三峽庫區某滑坡巖溶角礫巖特征及成因分析

高 健， 陳 浩， 邱志剛， 李冬冬， 王寺響， 高志林

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010; 2.巫山縣三峽水庫生態建設有限責任公司，重慶 巫山 404700； 3.長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010)

2015年6月，三峽庫區某庫岸斜坡發生較大規模滑坡。該滑坡位于三峽庫區核心部位，規模屬中型，滑坡產生涌浪造成了人員傷亡，產生了較大社會影響，同時也受到地質工作者的關注。在對其成因機理、穩定性分析等研究中，存在著對原有斜坡物質組成認識上的差異，特別是有關深厚破碎物質的認識。部分學者認為其由三疊系下統嘉陵江組(T1j)灰巖溶蝕風化而成的殘坡積與崩坡積層組成，因此該滑坡為土質滑坡；部分學者則認為其是由灰巖受構造與溶蝕影響形成的破碎巖體，為溶塌型巖質滑坡。

在該滑坡區域，已存在不同性質不同規模的各類滑坡，如秀峰寺[1]、王家屋場[2]、玉皇閣[3]、翠屏小區[4]、二郎廟[5]、神女小區[6]及鄧家屋場[7]等。張家桂[1]認為秀峰寺、王家屋場、翠屏小區及二郎廟等滑坡主要由灰巖、泥灰巖在溶蝕作用下碎化、泥化而形成；而玉皇閣崩滑變形體則為崩坡積碎塊石土與碎塊石組成，為崩滑型土質滑坡。此外，蘇愛軍等[8]將分布于滑坡區域的三疊系中統巴東組(T2b)與三疊系下統嘉陵江組第四段(T1j4)散體狀、碎裂狀巖體統稱為破碎巖體。

為了查明該滑坡的物質組成，筆者從該破碎巖體(由于尚未明確該物質的成分，暫以破碎巖體定名，以下同)的微觀與宏觀特性上入手，分析其巖性、性狀特征及其成因，對三峽庫區嘉陵江組巖溶角礫巖有了較深入的認識，可為三峽庫區地質災害防治提供參考。

1 基本地質條件

1.1 地形地貌

該滑坡位于長江左岸(北岸)，為Ⅰ級階地與低山過渡地帶，整體上陡下緩，地面高程120～330 m，高差約210 m。滑坡前緣為Ⅰ級階地，位于庫水位以下，地面高程120～135 m，地形坡度一般<15°，相對平緩；中后緣為一北西傾向的斜坡，地形坡度一般33°～52°，高程260 m以上略緩。

1.2 地層巖性

滑坡區主要分布有第四系沖坡積層(Qal+dl)、滑坡堆積層(Qdel)、崩坡堆積層(Qcol+dl)、殘坡堆積層(Qel+dl)及嘉陵江組第四段。第四系覆蓋層巖性主要為碎塊石土、碎石土及黏性土夾碎石，厚度變化大，一般為2～15 m。嘉陵江組第四段基巖為灰巖、白云質灰巖夾泥灰巖，厚約200 m。

1.3 地質構造

滑坡區以褶皺構造為主，位于Ⅱ級構造復式向斜核部與南翼的轉折部位，即長梁子側轉背斜核部偏北西翼，分布巖層為嘉陵江組第四段碳酸鹽巖，地層產狀310°～350°∠30°～70°，傾角變化較大(圖1)。

1.4 水文地質

滑坡區地下水類型主要為松散介質孔隙水與巖溶水，其中松散介質孔隙水主要賦存于滑坡體、崩坡積層、殘坡積層中,巖溶水賦存于三疊系下統嘉陵江組第四段灰巖溶蝕孔隙、裂隙及巖溶通道中。地下水具交替快、水位變化大的特點。地下水主要來自大氣降雨，沿低凹坡面及土體孔隙及巖溶孔洞、溶隙下滲，最終匯入三峽水庫，庫水位為該區最低排泄基準面。

1.5 巖溶

滑坡區分布的地層為嘉陵江組第四段灰巖、白云質灰巖等可溶巖，根據鉆孔揭示，灰巖、白云質灰巖中分布有大量溶蝕洞隙，洞隙鉛直高度一般為0.1～1.2 m，大者達4.9 m，洞隙面多起伏不平，充填以粉質黏土為主，少量為粉質黏土夾碎石與碎石土，局部充填鈣華或方解石脈。鉆孔遇洞率為43.3%，線巖溶率為12.7%，指示該區為強巖溶發育區[9]。

2 破碎巖體宏觀與微觀特征

2.1 宏觀特征

滑坡區主要為灰—黃灰色破碎巖體，局部分布少量粉晶與細晶灰巖，整層厚約120 m(圖2)。

破碎巖體多呈散體結構，均不成層，根據膠結程度分為膠結差與膠結好兩類。膠結差一類呈黃灰色，以泥質膠結為主，鉆孔巖芯多呈碎塊狀、碎碴狀，局部具塑性(圖3-a)。膠結好一類呈灰—黃灰色，以泥鈣質膠結為主，鉆孔巖芯多呈碎塊狀、短柱狀(圖3-b)。破碎巖體整體厚度大，單層一般為2～12 m不等，局部厚達49 m，分布不連續，變化大，局部呈透鏡狀，多夾灰巖夾層。

直到現在我仍無法理解，村里人還有我的父輩們，為什么會在大刀揮向那兩棵古樟時選擇點頭？也許它們當初賣了個好價錢，也許根本就沒有。

圖1 滑坡區褶皺構造剖面圖Fig.1 Profile of fold structure in landslide area

圖2 滑坡物質典型斷面圖Fig.2 Typical section diagram of landslide substances

圖3 破碎巖體鉆孔巖芯照片Fig.3 Rock core photos of broken rock mass

根據孔內電視成像與巖石成分分析，兩類破碎巖體具有不同的特征。膠結差一類為泥晶結構，角礫狀構造，角礫含量約55%～75%，礫徑2～25 cm不等，呈棱角狀；基質主要為泥質，含量約20%～40%，變化大，其余為鐵泥質與石英(圖4)。膠結好一類為礫屑結構，角礫狀構造,角礫成分主要為泥晶灰巖，含量約60%～80%，礫徑2～20 cm不等，呈棱角狀；基質主要為亮晶方解石，含量約10%～30%，其余為鐵泥質與溶蝕孔洞(圖5)。

圖4 膠結差破碎巖體孔內電視成像照片Fig.4 TV imaging photos in the drilling of broken rock mass with poor cementation

圖5 膠結好破碎巖體孔內電視成像照片Fig.5 TV imaging photos in the drilling of broken rock mass with well cementation

2.2 微觀特征

為研究其微觀特征，對滑坡區破碎巖體進行了巖石礦物鏡鑒，部分成果照片見圖6。通過鏡鑒成果分析，破碎巖體具微晶結構，溶蝕角礫狀構造，溶蝕多孔狀，可見碎屑角礫。

碎屑角礫由灰巖或白云質灰巖角礫與粗晶屑組成。灰巖或白云質灰巖角礫含量約20%,角礫大小2～5 mm，呈次棱角狀—棱角狀，少量次圓狀，角礫由粒徑0.005～0.02 mm之間的微晶白云石組成。白云石具高級白干涉色，晶粒間緊密鑲嵌接觸，零散均勻分布。此外，角礫邊緣多見淺褐色鐵泥質分布。粗晶屑含量約4%，大小2～6 mm，呈半自形粗粒狀，具高級白干涉色，解理發育，多聚集呈礫屑零散分布，微裂隙中可見方解石細脈分布。

圖6 破碎巖體巖礦鑒定照片Fig.6 Mineral identification photo of broken rock mass

基質具微晶結構、礫屑結構和溶蝕角礫狀構造，主要由微粉晶方解石、微晶白云石、熱液石英、鐵泥質組成。微粉晶方解石含量約40%，粒徑大小0.01～0.05 mm，呈他形微細粒狀，具高級白干涉色，遇茜素紅試劑染紅色，零散分布在白云石晶粒間隙中，或呈集合體細脈狀分布在白云石集合體微裂隙中，或沿白云石粗晶屑裂隙分布，可呈團粒狀充填分布在溶蝕空洞中。微晶白云石含量約30%，粒徑大小0.005～0.03 mm，呈不規則微細粒狀，具高級白干涉色，零散分布在角礫屑間隙中，白云石集合體中常見溶蝕空洞。熱液石英含量約1%，粒徑大小0.02～0.10 mm，呈半自形或他形細粒狀，具一級灰白干涉色，具溶蝕港灣狀邊緣，零星分布在白云石集合體空隙中。鐵泥質含量約5%，粒徑大小0.001～0.02 mm，呈不規則微細粒狀或粉塵狀，淺褐色，或呈不規則紋帶狀分布，或圍繞礫屑邊緣分布。

2.3 綜合判定

巖溶角礫巖是在成因上與碳酸鹽巖密切相關的一種角礫巖，是碳酸鹽巖在地表或近地表次生作用的產物。當碳酸鹽巖出露于地表或近地表時，受地表水或地下水溶解淋失，其頂底板因失去支撐而塌陷、崩解、碎裂，往往經再度膠結形成巖溶角礫巖。通過以上對滑坡區破碎巖體的分析，認為該破碎巖體整體厚度大、規律性差、存在泥鈣質膠結，宏觀和微觀特征與烏江某電站嘉陵江組第四段巖溶角礫巖[10]、鄂西清江下游古巖溶角礫巖[11]相近，應為巖溶角礫巖，而非崩坡積或殘坡積土體，因此該滑坡為巖質滑坡。

3 巖溶角礫巖性狀特征

3.1 化學成分

根據滑坡區巖溶角礫巖化學成分分析結果(表1)來看,巖溶角礫巖成分以CaO為主，含量34.32%～43.22%，次為MgO(含量10.97%～18.32%)和SiO2(含量12.75%～17.75%)。

3.2 礦物成分

根據滑坡區巖溶角礫巖礦物成分分析結果(表2)來看,巖溶角礫巖中角礫以泥晶灰巖內碎屑或方解石為主，含量50%～75%；次為白云巖角礫，含量約20%；基質(膠結物)以微粉晶方解石或白云石為主，含量30%～40%；部分以泥質為主，含量約18%；部分存在溶蝕孔洞，一般占3%。

表1 某滑坡巖溶角礫巖化學成分分析成果表(%)Table 1 Results of chemical composition of a karst breccia in a landslide

表2 某滑坡巖溶角礫巖礦物成分分析成果表(%)Table 2 Results of mineral composition of karst breccia in a landslide

3.3 膠結程度

3.4 巖體完整性

該滑坡區巖溶角礫巖多呈散體結構或碎裂鑲嵌結構，巖體完整性差，一般為破碎—較破碎。膠結差一類巖溶角礫巖的波速值一般為1 400～2 000 m/s；電阻率低，多為50～160 Ω·m；一般完整性系數Kv<0.15，巖體完整性等級為破碎[12]。根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)[13]，巖體類型為Ⅳ類。膠結好一類巖溶角礫巖的波速值一般為1 900～3 200 m/s；電阻率低，多為160～220 Ω·m；一般完整性系數Kv=0.10～0.30，巖體完整性等級為破碎—較破碎。根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330—2013)[13]，巖體類型為Ⅳ-Ⅲ類。

3.5 物理力學性質

根據現場原位大容重試驗、剪切試驗、動探試驗及注水試驗結果，巖溶角礫巖的物理力學性質差異大。

膠結差一類巖溶角礫巖的天然含水率為5.85%～6.23%，天然重度為23.9～24.1 kN/m3，孔隙率為15.20%～15.74%，天然單軸抗壓強度為2～3 MPa，飽和抗壓強度為1～2 MPa，軟化系數為0.57～0.58，天然抗壓強度標準值為2 MPa，飽和抗壓強度標準值為1 MPa，飽和內摩擦角φ=27°，內聚力c=57 kPa，巖體破碎，為極軟巖。

膠結好一類巖溶角礫巖的天然含水率為4.34%～4.75%，天然重度為24.4～24.6 kN/m3，孔隙率為12.09%～12.81%，天然單軸抗壓強度為8～10 MPa，飽和抗壓強度為5～7 MPa，軟化系數為0.64～0.65，天然抗壓強度標準值為9 MPa，飽和抗壓強度標準值為6 MPa，飽和內摩擦角φ=33°，內聚力c=110 kPa，巖體破碎—較破碎，為軟巖。

巖溶角礫巖滲透系數一般為1.15×10-4～3.70×10-2cm/s，具中等透水性。

3.6 影響因素

一般來說，多期次的強烈構造運動是巖溶角礫巖形成的決定因素。破碎巖體形成后，卸荷松動、風化作用與溶蝕作用加大了破碎巖體的破碎程度，同時使破碎巖體的工程地質性質更差[8]。巖溶發育程度決定了巖體溶蝕與膠結程度，并決定了塌陷的規模，而巖性決定了原巖體的CaO含量，從而對原巖體的可溶性產生影響。

本滑坡區處于川鄂湘黔隆起褶皺帶之西北部，西臨川東褶皺帶東緣，具有兩大構造體系交接帶的復合特征，構造復雜，受多期構造影響，原巖體受擠壓、褶曲，結構受到不同程度的破壞，完整性較差且差異大。嘉陵江組第四段灰巖、白云質灰巖CaO含量38.19%～53.32%，MgO含量0.98%～3.91%，CaO與MgO含量之比為9.8～54.4，CaO與MgO含量相差較大，CaO含量高，巖石易溶，可溶性較強；但局部夾泥灰巖或泥質灰巖，泥質含量高，方解石含量相對較低，其可溶性較差。因此，本滑坡區巖溶角礫巖呈現完整性、膠結物質、礦物成分、工程性質差異大的特點。

4 巖溶角礫巖成因分析

巖溶角礫巖主要由可溶巖在構造破碎、巖蝕塌陷、淋濾或滲流膠結等作用下形成。

燕山運動期間，以SN向水平擠壓為主的區域構造應力使三峽庫區沉積蓋層沿基底發生滑移，導致沉積蓋層大面積褶皺和破裂。嘉陵江組第四段薄—中層狀白云質灰巖、灰巖、泥灰巖強度差異大，且夾持于上部巴東組第二段軟巖與下部嘉陵江組第三段—二疊系硬巖(能干層)之間，構成了由嘉陵江組第四段和巴東組第一段組成的區域上的主滑脫層位，使巖體變得非常破碎。挽近期以來，包括三峽庫區在內的川東鄂西廣大地區主要表現為區域性間歇式整體隆升，斷裂、裂隙普遍表現為張性特征，斜坡卸荷裂隙極為發育。

當長江與支流河道在滑坡區交匯，進入峽谷侵蝕時，地層逐漸暴露地表并產生卸荷松動，節理裂隙逐漸張開，巖體風化作用加劇，地下水循環加快，且伴隨巖溶作用。隨著地殼階段性抬升，長江不斷下切，風化及碳酸鹽巖的溶蝕更加強烈，巖體更加破碎。

滑坡區嘉陵江組第四段可溶巖受多期構造、風化及溶蝕作用影響，巖體破碎、滲透性強。滑坡區為低山斜坡，距地面高程120～330 m，與蓄水前長江水位高差大，地下水水位較低、滲流快，因此巖溶發育，溶蝕強烈，形成溶蝕孔洞，帶走部分可溶物。當孔洞發育到一定規模后，頂部失去支撐，產生塌陷，破碎角礫與地表土體松散堆積于溶蝕孔洞內。地下水淋濾下滲，將地表泥質、泥灰巖中的泥質及可溶巖鈣質帶入溶蝕孔洞內，對溶塌角礫產生反復膠結，從而形成了具滑坡區特征的巖溶角礫巖。因此，滑坡區的巖溶角礫巖除受構造作用外，主要受巖溶塌陷與淋濾膠結綜合作用形成。

5 結論

(1) 該滑坡破碎巖體為巖溶角礫巖，化學成分以CaO為主，次為MgO或SiO2；角礫以泥晶灰巖內碎屑或方解石為主，基質(膠結物)以微粉晶方解石或白云石為主，部分以泥質為主。

(2) 巖體整體膠結程度較差，部分呈未膠結狀。

(3) 巖體完整性差，一般為破碎—較破碎，邊坡巖體類型為Ⅳ-Ⅲ類。

(4) 巖體多為軟巖—較軟巖，一般具中等透水性。巖溶角礫巖的不均一特征與多期構造作用、巖溶作用及巖性有關，除受多期構造作用影響外，主要受溶塌與淋濾共同作用的影響。