溪洛渡庫區庫岸老滑坡工程地質特征及成因機制分析

鄧宏艷,王成華

(1.西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031;2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川成都 610041)

溪洛渡庫區庫岸老滑坡工程地質特征及成因機制分析

鄧宏艷1,2,王成華2

(1.西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031;2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川成都 610041)

工程地質特征;成因機制;干海子老滑坡群;溪洛渡庫區

通過分析溪洛渡庫區的地質概況和老滑坡的分布特征,總結出溪洛渡庫區庫岸老滑坡變形破壞的主要控制因素為地層巖性、岸坡結構和斷裂構造,這些控制因素決定了溪洛渡庫區庫岸老滑坡的成因機制以滑移—拉裂為主。以溪洛渡庫區近壩庫岸的干海子老滑坡群為例,分析老滑坡復活的內外地質環境控制因素,并通過宏觀地質評價和數值計算研究干海子老滑坡群在蓄水前后的穩定性。

溪洛渡水電站是金沙江干流攀枝花至宜賓河段梯級開發規劃中的第三個梯級電站,是我國西部大型水利水電工程之一。近幾年,隨著二灘、三峽、向家壩、錦屏等水電工程的開工建設,庫區庫岸滑坡問題備受人們關注。通過對我國已建和在建的大型水電站庫區庫岸滑坡進行調查發現,其中老滑坡數量占有非常高的比例[1-4]。雖然目前這些老滑坡中的絕大多數是穩定的,但是在水庫蓄水的過程中很可能誘發一些老滑坡復活,給水庫的安全運營帶來隱患。因此,對于溪洛渡這樣地處高山峽谷地區的大型水電工程來說,加強庫岸老滑坡的工程地質特性和成因機制研究對于水庫的安全運營非常重要。

1 溪洛渡庫區庫岸老滑坡工程地質特征

1.1 溪洛渡庫區地質概況

溪洛渡庫區地處云貴高原與四川盆地兩大地貌單元接壤的大涼山向川中盆地過渡地段,屬強烈侵蝕高中山地貌,地勢總體西高東低,山脈走向以近南北向及北東向為主,與構造線展布方向一致。金沙江河谷呈北東向,其間深切,切深1 500m左右,庫區山高谷深,河谷狹窄,為典型的 V形河谷[5-6]。除石炭系、泥盆系及第三系外,庫區地層從元古界到第四系均有出露,其中中下古生界的濱海、淺海相碎屑巖及碳酸鹽地層出露較廣,二疊系的陽新灰巖及峨眉山玄武巖是壩區、近壩庫段出露的主要地層,第四系的沖洪積、崩坡積等零星分布于河谷、支溝兩側的山間谷地內。庫區附近構造以北東向和南北向褶皺、斷裂為主,并發育有伴生的北西向小斷層,以近壩庫段石板灘為界,上游以斷裂為主,下游以褶皺為主,主要斷層為峨邊—金陽斷裂、馬邊—鹽津隱伏斷裂和北東向蓮峰斷裂。

1.2 庫岸老滑坡分布特征

滑坡按滑坡發生時間分為新滑坡和古老滑坡。新滑坡一般指近 10年內發生過滑動或正在滑動的滑坡,古老滑坡是指初次滑動時間在 10年或很久以前,目前為穩定或僅為局部變形的滑坡。本文所指的老滑坡是古老滑坡的通稱。

溪洛渡水庫屬高中山峽谷型水庫。庫區基巖裸露,庫首段位于寬緩的永盛向斜西翼,構造簡單,無大的斷層切割,出露地層以玄武巖、石灰巖為主,岸坡變形破壞相對較弱;庫區中段抓抓巖—牛欄江口段普遍出露古生界薄至中厚層狀石灰巖、白云巖、泥質灰巖,并有元古界碳酸鹽巖、千枚巖、板巖等零星分布,岸坡以斜交傾斜層狀結構為主并受南北向的峨邊—金陽斷裂帶和北東向的蓮峰斷裂帶作用,是庫區滑坡等地質災害較發育的庫段;庫尾段西溪河口—白鶴灘段出露古生界碳酸鹽巖和碎屑巖類,斷層不發育,右岸為緩傾的逆向坡,岸坡穩定性較好,左岸為緩傾的順向坡,有大—特大型順層老滑坡分布,岸坡穩定性較差。根據地質調查和相關資料,庫區共發育有滑坡、崩塌等 81個,其中老滑坡 61個,體積 15.68億 m3,占滑坡體總體積的 95.26%,可見老滑坡是溪洛渡庫區岸坡變形破壞的主要形式。溪洛渡庫區典型岸坡變形體特征見表 1。

2 庫岸老滑坡成因機制分析

2.1 庫岸老滑坡變形破壞的主要控制因素

岸坡變形破壞與地層巖性關系密切。通過調查庫區典型岸坡滑坡變形情況(圖 1),得出結論:首先志留系泥頁巖是岸坡變形破壞發育的主要巖層;其次為寒武系粉砂巖、鈣質泥巖;再次為奧陶系粉砂巖、頁巖、灰巖以及第四系堆積體及峨眉山玄武巖組凝灰巖。出現上述情況的主要原因是泥巖、頁巖和粉砂巖等巖層巖性較為軟弱,容易產生壓縮變形,上覆堅硬巖層卸荷拉裂,上硬下軟的巖性組合導致岸坡變形失穩。

岸坡變形破壞與岸坡結構密切相關。溪洛渡庫區不同岸坡結構的岸坡變形破壞情況見圖 2。由圖 2知,庫岸變形破壞主要分布在緩傾順向和緩傾逆向的岸坡中,其他結構的岸坡中分布數量較少。緩傾是指巖層傾向與坡向的夾角小于 15°。在溪洛渡庫區,緩傾薄層和軟硬互層的順向岸坡是滑坡等岸坡變形災害的易發地段,如甘田壩、麻地灣、恩子坪等大型、特大型滑坡。緩傾逆向岸坡變形破壞主要是由岸坡巖層下伏的軟弱巖層壓縮變形導致的,很多切層滑坡都是發育在緩傾逆向岸坡中,如干海子滑坡、青杠坪滑坡等。

表 1 溪洛渡庫區典型岸坡變形體特征

圖1 不同地層巖性岸坡變形體數量比例

岸坡變形破壞受斷裂構造影響很大。溪洛渡庫區內有多條斷裂帶,例如在馬頸子斷裂、蓮峰斷裂通過的長 147 km的庫段,庫岸變形破壞導致的地質災害在數量和規模上均高于其他庫段。在庫區中段抓抓巖—牛欄江段,馬頸子斷裂與蓮峰斷裂沿金沙江河谷展布,沿斷裂發育有河口、付家坪子、大楓灣、花坪子等大型滑坡。其中,在河口至石盤寨長約20 km的庫段,蓮峰斷裂在金沙江右岸谷坡和谷底通過,發育有滑坡和變形體 14處,體積約 1.8億 m3,其庫岸變形破壞密度和模數分別為 0.7個/km和 894.44萬 m3/km,遠高于庫區平均值。

圖2 不同岸坡結構岸坡變形破壞的數量和體積比例

2.2 典型庫岸老滑坡成因機制研究

根據其他專家學者的研究成果[7-9]和對庫岸老滑坡變形破壞特征的分析,筆者將溪洛渡庫區老滑坡變形破壞的成因機制歸納為滑移—拉裂、滑移—壓致拉裂、滑移—彎曲、彎曲—拉裂和加載—滑移等五大類。庫區內典型庫岸變形破壞的成因機制統計結果見表 2,從表 2中可以看出滑移—拉裂型是典型庫岸變形破壞的主要成因機制,其他類型相對較少。這正與庫岸老滑坡變形破壞的控制因素為地層巖性和岸坡結構等相互印證。因此,溪洛渡庫區的巖性分布、岸坡結構及斷裂構造等因素決定了老滑坡變形破壞的發生。

表 2 溪洛渡庫區典型庫岸老滑坡成因機制統計

3 干海子老滑坡群工程地質特征分析

3.1 干海子老滑坡群工程地質概況

干海子老滑坡群位于云南省境內金沙江右岸,距溪洛渡水電站壩址 13.4～15.9 km,從上游至下游可分為青杠坪老滑坡、四方碑老滑坡、干海子老滑坡和唐家灣老座滑體 4個部分?；聟^出露地層由老至新依次為:奧陶系(O)泥質條帶灰巖(龜裂紋灰巖)、灰巖、石英砂巖、粉砂巖和頁巖,厚 227～232m;志留系(S)泥頁巖夾生物碎屑灰巖,厚 327.9 m;二疊系下統梁山組(P1l)炭質頁巖、鋁土質黏土巖,厚 0.6～2.9 m;二疊系下統陽新灰巖,厚 500m;二疊系上統峨眉山玄武巖(P2β),厚 490～520m。其中,志留系泥頁巖為區域內的易滑地層?；聟^位于軸向 N40°E的石板灘背斜的南東翼和傾伏端附近,地層產狀N 10°～ 40°E/SE∠15°～ 20°,為緩傾逆向岸坡結構。

巖性強度的差異在地貌上表現明顯。玄武巖、陽新灰巖強度高,在地貌上常常形成陡壁;梁山組巖性軟弱,抗風化能力弱,在地貌上多表現為凹槽;志留系泥頁巖則易形成緩坡。巖性與構造組合在滑坡區形成了“上硬下軟”的巖性組合和“上陡下緩”的地貌特征,為干海子老滑坡群的形成提供了地質條件。

3.2 影響庫岸老滑坡復活的控制因素

對于庫岸老滑坡而言,其穩定性狀態不是一成不變的,而是隨著老滑坡體內外地質環境變化而變化的。改變老滑坡穩定性狀態的主要控制因素可分為內因和外因兩大類。

內因主要有地應力、坡體幾何形態和巖土體結構特征 3個方面。①所有的斜坡都處在一定歷史條件下的地應力環境中,尤其是在新構造運動強烈的地區,通常存在較大的水平構造殘余應力,這種殘余應力對坡體的穩定性影響很大。②坡體幾何形態對坡體內的應力分布有很大的影響,凸形地形更有利于應力向坡腳集中。③巖土體內總是存在著各種形式的結構面,造成了巖土體的不均一性和不連續性,沿脆弱結構面周邊經常出現應力集中或應力阻滯。

外因主要有降雨、庫水作用、地震和工程影響 4個方面。①降雨尤其是暴雨對滑坡穩定性的影響很大,不僅會增加滑坡體的重量,而且會影響滑帶土的抗剪強度。②水庫蓄水后,庫水位的變化對老滑坡體內的地下水位影響很大,還會使坡體部分飽水,產生浮托力和滲透力,這對于坡體的穩定都是很不利的。③地震對滑坡穩定的影響在 2008年“5?12”汶川地震中得到了充分體現,但也有穩定性好的老滑坡在地震作用下只是發生局部變形,整體穩定性依然良好。④工程影響主要是指人類工程建設對老滑坡穩定性的影響,例如在坡體中、下部開挖,在坡體后部堆渣加載等。

3.3 干海子老滑坡群穩定性動態評價

從宏觀地質角度評價干海子老滑坡群的穩定性。青杠坪和四方碑滑坡的滑面長且平坦,滑坡體經受了長時間的改造,表面覆蓋了幾十米厚的洪積物,兩側沖溝已深切至滑床基巖,長期以來未見整體變形活動跡象,目前整體穩定性較好。干海子老滑坡體發生了高速滑動后勢能較低,經歷了歷史上滑坡堵江和潰決洪水的考驗,滑面平緩,水平段距離很長,滑體為基巖塊碎石層,兩側沖溝深切,透水性好,地形完整,地表未見變形跡象,目前整體穩定。唐家灣座滑體下滑過程中解體不強烈,仍具有較好的整體性,底滑面平緩,延伸長達 400m,且主體坐落于基巖上,滑帶物質擠壓緊密,地下水作用不明顯,地表未見變形跡象,自身穩定性好。因此,從宏觀上來說,干海子老滑坡群整體穩定性良好。

采用 Sarma法,對水位 375m(天然狀況)、431m(施工期)和 600m(正常蓄水位)3種水文地質條件和水平地震加速度a=0和a=0.18g(Ⅷ度)共 6種組合進行穩定性分析評價(表3)。根據上述計算結果得出結論,干海子老滑坡群整體穩定性較好,在以后的水庫運營中是安全的。

表3 干海子老滑坡群穩定性計算結果

4 結 語

通過對溪洛渡庫區的工程地質特征和庫岸老滑坡的分布狀況進行分析,總結出溪洛渡庫區庫岸老滑坡變形破壞的主要控制因素有地層巖性、岸坡結構和斷裂構造等,它們決定了庫岸老滑坡的成因機制以滑移—拉裂為主。雖然大部分老滑坡目前基本穩定,但老滑坡的穩定性也是隨著滑坡體的內外地質環境控制因素變化而變化的。筆者進一步分析了影響庫岸老滑坡復活的主要因素,包括地應力、坡體幾何形態和巖土體結構特征 3個內因,降雨、庫水作用、地震和工程影響 4個外因。以溪洛渡庫區近壩庫岸的干海子老滑坡群為例,通過宏觀地質評價和數值計算分析了干海子老滑坡群的穩定性,得出了該老滑坡群整體穩定,在以后的水庫運行中是安全的結論。

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P642.22

A

1000-0941(2011)05-0059-04

國家科技支撐計劃項目(2006BAC10B04)

鄧宏艷(1977—),女,吉林東遼縣人,在讀博士,主要從事滑坡災害及其防治技術研究。

2010-09-15

(責任編輯 李楊楊)