三峡库区望霞危岩体孕灾地质环境条件分析

乐琪浪,王洪德,高幼龙,薛星桥,王高峰,孙向东

中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北保定 071051

由多组相互切割的结构面形成的危岩体是一种特殊的灾害地质体,其地质过程具有复杂性和隐蔽性,时常造成严重的破坏,孕灾地质环境条件是形成灾害的基础,是其内在因素,对危岩体的变形破坏具有控制性的作用,对认清灾害体变形规律及破坏机制至关重要,众多学者,如刘传正等(1995)、金海元等(2008)、许强(2012)对此进行卓有成效的研究。在国外,Fiorillo等(2001)通过研究意大利南部Cervinara滑坡群灾害,指出降雨、地形地貌与公路开挖是该滑坡群灾害多发的主要诱发因素,而其地质基础特征是滑坡发生的主控因素。同时,Mauritsch等(2000)、Crosta等(2001)分别从不同角度研究滑坡地质灾害的发生发展,并提出地质条件的控制性作用。针对三峡库区典型崩滑灾害,何满潮等(1998)以剖析巫山古滑坡系统地质结构及构造形变场为例,提出滑坡构造形变场在古滑坡的不同部位具有不同的特征,且与区域构造形变场有明显的差异,同时张加桂等(2005,2008)、吴树仁等(2006)提出岩溶作用对地质灾害形成具有重要影响。对典型危害性大的崩滑体,如三峡库区吉安滑坡,李守定等(2005)则提出顺向单斜构造孔隙裂隙潜水-承压水类型的水文地质结构是决定性因素,节理裂隙发育的软硬相间的顺层地质结构是控制的因素;三峡库区蓄水后发生的千将坪滑坡,廖秋林等(2005)在对地质背景及地质特征进行研究,提出坡体三面临空、顺向坡地质结构、岩性软硬相间等为内因。而对巴东新城区所在的扇形大斜坡提出是软弱地层向长江发生重力蠕滑作用的结果,刘传正等(2006)通过对其地质构造的剖析认为斜坡是持坡是持续经受长江快速侵蚀下切外动力作用及浅表生地质改造作用过程而形成的。同时针对巴东黄土坡滑坡临江 I号崩滑体,简文星等(2013)认为其是在重力和构造应力作用下顺多层软弱夹层、上层与基岩而发生蠕滑变形而形成。地质基础条件对危岩体的变形亦具有控制性作用,乐琪浪等(2011)针对三峡库区望霞危岩体,提出典型的硬—软—硬岩性组合形式为危岩的层间滑移崩塌提供了地质结构组合条件。

大型灾难性滑坡皆涉及到不同的地质环境条件和坡体地质结构,具有不同诱发机制和触发因素,黄润秋(2007)提出滑坡发育最根本的原因是具有有利的地形地貌条件和地质环境条件。针对虎跳峡龙蟠右岸斜坡,谭儒蛟等(2005)在分析其特殊的斜坡地质结构和特殊的地质孕育环境提出了斜坡岩体变形的地质力学机制,提出断裂活动的构造挤压作用造成了近岸岩体的深层破碎;另外,殷跃平等(2010)分析认为贵州关岭高速远程滑坡的地质结构具有上硬下软的山体地质结构和上部富水下部隔水的水文地质结构,极易形成滑坡地质灾害。刘传正(2010)分析鸡尾山崩塌灾害时认为地质结构特征是山体开裂滑移的物质结构基础,并提出鸡尾山崩塌灾害是铁矿采空和视滑力共同主导作用下的一个链式反应过程。殷跃平等(2013)分析云南镇雄赵家沟特大滑坡认为滑坡处于煤系地层区,具有上硬下软的工程地质结构和上部富水下部隔水的水文地质结构,极易形成滑坡地质灾害。通过对贵州省都匀市马达岭滑坡的研究,王玉川(2013)认为脆弱的地质结构和坡体下伏采空区的破坏是滑坡形成的主要原因,其破坏模式为“塌落—拉裂—剪切滑移”。而针对大型的工程,复杂的地质环境背景是影响其稳定性的重要因素,刘佑荣等(2001)运用地质结构面网络模拟技术进行了岩体结构模拟,并提出断裂破碎岩体、风化岩体、崩滑灾害对重要工程的稳定性具有重要影响。在大型水利水电工程通过分析河流岸地质结构,王延贵(2013)研究了岸滩挫落崩塌的力学机制和崩塌过程,指出在河床冲刷下切过程中,岸滩顶部出现的纵向裂隙会促使岸滩挫落崩塌的发生。以对边坡地质结构特征的研究,采用二维有限元方法研究了崩塌后上部凹腔岩体的变形破坏模式。同样,王立忠等(2004)提出在灾害地质体的监测布置上亦以对滑坡、崩塌等灾害地质结构、变形破裂等特征为基础。针对群体滑坡的地质结构类型与发育特征,易顺华等(2008)提出群体滑坡首先必须厘定其组合型式,最终才能揭晓新生滑坡的产生规律,为灾害地质风险评估和防治提供大尺度的分析依据。在活动构造与地质灾害关系研究上,郭进京等(2009)提出应把区域断裂格架、断裂带结构和断裂活动性作为地质灾害形成与发展的关键因素。

综上分析认为,滑坡、崩塌(危岩体)等地质灾害受控于地质环境条件,对地质灾害的认识上多数集中在地质灾害体,而对孕灾的本底基础多数是趋向性分析,将地质要素捆绑式嵌入,综合程度较高。本文认为,地质灾害的内在主控因素是地质环境条件,是分析研究灾害体的基础和关键,应将“地质灾害体”研究思路转变至“灾害地质体”,突出地质基础决定性作用,细化分析各基本地质要素与灾害形成的关系。以三峡库区望霞危岩体为研究对象,结合其两次变形破坏过程分析孕灾地质环境条件,为危岩体的防治与监测预警提供基础依据。

望霞危岩体位于三峡库区巫山县两坪乡同心村长江左岸斜坡上,发育于坡顶陡崖部位,平面上呈现弧形外凸,至源珍煤矿井口到庙鸡子处呈现东西向排布,至长深包处发生向北西向转变,直至牛鼻子包处。危岩区陡壁顶高程平均1220～1230 m,坡脚陡岩底部高程1115 m左右,相对高差约70～75 m,已发生变形破坏危岩体长度约 120 m,厚约30～35 m,体积约 40万方,危岩带长度约 1.2 km,危岩带总方量达到 213.7万方,距离长江江面直线距离约1740 m,高度约1045 m,直接威胁三峡库区,长江航道巫山段的安全运行及危岩体崖底400余人的生命财产安全。2010年8月21日危岩体发生破坏变形,导致山体垮塌,2011年危岩体再次发生大面积破坏变形,再度导致崖下居民撤离及长江航道封航。望霞危岩体变形经历了2010年与2011年两次大面积变形破坏(图1B,C,D)。

1 地质构造作用

1.1 区域地质构造作用

研究区处于上扬子台褶带与四川台坳的过渡地带,区内地质构造作用强烈,所形成的地质现象复杂,显示强烈的挤压变形特征,构造线总体为北东向,局部岩层倒转,主要次级构造有齐耀山背斜、巫山向斜等,这其中也包括孕育望霞危岩体的横石溪背斜(图1A)。在区域地质构造控制条件下,孕育望霞危岩体的横石溪背斜受到多期地质构造作用,受到多方向构造应力不同作用和叠加,姚东生等(1990)分析该区地质构造序列特征,主要受到 5个期次的构造运动,包括印支期隆坳作用、燕山主期褶皱断裂作用、燕山晚期伸展拉张作用、喜马拉雅主期挤压作用及新构造运动期继承发展变形作用,认为横石溪背斜形成期至印支期隆升开始,燕山主期强烈褶皱,后期则以继承和改造为主。从工程地质分区角度,望霞危岩区段处于Ⅱ级(较坚硬灰岩与煤系地层互层岩组)和Ⅲ级(软弱碎屑岩岩组)分区,工程地质性质较差,容易造成崩塌、滑坡等地质灾害(图1A)。

1.2 横石溪背斜构造纵弯褶皱作用

三峡库区望霞危岩带处于横石溪背斜顶部的核部区域,其为一复式背斜,南西端起于李子坳南东约2 km,延伸至亮东槽西约5 km轴向N60°E,该点到桥头北西,轴向弯转为近SN,北东端插入秭归向斜西翼,延伸长度达150 km,东段宽约8 km,西段宽约5 km。轴向N57°E,受到多期构造作用轴线呈“S”型弯转,包含叠加形成的近SN向的孔家湾背斜。在两坪乡望霞剖面处,背斜核部地层从危岩体发育位置到长江江面分别出露二叠系上统吴家坪组至最老的志留系下统纱帽组与罗惹坪组地层(图2),两翼则主要为三叠系下统嘉陵江组。核部区域平缓开阔,岩层产状5°～17°,倾向NNW,两翼倾角急剧变陡,北西翼倾角 29°～70°,南东翼倾角 22°～68°,研究区褶皱枢纽呈波状起伏状,向 SWW 倾伏,倾伏角 7°～13°,形成开阔箱形褶皱,共轭轴面,其中靠北西侧轴面产状为 155°∠81°,靠南东侧轴面产状为332°∠76°(图2)。望霞危岩带处于背斜核部的二叠系上统吴家坪组地层中,顶部岩层受到强烈的纵弯褶皱作用,在背斜顶部(中和面以上)脆性岩层受到强烈的拉裂作用,并经过后期的构造和风化作用,顶部形成深大“V”字形裂缝,与轴面近于平行。横石溪背斜形成时期,因岩层底部存在软弱的煤系地层塑性岩层,发生强烈的弯流作用,而上部燧石条带灰岩则产生弯滑作用,构成典型的层间滑动构造,底部软弱地层在塑性流动的过程中,形成强烈的揉皱挤压现象,形成穿刺构造及藕状变形地层,对其间的砂岩、粉砂岩等相对较硬岩层则形成同心状剪切节理,从核部区域向两翼依次形成断滑型和揉皱型层滑构造,软层流动过程产生拉张应力,对上部较硬岩层再一次拉裂形成台阶式构造,形成断裂型层滑构造,这为深大“V”字形裂缝的扩张延伸发挥了极为重要的作用。而2010年和2011年两次变形的岩体正处于背斜靠北西侧枢纽(轴面)位置,“V”字形裂缝发育和切割强烈区域(图2),危岩体中各条关键裂缝(即控制危岩体变形和区划变形岩块的裂缝)皆是在“V”字形裂缝的基础上发育形成的,对危岩体的变形起着至关重要的作用。

图1 三峡库区望霞危岩体孕灾区域地质环境背景及变形样貌图Fig.1 Disaster-pregnant regional geological environment background and deformation appearance of the Wangxia unstable rock mass in the Three Gorges Reservoir

图2 三峡库区横石溪背斜构造解析图(剖面AA’见图1A)Fig.2 Structural analysis of Hengshixi anticline in the Three Gorges Reservoir(see section AA’ in Fig.1A)

图3 望霞危岩体关键裂缝及变形块体分布图Fig.3 Distribution of critical cracks and deformation blocks in the Wangxia unstable rock mass

2 危岩体地质结构特征

根据望霞危岩体2010年及2011年变形特征及变形过程,根据 5条关键裂缝切割情况将危岩体分为5个变形区块(图3):①号区块,即“七万方”岩块或“W2-2块体”其变形受控于东侧的 T12缝与西侧T16缝;②号区块为T13～T11缝区,即“T13”缝区或“W2-1块体”,受控于东侧的T11缝及西侧的 T13缝;③号区块为孤立岩柱或“W1块体”受控于东侧的 T13缝;④号区块为危岩后缘变形区,受控于后缘边界T10缝;⑤号区块为危岩前缘变形区,即“前缘堆积区”。

2.1 地质结构面发育特征

危岩体的变形破坏是各类地质结构面相互作用的综合结果,但每一类结构面发挥的作用和扮演的角色不同,对危岩体的变形控制效用亦不同(表 1),结合望霞危岩体两次变形破坏过程分析认为:原生结构面在望霞危岩体变形过程主要控制前缘变形区新生裂缝的扩张方位,强度及连续性,控制前缘土石滚落强度、位置及规模。对危岩体各条关键裂缝及关键块体提供基础背景值,控制其规模、范围及变形强度。对危岩体变形关键部位特别是前缘软弱层变形位置、牵引区段及强烈程度起到控制性作用。

构造结构面在望霞危岩体变形过程主要控制关键裂缝的延伸方向、距离及扩张样式,特别是形成阶梯状裂缝样貌,控制关键块体的变形方向,裂解范围及规模,掉块、崩裂位置及方量,控制前缘变形区滑移特别是软层挤出变形的方向及距离,控制危岩体底部关键部位即压张裂缝的形成位置、张开度及位移方向。

次生结构面在望霞危岩体变形过程主要控制后缘变形区,对各条关键裂缝,特别是延伸远、切割深的裂缝,控制其继承性变形,控制关键块体扩张,约束其变形行为,对岩体裂解破坏至关重要,同时对危岩体变形的关键部位主要是集中在后缘的深大裂缝(贯通至煤系地层)和塌陷裂缝,致使裂缝贯通性和导水性增强,对危岩体发生变形破坏提供基础性条件。

2.2 岩性组合方式及危岩体工程地质条件分析

望霞危岩体上部 P2w2地层为相对硬类岩层(图4D),下部 P2w1与 P2g为软岩基座(图4B),底部为P2m为相对硬类岩层,地层岩性上构成了典型的硬—软—硬岩性组合(表2、图4C),为危岩体的崩落、滑动、开裂、下沉、塌陷等变形提供了地质结构组合条件。

危岩体整体上由两组节理与层面切割成块状(图5C),第一组:235°～255°∠75°～85°,密度为 5～8条/m,张开度1～4 cm,基本无充填,部分地段的裂隙中充填有粘土夹碎块石,危岩区后缘裂缝的延伸方向与该组结构面产状基本一致,T12、T10号缝为主要裂缝,T12总体走向为358°,T10总体走向为 352°,局部地段有转折现象,其走向与该节理走向近于平行;第二组:150°～175°∠75°～85°,密度为6～9条/m,张开度1～5 cm,在危岩体中该组结构面相互贯通,形成一危岩体主控结构面176°∠ 78°,由方解石脉充填,与危岩体两次变形破坏的崩裂面(178°∠81°)近于平行(图5B),也与危岩体变形区域坡向(174°∠85°)近于平行,显示危岩体的变形与该组结构面关系密切,说明在本次破坏之前已形成了较大的贯通性裂隙面,经过长时间的沉积作用由方解石脉充填,危岩体潜在破坏控制性结构面已经形成(图5A);变形区岩层产状为335°∠6°,三组结构面呈直立状切割(图5C),危岩体滑移方向与岩层倾向不一致,岩体是沿着岩层共轭节理面及“V”字形拉张裂缝发生破裂(图5D)。2010年与2011年两次崩滑变形,滚石路径发生两次转向,在中上部以铲刮作用为主,沿着原有沟道流通,冲击下侧向家湾滑坡和猴子包滑坡,部分崩滑体堆积于该区段,但未造成两个滑坡的复活,大多数崩塌堆积物在中段转向缓坡区已减速裂解并堆积(图4A)。

表1 望霞危岩带内地质结构面发育特征Table 1 Development characteristics of the geological structural planes in the Wangxia unstable rock band

表2 望霞危岩带地层岩性特征及组合方式Table 2 Formation lithology and combination mode of the Wangxia unstable rock band

图4 望霞危岩体岩性组合方式及工程地质剖面图Fig.4 Lithologic combination and engineering geology profile of the Wangxia unstable rock mass

图5 望霞危岩体赤平投影分析图Fig.5 Stereographic projection analysis diagram of the Wangxia unstable rock ma ss

危岩体底部有长时期的采煤活动,崖脚从煤层露头线平硐进尺 70～800 m,局部地段达到1200 m,采空区面积约0.24 km2,位于危岩体正下方,据调查走访该区有 3处窑口(图 3),高约 2 m,变形危岩区东侧边界一处,其余两处处于变形区西侧,开采同一煤层,现已废弃,开采时间 1999年 7月以前,而现今开采主要位于危岩带西侧的东河湾煤矿和东侧的源珍煤矿。危岩体底部大面积采空区使得岩层支撑力削弱,导致崖顶发生地表塌陷,形成多处塌陷坑和宽大裂缝,引起崖顶地表大范围不均匀沉陷,塌陷坑和裂缝不断延伸扩张,与上部风化凹槽贯通,在危岩体后缘形成深大控制性裂缝,其变形对望霞危岩体整体滑塌起着关键性作用。同时,降雨对危岩体的变形破坏亦是重要的影响因素,两次变形前期皆有长时间的降雨过程:①2010年 8月至2010年10月21日(月降雨160 mm),致使后缘T10缝发生较大变形,在危岩体中部的T16缝在降雨过程中持续扩张,导致岩体裂解,T12缝则出现大量的土石溜滑现象,最终致使七万方块体形成并向 SE右旋滑移。②2011年 10月累计降雨量达280.5 mm,其中在10月10—15日有近60 mm的降雨过程,致使W1块体前缘出现多条次级横张裂缝,W2-1块体出现大量的掉块和岩体崩落现象,W2-2块体表现为持续地裂解与滑动,T13缝及后缘 T10缝剧烈变形致使西侧孤立岩柱发生整体性垮塌。

3 结论

(1)孕育望霞危岩体的横石溪背斜主要受到5个期次的构造运动,各期次相互叠加,认为背斜雏形形成于印支期的隆升阶段,伴随同沉积作用,至燕山主期强烈的挤压作用形成褶皱的主体样貌,后期的构造运动则以继承性改造为主,伴随强烈的风化作用,形成开阔箱形褶皱构造,危岩体的形成及孕育主要集中在背斜核部区域,枢纽位置尤为发育。

(2)望霞危岩体中的 5条关键裂缝与顶部发育的深大“V”字形裂缝关系密切,是控制危岩体变形的关键性因素,其主要是在纵弯褶皱作用下背斜顶部脆性岩层受到强烈的拉裂影响,形成与轴面近于平行“V”字形拉张裂缝,加上层间滑动作用,即在危岩体底部的软弱岩层发生强烈的弯流作用,致使上部硬类岩层则产生弯滑作用,软层流动过程产生拉张应力,对已形成的拉裂缝再次叠加拉张作用,形成台阶式断裂型层滑构造,为危岩顶部“V”字形裂缝的形成、扩张、贯通、延伸发挥了极为重要的作用。

(3)地质结构面对望霞危岩体的变形具有控制性作用,每一类结构面发挥作用不同,原生结构面对望霞危岩体各条关键裂缝及关键块体提供基础背景值,控制其规模、范围及变形强度。对危岩体变形关键部位特别是前缘软弱层变形位置、牵引区段及强烈程度起到控制性作用。构造结构面在望霞危岩体变形过程主要控制关键裂缝的延伸方向、距离及扩张样式,控制关键块体的变形方向,裂解范围及规模,掉块、崩裂位置及方量,控制危岩体底部关键部位即压张裂缝的形成位置、张开度及位移方向。次生结构面在望霞危岩体变形过程主要控制后缘变形区,对各条关键裂缝控制其继承性变形,控制关键块体扩张,约束其变形行为,对岩体裂解破坏至关重要。

(4)望霞危岩体在地层岩性上构成了典型的硬—软—硬岩性组合,为危岩体的崩落、滑动、开裂、下沉、塌陷等变形提供了地质结构组合条件。危岩体破坏面与节理发育程度、贯通性、张合度等关系密切,其底部大面积的采空区致使岩层塌陷变形、裂缝贯通与扩张,形成串珠状的塌陷坑,延伸至上部风化凹槽,致使其导水性增强,岩体完整性、稳定性减小,控制着危岩体整体滑塌变形。

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