三峡库区青石-抱龙段顺层灰岩库岸坡变形破坏机理

余 姝，张枝华，黄波林，胡明军，王 健

(1.重庆市地勘局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 400700；2.三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002；3.湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北 宜昌 443002)

0 引言

世界上一些巨型灾难性滑坡大都是顺层滑坡[1]，例如意大利的瓦伊昂滑坡[2-3]。在长江三峡库区，顺层滑坡也是灾难性滑坡的主要类型之一。例如2004年9月5日发生的万州吉安滑坡，体积约为7.00×106m3，摧毁了一个集镇和高速公路，滑坡形成的堰塞湖给下游的人民生命财产带来了极大威胁[4]。

三峡库区的岩性除了坝址区为花岗岩外，其他区域都为沉积岩。三峡库区发育的基岩顺层滑坡大多以砂泥岩互层或泥岩与泥灰岩互层为主，发生机制主要以滑移-剪切或滑移-拉裂为主[5-7]。它们的滑带一般为原生岩石经过层间剪切改造而形成[8]。例如涪陵五中滑坡的滑动带为泥岩改造形成的泥化夹层[9],千将坪滑坡滑床上则明显可见层间剪切留下的方解石结晶和擦痕[10]。

在三峡地区灰岩(顺层)滑坡较少发生，很少见到相关文献报道，少量被报道的滑坡发生机制也非常特殊。例如武隆鸡尾山的视倾向滑动机制，滑坡主要受重力、岩溶和采矿影响，侧向挤压滑动[11]。武隆鸡尾山滑坡的发生与关键阻滑块体的压碎密切相关[12]。灰岩顺层滑坡还存在一些弯曲或溃屈等特殊的机制，尤其是当其产出倾角较大时。例如雅砻江金龙山变形体主要岩性为玄武岩和灰岩，它是一个受控于软弱层间挤压带的“滑移-弯曲”变形体[7]。

本文首先描述新近在三峡库区发现的青石-抱龙段顺层灰岩斜坡变形特征，进而采用数值法分析其滑移-弯曲机制，讨论了灰岩顺层库岸的演化阶段，为该类型库岸防治提供技术支撑。

1 三峡库区青石-抱龙段顺层灰岩库岸坡变形特征

青石-抱龙一带顺层库岸位于三峡库区巫山县青石社区点下游长江右岸，沿长江至上游的巫山县城约16 km，沿长江至下游的巴东县城约32 km(图1)。该段库岸起始于青石社区下游300 m，止于下游抱龙河口，沿长江约有3.7 km长。库岸中分布有20条冲沟，将库岸分割为21个自然库岸，分别命名为青岩子1#斜坡-青岩子21#斜坡。

图1 青石-抱龙顺层灰岩库岸位置图Fig.1 The bedding limestone bank from Qingshi to Baolong

地貌上，这些库岸斜坡由临江的平直斜坡、中部悬崖或马鞍状斜坡和山顶岩溶浅丘平台构成。岩溶浅丘平台为夷平面，最高高程约820 m。构造上，该斜坡处于官渡口向斜的南翼和楠木园背斜的北翼，地层稳定，无断裂通过。出露基岩为三叠系下统嘉陵江组三段和二段地层，岩性主要为浅灰色薄层夹中厚层泥粒灰岩及中薄层白云岩夹泥质灰岩。平直斜坡段岩层产状为340°～350°∠40°～55°，马鞍状斜坡段(一些库岸的中部为陡立悬崖段)产状开始变缓，至岩溶浅丘平台处产状近水平，为楠木园背斜的核部。因此这些平直斜坡段顺层灰岩库岸后缘高程在300～400 m不等，前缘插入长江。长江在该区域河床高程约40 m，江水水位在145～175 m波动。

由于两侧冲沟并不等间距发育，后缘高程也不尽相同，青岩子各顺向斜坡的宽度和纵向长度不一。145 m水位时，青岩子各顺向斜坡顺长江宽约100～300 m，纵长约250～350 m，总体坡向为340°～360°。由于坡度略小于岩层倾角，坡面由多个岩层面组成，平均坡角约为40°，为典型的顺向岩质岸坡。

这些顺向岸坡坡面上一般发育2组结构面，产状分别为270°∠80°和34°∠70°。这两组结构面延伸一般非常小，倾向偶尔有一些变化，在表面岩层中发育。斜坡区冲沟应是从结构面演化发育而来，这些冲沟都近平行，走向近南北向。

在大量斜坡裸露的岩层面上发现了大量方解石擦痕。例如在6#斜坡上发现的擦痕走向325°，倾角约48°。经过详细地质调查，青石-抱龙一带21个顺层斜坡中有9个斜坡岩层在消落带区域(由于周期性水位变动，该区域基本没有植被，而其他区域植被非常发育)发现了浅层岩体波状弯曲。这9个斜坡具有一定的随机性，并不相连。这种弯曲现象在空间上不连续，弯曲程度不一致，不具有区域性。因此，它们不是地质构造作用造成的，而是后期重力作用造成的。

有些弯曲变形发育在斜坡的冲沟内，深度方向上大量岩层均出现了起伏不一的弯折(图2)，这些弯曲区近似在一条线上。有些波状弯曲的岩层则在斜坡面上被发现，呈非常不规则形状产出(图3)。这种波状弯曲大多没有跨冲沟发育，且即便紧邻的斜坡都发育这种现象，它们在坡面上的高程亦不相同。例如青岩子3#斜坡弯曲区域在坡面上的高程为150 m附近，而青岩子6#斜坡弯曲区域在坡面上的高程为165 m附近。这种波状弯曲的转折端多为角砾岩或角砾填充的裂缝。在弯曲岩层的层间可见隆起现象，角砾岩填充或中空。

图2 弯曲变形在青石-抱龙一带岸坡中的分布情况图Fig.2 Distribution of bending deformation at the bank slope from Qingshi to Baolong

图3 青岩子3#斜坡冲沟内的岩层弯曲现象Fig.3 Strata Bending in the gully 3# of Qingshizi slope

青岩子5#斜坡上的弯曲现象非常强烈，岩层弯曲后出露的岩层倾角十分平缓，并以类似“逆断层”方式接触其下部岩层(图4)。青石至抱龙一系列岸坡上波状弯曲继续挤压都会形成这一“逆断层”现象(图5)。通过对青岩子6#斜坡的剖面测量、坡面和冲沟内岩层调查，形成了地质剖面图，主滑面主要结合冲沟内薄层泥灰岩夹层的位置和地貌形态来确定。这一典型剖面基本可以代表青石-抱龙一带的顺层灰岩岸坡的剖面形态。

图4 青岩子5#斜坡坡面上的岩层弯曲现象Fig.4 Strata Bending at the slope surface of slope 5#

图5 青岩子滑坡剖面图Fig.5 The profile of the Qingyanzi Landslide

2 青石-抱龙顺层滑坡变形破坏机理

在重力作用下斜坡岩体沿层状结构面滑移可以产生弯曲现象。这种滑移-弯曲机制很早就被一些研究者报道过[7，13-14]。它主要发育在中-陡倾角的层状斜坡中，尤以薄层状岩体及延性较强的碳酸岩中为多见[7]。葡萄牙的阿尔加维西海岸陡立层状岩体也存在明显的溃屈现象[15]。弯曲一般发生在边坡表层，屈曲形式受控于边坡的滑动变形[16]。物理模型试验表明顺层滑坡发生滑移-弯曲需要具备一定的条件，也有一定的变形失稳特征[17]。滑移-弯曲的滑坡滑面一般为两段线的滑面，上段提供轴向的下滑力，下段为被动段或阻滑段[18]。

为了深入理解这一重力造成的弯曲现象及今后发展趋势，采用UDEC进行数值分析。非连续力学方法范畴的UDEC程序基于离散的角度来对待物理介质，它可将岩体的两个基本组成对象——岩块和结构面分别以连续力学定律和接触定律加以描述。结构面是连续体(岩块)的边界，单个的连续体在进行力学求解过程中可以被处理成独立对象，并通过接触和其他连续体发生相互作用，其中连续体可具有可变性、或刚性受力变形特征[19]。就具备可变形能力的单个连续体分析环节而言，介质受力变形求解方法完全遵从FLAC快速拉格朗日定律。UDEC被广泛应用在岩质边坡的变形破坏机理研究中，例如可利用UDEC研究不同倾角对切坡引起的倾倒破坏的影响[20]。

根据青岩子6#斜坡的工程地质特征，构建了一个二维的UDEC数值模型。模型中岩体采用连续介质的Morh-Coulomb本构模型，层面为不连续介质的Coulomb slip 模型。采用的青岩子滑坡岩石、结构面的相关物理力学参数见表1。数值模型长约400 m，高约400 m，采用的层厚不等，层厚范围为0.4～2.8 m。

经过1 200 000时步的计算后，在170 m高程附近出现了明显隆起现象。从力学机制上来看，斜坡中上部的顺层滑移岩体为主动传力段，高程170 m附近弯曲-隆起岩体为被动挤压段。主动传力段的自重下滑力驱使岩层沿结构面滑移，后缘出现下错。高程160 m以下斜坡坡度变缓，滑移岩层在高程160 m以下出现急剧增厚的覆盖岩层，滑移严重受阻。主动传力区传递的力在此部位不能沿层面以滑移的形式传递/耗散，而产生被动挤压。挤压产生了垂直于层面的变形，即弯曲-隆起。从应力上来看(图6)，主应力迹线有明显偏转，最大主应力方向由垂直过渡到倾斜；在浅表层，最大主应力方向平行坡面。由于受力状态不一样，平直滑移段岩体以拉破坏为主，弯曲-隆起段岩体则存在拉张破坏和剪切破坏。

表1 离散元模拟所需岩体和结构面参数表Table 1 Rock mass and joint parameters for discrete element simulation

图6 1 200 000时步下模型主应力迹线和运动速度矢量图Fig.6 The principal stress trajectory and velocity vector of the model at 1.2 million time steps

根据图7位移图可见，主动滑移段的位移值基本一致，不同层可能有差异，主动滑移段长度约200 m。而在被动弯曲-隆起段的位移则急剧下降，被动弯曲-隆起段仅约30 m长。被动弯曲段约占总变形长度的13.0%。这种主动传力区的滑移和被动挤压的弯曲-隆起构成了一个完整的变形体系，控制协调着整个斜坡的变形破坏现象。弯曲显著后，岩层会隆起，出现架空或充填，地面也会出现隆起(图7)。层状体较薄时，滑移弯曲变形加剧后，弯曲的岩层形成褶曲的弯曲形态。

图7 1 200 000时步下模型位移云图Fig.7 The displacement nephogram of the model at 1.2 million time steps

3 青石-抱龙顺层斜坡所处演化阶段

青石-抱龙的灰岩顺层库岸长约3.7 km，同时其他地段也还有很多这种灰岩顺向斜坡，探讨他们的演化进程及其对应的现象很有意义。根据青岩-抱龙顺层斜坡调查、数值分析和其他研究者的成果，可将灰岩顺向斜坡的变形分为三个典型阶段：轻微弯曲阶段、强烈弯曲-隆起阶段和溃屈贯通阶段[7]。

(1)轻微弯曲阶段(图8-a)。坡面轻微隆起，岩体轻微松动，弯曲部位仅出现局部压碎和类似褶曲现象。弯曲隆起部位通常出现在坡脚或地形凹处。

(2)强烈弯曲-隆起阶段(图8-b)。地面显著隆起，岩体松动加剧，弯曲-隆起区内拉应力的增强导致缓倾滑移面出现。由于弯曲部位岩体强烈扩容，往往剪出口附近出现局部的崩落或滑落。

(3)溃屈贯通阶段(图8-c)。当下滑力大于弯曲-隆起区滑移面岩桥强度时，弯曲板梁溃曲破坏，滑移面贯通，形成大规模的滑动。

图8 滑移-弯曲型滑坡演化过程(修改自文献[7](Zhang et al. (1993))Fig.8 Evolution process of slid-bending type landslide

当前，青岩子系列斜坡的整体隆起和弯曲并不是很明显，没有达到长距离的弯曲或大的隆起。从旁侧斜坡和本段库岸的岩体松动现象来看，尽管局部有岩体剧烈弯曲，但在斜坡的整体弯曲-隆起区并没有明显的岩体松动现象。当斜坡层状灰岩岩体为硬度较大的脆性岩体时，要形成这种破坏小的似柔性弯曲变形，必须在极低的应变速率下长时间的累进变形。因此，青岩子库岸的滑移-弯曲应变速率较低，造成了当前岩体弯曲类似“流变”，应力增加较小，松动破坏较少。这些都说明了当前青岩子库岸处于滑移-弯曲变形的早期阶段，主要以累进性变形为主。

由于水位周期性变动在弯曲隆起带重叠，而水位周期性变动会加速岩体的劣化(黄波林 等，2016)，这造成了弯曲隆起带更易破坏。水位周期性变动会加速青石-抱龙一带顺向灰岩库岸的演化进程。

4 结论与建议

通过对三峡库区新发现的灰岩顺层库岸开展大量的野外调查和数值模拟分析，得到了以下结论和建议：

(1)青石-抱龙段顺向库岸坡有21个斜坡，由灰岩、白云岩组成，岩层产状为340°～350°∠40°～50°，在9个斜坡的坡面和冲沟内发现了岩层的波状弯曲，岩层面上存在大量擦痕。分析显示该段斜坡变形破坏的机制为滑移-弯曲机制。

(2)采用UDEC软件开展的典型剖面应力应变分析表明，在自重下滑力驱使下，约200 m长的岩层产生大位移的滑移；受下部急剧增厚的覆盖岩层阻挡，高程170 m附近约30 m长的岩层被动挤压弯曲隆起，该段位移量相对滑移段急剧减小。

(3)当前，青石-抱龙段顺向库岸的整体隆起和弯曲并不是很明显，岩体松动破坏也较少，尚处于滑移-弯曲变形的早期阶段，主要以累进性变形为主。

(4)鉴于水库区灰岩顺层库岸溃屈失稳将产生高速滑坡及较大的涌浪灾害，建议对青石-抱龙灰岩顺向库岸开展长期专业监测，进一步的调查和研究工作也是非常必要的。