湖北省三峽庫區砂泥巖互層巖體劣化特征與劣化機理分析

收稿日期：2023-11-02

作者簡介：何鈺銘（1984—），男，湖北應城人，高級工程師。研究方向：水文地質、工程地質、環境地質勘查與設計。

摘要：受水位周期性變動影響，三峽庫區地質環境產生復雜變化，尤其是對碎屑巖岸坡砂泥巖互層巖體劣化的影響顯著。本文通過對湖北省三峽庫區碎屑巖岸坡砂泥巖互層巖體進行現場調查，結合現場測試與室內試驗成果，對比分析碎屑巖砂泥巖互層巖體兩種結構單元的劣化差異，結合岸坡互層巖體的劣化現狀，分析砂泥巖互層結構的岸坡巖體劣化變形過程，揭示砂泥巖互層巖體的劣化機理及其對岸坡致災發展的影響，為后期合理進行岸坡巖體劣化評價及防治提供理論支撐。

關鍵詞：三峽庫區；碎屑巖庫岸；砂泥巖互層；巖體劣化；劣化機理

中圖分類號：TV223；P542.2 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）01-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.010

Analysis of the deterioration characteristics and mechanism of sandstone-mudstone interbedded rock mass in the Three Gorges Reservoir Area of Hubei Province

HE Yuming1，2， PENG Zhenghua1，2， SHI Changbai1，2， XIE Di1，2， ZHAO Zhenyang1，2， HUANG Ning1，2

（1. Hydrogeology Engineering Geology Brigade of Hubei Geological Bureau; 2. Hubei Provincial Key Laboratory of Resources and Ecological Environment Geology， Hubei Geological Bureau， Jingzhou 434000， China）

Abstract： Due to the periodic changes in water level， the geological environment in the Three Gorges Reservoir area undergoes complex changes， especially with a significant impact on the deterioration of the interbedded sandstone-mudstone rock mass on the clastic rock bank slopes. Through on-site investigation of the sandstone-mudstone interbedded rock mass on the bank slope of the Three Gorges Reservoir Area in Hubei Province， combined with on-site testing and indoor test results， this paper compares and analyzes the deterioration differences of the two structural units of the sandstone-mudstone interbedded rock mass in the clastic rock， and based on the degradation status of the interbedded rock mass on the bank slope， analyzes the degradation deformation process of the interbedded structure of sandstone-mudstone on the bank slope rock mass， and reveals the degradation mechanism of the interbedded rock mass of sandstone-mudstone and its impact on the development of bank slope disasters， thus providing theoretical support for the rational evaluation and prevention of bank slope rock mass degradation in the later stage.

Keywords： Three Gorges Reservoir Area; clastic reservoir bank; sandstone-mudstone interbeds; rock mass deterioration; deterioration mechanism

在水位的周期性變動影響下，三峽庫區地質環境產生復雜變化，尤其是對碎屑巖岸坡砂泥巖互層巖體劣化的影響顯著，消落區劣化導致斜坡穩定性降低甚至失穩的問題逐步顯現。近些年，湖北省三峽庫區碎屑巖岸坡因砂泥巖互層巖體劣化引起的巖質滑坡有杉樹槽滑坡、卡門子灣滑坡等，對庫區人民生命財產安全和經濟發展構成極大威脅。在碎屑巖岸坡劣化地質調查[1-2]成果的基礎上，重點對碎屑巖岸坡中較不利的巖性組合——泥巖和砂巖互層結構的劣化特征及劣化變形過程進行分析，揭示岸坡巖體劣化引起斜坡變形的致災機理，為庫區碎屑巖互層巖體劣化研究及其劣化引發的滑坡防治提供參考。

1 碎屑巖岸坡互層巖體劣化現象

通過庫區岸坡巖體劣化的地質調查，碎屑巖分布廣泛且具有較強的代表性，碎屑巖岸坡的砂巖和泥巖互層結構在庫水長期作用下形成以裂隙切割、散裂、碎裂、塊裂以及沖蝕掏蝕為主的劣化現象[3-5]。

1.1 裂隙切割型

夏季，三峽庫區低水位運行期間，受高溫影響，碎屑巖互層岸坡表層裸露巖體風化作用強烈，在庫水位的調洪變動影響下，互層巖體表面發生明顯劣化現象。其中，砂巖層沿巖體原生結構面或者節理面的裂縫顯化，并逐漸擴展貫通，最終將巖體切割成碎塊狀，形成岸坡巖體碎裂、塊裂的宏觀表現，如圖1所示。

1.2 崩解散裂型

在庫水長期作用下，強度較低的泥巖發生黏土礦物軟化，水位降落后，在高溫作用下，巖體內水分流失導致礦物黏結減弱，在輕微擾動下即可崩解。巖體表部裂紋密布，完整性極差，手捏即碎，如圖2所示。

1.3 掏蝕沖蝕型

三峽庫區庫水位周期性調度，尤其在汛期低水位運行期，庫水位變動尤為頻繁。在庫水反復掏蝕沖刷作用下，較軟的岸坡巖體受到庫水軟化作用后發生遷移，較硬的巖體依然留在原來的位置，形成互層結構巖體中常見的凹凸組合地形，如圖3所示。

2 互層巖體結構單元室內劣化特性

碎屑巖互層巖體結構單元中，砂巖和泥巖占較大比例，在典型岸坡上鉆孔取芯，獲取完整性較好的弱風化、中風化巖石樣本，開展互層巖體結構單元的室內劣化特性對比試驗。

2.1 巖石的分類測試

石英砂巖的鏡下特征顯示，石英為他形粒狀，磨圓度較好，次圓狀為主，無色透明，具波狀消光，粒徑為0.05～0.65 mm。填隙物主要為鐵質，膠結類型以孔隙式為主，接觸式為輔。整體上，石英含量約占90%，巖屑含量小于5%，填隙物含量約為5%。粉砂質泥巖的鏡下特征顯示，砂級碎屑成分有石英和白云母，少量為長石、巖屑，磨圓度一般。石英為他形粒狀，無色透明，具波狀消光。粉砂級碎屑與砂級碎屑成分相當，呈次棱角狀，粒徑為0.01～0.06 mm。

2.2 巖石的細觀結構測試

通過掃描電鏡（SEM）測試，含砂質泥巖內含大量的黏土礦物，表面可見諸多明顯的微裂隙，石英顆粒較為粗糙破碎，呈現散亂的狀態，膠結程度差。石英砂巖可見比較完整石英顆粒，顆粒間被黏土礦物充填，膠結程度較好。

2.3 巖石的干濕循環試驗

在干濕循環試驗中，粉砂質泥巖試樣浸泡2 h，表面有氣泡產生，隨著時間增加，氣泡產生量不斷減少；浸泡2 d，試樣周圍有霧化現象出現，試樣表面有明顯裂紋產生，試樣整體較為破碎；第1次烘干后，試樣整體崩解嚴重，破碎分裂成碎塊狀，隨著干濕循環次數的不斷增加，顆粒粒徑不斷減小，第4次烘干結束后，巖石已經變成粉末狀。試樣中石英含量略微減少，鈉長石含量大幅度提升。試樣在水溶液中浸泡時，石英的溶解度很低，黏土礦物的溶解比較嚴重。此類試樣黏土礦物含量占比大，在長期浸泡下，黏土礦物和膠結礦物出現大幅度的溶解現象，導致試樣內部出現大量次生孔隙，膠結程度降低，最終引起試樣崩解碎裂。相比之下，石英砂巖在干濕循環試驗中完整性較好，僅在經歷4次干濕循環作用后端部出現極少量黏手物質，未見其他明顯形態變化。

2.4 基于試驗成果的巖石劣化過程分析

2.4.1 含砂質泥巖的劣化分析

通過對含砂質泥巖室內長期浸泡、干濕循環等試驗及礦物和細觀結構等測試分析，褐紅色的含砂質泥巖試樣含有大量的黏土礦物成分，石英等骨架礦物含量較少，因而在水環境中極易發生破裂崩解。在庫水周期性調度條件下，含砂泥巖易崩解溶解，其劣化控制因素主要為干濕循環作用。在庫水高水位運行條件下，含砂泥巖易軟化泥化，其劣化控制因素主要為庫水的長期浸泡。

2.4.2 砂巖劣化分析

通過對砂巖室內干濕循環試驗、礦物和細觀結構測試分析，砂巖經歷干濕循環作用后，孔隙度增大，部分礦物溶解于水中，干濕循環作用引起巖石微裂隙擴展聯通，巖石波速降低，同時，淺表層出現碎裂掉塊。對于處于消落區的砂巖，主要表現為裂隙擴展延伸和碎裂等劣化現象。

3 互層結構岸坡巖體現狀

3.1 強度特征

水上、水下各100次的回彈試驗成果表明，同斜坡部位巖體水位線上強度略高于消落區巖體。粉砂質泥巖水上平均回彈值為16.5Rm，水下回彈值為11.5Rm；砂巖水上平均回彈值為35.3Rm，水下回彈值為33.9Rm。其中，Rm為測區平均回彈值。

3.2 現場崩解觀測

將鉆孔內取出的中風化砂巖和粉砂質泥巖巖樣裸露放置在空氣中，觀察發現，粉砂質泥巖巖樣在夏天高溫放置2～6 h后就會出現裂紋，2～4 d后完全散裂崩解成顆粒狀或巖屑，強度急劇降低。砂巖巖樣放置后形貌改變不及粉砂質泥巖明顯，但長時間高溫作用下局部出現沿巖層面斷開的現象。

4 劣化變形過程分析

根據劣化分析成果，消落區互層巖體劣化變形過程可大致分為3個階段。

4.1 劣化初始階段：軟化、碎裂、散裂與崩解

由于汛期三峽庫區騰空庫容低水位運行，碎屑巖岸坡巖體裸露，受夏季極端氣候（高溫、暴雨）影響，巖體主要沿結構面發育裂縫，隨著時間的推移，裂縫由閉合到顯現，由顯現到張開，由張開到擴展貫通，強度略高的砂巖巖體劣化碎裂成塊狀，而強度較低的砂質泥巖巖體則劣化崩解散裂成顆粒狀，隨著時間推移，巖體強度逐步嚴重下降，水庫的運行加速這一過程。

4.2 劣化發展循環階段：潛蝕、溶蝕形成凹腔

在三峽庫區運行過程中，庫水位變動頻繁，水位變動對巖體的主要表現分為3個步驟：覆蓋層較薄的岸坡土體及裂隙面充填物被掏蝕，導致巖體裸露；水位周期性升降造成已有裂縫進一步加寬加深，破壞淺表層巖體結構；表層劣化產生的松動巖體被沖刷攜帶，繼續弱化巖體強度，斜坡前緣臨空岸坡抗滑力降低。

4.3 劣化變形階段：波浪沖蝕改造岸坡或致災

波浪對已經發生劣化的區域形成長時間沖擊，該沖擊力對巖石形成較大的外力擾動，強度弱化最快的部分是受波浪沖蝕作用最強烈的部位，該部分被沖蝕成波蝕龕。波蝕龕進一步發展，巖體下部被掏蝕出空洞，直接剪斷或者壓裂表面的巖體，產生崩落或者垮塌。

5 碎屑巖岸坡劣化致災機理初步分析

根據湖北省三峽庫區劣化地質現場調查，碎屑巖地層發育的互層巖體坡體結構可分為順向、斜順向、逆向或緩傾橫向坡，因互層巖體劣化的速度和程度存在一定差異，分別對順向坡和逆向坡劣化致災機理[6-8]進行分析。

5.1 順向或斜順向岸坡互層巖體劣化致災機理

泥巖黏土礦物含量高、強度較低，在水庫作用下，夏季庫水低位運行，巖體裸露，受高溫、暴雨等極端天氣作用，巖體崩解散裂，表部巖體裂紋密布，庫水和降雨沖刷，崩解顆粒流失，冬春季庫水高水位運行，受庫水浸泡沖刷侵蝕，泥巖巖體軟化剝落，依此逐年循環，斜坡泥巖巖體部位逐步凹陷，側向或縱向侵蝕劣化變形；砂巖巖體較泥巖強度高，黏土礦物含量少，在水庫作用及夏季高溫等不利條件影響下，砂巖巖體以結構面劣化為主，多為表層巖體結構面顯現、擴展、貫通導致巖體碎裂、塊裂，產生崩落掉塊，局部互層的支撐泥巖劣化侵蝕后懸空產生一定范圍的垮塌變形。岸坡坡度變陡，因順向坡互層存在多層軟弱帶，斜坡坡腳岸坡擴展變形至臨界值，將導致斜坡整體變形滑移。

5.2 逆向或緩傾橫向岸坡互層巖體劣化致災機理

坡面多形成小型凹凸地形，泥巖部位凹陷，砂巖部位凸出，表部劣化變形特征多為崩落、掉塊，相對順向岸坡，變形規模較小，主要為緩慢擴展的塌岸變形，劣化變形塌岸的速度相對順向坡較慢，危害也相對較小。

6 結語

碎屑巖互層巖體的劣化是一個非常典型的劣化特例，其劣化特征差異性較為明顯，特別在岸坡結構為順向或斜順向時易產生新生突發災害，突發性危害較大。在大型水庫運行和開發建設等新的地質環境變化條件下，互層巖體劣化將會有更明顯的差異和趨勢，因巖體劣化是一緩慢發生的過程，隨時間的推移，互層巖體岸坡差異劣化導致的斜坡穩定性問題會逐步顯現，該類庫岸段內發生地質災害的可能性增大。因此，研究水庫運行過程中互層巖體劣化的變形機制及趨勢預測較為重要，為后期合理進行岸坡巖體劣化評價、劣化變形監測預警及劣化防治工作提供支撐，保障人民生命財產安全，服務庫區經濟發展，同時對類似庫區碎屑巖互層巖體劣化研究也具有參考意義。

參考文獻

1 黃波林，殷躍平，張枝華，等.三峽工程庫區巖溶岸坡消落帶巖體劣化特征研究[J].巖石力學與工程學報，2019（9）：1786-1796.

2 張國棟，邵杰鵬，葉義成，等.三峽庫區秭歸碎屑巖岸坡消落帶巖體劣化特性研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2023（3）：26-31.

3 鄧華鋒，周美玲，李建林，等.水-巖作用下紅層軟巖力學特性劣化規律研究[J].巖石力學與工程學報，2016（2）：3481-3491.

4 張振華，王 野.水庫運行期岸坡消落帶紅砂巖抗剪與抗壓強度劣化機制[J].巖石工程學報，2019（7）：1217-1226.

5 張 鵬，張森林，黃波林，等.岸坡消落帶巖體劣化的新生型滑坡（崩塌）隱患演化模式研究[J].工程地質學報，2021（5）：1416-1426.

6 王思敬，馬鳳山，杜永康.水庫地區的水巖作用及其地質環境影響[J].工程地質學報，1996（3）：1-9.

7 劉新榮，傅 晏，王永新，等.（庫）水-巖作用下砂巖抗剪強度劣化規律的試驗研究[J].巖土工程學報，2008（9）：1298-1302.

8 張振華，黃 翔，崔 強，等.水庫運行期岸坡消落帶紅砂巖抗拉強度劣化機制[J].巖石力學與工程學報，2017（11）：2731-2740.