金沙江溪洛渡—白鹤滩段岸坡变形破坏规律

(1.成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059； 2.四川省水利基本建设工程质量监督中心站，成都 610017)

1 研究背景

中国西南地区处于地形第一级向第二级的过渡地带，地形高差较大，是较为理想的水电开发地区[1]。以金沙江干流下游为例，从攀枝花市至宜宾市河段就有乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4个大型梯级水电站。但是，在本区域强烈的外动力地质作用下，河流快速下切，河谷切割深度达500～2 000 m，两岸形成高山峡谷地貌[2]，造成库区沿线岸坡地质灾害十分发育，规模庞大[3]。同时，水库蓄水将引起水位变幅带影响范围内岸坡的水文地质条件发生变化，诱发潜在地质灾害，威胁水库本身及库岸附近人民生命财产安全[4-7]。因此，研究库区岸坡变形破坏的形成与分布规律，分析其演化趋势及其长期稳定性是水电站建设全过程及运营期高度关注的问题之一。相关学者也在这方面开展了大量的研究[8-12]，但是针对金沙江干流河段的研究较少，仅有邓宏艳等[3]、崔玉龙等[10]、赵建军[13]开展了部分定性和少量的统计分析。

本文以金沙江溪洛渡—白鹤滩段库区为例，通过现场调查复核，结合高清航空影像资料解译，按照“地质过程机制分析”和“系统工程地质学”的思想，对库区岸坡变形破坏规律采用统计学方法及自组织理论进行分析。深入探讨岸坡变形破坏与库区地形地貌、岩土体类型与结构之间的关系，总结出研究区段岸坡变形破坏的统计规律。

2 库区地质环境

2.1 地形地貌

溪洛渡水电站库区地处云贵高原和四川盆地两大地貌单元所接壤的大凉山地带向川中盆地之过渡地段，属强侵蚀高山、中山地貌类型。金沙江总体呈北东向展布，河谷切割深度在1 500 m左右，基本上以“V”型谷为主，河谷狭窄，谷坡陡峭。

2.2 地层岩性

库区内除缺失石炭系、侏罗系上统及第三系之外，从元古界至第四系均有出露。岩性涵盖岩浆岩、变质岩及沉积岩，主要有峨眉山玄武岩、千枚岩、白云岩、灰岩及砂页岩等。前震旦系(Pt(m))仅出露于对坪一带，震旦系(Z)分布在库区岭脊部位，且与区域断层相伴出露。古生界寒武系(∈)、奥陶系(O)、志留系(S)和二叠系(P)分布在库区绝大部分库段，为库区的主要地层，约占库区面积的70%～80%，其中峨眉山玄武岩(P2β)主要分布在溪洛渡、白鹤滩坝址区及库区中部黄坪上游。中生界三叠系(T)主要分布在溪洛渡两侧坝肩以上区域及库区外围。第四系松散堆积零星分布在沿江两岸坡脚及金沙江河床和阶地部位。

2.3 区域构造

溪洛渡水电站库区位于扬子准地台西部的二级构造单元上扬子台褶带西北侧。西邻康滇地轴，东接四川台拗。在库区内，构造类型以北东向和南北向的断裂、褶皱为主，而小规模的北西向断层则属北东向断裂的伴生构造。从库区上游至坝址构造形迹由以断裂为主过渡为以褶皱为主。抓抓岩—牛栏江河段发育北东向莲峰断裂及南北向峨边—金阳断裂，石板滩以下的近坝库段和坝址区主要发育一系列的北东向褶皱。

2.4 水文地质

库区地下水主要划分为松散堆积物孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水3大类。松散堆积物孔隙水主要赋存于第四系冲洪积、崩坡积及滑坡堆积块碎石或块碎石夹黏土层中，受大气降水补给；基岩裂隙水主要赋存于寒武系(∈)、二叠系(P)与三叠系(T)裂隙较为发育的玄武岩、粉砂岩以及砂岩地层中，其补给源主要为大气降水，向金沙江排泄；碳酸盐岩岩溶裂隙水主要分布于白云岩、灰岩地层中，富水程度取决于该岩类的岩溶化程度，补给仍以大气降水为主，集中向金沙江排泄。

3 岸坡变形破坏的统计规律

研究表明，岸坡变形破坏是多种内外环境因素综合作用的结果[12,14-16]。限于篇幅，本文仅从岸坡结构和地层岩性两大类主要因素入手分析，揭示研究区段内岸坡变形破坏的主要规律。

3.1 变形破坏与岸坡结构的关系

3.1.1 岸坡结构的划分

库区岸坡结构是岸坡变形破坏的基本条件，不同的岸坡结构决定着岸坡变形破坏类型、数量和规模[13]，而确定岩土体岸坡类型及其空间分布也是岸坡变形破坏规律与岸坡稳定性评价研究的基础[17]。

调查表明，库区岩体结构类型与岸坡结构类型、变形破坏特征关系密切。首先，根据两岸出露岩体结构特点，将岸坡结构划分为4个主类，即中厚—厚层状结构、薄层—互层状结构、镶嵌碎裂状结构和散体结构。然后，选取岩层倾向与岸坡倾向间的夹角φ和岩层倾角β作为细分岸坡结构亚类的基本依据。根据文献[13]的研究，本文略作改动，将溪洛渡库区岸坡结构划分为18种类型，详见表1。

3.1.2 岸坡结构发育特征

岸坡结构类型分布如图1所示。根据各个结构类型岸坡分布的岸线长度统计分析，各类岸坡沿江两岸均有不同程度的发育分布。其中，杂乱松散堆积结构(Ⅳ2)岸坡最为发育，长度占比接近20%，其成因主要是由于高陡岸坡在长期外动力地质作用下发生破坏，碎屑物质大量散乱堆积于坡脚形成崩坡积堆积。其他的中厚—厚层状结构横向(Ⅰ1)、逆向(Ⅰ 2)、顺向(Ⅰ 3)岸坡，薄层—互层状结构横向(Ⅱ1)、中倾—缓倾逆向(Ⅱ 21，Ⅱ 22)岸坡及层状松散堆积结构(Ⅳ1)岸坡占比均>5%，而薄层—互层状结构陡倾(Ⅱ 23，Ⅱ 33)岸坡分布较少，占比<2%。

表1 岸坡结构类型统计情况一览表Table 1 Classification of bank slope structure types

图1 岸坡结构类型分布直方图Fig.1 Histogram of bank slope structure types

从岸坡的岩体结构统计分析可见，除镶嵌碎裂状结构岸坡占比较小外，其余3类岸坡占比较为接近。

3.1.3 变形破坏与岸坡结构关系

经现场复核和遥感解译，确定库区滑坡、崩塌及变形体共计95个。其中滑坡77个，占总个数的81.05%，累计体积达29.84×108m3，占总体积的98.63%；崩塌5个，占总个数的5.26%，累计体积为1 144.5×104m3，占总体积的0.38%；变形体13个，占总个数的13.69%，累计体积为3 006×104m3，占总体积的0.99%。以上统计表明，无论是数量还是规模，库区岸坡变形破坏均以滑坡最为发育，基岩变形体次之。

要合理评价库区沿岸变形破坏发育特征，分析不同地质环境因素对变形破坏形成的影响程度，就要在不同地质环境条件下，分析变形破坏的数量特征和规模特征。比如，某类地质环境下，单位岸线长度发育的变形破坏数量越多或者规模越大，则变形破坏强度越大。因此，这里类比刘汉超等[18]的研究成果，给出变形破坏相对发育s强度指数RDII(Relative Development Intensity Index)的计算式为

j=1,2,…,N。

(1)

本文选择变形破坏的密度指标(个/km)和模数指标(104m3/km)作为评价指标，且两类指标对变形破坏相对发育强度贡献相等，也即w1=w2=0.5。

变形破坏发育强度判别标准见表2，变形破坏与岸坡结构的关系的计算结果如图2所示。

表2 变形破坏发育强度判别标准Table 2 Standard of development intensity ofdeformation and failure

图2 变形破坏与岸坡结构的关系Fig.2 Relationships between characteristics ofdeformation and failure and bank slope structure

由图2可见：中厚—厚层状结构(Ⅰ)和散体结构(Ⅳ)的岸坡长度占比均在30%左右，但变形破坏的数量和规模占比反而较小，RDII在0.20～0.30之间，说明这两类结构岸坡变形破坏发育一般。其原因主要是岩层越厚，化学与物理力学性质相对越稳定，裂隙形成、风化作用等对岸坡的影响越小；冲洪积、崩坡积物等松散堆积体的形成过程本身就是从不稳定演化为次稳定状态的自组织过程[19]，短期内再次发生变形破坏的概率相对较小。

由图2还可以看出，薄层—互层状结构(Ⅱ)岸坡长度的占比仅34.8%，形成的变形破坏数量占比则高达65.3%，规模占比更高达76.8%，RDII已经达到1.00，说明在密度和模数2类指标中均为最大值，该类结构的岸坡稳定性差，极易发生变形破坏，属于强烈发育。而且规模占比要大于数量占比，说明该类结构岸坡单个变形破坏的规模相对更大，这与散体结构岸坡正好相反。因镶嵌碎裂结构(III)岸坡没有变形破坏，故变形破坏占比为0。

将层状基岩岸坡按岩层倾向细分，得到变形破坏与岸坡结构的另一种关系如图3所示。结果显示，横向岸坡的变形破坏数量占比较规模占比要大，说明该类结构岸坡变形破坏的规模占比都较小，逆向坡则两种占比接近，而顺向坡明显表现出单个变形破坏占比较大的特征。从RDII指标看，横向坡为一般发育类型岸坡，逆向坡为中等发育类型岸坡，顺向坡为强烈发育类型岸坡。

图3 变形破坏与细分层状结构后的岸坡结构的关系Fig.3 Relationships between characteristics ofdeformation and failure and layered bank slope structure

3.2 变形破坏与地层岩性的关系

按照前面的计算方法，将不同地层岩性的变形破坏密度和模数进行分析。变形破坏与地层岩性的关系如图4所示。结果显示，前震旦系(Pt(m))地层变形破坏的密度最大，达到1.88个/km，其次是寒武系中统西王庙组(∈2x)地层和奥陶系上统与志留系(O3+S)地层，分别为0.68个/km和0.66个/km；而变形破坏模数则是奥陶系上统与志留系(O3+S)地层最大，前震旦系(Pt(m))地层相对较小。从RDII综合分析，各个地层变形破坏的相对发育强度差异较大，除上述3类地层为较强发育外，其余地层均为弱发育。

图4 变形破坏与地层岩性的关系Fig.4 Relationships between characteristics ofdeformation and failure and lithology

此外，按照工程地质岩组区分，变形破坏与工程地质岩组的关系如图5所示。变质岩岩组属于较强发育类型，碎屑岩岩组属于中等发育类型，岩浆岩岩组、碳酸盐岩岩组和第四纪堆积层岩组均为弱发育类型。

图5 变形破坏与工程地质岩组的关系Fig.5Relationships between characteristics of deformationand failure and engineering geological rock group

4 变形破坏发育的幂律特征

黄润秋等(1997)在《工程地质广义系统科学分析原理及应用》一书中指出：“世界上各种事物之间存在着普遍适用的规律，不仅在于它们微观结构的单一性，更重要的是表现在宏观结构的形成遵从某些普适性规律，存在一些普适性常数以及同型定律和幂律规则”。而根据Bak等[20]对自组织临界特征的研究，认为幂律规则是自组织临界状态的行为标志。国内的许强等[21]、姚令侃等[22]、邱海军等[23]也从大量的研究成果中发现了地质灾害发生频率的幂律特征。本文也运用这一思想，对金沙江溪洛渡—白鹤滩段库区岸坡变形破坏的数据进行统计分析，总结出发育规律的幂律特征。

4.1 变形破坏的形态特征幂律关系

变形破坏的空间形态参数主要有水平投影长度L、水平投影宽度D、平均厚度H、体积V、前缘高程FE、后缘高程TE、平均坡度θ等。根据现场调查资料及部分点的详细勘察资料，结合解译成果，得到库区95个变形破坏体的详细空间形态数据。将以上数据进行统计，得到线性拟合图形及公式如图6。图中，N为形态参数大于某限值的变形破坏体数量，N0为统计的变形破坏体总数。

图6 形态特征与累计频率关系Fig.6Relationships between morphological characteristicsand cumulative frequency of deformation and failure

从图6可以看出，变形破坏的形态特征与变形破坏累加数量的自然对数存在较强的线性关系。但是，以上关系式均与统计量N有关，不能反映该区域变形破坏发育的普遍情况。因此，以水平投影长度L为例，考虑作如下变换，即

(2)

P(L)=[exp(-0.001 61L+4.750 3)]/N0。(3)

由此，得到变形破坏体形态特征大于某个量值的频率分布规律。其余频率表达式见式(4)—式(9)。

水平投影宽度>D的频率P(D)为

P(D)=[exp(-0.002 17D+4.698 1)]/N0；(4)

平均厚度>H的频率P(H)为

P(H)=[exp(-0.028 15H+4.661 9)]/N0；(5)

体积>V的频率P(V)为

前缘高程>FE的频率P(FE)为

P(FE)=[exp(-0.005 37FE+

6.871 9)]/N0；

(7)

后缘高程>TE的频率P(TE)为

P(TE)=[exp(-1.061 9×10-9TE3+

4.679 7)]/N0。

(8)

平均坡度>θ的频率P(θ)为

通过以上各式，得到变形破坏形态特征参数的统计特征如表3所示。

表3 变形破坏形态特征参数的统计特征(显著性水平α=0.05)Table 3 Statistics of morphological characteristics ofdeformation and failure (significance level α=0.05)

由于变形破坏体的平均坡度频率关系式明显与其余各式不同，对式(9)作进一步讨论。

4.2 变形破坏的发育特征幂律关系

按照4.1节的思路，将前面计算得到的变形破坏密度和模数进行统计，得到线性拟合图形及公式如图7。图中，P(A)为变形破坏密度大于某值A(个/km)的频率，P(B)为变形破坏模数大于某值B(104m3/km)的频率。

图7 发育特征与累计频率关系曲线Fig.7Relationships between development characteristicsand cumulative frequency of deformation and failure

由图7中公式可计算，α=0.05水平下，金沙江溪洛渡—白鹤滩段库区变形破坏密度在0.038～1.184个/km之间，变形破坏模数在(20～4 656)×104m3/km之间。

5 结 论

(1)经过实地复核、高清航空影像解译，结合前人调查成果，整理出金沙江溪洛渡—白鹤滩段库区岸坡变形破坏点共计95个。其中滑坡77个，累计体积29.84×108m3，崩塌5个，累计体积1 144.5×104m3，变形体13个，累计体积3 006×104m3。

(2)根据库区岩体结构特点，将岸坡结构类型划分为4个主类，即中厚—厚层状结构、薄层—互层状结构、镶嵌碎裂状结构和散体结构，并结合岩层倾向与岸坡倾向间的夹角φ和岩层倾角β的关系，进一步细分为18种类型。对比发现，杂乱堆积结构岸坡(Ⅳ2)最为发育，而薄层—互层状陡倾结构岸坡(Ⅱ23，Ⅱ33)分布较少。

(3)提出变形破坏相对发育强度指数RDII，用以评价不同统计参量对变形破坏发育状况的共同影响程度。计算结果显示：薄层—互层状结构岸坡RDII已经达到1.00，属于变形破坏强烈发育，中厚—厚层状结构岸坡和散体结构岸坡RDII在0.20～0.30之间，属于变形破坏一般发育，其余结构岸坡为弱发育;前震旦系(Pt(m))地层、寒武系中统西王庙组(∈2x)地层和奥陶系上统与志留系(O3+S)地层的RDII为0.60～0.68，属于变形破坏较强发育，其余地层均为弱发育。

(4)库区岸坡变形破坏的形态特征遵从自组织临界性的幂律规则:在半对数坐标系中采用最小二乘法进行曲线拟合，得到变形破坏水平投影长度L、水平投影宽度D、平均厚度H、体积V、前缘高程FE、后缘高程TE、平均坡度θ与累计频率P均呈现一种负指数关系，而且拟合效果较好;通过对平均坡度与累计频率P之间关系的进一步分析，认为变形破坏发育过程中存在一个相对稳定坡度θ0=25.9°。

(5)根据拟合公式，可推导出变形破坏形态特征大于某个量值的累计频率分布函数，并计算出在α=0.05水平下，各个形态特征参量的范围值。

(6)根据变形破坏发育特征的统计数据，推导出变形破坏密度、模数和累计频率之间另一种类型的幂律关系，并计算出在α=0.05水平下，库区变形破坏密度在0.038～1.184个/km之间，变形破坏模数在(20～4 656)×104m3/km之间。