应较实验值更低。对卡门子湾滑坡勘查后选取钻孔中风化粉砂岩样和泥质粉砂岩样进行对比点荷载实验,粉砂岩破坏荷载平均值为25.7 kN,泥质粉砂岩破坏荷载平均值为5.9 kN。岸坡表部现状粉砂岩平均强度值较中风化岩体强度总体下降约33.8%,泥质粉砂岩总体下降约47.5%(见表2)。

表2 碎屑岩岸坡及钻孔中风化岩样点荷载实验成果汇总表Table 2 Summary of load test results of weathered rock samples in clastic rock bank slope and borehole

对粉砂岩和泥质粉砂岩制样后进行干湿循环下岩石强度劣化对比研究,对不同循环次数的试样进行力学性质实验。干湿循环实验岩样在水中饱和24 h,在45 ℃的烘干箱中烘干48 h为1次循环,目前三峡库区高水位运行自2008年开始已经历12年,本次模拟进行12次干湿循环实验,每次循环后进行声波测试和力学应力测试。

泥质粉砂岩干湿循环实验随循环次数增加,劣化明显,标准岩样随干湿循环次数增加表面产生肉眼可见的裂隙变大。波速与干湿循环次数成反比,泥质粉砂岩波速随干湿循环次数增加而降低。岩石波速经过12次干湿循环后平均波速由2 725 m/s下降至2 169 m/s。岩块单轴压缩实验应力经过12次干湿循环后平均峰值强度由93.701 MPa下降至54.346 MPa,应力下降42%。

粉砂岩干湿循环实验随循环次数增加,劣化较明显,试样空隙结构发生明显变化。波速与干湿循环次数成反比,波速随干湿循环次数增加而降低。岩石波速经过12次干湿循环后平均波速由3 020 m/s下降至2 679 m/s。岩块单轴压缩实验应力经过12次干湿循环后平均峰值强度由197.201 MPa下降至135.436 MPa,应力下降31.3%。

3.2 成分分析

对粉砂质泥岩和粉砂岩分别取样进行电镜扫描成分对比分析。

泥质粉砂岩主要矿物元素有C、O、Fe、Mg、Si、Al,推断由粉砂级碎屑(7%)、砂级碎屑(<5%)、粘土矿物(83%)、碳酸盐矿物(5%)和不透明矿物(<5%)组成。

粉砂岩主要矿物元素有C、O、Ca、Si、Fe等,由砂级碎屑(14%)、粉砂级碎屑(76%)、粘土矿物(5%)和铁质(<5%)组成。

由上述实验成果可见,泥质粉砂岩中亲水的粘土矿物含量高达83%,而粉砂岩中粘土矿物含量仅占5%,这一特性决定其裸露后泥质粉砂岩的劣化速度较粉砂岩要快很多。为了验证这一劣化特性,勘查期间对钻孔中风化粉砂岩、泥质粉砂岩岩样裸露放置,通过观察对比,泥质粉砂岩岩样在夏天高温放置2—6 h后就会出现裂纹,2—4 d后完全散裂崩解成颗粒状或岩屑,强度急剧降低,粉砂岩岩样放置后强度降低亦较明显,主要沿岩层面断开,碎裂呈饼状(照片11、照片12)。

照片12 粉砂岩劣化散裂特征Photo 12 Deterioration and spallation characteristics of siltstone

照片11 泥质粉砂岩碎裂崩解Photo 11 Argillaceous siltstone disintegration

泥质粉砂岩崩解主要原因为岩体内亲水物质在失水条件下,发生了不均匀的收缩作用,产生偏应力,其结果是局部应力超过岩石现有的抗拉强度,岩体就崩解成颗粒状或岩屑。因此通过成分分析对比，裸露粉砂岩岩体与泥质粉砂岩岩体在自然环境下劣化速度差异较为明显。

3.3 岸坡地形地貌劣化特征

根据对类似岸坡,及同一部位的水上、水下地形地貌调查对比,水下地形坡度明显略陡于水上坡度,粉砂岩岸坡水上、水下地形坡度对比相差5°～20°,泥质粉砂岩岸坡水上、水下地形坡度对比相差约3°～12°(照片13、照片14)。

照片13 粉砂岩岸坡坡度对比Photo 13 Slope comparison of sandstone bank slope

照片14 泥质粉砂岩岸坡坡度对比Photo 14 Comparison of bank slopes of argillaceous siltstone and mudstone

因粉砂岩岩体和泥质粉砂岩岩体存在强度及成分的差异,在自然风化、重力卸荷作用下受三峡库区水位长期循环涨落影响,表层岩体出现劣化速度及程度上的差异,导致岸坡出现劣化变形。地貌形态上多呈“指状”展布,当斜坡结构为斜顺向坡或顺向坡时,库区侧向侵蚀劣化差异形成特有的地貌形态(照片15)。

照片15 侧向侵蚀差异性劣化地貌特征Photo 15 Geomorphological characteristics of differential deterioration of lateral erosion

4 滑坡劣化变形机制初步研究

卡门子湾滑坡所处斜坡坡向315°,岩层产状为30°∠40°,滑坡所处部位地层为紫红色薄层粉砂岩、泥质粉砂岩不等厚互层,存在多层的软弱夹层,虽然坡体结构为一斜交顺向坡,但岩体内发育有一贯通性较好的不利裂隙面,裂隙面330°∠60°,裂隙面发育密度规律性较强,构成了此次的滑动。

该滑坡为一新生涉水滑坡,剪出口位于泄滩河河底(高程约150 m),此次变形过程初步分析为自2008年三峡库区175 m水位运行后,经过10多年的库水位变动,滑坡前缘碎屑岩岸坡逐步劣化,表层松软岩土体剥离后,岸坡劣化向后推移形成高陡临空条件,经过近几年的涨落干湿循环,岩体劣化深度逐步加深,强度逐步降低,岸坡岩体经2019年夏季高温进一步劣化后,斜坡稳定性达到临界状态。同年10月份三峡库区蓄水,高水位运行近1个月后,劣化岸坡经历饱水软化后强度进一步降低,斜坡抗滑力不足,11月中旬前缘开始出现变形,致使前缘公路出现拉张下座变形。因本次滑坡变形主要受控于岩层面和裂隙面,滑坡左侧边界为一山脊,主要在滑坡右侧及后部切层滑动,无完整连续的滑面,这也是造成滑坡滑动速度较慢、滑动过程声音较大的原因。滑坡自开始变形后,变形速率逐步加快,后缘逐渐形成贯通拉张下座裂缝,前缘临空的部位直抵河谷基岩支撑,滑动趋缓,后缘滑动形成高陡临空面,随即临空面部位又进一步向后部扩展形成沿层面及裂隙面控制的楔形体牵引滑动,形成了最终的滑坡形态。

滑坡变形期间近一个月内无降雨情况,该滑坡为一新生滑坡,无已有滑动面,摩擦滑动过程中形成滑带,故滑带厚度较小,自滑坡左侧边界及变形区后缘清晰可见滑带形成过程,因此本次滑动的主要诱发原因为岸坡岩体劣化后,在高水位运行期间库水浸泡软化引起的滑坡变形。

综上所述,卡门子湾滑坡变形破坏机制可概括为：岸坡岩体劣化—前缘下座变形—层面裂隙面切层滑移—后部贯通拉张下座—整体滑动—前部抵河底阻滑—滑体变形趋缓—后缘滑壁扩展牵引变形。

总之,卡门子湾滑坡为库区岸坡岩体多年劣化后,高水位运行期间斜坡坡脚强度降低,斜坡稳定性达到临界后滑动。本次滑坡是一起软弱夹层与切层裂隙组合的优势结构面控制下的斜坡碎屑岩楔形体在高水位浸泡下产生的顺向滑移。

5 结语与体会

本文通过对卡门子湾滑坡的基本特征、变形特征和周边库区碎屑岩岸坡劣化特征全面综合的分析,结合岸坡劣化引起斜坡变形的过程,对卡门子湾滑坡劣化变形机制进行初步研究。

根据卡门子湾滑坡特征、稳定现状及其主要影响因素,结合滑动后的地形地貌特征,建议采取削坡减载+回填压脚+护脚墙+模袋混凝土护坡(回填区水下部分)+格构植被护坡(回填区水上部分)+坡面整形+绿化生态修复等工程措施对滑坡进行综合治理,以确保滑坡整体稳定及环境绿化协调。

岩体的劣化发展是一个动态变化的过程。在水库运行和库区开发建设等新的环境条件下,岩体劣化将会有新的变形特征和趋势。三峡水库进入正常运行期后,受水库水位涨落变幅的影响,库周斜坡水文地质条件会发生复杂的变化,岸坡劣化导致的斜坡稳定性问题会逐步显现,库周发生地质灾害的可能性增大。因此,研究水库运行后岩体劣化的斜坡变形机制及趋势预测尤为重要,为后期合理进行岸坡岩体劣化评价、划定岸坡劣化危险区段、库区劣化地质灾害监测预警及劣化防治工作提供支撑,保障库区人民生命财产安全意义重大,同时,对中国类似库区岩体劣化研究也具有参考意义。