三峡库区某滑坡岩溶角砾岩特征及成因分析

高 健， 陈 浩， 邱志刚， 李冬冬， 王寺响， 高志林

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010; 2.巫山县三峡水库生态建设有限责任公司，重庆 巫山 404700； 3.长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010)

2015年6月，三峡库区某库岸斜坡发生较大规模滑坡。该滑坡位于三峡库区核心部位，规模属中型，滑坡产生涌浪造成了人员伤亡，产生了较大社会影响，同时也受到地质工作者的关注。在对其成因机理、稳定性分析等研究中，存在着对原有斜坡物质组成认识上的差异，特别是有关深厚破碎物质的认识。部分学者认为其由三叠系下统嘉陵江组(T1j)灰岩溶蚀风化而成的残坡积与崩坡积层组成，因此该滑坡为土质滑坡；部分学者则认为其是由灰岩受构造与溶蚀影响形成的破碎岩体，为溶塌型岩质滑坡。

在该滑坡区域，已存在不同性质不同规模的各类滑坡，如秀峰寺[1]、王家屋场[2]、玉皇阁[3]、翠屏小区[4]、二郎庙[5]、神女小区[6]及邓家屋场[7]等。张家桂[1]认为秀峰寺、王家屋场、翠屏小区及二郎庙等滑坡主要由灰岩、泥灰岩在溶蚀作用下碎化、泥化而形成；而玉皇阁崩滑变形体则为崩坡积碎块石土与碎块石组成，为崩滑型土质滑坡。此外，苏爱军等[8]将分布于滑坡区域的三叠系中统巴东组(T2b)与三叠系下统嘉陵江组第四段(T1j4)散体状、碎裂状岩体统称为破碎岩体。

为了查明该滑坡的物质组成，笔者从该破碎岩体(由于尚未明确该物质的成分，暂以破碎岩体定名，以下同)的微观与宏观特性上入手，分析其岩性、性状特征及其成因，对三峡库区嘉陵江组岩溶角砾岩有了较深入的认识，可为三峡库区地质灾害防治提供参考。

1 基本地质条件

1.1 地形地貌

该滑坡位于长江左岸(北岸)，为Ⅰ级阶地与低山过渡地带，整体上陡下缓，地面高程120～330 m，高差约210 m。滑坡前缘为Ⅰ级阶地，位于库水位以下，地面高程120～135 m，地形坡度一般<15°，相对平缓；中后缘为一北西倾向的斜坡，地形坡度一般33°～52°，高程260 m以上略缓。

1.2 地层岩性

滑坡区主要分布有第四系冲坡积层(Qal+dl)、滑坡堆积层(Qdel)、崩坡堆积层(Qcol+dl)、残坡堆积层(Qel+dl)及嘉陵江组第四段。第四系覆盖层岩性主要为碎块石土、碎石土及黏性土夹碎石，厚度变化大，一般为2～15 m。嘉陵江组第四段基岩为灰岩、白云质灰岩夹泥灰岩，厚约200 m。

1.3 地质构造

滑坡区以褶皱构造为主，位于Ⅱ级构造复式向斜核部与南翼的转折部位，即长梁子侧转背斜核部偏北西翼，分布岩层为嘉陵江组第四段碳酸盐岩，地层产状310°～350°∠30°～70°，倾角变化较大(图1)。

1.4 水文地质

滑坡区地下水类型主要为松散介质孔隙水与岩溶水，其中松散介质孔隙水主要赋存于滑坡体、崩坡积层、残坡积层中,岩溶水赋存于三叠系下统嘉陵江组第四段灰岩溶蚀孔隙、裂隙及岩溶通道中。地下水具交替快、水位变化大的特点。地下水主要来自大气降雨，沿低凹坡面及土体孔隙及岩溶孔洞、溶隙下渗，最终汇入三峡水库，库水位为该区最低排泄基准面。

1.5 岩溶

滑坡区分布的地层为嘉陵江组第四段灰岩、白云质灰岩等可溶岩，根据钻孔揭示，灰岩、白云质灰岩中分布有大量溶蚀洞隙，洞隙铅直高度一般为0.1～1.2 m，大者达4.9 m，洞隙面多起伏不平，充填以粉质黏土为主，少量为粉质黏土夹碎石与碎石土，局部充填钙华或方解石脉。钻孔遇洞率为43.3%，线岩溶率为12.7%，指示该区为强岩溶发育区[9]。

2 破碎岩体宏观与微观特征

2.1 宏观特征

滑坡区主要为灰—黄灰色破碎岩体，局部分布少量粉晶与细晶灰岩，整层厚约120 m(图2)。

破碎岩体多呈散体结构，均不成层，根据胶结程度分为胶结差与胶结好两类。胶结差一类呈黄灰色，以泥质胶结为主，钻孔岩芯多呈碎块状、碎碴状，局部具塑性(图3-a)。胶结好一类呈灰—黄灰色，以泥钙质胶结为主，钻孔岩芯多呈碎块状、短柱状(图3-b)。破碎岩体整体厚度大，单层一般为2～12 m不等，局部厚达49 m，分布不连续，变化大，局部呈透镜状，多夹灰岩夹层。

直到现在我仍无法理解，村里人还有我的父辈们，为什么会在大刀挥向那两棵古樟时选择点头？也许它们当初卖了个好价钱，也许根本就没有。

图1 滑坡区褶皱构造剖面图Fig.1 Profile of fold structure in landslide area

图2 滑坡物质典型断面图Fig.2 Typical section diagram of landslide substances

图3 破碎岩体钻孔岩芯照片Fig.3 Rock core photos of broken rock mass

根据孔内电视成像与岩石成分分析，两类破碎岩体具有不同的特征。胶结差一类为泥晶结构，角砾状构造，角砾含量约55%～75%，砾径2～25 cm不等，呈棱角状；基质主要为泥质，含量约20%～40%，变化大，其余为铁泥质与石英(图4)。胶结好一类为砾屑结构，角砾状构造,角砾成分主要为泥晶灰岩，含量约60%～80%，砾径2～20 cm不等，呈棱角状；基质主要为亮晶方解石，含量约10%～30%，其余为铁泥质与溶蚀孔洞(图5)。

图4 胶结差破碎岩体孔内电视成像照片Fig.4 TV imaging photos in the drilling of broken rock mass with poor cementation

图5 胶结好破碎岩体孔内电视成像照片Fig.5 TV imaging photos in the drilling of broken rock mass with well cementation

2.2 微观特征

为研究其微观特征，对滑坡区破碎岩体进行了岩石矿物镜鉴，部分成果照片见图6。通过镜鉴成果分析，破碎岩体具微晶结构，溶蚀角砾状构造，溶蚀多孔状，可见碎屑角砾。

碎屑角砾由灰岩或白云质灰岩角砾与粗晶屑组成。灰岩或白云质灰岩角砾含量约20%,角砾大小2～5 mm，呈次棱角状—棱角状，少量次圆状，角砾由粒径0.005～0.02 mm之间的微晶白云石组成。白云石具高级白干涉色，晶粒间紧密镶嵌接触，零散均匀分布。此外，角砾边缘多见浅褐色铁泥质分布。粗晶屑含量约4%，大小2～6 mm，呈半自形粗粒状，具高级白干涉色，解理发育，多聚集呈砾屑零散分布，微裂隙中可见方解石细脉分布。

图6 破碎岩体岩矿鉴定照片Fig.6 Mineral identification photo of broken rock mass

基质具微晶结构、砾屑结构和溶蚀角砾状构造，主要由微粉晶方解石、微晶白云石、热液石英、铁泥质组成。微粉晶方解石含量约40%，粒径大小0.01～0.05 mm，呈他形微细粒状，具高级白干涉色，遇茜素红试剂染红色，零散分布在白云石晶粒间隙中，或呈集合体细脉状分布在白云石集合体微裂隙中，或沿白云石粗晶屑裂隙分布，可呈团粒状充填分布在溶蚀空洞中。微晶白云石含量约30%，粒径大小0.005～0.03 mm，呈不规则微细粒状，具高级白干涉色，零散分布在角砾屑间隙中，白云石集合体中常见溶蚀空洞。热液石英含量约1%，粒径大小0.02～0.10 mm，呈半自形或他形细粒状，具一级灰白干涉色，具溶蚀港湾状边缘，零星分布在白云石集合体空隙中。铁泥质含量约5%，粒径大小0.001～0.02 mm，呈不规则微细粒状或粉尘状，浅褐色，或呈不规则纹带状分布，或围绕砾屑边缘分布。

2.3 综合判定

岩溶角砾岩是在成因上与碳酸盐岩密切相关的一种角砾岩，是碳酸盐岩在地表或近地表次生作用的产物。当碳酸盐岩出露于地表或近地表时，受地表水或地下水溶解淋失，其顶底板因失去支撑而塌陷、崩解、碎裂，往往经再度胶结形成岩溶角砾岩。通过以上对滑坡区破碎岩体的分析，认为该破碎岩体整体厚度大、规律性差、存在泥钙质胶结，宏观和微观特征与乌江某电站嘉陵江组第四段岩溶角砾岩[10]、鄂西清江下游古岩溶角砾岩[11]相近，应为岩溶角砾岩，而非崩坡积或残坡积土体，因此该滑坡为岩质滑坡。

3 岩溶角砾岩性状特征

3.1 化学成分

根据滑坡区岩溶角砾岩化学成分分析结果(表1)来看,岩溶角砾岩成分以CaO为主，含量34.32%～43.22%，次为MgO(含量10.97%～18.32%)和SiO2(含量12.75%～17.75%)。

3.2 矿物成分

根据滑坡区岩溶角砾岩矿物成分分析结果(表2)来看,岩溶角砾岩中角砾以泥晶灰岩内碎屑或方解石为主，含量50%～75%；次为白云岩角砾，含量约20%；基质(胶结物)以微粉晶方解石或白云石为主，含量30%～40%；部分以泥质为主，含量约18%；部分存在溶蚀孔洞，一般占3%。

表1 某滑坡岩溶角砾岩化学成分分析成果表(%)Table 1 Results of chemical composition of a karst breccia in a landslide

表2 某滑坡岩溶角砾岩矿物成分分析成果表(%)Table 2 Results of mineral composition of karst breccia in a landslide

3.3 胶结程度

3.4 岩体完整性

该滑坡区岩溶角砾岩多呈散体结构或碎裂镶嵌结构，岩体完整性差，一般为破碎—较破碎。胶结差一类岩溶角砾岩的波速值一般为1 400～2 000 m/s；电阻率低，多为50～160 Ω·m；一般完整性系数Kv<0.15，岩体完整性等级为破碎[12]。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)[13]，岩体类型为Ⅳ类。胶结好一类岩溶角砾岩的波速值一般为1 900～3 200 m/s；电阻率低，多为160～220 Ω·m；一般完整性系数Kv=0.10～0.30，岩体完整性等级为破碎—较破碎。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)[13]，岩体类型为Ⅳ-Ⅲ类。

3.5 物理力学性质

根据现场原位大容重试验、剪切试验、动探试验及注水试验结果，岩溶角砾岩的物理力学性质差异大。

胶结差一类岩溶角砾岩的天然含水率为5.85%～6.23%，天然重度为23.9～24.1 kN/m3，孔隙率为15.20%～15.74%，天然单轴抗压强度为2～3 MPa，饱和抗压强度为1～2 MPa，软化系数为0.57～0.58，天然抗压强度标准值为2 MPa，饱和抗压强度标准值为1 MPa，饱和内摩擦角φ=27°，内聚力c=57 kPa，岩体破碎，为极软岩。

胶结好一类岩溶角砾岩的天然含水率为4.34%～4.75%，天然重度为24.4～24.6 kN/m3，孔隙率为12.09%～12.81%，天然单轴抗压强度为8～10 MPa，饱和抗压强度为5～7 MPa，软化系数为0.64～0.65，天然抗压强度标准值为9 MPa，饱和抗压强度标准值为6 MPa，饱和内摩擦角φ=33°，内聚力c=110 kPa，岩体破碎—较破碎，为软岩。

岩溶角砾岩渗透系数一般为1.15×10-4～3.70×10-2cm/s，具中等透水性。

3.6 影响因素

一般来说，多期次的强烈构造运动是岩溶角砾岩形成的决定因素。破碎岩体形成后，卸荷松动、风化作用与溶蚀作用加大了破碎岩体的破碎程度，同时使破碎岩体的工程地质性质更差[8]。岩溶发育程度决定了岩体溶蚀与胶结程度，并决定了塌陷的规模，而岩性决定了原岩体的CaO含量，从而对原岩体的可溶性产生影响。

本滑坡区处于川鄂湘黔隆起褶皱带之西北部，西临川东褶皱带东缘，具有两大构造体系交接带的复合特征，构造复杂，受多期构造影响，原岩体受挤压、褶曲，结构受到不同程度的破坏，完整性较差且差异大。嘉陵江组第四段灰岩、白云质灰岩CaO含量38.19%～53.32%，MgO含量0.98%～3.91%，CaO与MgO含量之比为9.8～54.4，CaO与MgO含量相差较大，CaO含量高，岩石易溶，可溶性较强；但局部夹泥灰岩或泥质灰岩，泥质含量高，方解石含量相对较低，其可溶性较差。因此，本滑坡区岩溶角砾岩呈现完整性、胶结物质、矿物成分、工程性质差异大的特点。

4 岩溶角砾岩成因分析

岩溶角砾岩主要由可溶岩在构造破碎、岩蚀塌陷、淋滤或渗流胶结等作用下形成。

燕山运动期间，以SN向水平挤压为主的区域构造应力使三峡库区沉积盖层沿基底发生滑移，导致沉积盖层大面积褶皱和破裂。嘉陵江组第四段薄—中层状白云质灰岩、灰岩、泥灰岩强度差异大，且夹持于上部巴东组第二段软岩与下部嘉陵江组第三段—二叠系硬岩(能干层)之间，构成了由嘉陵江组第四段和巴东组第一段组成的区域上的主滑脱层位，使岩体变得非常破碎。挽近期以来，包括三峡库区在内的川东鄂西广大地区主要表现为区域性间歇式整体隆升，断裂、裂隙普遍表现为张性特征，斜坡卸荷裂隙极为发育。

当长江与支流河道在滑坡区交汇，进入峡谷侵蚀时，地层逐渐暴露地表并产生卸荷松动，节理裂隙逐渐张开，岩体风化作用加剧，地下水循环加快，且伴随岩溶作用。随着地壳阶段性抬升，长江不断下切，风化及碳酸盐岩的溶蚀更加强烈，岩体更加破碎。

滑坡区嘉陵江组第四段可溶岩受多期构造、风化及溶蚀作用影响，岩体破碎、渗透性强。滑坡区为低山斜坡，距地面高程120～330 m，与蓄水前长江水位高差大，地下水水位较低、渗流快，因此岩溶发育，溶蚀强烈，形成溶蚀孔洞，带走部分可溶物。当孔洞发育到一定规模后，顶部失去支撑，产生塌陷，破碎角砾与地表土体松散堆积于溶蚀孔洞内。地下水淋滤下渗，将地表泥质、泥灰岩中的泥质及可溶岩钙质带入溶蚀孔洞内，对溶塌角砾产生反复胶结，从而形成了具滑坡区特征的岩溶角砾岩。因此，滑坡区的岩溶角砾岩除受构造作用外，主要受岩溶塌陷与淋滤胶结综合作用形成。

5 结论

(1) 该滑坡破碎岩体为岩溶角砾岩，化学成分以CaO为主，次为MgO或SiO2；角砾以泥晶灰岩内碎屑或方解石为主，基质(胶结物)以微粉晶方解石或白云石为主，部分以泥质为主。

(2) 岩体整体胶结程度较差，部分呈未胶结状。

(3) 岩体完整性差，一般为破碎—较破碎，边坡岩体类型为Ⅳ-Ⅲ类。

(4) 岩体多为软岩—较软岩，一般具中等透水性。岩溶角砾岩的不均一特征与多期构造作用、岩溶作用及岩性有关，除受多期构造作用影响外，主要受溶塌与淋滤共同作用的影响。