三峡库区大型单斜顺层新生滑坡变形特征与失稳机理研究*

朱赛楠 殷跃平 黄波林 张枝华 王 平 王文沛 赵 慧 张晨阳

(①中国地质环境监测院， 北京 100081， 中国)(②防灾减灾湖北省重点实验室， 三峡大学， 宜昌 443002， 中国)(③重庆市地质矿产勘查开发局208水文地质工程地质队(重庆市地质灾害防治工程勘查设计院)， 重庆 400714， 中国)(④中国地质大学(武汉)工程学院， 武汉 430074， 中国)

0 引 言

三峡工程库区位于四川盆地与长江中下游平原的过渡地带，跨越川东岭谷地带与渝鄂中山峡谷区，地质环境复杂，是地质灾害高易发区。2008年试验性蓄水以来，在三峡库区水位调动变化等因素的综合作用下，三峡库区地质环境条件发生了明显变化，新生或加速形成了大量地质灾害，长江流域地质灾害防治面临严峻挑战(Yin et al.，2016; 黄波林等， 2020)。

单斜顺层滑坡一般发育于大型背斜褶皱构造两翼，岩层倾向与坡向近一致。受到构造裂隙与软弱层面控制，具有明显蠕滑特性。孙广忠(1983)研究了顺层板裂结构岩质边坡破坏形式，尤其是对层间错动发生条件进行了探讨。任光明等(1998)认为顺层岩质滑坡形成机制为沿软弱面控制的顺层滑动，并建立了破坏的力学模型。李守定等(2007)研究了滑带形成过程中原生软岩、层间剪切带和滑带的物理性质、岩石矿物组成和含量、微结构和连接特征、矿物微观演变、物理化学性质和物理力学性质的演化过程，总结得出了滑带形成演化模式。殷跃平(2010)认为斜倾厚层山体滑坡视向滑动应具备层状块裂结构、山体倾向阻挡、临空视向剪出、驱动块体下滑、关键块体阻滑等5个条件。肖诗荣等(2010)通过对瓦伊昂滑坡、塘岩光滑坡和千将坪滑坡的地质条件与变形特征对比，总结了水库顺层滑坡的易滑地质结构与诱发机制。王根龙等(2010)研究了受层间错动影响的顺层岩质边坡稳定性的极限分析法，推导出了极限分析上限解。

三峡工程库区水位在高程145～175m范围周期性涨落，库区岩溶岸坡消落带岩体遭受的应力和环境条件也随之变化，其岩体质量和物理力学性能差异性改变，称为岩溶岸坡岩体劣化效应(黄波林等， 2019)。Collins et al.(2016)通过精细观测发现，由于温差循环产生的微小应力改变也能加速岩体裂隙扩展与分离。崔凯等(2019)以泥石流沟壁表层千枚岩为研究对象，针对极干-极湿、常规干湿、日常干湿等3种破坏条件下岩样的宏观形态、质量、纵波波速进行测试，并结合单轴无侧限抗压实验以及与新生成分的矿物分析，阐述了千枚岩的劣化响应行为与机理。殷跃平等(2021)通过水库运行状态下原位跨孔声波测试和井下电视，获取了不同深度岩体物理力学参数，改进了GSI系统对岸坡劣化带岩体的描述，拓展了广义Hoek-Brown(H-B)准则在劣化带岩体强度动态评价中的应用。邓华锋等(2021)通过断续节理砂岩的水-岩作用试验，结合力学试验和微细观结构检测综合分析了岩体劣化规律及机理。近年来，针对劣化岩体的矿物微观演变、质量参数、物理力学性质、水岩作用等研究逐渐深入，对于揭示岩体劣化机理具有一定意义，但是应该注意到，岸坡岩体劣化造成了斜坡结构发生变化，也加速了岸坡变形破坏的演化进程。

轿顶峰2号滑坡位于三峡库区巫峡长江干流段，属于长江主航道，江上航道繁忙(游轮、货轮、班船及临水作业船只等)，仅每天通行的大型豪华游轮就有10艘。滑坡紧邻青石旅游码头、神女溪景区、神女峰景区、青石水文站、青石居民点等设施，潜在威胁人数大于2000人，潜在经济损失超1亿元，破坏后果严重。本文结合库水位变化、地质环境条件资料，通过现场调查测绘、无人机航空摄影测量、工程地质钻探、地表及深部位移监测等方法，详细分析了轿顶峰2号滑坡的基本变形特征、成因机制与发展趋势，为三峡库区大型单斜顺层新生岩质滑坡防治提供参考依据与技术支撑。

1 滑坡区基本特征

1.1 地质环境条件

轿顶峰2号滑坡位于三峡库区巫峡长江干流段，属中山深切割侵蚀峡谷地貌，地势南北高中间低。地形为上部陡崖与中下部陡坡交替的阶梯状台地，整体坡度45°～85°，陡崖高度125～220m，陡坡整体坡度为40°～50°。最高点位于轿顶峰西北侧神女峰，高程约1152m，最低点位于长江河谷谷底，高程约2m，相对高差约1150m。

滑坡位于四川盆地东南缘神女峰背斜南东翼，岩层倾向150°～182°，倾角45°～71°。斜坡整体倾向160°～185°，属典型单斜顺层结构岩质斜坡(图1)。斜坡构造裂隙较发育，岩体切割呈较破碎状。滑坡发育地层为三叠系下统嘉陵江组二段(T1j2)浅灰色中厚层泥质灰岩及岩溶角砾岩。滑坡区地下水的分布、埋藏、运移受岩性构造、地貌和水文网的切割程度影响较大，主要分为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩岩溶水2类。滑坡前部三峡库区蓄水位在145～175～145m之间波动，水位变幅为30m。

图1 轿顶峰2号滑坡地理位置与构造纲要图

1.2 岸坡结构与滑坡空间形态

1.2.1 岸坡结构

受地质构造及河流下切等影响，轿顶峰岸坡结构类型属于顺向岩质岸坡。整体地形坡度45°～65°，倾向160°～185°，岩层产状150°～182°∠45°～71°，岸坡水下高程105～140m区域多为陡坡或陡崖地貌，地形坡度60°～75°，存在较大范围的顺向临空。主要发育嘉陵江组二段地层，岩性由薄-中厚层状泥质灰岩、岩溶角砾岩、中厚层白云岩等组成，属于硬质碳酸盐岩局部夹软弱夹层组合。岸坡构造裂隙较发育，将表层岩体切割成较破碎状。

1.2.2 滑坡空间形态与边界

滑坡范围包括两侧自然冲沟切割范围内岩体临空的区域，根据现场实测，西侧冲沟下切深度18.80m，东侧冲沟下切41m。根据1︰1.5万水下航道图推测，斜坡水下临空面高程约100～140m，后缘高程约520m，剪出口高程约140～145m。滑坡横宽约300m，纵长约400m，平面形态呈不规则“n”型，主滑方向为182°。滑坡斜面面积约12.5×104m2，平均厚度约20m，体积约250×104m3，为大型单斜顺层岩质滑坡(图2)。

图2 轿顶峰2号滑坡工程地质平面图

1.3 滑坡物质组成与结构特征

根据调查测绘、勘探钻孔揭露情况，滑坡地层岩性为三叠系嘉陵江组二段(T1j2)薄-中厚层泥质灰岩及岩溶角砾岩，其中泥质灰岩为斜坡主要岩体，属于碳酸盐岩坚硬岩组。岩溶角砾岩只在斜坡上游西边界冲沟出露，主要集中出露在劣化带及以下区域，沿岸坡往上逐渐歼灭，最高延伸至高程180m附近。该夹层为软弱夹层，无规则层面，局部岩体层面错乱，泥质含量较高，表层岩体较破碎，但胶结程度较好，为控制滑坡局部或整体稳定性的关键地层。该夹层在高程145m水位线以上发育厚度约5～12m，呈不等厚发育，沿斜坡向上逐步歼灭。

本加固方式可传递节点拉力及压力，考虑压力传递时，不仅要考虑节点强度，还需考虑节点稳定性。抱箍采用比被加固杆件规格大一号的的圆管加工制作而成，抱箍内径与杆件外径相同，厚度不小于杆件壁厚。

斜坡地质结构为顺向岩质岸坡，岸坡坡角50°～60°，岩层倾角45°～58°，高程145m水位线以上岸坡局部临空， 145m水位以下约在110～120m高程区域附近临空，临空岩体厚度约8～14m。滑坡岩层产状为175°∠61°，后缘节理裂隙J1产状为247°∠76°，节理J2产状为152°∠68°。前缘劣化带节理裂隙J3产状为253°∠71°，节理J4产状为159°∠62°，斜坡被“X”型节理和层面裂隙切割成菱形块状(图3)。

图3 轿顶峰2号滑坡工程地质剖面图Ⅰ-Ⅰ′

1.4 滑坡变形特征

1.4.1 滑坡变形发育历史

通过调查与资料收集，轿顶峰段斜坡在三峡库区蓄水后时有小规模顺层剥落滑塌现象。2007年7月3日和23日，轿顶峰下游约500m处5号斜坡分别发生两次崩塌现象(图4)，崩塌体呈板状，东西长约20m，厚0.35m，高80m，体积560m3，严重威胁航道通行安全。2018年10月8日，轿顶峰2号滑坡前缘劣化带高程150～180m处发生小规模滑塌(图5)，滑塌体沿岩层层面剥落，东西长约15m，厚约0.45m，高约30m，体积200m3。

图4 轿顶峰5号斜坡崩滑

图5 轿顶峰2号滑坡崩滑

1.4.2 宏观变形

通过调查，轿顶峰2号滑坡变形破坏主要集中在消落带区域，主要表现为受地质构造与库水位等影响下的岩体劣化，其破坏特征如下：

(1)消落带区域岩体受2-3组构造裂隙的切割，将岩体切割成不规则板状或碎块状，裂隙发育间距0.5～3.2m，张开度0.1～7cm，延伸长度约2.0～26.5m，局部充填碎块石与第四系黏土(图6a)。

(2)消落带局部差异劣化、崩塌形成新的临空面(凹岩腔)，且临空岩体在裂隙切割下逐渐贯通，岩体强度不断衰减，有局部滑移、坠落迹象，该变形为从下至上的小范围、小规模的滑移、倾倒坠落(图6b)。

(3)滑坡上游西侧发育一条破碎带，发育方向约65°，发育高程155～175m，宽度40～100cm，破碎带岩体呈反倾状，岩体结构为薄至极薄层泥质灰岩(图6c)。

(4)劣化带表层破碎岩体受库水冲剥蚀较严重，库水位的涨落及无规律的风浪将破碎岩体逐步搬运，形成了新的临空面以及裂隙面的逐步扩张。岩溶角砾岩发育的消落带区域，岩体劣化严重，局部可见溶蚀孔洞发育，一般溶蚀孔洞直径约5～13cm，深度4～10cm，呈不规则状(图6d)。

图6 滑坡宏观变形特征

(5)滑坡上部发育长度约0.5～1.6m的溶蚀孔洞与沟槽，岩体局部差异风化或裂隙切割，导致小规模的崩塌掉块，局部可见直径约0.2～1.0m散落块体与悬石。

(6)斜坡东侧边界裂缝被风化侵蚀掏空，其最大张开度约32cm，最大可见深度47cm，局部被碎块石充填，边界区域岩体局部扭曲但整体完整性较好。

1.4.3 深部变形

为了更直观地揭露劣化带岩体特征，采用悬挑式近水平钻探工艺开展劣化带钻进，单孔钻探深度40m，钻孔高程158m(图2)。利用JKX-3型全孔壁成像系统采集钻孔柱状剖面连续图像，进行展开、拼接处理，观测滑坡深部岩体变形特征。同时，采用深部位移监测仪器测定钻孔不同深度的变形量。本次布置2处深部位移监测点，分别位于滑坡前缘劣化带上游西侧(ZK12)和下游东侧(ZK17)。监测周期自2019年11月1日～2021年3月25日，共510d。选取其中9期监测数据进行处理分析，从监测曲线可以看出，ZK12位移变化量为-5.8～4.3mm， ZK17位移变化量为-8.3～4.5mm，曲线均有两处明显拐点，表明滑坡目前处于蠕滑变形阶段(图7)。

图7 地层柱状影像与深部位移监测曲线

监测点ZK12曲线总体形态为“S”型，在深度16.0～18.0m和24.0～26.0m处存在两处明显凸起，可能分布有滑面。据钻孔影像资料显示， 16.5～17.4m段和24.6～25.5m发育裂隙结构面和软弱夹层，推测17.0m和25.0m为滑动错动面。

监测点ZK17曲线总体形态为“B”型，在深度11.0～13.0m和29.0～31.0m处存在两处明显凸起，可能分布有滑面。据钻孔影像资料显示， 11.7～12.6m和29.8～30.3m处发育裂隙结构面和软弱夹层，推测12.0m和30.0m为滑动错动面。

2 滑坡成因机制分析

2.1 地形地貌

轿顶峰斜坡属中山深切割侵蚀峡谷地貌，为顺向岩质滑坡。滑坡后缘高程500m，两侧边界被自然冲沟切割，双沟同源，西侧冲沟下切深度18.80m，东侧冲沟下切41m。坡面中部发育纵向冲沟，宽度22～95m切割深度10～20m(图8)。滑坡水下高程100～120m区域为陡崖地貌，地形坡脚约60°～75°，存在较大范围的顺向临空，临空岩体厚度8～14m。长江深切峡谷和高陡斜坡为滑坡提供了卸荷作用和高势能，是滑坡失稳变形的基本条件(张永双等， 2021； 朱赛楠等， 2021a，2021b)。

图8 滑坡形态无人机三维影像

2.2 地层结构

滑坡位于神女峰背斜南东翼，地层岩性为泥质灰岩夹泥质软弱夹层。斜坡揉皱错动发育，斜坡发育两组优势节理裂隙，第1组产状247°～251°∠71°～76°，张开1～70cm，充填碎块石或岩屑，裂面凹凸不平，裂隙间距1.5～3.7m，延伸长度一般大于50m，裂隙面结合程度差，属硬性纵张结构面。第2组产状152°～159°∠62°～68°，张开1～30cm，下游东侧边界处张开度达2.6m，充填碎块石或岩屑，裂面凹凸不平，裂隙间距1.8～4.6m，延伸长度大于50m，裂隙面结合程度差，属硬性横张结构面(图9、图10)。两组优势构造裂隙与岩层层面将岩体切割呈板状或碎块状，使斜坡岩体结构劣化，控制了斜坡整体稳定性(殷跃平， 2010； 朱赛楠等， 2019， 2021a)。

图9 泥质灰岩中发育的两组节理裂隙

图10 滑坡空间结构面赤平投影

2.3 消落带劣化

声波波速变化是岩体完整性程度的典型标志，也是岩体质量劣化的标志之一。通过原位跨钻孔纵波波速对穿测量方法，测定水位周期变动下岩体质量的响应特征，查明深部岩体质量劣化的空间分布特征。通过劣化岩体波速与单轴抗压强度，定量计算岩体基本质量指标(BQ)，分析岩体质量劣化程度(GB/T50218-2014)(中华人民共和国行业标准编写组，2014)。岩体基本质量指标(BQ)表达公式如下：

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

式中：Rc为岩石单轴抗压强度，实测值为78.75MPa；Kv为岩石完整性系数，是岩体与岩石的纵波速度比的平方，其中岩体的纵波波速为实测值，岩石纵波波速为7616m·s-1。

跨孔声波对穿测量利用ZK12和ZK13，钻孔高程均为158m，钻孔间距为5m，测量时间为2019年9月。由图11测试结果可知，ZK12/13在深度3.0～10.0m段岩体声波波速急剧变化，表明该段岩体非常破碎，有软弱带、破碎带或空洞区域。另外有3段没有采集到有效数据，表明完整性非常差，深度分别为0～3.0m、10.0～12.0m和13.0～27.0m。

图11 ZK12/13跨孔声波波速与深度曲线

通过计算得到跨孔岩体基本质量指标，由图12可知，ZK12/13获得有效测试数据的岩体质量指标在359～472之间，为Ⅲ类，其中深度3.0～12.0m有部分岩体BQ为Ⅱ类，主要分布在6.6m、12.8m钻孔深度。无有效数据段岩体非常破碎，其岩体质量指标BQ分级为Ⅴ类。

图12 ZK12/13跨孔BQ与深度曲线

2.4 地表水与地下水

三峡水库坝前水位每年在145～175～145m之间波动，水库水位变幅为30m。夏天出露水面处于高温暴晒下，冬天处于浸泡状态下，形成了浸泡-风干周期性过程，软化和降低了岩体强度。库水位的升降直接作用于岸坡上，水位涨落产生的动水压力和侧蚀作用，加速了岸坡消落带岩体的劣化。例如在箭穿洞上游库岸可见水位175m之下的垂直裂隙明显要多于水位线之上。同时，沿垂直裂隙极度发育大量的长条状溶隙和溶槽。溶隙、溶槽内的岩溶碎屑有些仍然填充在其中，有些已经被淘蚀，大的溶槽宽度和高度能容纳成人进入。

在库水位波动或地下水作用下，岩体内岩桥溶蚀断裂，裂隙逐渐扩大，岩体强度降低(陈小婷等， 2020； 肖捷夫等， 2020； 张扬等， 2020)。黄波林等对比了2012年和2017年陡倾顺层斜坡表面岩体裂隙长度，年最大延伸率约为0.15m·a-1，年平均延伸率约为0.08m·a-1。比三峡的平均溶蚀率高约1300倍。如果按岩体劣化的裂缝延展率来计算减少岩桥长度，那么岸坡演化劣变会急剧加速(黄波林等， 2019； 孙祥等， 2020)。地表水和地下水对消落带劣化严重影响岩体的整体稳定性(图13)。

图13 消落带岩体溶蚀潜蚀劣化现象

3 滑坡变形趋势分析

为了追踪滑坡体实时变形情况，合理判断滑坡发展趋势，自2018年11月1日在滑坡主要变形区布设了GNSS地表位移监测仪器，来监控滑坡空间形变情况(图2)。共布设3个GNSS监测点，布设位置高程分别为180m、250m和300m。图14是三峡库区蓄水位与滑坡3个监测点水平方向和垂直方向累积位移-时间曲线。可以看出，自2018年11月1日到2021年3月25日共875d， G01、G02和G03 3个监测点的累积水平和垂直位移逐渐增大，且垂直位移量大于水平位移，其中G01点累积水平和垂直位移量最大，分别达到9.88mm和38.89mm。位移变化与水位波动有一定关联，滑坡以沿层面或软弱夹层向下蠕滑错动变形为主。从目前地表位移与钻孔深部变形曲线的发展趋势来看，轿顶峰2号滑坡正处于持续蠕滑变形阶段，如遇极端暴雨或强震影响，前部劣化带发生崩滑破坏失稳的可能性较大，并且存在滑坡涌浪风险，需加强专业监测预警工作(张家明， 2020)。

图14 三峡库区蓄水位与滑坡地表位移-时间监测曲线

4 讨 论

轿顶峰2号滑坡是三峡库区蓄水后与消落带岩体劣化相关的典型大型顺层新生岩质滑坡之一。三峡库区冬蓄夏洪的周期性水位调控，形成了高程145～175m之间的水位消落带。碳酸盐岩岸坡消落带岩体节理裂隙发育，库水和地下水与岸坡的交互作用活跃(Derek et al.， 2007)，侵蚀及应力疲劳作用复杂，造成了岩体质量劣化，加速了岸坡变形破坏演化进程。如三峡库区2008年重庆巫峡龚家方崩滑(Huang et al.，2012)， 2015年重庆奉节藕塘滑坡(Yin et al.，2016)， 2014年重庆秭归杉树槽滑坡(Huang et al.，2015)， 2019年湖北卡门子湾滑坡(Yin et al.，2020)，都是碳酸盐岩消落带岩体质量劣化的典型案例。

根据目前轿顶峰2号滑坡地表和深部变形以及劣化带特征，滑坡下部软弱夹层岩体质量处于不断劣化过程，强度逐渐衰减，上部边界裂缝逐渐发育贯通。主要的破坏模式可能为沿临空层面整体滑动或局部(上游冲沟区域)沿软弱夹层崩滑破坏。由于位于长江干流主航道，滑坡一旦滑动入江，高位势能可能产生滑坡涌浪链式灾害，严重威胁到航道过往船只以及紧邻神女峰景区、青石旅游码头等相关人员设施安全。建议持续开展库区消落带劣化系统观测与新生滑坡失稳机理研究，提升库区新生滑坡灾害识别与预警能力。

5 结 论

本文以三峡库区轿顶峰2号滑坡为例，详细分析了大型单斜顺层新生岩质滑坡的基本变形特征、成因机制与发展趋势等问题。通过现场调查测绘、无人机航空摄影测量、工程地质钻探、地表及深部位移监测等方法，得到以下认识：

(1)滑坡位于神女峰背斜南东翼，在地貌上属中山深切割侵蚀峡谷区，发育地层岩性为三叠系嘉陵江组泥质灰岩。滑坡后缘高程约520m，前缘高程约140m，高差380m，滑坡剪出口位于库区蓄水位以下。斜面面积约12.5×104m2，平均厚度约20m，体积约250×104m3，为大型单斜顺层新生岩质滑坡。

(2)滑坡变形破坏主要集中在上部和下部消落带区域，发育2-3组构造裂隙，将岩体切割为碎块状。劣化带破碎岩体受库水冲剥蚀严重，溶蚀裂隙孔洞较发育。深部监测数据显示消落带发育两条滑动错动面，分别位于距坡面深度12.0～17.0m和25.0～30.0m之间。

(3)滑坡目前处于蠕滑变形阶段，受地形地貌、地层结构、消落带劣化以及水的影响，垂直方向变形持续增大，前部劣化带发生崩滑破坏失稳可能性较大，并且存在滑坡涌浪灾害链风险。建议持续开展库区消落带劣化系统观测研究，提升库区新生滑坡灾害识别与预警能力。