溪洛渡库区河口滑坡变形特征和形成机制

梁 宇，严 磊，苏培东*，邱 鹏，龙 伟，汪意凌

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 611130；2.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500)

随着国家大力发展清洁能源，在中国地质条件复杂的西部山区兴建了大量的水电站。由于水库的修建和蓄水，改变了原有库岸边坡的工程地质条件，可能使库岸边坡发生变形、滑动，形成不同规模的滑坡[1]。例如，青杠坪滑坡[2]，三峡库区的白沙沱滑坡[3]和白家包滑坡[4]、塔坪H1滑坡[5]、麻柳林滑坡[6]，金沙江白鹤滩到溪洛渡河段岸坡滑坡多达77个[7]。相关学者也对库区滑坡进行了大量的研究工作，得到了许多显著的科研结果，目前普遍认为库水的浮托力、水库水位骤降时产生的动水压力以及库水对滑面岩土体长期的软化作用是库水诱发滑坡的主要作用方式[8]，但以哪种方式为主目前仍然存在争论[9-11]。有些学者也对水库滑坡劣化机理做了相应的研究[12-13]，证明库水与岸坡长期作用过程中，与库岸岩土体发生物理和化学作用，改变了岸坡岩土体的物质组成、结构、化学成分，以及渗透性、吸水性和岸坡的完整性，从而导致岩土体抗剪强度等物理力学指标衰减，诱发水库滑坡。

水库滑坡形成机制复杂。不同库区或同一库区的不同地段虽然具有非常大的共性，但仍然有其自身的特征。国内围绕三峡库区展开了相当多水库滑坡研究，研究领域涵盖了形态特征[14-15]、形成机制、稳定性分析[16-17]、变形预测[18-19]等多方面，并取得了丰硕的研究成果。三峡库区的这些研究成果极大地促进了水库滑坡研究的发展，为国家水利水电行业的稳定发展提供了技术支撑。但随着国家水利水电行业的发展，仅仅针对三峡库区展开水库滑坡的研究也不能满足未来的发展需求。

溪洛渡水电站位于金沙江下游地区，莲峰断裂和昭通断裂几乎平行于库区分布，库区周围地层岩性复杂，火成岩、变质岩与沉积岩均有出露，金沙江水流湍急，不利于库岸稳定。目前仅有对石灰窑、大茅坪[20]、干梅子[21-22]等少量滑坡进行了稳定性、变形特征和数值模拟研究，论证了滑坡整体的稳定性和失稳可能，判断出该地失稳形式应为蠕滑-拉裂或滑移-弯曲，但针对溪洛渡库区滑坡的研究整体较少，且现有的研究成果相对于金沙江流域溪洛渡库区复杂的构造侵蚀地貌、断裂构造和岩性特征来讲是远远不够的，亟需专家学者们对该库区进行更多的研究来满足库区平稳运行的需求。

基于此，在现场地质测绘，勘探和室内实验基础上，现利用数值模拟研究溪洛渡水电站河口滑坡的形成机制和变形特征，以期为库区居民点的防灾减灾、道路交通安全和维护库区航道安全等提供理论依据，也可为类似工程提供参考。

1 地质背景

1.1 地形地貌

研究区所在的永善县位于云南省东北部，金沙江下游溪洛渡水电站库区东南岸谷坡上，地处云贵高原乌蒙山脉向川南丘陵延伸地带，地貌属于构造侵蚀深切割高山区，如图1所示。变形区地处溪洛渡水库高中山峡谷区斜坡上，总体地势东南高西北低，东南后倚五莲峰山系主峰，西北前临金沙江，东北、西南两侧均被沟谷溪流切割，地貌呈向北西凸出的“鼻梁状山脊”。从平面上看，滑坡呈舌状，变形方向为北西325°方向，前缘临库，宽度约174 m，后缘宽度约为82 m，纵向长度约229 m，平面面积约3.0×104m2。从纵剖面上看，变形斜坡坡脚为缓平台，高程500～550 m，坡度17°～21°；缓台之上为库水消落带，高程550～600 m，坡度50°～65°，局部高达75°以上；消落带以上斜坡整体坡度35°～42°，局部公路边坡达70°。

1.2 构造与地层岩性

河口滑坡处于北东向莲峰断裂、南北向峨边-金阳断裂和北西向马边-盐津隐伏断裂带所围限的雷波-永善三角形块体之西南部，区内及周边褶皱断裂均较发育。河口滑坡紧临莲峰断裂主断裂带，莲峰断裂具有逆冲-右旋-走滑性质[23]，受莲峰断裂及其支断裂活动影响，区内岩层产状变化较大，岩体破碎，节理裂隙非常发育，为滑体的发育创造了良好的构造条件。河口滑坡工点的地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.10g(g为重力加速度)，地震动加速度反应谱特征周期为0.45 s。场地内出露地层为寒武系下统龙王庙组与中统陡坡寺组并组，岩性为灰色中厚-厚层状白云质灰岩、灰岩间夹薄-中厚层状泥质粉砂岩、泥岩。

1.3 气象水文

滑坡前缘临库，溪洛渡水库死水位540 m，正常蓄水位600 m，消落带高差达60 m。水库每年9月底至10月初，蓄水至600 m正常蓄水位，11月开始消落，直至来年汛期到来之前，维持库水位550～580 m，滑坡稳定性受库水涨落影响较大。河口滑坡下游约150 m处有一冲沟切割，冲沟宽30～70 m，深度约60 m，但与滑坡间隔一条山脊，且距离较远，对坡体未造成影响。滑坡坡面发育有数条小型冲沟，宽度小于3 m，深度小于3 m，均为干沟。区内水文地质条件比较复杂，库水水位以上滑坡岩土体中地下水主要以孔隙水方式赋存，库水水位以下为基岩裂隙水。

2 滑坡变形特征分析

2.1 滑坡形态特征

河口滑坡位于溪洛渡库区(金沙江)南岸，地势南高北低，前缘高程约550 m，后缘高程约755 m，相对高差约205 m。滑体平面呈舌状(图2)，左侧以LF01(冲沟)为边界，右侧以LF02为边界，后缘以LF03为边界，前缘以550 m水位浸润线为边界，变形滑动方向为325°。滑坡前缘临库，宽约174 m，后缘宽约为82 m，其中左侧边界长约237 m，右侧边界长约270 m，平面面积约3×104m2。

图2 滑坡边界划分和裂缝分布图Fig.2 Landslide boundary division and crack distribution map

2.2 滑坡变形特征

滑坡变形迹象明显，各部位变形特征及变形程度各有不同，前缘以拉裂倾倒破坏为主，中部以滑移拉裂变形为主，后缘以拉裂、沉降、下错为主。

第一级斜坡较为峻陡，坡度为50°～65°，局部地段坡度超过75°。坡面上岩体松动强烈，岩层产状零乱，密集发育平行岸坡分布的陡倾角拉张卸荷裂隙，裂缝张开宽达20～60 cm，截面形状上宽下窄。该级斜坡岩体变形破坏类型主要为倾倒式破坏。

第二级斜坡中部至第三级斜坡中部发育多条平行分布的拉裂缝，其中规模较大的有LF13、LF16等。此区域内裂缝间距约为40 m，形成分布较为密集的一主多次的平行发育的拉裂缝带，变形程度较大，贯穿程度较高。裂缝截面形状上下同宽，变形破坏模式为滑移式。

图3 黄码公路变形破坏Fig.3 Road deformation and destruction

第三级斜坡中部至滑坡后缘发育多条平行分布的拉裂缝，其中规模较大的有LF17、LF14等。此区域内变形程度逐渐减弱，坡体以拉裂、沉降、下错为主。据现场调查，黄码公路和毛大段公路均有不同程度的拉裂变形和沉降。黄码公路路面沉降1.2 m，护栏外扩1.5 m，下错0.8～1.2 m。毛大段公路护栏破坏、垮塌，公路整体向金沙江侧移动约2.0 m。此区域内裂缝间距大，贯穿性差，如LF15从滑体右侧边界开始发育，至中央部位时地表现象已不明显。裂缝截面形状上下同宽。变形破坏模式为滑移式。

变形破坏模式分区可以LF12为界分为倾倒破坏区和滑动破坏区；变形特征分区可以裂缝LF13和LF16为界分为强变形区和弱变形区，LF03后部为松弛区。

据现场调查，该滑坡主要发育有17条规模较大的裂缝，各裂缝特征统计信息如表1所示。

2.3 滑坡形成因素分析

(1)库水涨落是导致库岸古滑坡复活及滑坡失稳的重要原因之一[24]。2013年7月22日，库水位以2～4 m/d上升至550 m左右，7月25日—8月5日期间库水位维持在550 m高程以上，最高达554.83 m；8月6日起，以1～2 m/d的速率下降，至8月15日降至540.20 m；至10月中旬水位一直维持在540 m死水位附近。受库水涨落的影响，截至2015年2月底，四川岸变形点达65余处。水库蓄水前，原边坡在自身条件下保持稳定；水库蓄水后，水位上涨，使滑坡前缘的岩体浸泡在库水中。在库水作用下，岩体间半固结的充填物和胶结物将扩散运移，使得岩体结构疏松；斜坡区域内泥岩等软弱夹层软化，力学性质降低；在库水位下降期间，水位的骤降将使斜坡受到巨大的动水压力，有利于滑坡的变形破坏。因此库水涨落为库水滑坡的发育创造了良好的条件。

(2)滑坡的发育分布与断裂构造结构面的力学性质、受力特征等关系密切；河谷岸坡附近的断裂对谷坡应力传递具有明显的阻隔和分异作用[25]；地质构造对滑坡形成和发展具有区域性控制作用和影响[26-27]。距滑坡后缘不远处的莲峰断裂在新生代早中期有过多期活动，具有稳定蠕滑特征，晚更新世以来活动显示很弱。因此受到莲峰断裂活动的影响，在滑坡附近发育有多条次级断裂，受这些断裂的影响，研究区内岩体破碎，节理裂隙发育，岩体呈碎块状。节理裂隙发育不仅使得岩体力学性质下降，而且增强了风化作用。研究区特殊的地质构造为斜坡的变形提供了有利的条件，并且破碎的岩体结构在水的作用下，力学性质的下降十分明显。

表1 主要裂缝信息统计表Table 1 Crack information statistics table

(3)研究区属中-低山河流侵蚀地貌，，整体自然坡角35°～40°，坡度较陡。变形斜坡位于金沙江南岸，斜坡前缘为库岸侵蚀区，多发塌岸，坡角较大，最陡处坡角达65°，由于库水侵蚀及库岸坍塌，前缘形成高陡临空面，据库区蓄水前高程数字模型(digital elevation model，DEM)数据分析，前缘高陡临空面垂直高度达50 m，为塌岸发育提供了良好的地形条件。前缘塌岸的发育形成的临空面将诱使中后部滑坡的变形破坏。

(4)滑体岩性主要为灰岩与泥岩。其中灰岩虽岩质较硬，但由于位于构造破碎带内，节理发育，岩体强度不高；泥岩岩质较软，遇水易软化，失水易开裂，岩体强度较低。从力学性质上看，研究区岩体总体上力学强度较低(表2)，容易失稳。

表2 天然岩石物理力学参数Table 2 Natural rock physical and mechanical parameter

调查资料表明，斜坡的剧烈变形发生在库水第一次蓄水到600 m后，再对水库进行排水期间。经现场调查研究，在滑坡发生剧烈变形后，随库水涨落在不停地发生蠕滑变形。因此研究表明河口滑坡是由于莲峰断裂和其次生小断裂的作用，造成研究区岩体破碎，且岩体间的充填物和胶结物处于半固结状态；在修建水电站后，库水水位上升，岩体浸泡在库水中，在库水的作用下岩体间半固结物质发生扩散运移，岩体结构再次变得疏松，同时还伴随着泥岩的软化作用；岩体整体的力学性质降低，在库水位下降期间，受到巨大动水压力的作用，斜坡发生剧烈的形变，使得后缘的公路发生下错、沉降。在首次剧烈变形后，库水的反复升降使得斜坡不断发生蠕滑变形，稳定性持续降低。

2.4 滑坡变形模式分析

2.4.1 数值模拟分析

研究区岩体结构破碎，节理裂隙十分发育，属于非连续介质。离散单元法强调岩体的非连续性，这与研究区内的岩体状态十分符合，因此选择3DEC软件进行数值模拟，模拟结果更能体现变形体的变形过程。模型以主滑方向的反方向为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，指向河流下游方向为y轴正方向。把松动区下伏的基岩考虑成不透水边界，即基岩内部无孔隙水压力作用，但考虑库水对基岩之上的强、弱变形区的水压力作用，在滑体内施加z=600 m的地下水位线，考虑地下水对斜坡体的浮托力及软化效应，结构面模型选用层理产状为85°∠51°，缓倾节理302°∠21°，陡倾节理315°∠75°，较大的裂缝与软弱夹层也用结构面表示。模型与结构面划分如图4所示。

图4 滑坡模型图Fig.4 Landslide model diagram

图5 天然条件最大主应力分布图Fig.5 Distribution map of maximum principal stress under natural conditions

图6 库水条件最大主应力云图Fig.6 Maximum principal stress nephogram of reservoir water condition

由图5和图6可知，天然条件下的压应力主要分布在滑坡松动区之外。拉应力分布在滑坡体边界和滑坡体内部，滑坡内部的拉应力集中带呈平行状分布，并且在滑体后部和滑体中部的拉应力明显增强。库水条件下应力分布与天然条件下相比，滑坡前部出现拉应力，且拉应力值有所增加。这是因为天然状态下，岩土体内的天然应力以压应力为主，而滑坡内部的岩体受到滑坡的影响，力学性质与周围岩体有所差异，故在滑坡周围出现拉应力；在滑坡内部由于变形特征的不同，分为强变形区、弱变形区和松弛区，故在不同区块的分界位置处也会出现明显的拉应力增强，即对应数值模拟中滑坡中部和后部的拉应力明显带；在库水作用下，滑坡前缘的岩体性质变差，并在库水位下降期间会受到巨大的动水压力，前缘塌岸将出现倾倒变形，因此在库水条件的应力图中前缘出现明显的拉应力增强。

由图7和图8可知，天然条件下，滑坡的位移主要出现在滑坡的前部和中后部以及后缘位置；且前部以水平位移为主，中后部和后缘以竖向位移为主，滑坡前缘最大位移约4.1 cm。库水条件与天然条件下相比，前缘位移明显增加达到约14 cm，中后部的位移略有增加。因为该滑坡为牵引式滑坡，前缘水平位移后，后部受到前缘的拉张作用将出现沉降变形，故在数值模拟上呈现出前缘水平位移，后部竖向位移。坡前缘在库水的作用下，前缘的岩体力学性质变差，故变形增加，水平位移明显增加。在巨大的位移和高陡临空面的作用下，前缘的塌岸将倾倒破坏。

黄润秋[25]指出中国西部山区的岩质滑坡的破坏模式主要有：滑移-拉裂-剪断的三段式模式、挡墙溃决模式和“超级强夯”模式。根据模拟结果和分析可知，滑坡的变形是由前缘往后缘发育的，在库水条件下，前缘产生较大的位移，由于前缘有高达50 m的高陡临空面，前缘的塌岸将倾倒破坏；在前缘塌岸倾倒变形破坏后，前缘库岸先产生滑移，产生较大变形后，并在中后部形成拉裂缝，拉裂缝主要在高陡节理的基础上形成，并在后缘出现沉降变形；若继续在库水的反复作用下，滑坡变形将继续发育，滑体将逐步剪断，形成贯通的滑面，斜坡完全破坏。即“倾倒-滑移-拉裂-剪断”的变形模式。

2.4.2 变形历史分析

变形斜坡的发育过程是受库区水位升降变化控制的。其发育过程大致可划分为以下3个阶段。

1)水位变化

图7 天然条件x方向位移图Fig.7 Natural condition x direction displacement map

图8 库水条件x方向位移图Fig.8 Reservoir water condition x-direction displacement map

水库蓄水后，原来的天然斜坡前缘岩土体被库水淹没，使得前缘岩土体处于完全饱和状态。斜坡岩性主要为灰岩与泥岩的不等厚互层，其中灰岩节理发育，岩体破碎，灰岩饱水后岩体会发生两方面的变化：一方面，节理中的半固结充填物和胶结物饱水后软化或溶解，使得节理的物理力学性质降低；另一方面，库水渗入灰岩的微裂隙或孔隙中，溶解岩石中的方解石，使得灰岩孔隙度增加，含水率升高，如此往复，形成恶性循环，使灰岩的力学参数下降。斜坡上的泥岩成分以黏土矿物为主，薄层状构造，干强度本就较低，加之其具有遇水软化的特点，在饱水后，泥岩的力学特性也将显著降低。

库水水位下降后，前缘岩土体中的地下水反渗入金沙江中，这一过程将对前缘岩土体产生两方面的影响：其一，地下水渗流过程中将灰岩孔隙中的方解石溶液、节理裂隙中软化或溶解的充填物以及泥岩中溶解的矿物携带而去，使得岩石孔隙度增加、节理裂隙张开，岩体力学性质大幅变差；其二，库水水位的快速下降会使得斜坡受到巨大的动水压力，利于前缘坡体变形失稳。

总之，库水上升导致前缘坡体岩土力学性质下降，库水下降导致前缘坡体变形发育加剧，前缘塌岸的形成往往实在库水大幅下降的时候发生的。在水位数次升降循环后，前缘将形成大规模的塌岸。

2)前缘塌岸

已有研究表明反倾岩层的变形破坏以倾倒式为主。在库水往复的升降循环作用下，前缘塌岸呈规模性发育，其剖面上的形态受岩体结构面的控制，陡倾结构面往往形成后缘拉裂缝(如J1：319°∠74.7°)，中～低角度顺倾结构面往往形成滑移面(如J3：302°∠21°)，在产生位移后，岩体重心外移，将形成倾倒式破坏。

前缘塌岸形成后，将在原本塌岸的后缘形成高陡临空面，后部岩土体在前缘临空面的作用下将产生卸荷破坏，形成一系列卸荷裂隙，这些卸荷裂隙往往是在岩体原有节理裂隙的基础上发育形成的，在岩体内部表现为节理裂隙张开度变大，甚至低角度顺倾节理还会产生一定的错动，在地表则表现为一系列平行分布的拉张裂缝。

3)变形后移

在卸荷作用和前缘塌岸临空面的作用下，斜坡中后部将沿着高陡节理发育一系列平行分布的拉张裂缝。前缘库水位的反复变化和塌岸的进一步发育将使得中后部的岩体产生滑移，使得后缘拉裂、下错，拉张裂缝深度随之增加。随着库水反复涨落，中后部的滑坡的滑面将在地下水和降雨的作用下逐渐贯通，形成统一的滑面。当滑面贯通后，滑体将剪断失稳，破坏公路，威胁库区。

河口滑坡的变形是从前缘到后部逐渐发展的，斜坡在地质构造和库水作用的影响之下，最终形成一个规模较大的牵引式岩质滑坡。其变形模式也应为倾倒-滑移-拉裂-剪断。

3 结论

以溪洛渡水电站河口滑坡为例，通过地质测绘、勘察和数值模拟分析等手段，对溪洛渡水电站河口牵引式岩质滑坡进行变形特征和形成机制进行了综合分析，得到了如下结论。

(1)河口滑坡是在莲峰断裂破碎带中受库水作用下形成的大型深层岩质滑坡。

(2)滑坡地表变形明显，根据滑体各部变形特征的差异性和规律性，将滑坡分为强变形区、弱变形区和松弛区三部分。根据变形模式的不同，可将滑坡分为倾倒区、滑动区两个部分。

(3)根据数值模拟，滑坡前缘以水平位移为主，后部以竖向位移为主，即前缘将出现倾倒和滑移变形，后缘将出现拉裂变形。

(4)河口滑坡变形机理：节理裂隙发育岩层是变形的基础，高陡的地形、库水升降、强卸荷、强风化等是滑坡形成的主要影响因素。塌岸形成前缘临空，牵引中后部岩体滑移，并沿已有节理产生拉裂，在地下水等作用下滑面进一步贯通，滑体剪断失稳，即倾倒-滑移-拉裂-剪断模式。

根据该滑坡的形成机制、发育模式可知，该滑坡的发展趋势是由北向南发展的，虽然目前变形区后缘以南的斜坡整体是稳定的，但随着此变形斜坡的持续变形，且由于该滑坡滑动层位较深，必将导致后缘现状稳定斜坡产生高陡临空面，最终导致后缘现状稳定斜坡失去稳定性。因为莲峰-昭通断裂沿金沙江两侧发育，河口滑坡的产生不是特例，建议对溪洛渡库区，甚至对金沙江河段系列水电站库区进行地质调查，做到早发现、早治理。