三峽庫區望霞危巖體孕災地質環境條件分析

樂琪浪,王洪德,高幼龍,薛星橋,王高峰,孫向東

中國地質調查局水文地質環境地質調查中心,河北保定 071051

由多組相互切割的結構面形成的危巖體是一種特殊的災害地質體,其地質過程具有復雜性和隱蔽性,時常造成嚴重的破壞,孕災地質環境條件是形成災害的基礎,是其內在因素,對危巖體的變形破壞具有控制性的作用,對認清災害體變形規律及破壞機制至關重要,眾多學者,如劉傳正等(1995)、金海元等(2008)、許強(2012)對此進行卓有成效的研究。在國外,Fiorillo等(2001)通過研究意大利南部Cervinara滑坡群災害,指出降雨、地形地貌與公路開挖是該滑坡群災害多發的主要誘發因素,而其地質基礎特征是滑坡發生的主控因素。同時,Mauritsch等(2000)、Crosta等(2001)分別從不同角度研究滑坡地質災害的發生發展,并提出地質條件的控制性作用。針對三峽庫區典型崩滑災害,何滿潮等(1998)以剖析巫山古滑坡系統地質結構及構造形變場為例,提出滑坡構造形變場在古滑坡的不同部位具有不同的特征,且與區域構造形變場有明顯的差異,同時張加桂等(2005,2008)、吳樹仁等(2006)提出巖溶作用對地質災害形成具有重要影響。對典型危害性大的崩滑體,如三峽庫區吉安滑坡,李守定等(2005)則提出順向單斜構造孔隙裂隙潛水-承壓水類型的水文地質結構是決定性因素,節理裂隙發育的軟硬相間的順層地質結構是控制的因素;三峽庫區蓄水后發生的千將坪滑坡,廖秋林等(2005)在對地質背景及地質特征進行研究,提出坡體三面臨空、順向坡地質結構、巖性軟硬相間等為內因。而對巴東新城區所在的扇形大斜坡提出是軟弱地層向長江發生重力蠕滑作用的結果,劉傳正等(2006)通過對其地質構造的剖析認為斜坡是持坡是持續經受長江快速侵蝕下切外動力作用及淺表生地質改造作用過程而形成的。同時針對巴東黃土坡滑坡臨江 I號崩滑體,簡文星等(2013)認為其是在重力和構造應力作用下順多層軟弱夾層、上層與基巖而發生蠕滑變形而形成。地質基礎條件對危巖體的變形亦具有控制性作用,樂琪浪等(2011)針對三峽庫區望霞危巖體,提出典型的硬—軟—硬巖性組合形式為危巖的層間滑移崩塌提供了地質結構組合條件。

大型災難性滑坡皆涉及到不同的地質環境條件和坡體地質結構,具有不同誘發機制和觸發因素,黃潤秋(2007)提出滑坡發育最根本的原因是具有有利的地形地貌條件和地質環境條件。針對虎跳峽龍蟠右岸斜坡,譚儒蛟等(2005)在分析其特殊的斜坡地質結構和特殊的地質孕育環境提出了斜坡巖體變形的地質力學機制,提出斷裂活動的構造擠壓作用造成了近岸巖體的深層破碎;另外,殷躍平等(2010)分析認為貴州關嶺高速遠程滑坡的地質結構具有上硬下軟的山體地質結構和上部富水下部隔水的水文地質結構,極易形成滑坡地質災害。劉傳正(2010)分析雞尾山崩塌災害時認為地質結構特征是山體開裂滑移的物質結構基礎,并提出雞尾山崩塌災害是鐵礦采空和視滑力共同主導作用下的一個鏈式反應過程。殷躍平等(2013)分析云南鎮雄趙家溝特大滑坡認為滑坡處于煤系地層區,具有上硬下軟的工程地質結構和上部富水下部隔水的水文地質結構,極易形成滑坡地質災害。通過對貴州省都勻市馬達嶺滑坡的研究,王玉川(2013)認為脆弱的地質結構和坡體下伏采空區的破壞是滑坡形成的主要原因,其破壞模式為“塌落—拉裂—剪切滑移”。而針對大型的工程,復雜的地質環境背景是影響其穩定性的重要因素,劉佑榮等(2001)運用地質結構面網絡模擬技術進行了巖體結構模擬,并提出斷裂破碎巖體、風化巖體、崩滑災害對重要工程的穩定性具有重要影響。在大型水利水電工程通過分析河流岸地質結構,王延貴(2013)研究了岸灘挫落崩塌的力學機制和崩塌過程,指出在河床沖刷下切過程中,岸灘頂部出現的縱向裂隙會促使岸灘挫落崩塌的發生。以對邊坡地質結構特征的研究,采用二維有限元方法研究了崩塌后上部凹腔巖體的變形破壞模式。同樣,王立忠等(2004)提出在災害地質體的監測布置上亦以對滑坡、崩塌等災害地質結構、變形破裂等特征為基礎。針對群體滑坡的地質結構類型與發育特征,易順華等(2008)提出群體滑坡首先必須厘定其組合型式,最終才能揭曉新生滑坡的產生規律,為災害地質風險評估和防治提供大尺度的分析依據。在活動構造與地質災害關系研究上,郭進京等(2009)提出應把區域斷裂格架、斷裂帶結構和斷裂活動性作為地質災害形成與發展的關鍵因素。

綜上分析認為,滑坡、崩塌(危巖體)等地質災害受控于地質環境條件,對地質災害的認識上多數集中在地質災害體,而對孕災的本底基礎多數是趨向性分析,將地質要素捆綁式嵌入,綜合程度較高。本文認為,地質災害的內在主控因素是地質環境條件,是分析研究災害體的基礎和關鍵,應將“地質災害體”研究思路轉變至“災害地質體”,突出地質基礎決定性作用,細化分析各基本地質要素與災害形成的關系。以三峽庫區望霞危巖體為研究對象,結合其兩次變形破壞過程分析孕災地質環境條件,為危巖體的防治與監測預警提供基礎依據。

望霞危巖體位于三峽庫區巫山縣兩坪鄉同心村長江左岸斜坡上,發育于坡頂陡崖部位,平面上呈現弧形外凸,至源珍煤礦井口到廟雞子處呈現東西向排布,至長深包處發生向北西向轉變,直至牛鼻子包處。危巖區陡壁頂高程平均1220～1230 m,坡腳陡巖底部高程1115 m左右,相對高差約70～75 m,已發生變形破壞危巖體長度約 120 m,厚約30～35 m,體積約 40萬方,危巖帶長度約 1.2 km,危巖帶總方量達到 213.7萬方,距離長江江面直線距離約1740 m,高度約1045 m,直接威脅三峽庫區,長江航道巫山段的安全運行及危巖體崖底400余人的生命財產安全。2010年8月21日危巖體發生破壞變形,導致山體垮塌,2011年危巖體再次發生大面積破壞變形,再度導致崖下居民撤離及長江航道封航。望霞危巖體變形經歷了2010年與2011年兩次大面積變形破壞(圖1B,C,D)。

1 地質構造作用

1.1 區域地質構造作用

研究區處于上揚子臺褶帶與四川臺坳的過渡地帶,區內地質構造作用強烈,所形成的地質現象復雜,顯示強烈的擠壓變形特征,構造線總體為北東向,局部巖層倒轉,主要次級構造有齊耀山背斜、巫山向斜等,這其中也包括孕育望霞危巖體的橫石溪背斜(圖1A)。在區域地質構造控制條件下,孕育望霞危巖體的橫石溪背斜受到多期地質構造作用,受到多方向構造應力不同作用和疊加,姚東生等(1990)分析該區地質構造序列特征,主要受到 5個期次的構造運動,包括印支期隆坳作用、燕山主期褶皺斷裂作用、燕山晚期伸展拉張作用、喜馬拉雅主期擠壓作用及新構造運動期繼承發展變形作用,認為橫石溪背斜形成期至印支期隆升開始,燕山主期強烈褶皺,后期則以繼承和改造為主。從工程地質分區角度,望霞危巖區段處于Ⅱ級(較堅硬灰巖與煤系地層互層巖組)和Ⅲ級(軟弱碎屑巖巖組)分區,工程地質性質較差,容易造成崩塌、滑坡等地質災害(圖1A)。

1.2 橫石溪背斜構造縱彎褶皺作用

三峽庫區望霞危巖帶處于橫石溪背斜頂部的核部區域,其為一復式背斜,南西端起于李子坳南東約2 km,延伸至亮東槽西約5 km軸向N60°E,該點到橋頭北西,軸向彎轉為近SN,北東端插入秭歸向斜西翼,延伸長度達150 km,東段寬約8 km,西段寬約5 km。軸向N57°E,受到多期構造作用軸線呈“S”型彎轉,包含疊加形成的近SN向的孔家灣背斜。在兩坪鄉望霞剖面處,背斜核部地層從危巖體發育位置到長江江面分別出露二疊系上統吳家坪組至最老的志留系下統紗帽組與羅惹坪組地層(圖2),兩翼則主要為三疊系下統嘉陵江組。核部區域平緩開闊,巖層產狀5°～17°,傾向NNW,兩翼傾角急劇變陡,北西翼傾角 29°～70°,南東翼傾角 22°～68°,研究區褶皺樞紐呈波狀起伏狀,向 SWW 傾伏,傾伏角 7°～13°,形成開闊箱形褶皺,共軛軸面,其中靠北西側軸面產狀為 155°∠81°,靠南東側軸面產狀為332°∠76°(圖2)。望霞危巖帶處于背斜核部的二疊系上統吳家坪組地層中,頂部巖層受到強烈的縱彎褶皺作用,在背斜頂部(中和面以上)脆性巖層受到強烈的拉裂作用,并經過后期的構造和風化作用,頂部形成深大“V”字形裂縫,與軸面近于平行。橫石溪背斜形成時期,因巖層底部存在軟弱的煤系地層塑性巖層,發生強烈的彎流作用,而上部燧石條帶灰巖則產生彎滑作用,構成典型的層間滑動構造,底部軟弱地層在塑性流動的過程中,形成強烈的揉皺擠壓現象,形成穿刺構造及藕狀變形地層,對其間的砂巖、粉砂巖等相對較硬巖層則形成同心狀剪切節理,從核部區域向兩翼依次形成斷滑型和揉皺型層滑構造,軟層流動過程產生拉張應力,對上部較硬巖層再一次拉裂形成臺階式構造,形成斷裂型層滑構造,這為深大“V”字形裂縫的擴張延伸發揮了極為重要的作用。而2010年和2011年兩次變形的巖體正處于背斜靠北西側樞紐(軸面)位置,“V”字形裂縫發育和切割強烈區域(圖2),危巖體中各條關鍵裂縫(即控制危巖體變形和區劃變形巖塊的裂縫)皆是在“V”字形裂縫的基礎上發育形成的,對危巖體的變形起著至關重要的作用。

圖1 三峽庫區望霞危巖體孕災區域地質環境背景及變形樣貌圖Fig.1 Disaster-pregnant regional geological environment background and deformation appearance of the Wangxia unstable rock mass in the Three Gorges Reservoir

圖2 三峽庫區橫石溪背斜構造解析圖(剖面AA’見圖1A)Fig.2 Structural analysis of Hengshixi anticline in the Three Gorges Reservoir(see section AA’ in Fig.1A)

圖3 望霞危巖體關鍵裂縫及變形塊體分布圖Fig.3 Distribution of critical cracks and deformation blocks in the Wangxia unstable rock mass

2 危巖體地質結構特征

根據望霞危巖體2010年及2011年變形特征及變形過程,根據 5條關鍵裂縫切割情況將危巖體分為5個變形區塊(圖3):①號區塊,即“七萬方”巖塊或“W2-2塊體”其變形受控于東側的 T12縫與西側T16縫;②號區塊為T13～T11縫區,即“T13”縫區或“W2-1塊體”,受控于東側的T11縫及西側的 T13縫;③號區塊為孤立巖柱或“W1塊體”受控于東側的 T13縫;④號區塊為危巖后緣變形區,受控于后緣邊界T10縫;⑤號區塊為危巖前緣變形區,即“前緣堆積區”。

2.1 地質結構面發育特征

危巖體的變形破壞是各類地質結構面相互作用的綜合結果,但每一類結構面發揮的作用和扮演的角色不同,對危巖體的變形控制效用亦不同(表 1),結合望霞危巖體兩次變形破壞過程分析認為:原生結構面在望霞危巖體變形過程主要控制前緣變形區新生裂縫的擴張方位,強度及連續性,控制前緣土石滾落強度、位置及規模。對危巖體各條關鍵裂縫及關鍵塊體提供基礎背景值,控制其規模、范圍及變形強度。對危巖體變形關鍵部位特別是前緣軟弱層變形位置、牽引區段及強烈程度起到控制性作用。

構造結構面在望霞危巖體變形過程主要控制關鍵裂縫的延伸方向、距離及擴張樣式,特別是形成階梯狀裂縫樣貌,控制關鍵塊體的變形方向,裂解范圍及規模,掉塊、崩裂位置及方量,控制前緣變形區滑移特別是軟層擠出變形的方向及距離,控制危巖體底部關鍵部位即壓張裂縫的形成位置、張開度及位移方向。

次生結構面在望霞危巖體變形過程主要控制后緣變形區,對各條關鍵裂縫,特別是延伸遠、切割深的裂縫,控制其繼承性變形,控制關鍵塊體擴張,約束其變形行為,對巖體裂解破壞至關重要,同時對危巖體變形的關鍵部位主要是集中在后緣的深大裂縫(貫通至煤系地層)和塌陷裂縫,致使裂縫貫通性和導水性增強,對危巖體發生變形破壞提供基礎性條件。

2.2 巖性組合方式及危巖體工程地質條件分析

望霞危巖體上部 P2w2地層為相對硬類巖層(圖4D),下部 P2w1與 P2g為軟巖基座(圖4B),底部為P2m為相對硬類巖層,地層巖性上構成了典型的硬—軟—硬巖性組合(表2、圖4C),為危巖體的崩落、滑動、開裂、下沉、塌陷等變形提供了地質結構組合條件。

危巖體整體上由兩組節理與層面切割成塊狀(圖5C),第一組:235°～255°∠75°～85°,密度為 5～8條/m,張開度1～4 cm,基本無充填,部分地段的裂隙中充填有粘土夾碎塊石,危巖區后緣裂縫的延伸方向與該組結構面產狀基本一致,T12、T10號縫為主要裂縫,T12總體走向為358°,T10總體走向為 352°,局部地段有轉折現象,其走向與該節理走向近于平行;第二組:150°～175°∠75°～85°,密度為6～9條/m,張開度1～5 cm,在危巖體中該組結構面相互貫通,形成一危巖體主控結構面176°∠ 78°,由方解石脈充填,與危巖體兩次變形破壞的崩裂面(178°∠81°)近于平行(圖5B),也與危巖體變形區域坡向(174°∠85°)近于平行,顯示危巖體的變形與該組結構面關系密切,說明在本次破壞之前已形成了較大的貫通性裂隙面,經過長時間的沉積作用由方解石脈充填,危巖體潛在破壞控制性結構面已經形成(圖5A);變形區巖層產狀為335°∠6°,三組結構面呈直立狀切割(圖5C),危巖體滑移方向與巖層傾向不一致,巖體是沿著巖層共軛節理面及“V”字形拉張裂縫發生破裂(圖5D)。2010年與2011年兩次崩滑變形,滾石路徑發生兩次轉向,在中上部以鏟刮作用為主,沿著原有溝道流通,沖擊下側向家灣滑坡和猴子包滑坡,部分崩滑體堆積于該區段,但未造成兩個滑坡的復活,大多數崩塌堆積物在中段轉向緩坡區已減速裂解并堆積(圖4A)。

表1 望霞危巖帶內地質結構面發育特征Table 1 Development characteristics of the geological structural planes in the Wangxia unstable rock band

表2 望霞危巖帶地層巖性特征及組合方式Table 2 Formation lithology and combination mode of the Wangxia unstable rock band

圖4 望霞危巖體巖性組合方式及工程地質剖面圖Fig.4 Lithologic combination and engineering geology profile of the Wangxia unstable rock mass

圖5 望霞危巖體赤平投影分析圖Fig.5 Stereographic projection analysis diagram of the Wangxia unstable rock ma ss

危巖體底部有長時期的采煤活動,崖腳從煤層露頭線平硐進尺 70～800 m,局部地段達到1200 m,采空區面積約0.24 km2,位于危巖體正下方,據調查走訪該區有 3處窯口(圖 3),高約 2 m,變形危巖區東側邊界一處,其余兩處處于變形區西側,開采同一煤層,現已廢棄,開采時間 1999年 7月以前,而現今開采主要位于危巖帶西側的東河灣煤礦和東側的源珍煤礦。危巖體底部大面積采空區使得巖層支撐力削弱,導致崖頂發生地表塌陷,形成多處塌陷坑和寬大裂縫,引起崖頂地表大范圍不均勻沉陷,塌陷坑和裂縫不斷延伸擴張,與上部風化凹槽貫通,在危巖體后緣形成深大控制性裂縫,其變形對望霞危巖體整體滑塌起著關鍵性作用。同時,降雨對危巖體的變形破壞亦是重要的影響因素,兩次變形前期皆有長時間的降雨過程:①2010年 8月至2010年10月21日(月降雨160 mm),致使后緣T10縫發生較大變形,在危巖體中部的T16縫在降雨過程中持續擴張,導致巖體裂解,T12縫則出現大量的土石溜滑現象,最終致使七萬方塊體形成并向 SE右旋滑移。②2011年 10月累計降雨量達280.5 mm,其中在10月10—15日有近60 mm的降雨過程,致使W1塊體前緣出現多條次級橫張裂縫,W2-1塊體出現大量的掉塊和巖體崩落現象,W2-2塊體表現為持續地裂解與滑動,T13縫及后緣 T10縫劇烈變形致使西側孤立巖柱發生整體性垮塌。

3 結論

(1)孕育望霞危巖體的橫石溪背斜主要受到5個期次的構造運動,各期次相互疊加,認為背斜雛形形成于印支期的隆升階段,伴隨同沉積作用,至燕山主期強烈的擠壓作用形成褶皺的主體樣貌,后期的構造運動則以繼承性改造為主,伴隨強烈的風化作用,形成開闊箱形褶皺構造,危巖體的形成及孕育主要集中在背斜核部區域,樞紐位置尤為發育。

(2)望霞危巖體中的 5條關鍵裂縫與頂部發育的深大“V”字形裂縫關系密切,是控制危巖體變形的關鍵性因素,其主要是在縱彎褶皺作用下背斜頂部脆性巖層受到強烈的拉裂影響,形成與軸面近于平行“V”字形拉張裂縫,加上層間滑動作用,即在危巖體底部的軟弱巖層發生強烈的彎流作用,致使上部硬類巖層則產生彎滑作用,軟層流動過程產生拉張應力,對已形成的拉裂縫再次疊加拉張作用,形成臺階式斷裂型層滑構造,為危巖頂部“V”字形裂縫的形成、擴張、貫通、延伸發揮了極為重要的作用。

(3)地質結構面對望霞危巖體的變形具有控制性作用,每一類結構面發揮作用不同,原生結構面對望霞危巖體各條關鍵裂縫及關鍵塊體提供基礎背景值,控制其規模、范圍及變形強度。對危巖體變形關鍵部位特別是前緣軟弱層變形位置、牽引區段及強烈程度起到控制性作用。構造結構面在望霞危巖體變形過程主要控制關鍵裂縫的延伸方向、距離及擴張樣式,控制關鍵塊體的變形方向,裂解范圍及規模,掉塊、崩裂位置及方量,控制危巖體底部關鍵部位即壓張裂縫的形成位置、張開度及位移方向。次生結構面在望霞危巖體變形過程主要控制后緣變形區,對各條關鍵裂縫控制其繼承性變形,控制關鍵塊體擴張,約束其變形行為,對巖體裂解破壞至關重要。

(4)望霞危巖體在地層巖性上構成了典型的硬—軟—硬巖性組合,為危巖體的崩落、滑動、開裂、下沉、塌陷等變形提供了地質結構組合條件。危巖體破壞面與節理發育程度、貫通性、張合度等關系密切,其底部大面積的采空區致使巖層塌陷變形、裂縫貫通與擴張,形成串珠狀的塌陷坑,延伸至上部風化凹槽,致使其導水性增強,巖體完整性、穩定性減小,控制著危巖體整體滑塌變形。

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