岸坡消落带岩体劣化的新生型滑坡(崩塌)隐患演化模式研究*

张 鹏 张森林 黄波林 王 勋 郭 健 代贞伟 郑嘉豪 闫国强

(①三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室， 宜昌 443002， 中国)

(②三峡大学湖北长江三峡滑坡国家野外观测站， 宜昌 443002， 中国)

(③重庆市地质矿产勘查开发局107地质队， 重庆 401120， 中国)

(④中国地质调查局武汉地质调查中心， 武汉 433000， 中国)

(⑤中国地质大学(武汉)工程学院， 武汉 430074， 中国)

0 引 言

三峡水利枢纽工程是世界上最大的水利工程，三峡库区历来是地质灾害隐患较为集中的区域，库水位的变化造成库岸两侧岩体形成两条平行的岸坡消落带(刘春等， 2004)。消落带岩体在各种不利条件综合作用下劣化现象明显是库岸边坡较为脆弱的地方。劣化随着时间进一步加剧，极易诱发库岸边坡产生失稳破坏。如1961年湖南省的资水柘溪水库发生的顺层基岩滑坡(肖诗荣等， 2010)、2003年三峡库区秭归县千将坪滑坡(侯珍珠等， 2019； 李会中等， 2006a，2006b)、2008年的巫峡龚家方崩塌(黄波林， 2014)、2014年秭归县杉树槽滑坡(王鸣等， 2015)、以及箭穿洞危岩体的变形、破坏(张枝华等， 2018)等都与水库消落带岩体劣化相关(刘广宁等， 2017)。消落带的岩体劣化间接关系到库区广大人民生命及财产安全，因此查明岸坡岩体劣化形成的新生型滑坡(崩塌)的演化模式对水库岩质岸坡稳定性评价具有重要的意义。

在水库周期性涨落的条件下，一方面岸坡消落带岩体的孔隙水压会发生循环变化，另一方面周期性的干湿交替进一步加快了岩体的风化速度也加剧了岩体的风化程度，同时这种风化产生的效果会逐渐积累，也许前期的变化并不显著，但其影响是存在的，随着时间的推移损伤效应就可能会集中凸显出来，使边坡向着不稳定的方向发展(尹宏磊等， 2008； 邓华锋等， 2017)。

国内外许多专家和学者对库岸边坡岩体进行了大量研究。王灿等(2020)认为三峡库区神农溪段岩体劣化对地质灾害发育的影响愈发凸显，该段岩体劣化的表现形式为节理裂隙的发育，溶蚀凹腔和岩体表层剥落3种。王士天等(1997)认为在库水位波动及动水压力长期作用下，消落带岩体的稳定性会发生不同程度的降低。肖捷夫等(2020)认为库水涨落的越快滑坡产生的变形越大，且库水位下降造成的边坡变形远比库水上升带来的影响更加明显。刘广宁(2018)认为岩体在干-湿循环条件下强度和耐崩解性不断降低，内部结构会向着不稳定的方向发展，进一步表明了消落带岩体强度受库水影响明显。

闫国强等(2020)对三峡库区巫峡段灰岩岸坡岩体进行了多次的饱和-风干劣化试验，查明岩体强度劣化情况并建立了基于核衰变的劣化控制方程。Li et al. (2020)认为在干湿交替条件下岩体劣化，抗剪强度变化主要受控于水的润滑作用，主要表现在岩石摩擦角的变化。Sun et al. (2018)通过试验证明在含有碳酸盐/赤铁矿填充的岩样中，胶结物颗粒对岩体劣化有着显著作用。Gupta et al. (2007)认为碳酸盐岩的耐崩解性主要受控于岩石的密度，孔隙度和结构而与水的pH值没有直接的相关性。Huang et al. (2018)，Paronuzzi et al. (2013)，Miao et al. (2016)，Gutierrez et al. (2010)都发文说明了库水作用是影响岸坡失稳的重要因素。

以往对消落带岩体的研究多针对特定区域内岩体劣化与某些因素的相关性，对库区宏观上的总结与探讨较少，本研究通过大量野外观测资料和室内分析工作，系统总结了三峡库区秭归至巴东段岸坡消落带岩体劣化的类型以及滑坡隐患点的演化模式。为三峡库区岸坡预测预警与防治提供技术支持。

1 研究区岩体劣化发育现状

三峡库区秭归至巴东段岸坡是秭归县和巴东县长江主河道沿线，地处长江三峡腹地，由上游巴东流向下游秭归。区内地质构造复杂，九畹溪断裂、仙女山断裂，秭归向斜、黄陵背斜等地质构造的发育致使区内岩体结构极为破碎，是三峡库区地质灾害多发的生态功能区。区内岩性组合为泥岩、泥质页岩、泥质粉砂岩、碳酸盐岩及部分煤层和黏土层。通过对研究区岸坡消落带实地考查，区内岸坡消落带岩性为碳酸岩盐及碎屑岩，由西向东依次出露的地层为侏罗系(J)、三叠系(T)、二叠系(P)、石炭系(C)、泥盆系(D)、志留系(S)、奥陶系(O)、寒武系(∈)、震旦系(Z)、南华系(Nh)。区内除缺失志留系上统(S2)、泥盆系下统(D1)、石炭系上统(C2)和第三系(N)地层外，从前震旦系(Zt)至第四系(Q)地层均有出露，总体上以黄陵结晶岩为界，向东、西两侧地层逐渐变新。

三峡库区蓄水后，长江干流两岸均受有不同程度的劣化现象。在秭归至巴东峡谷段岸坡消落带岩体劣化现象明显，且不同区段劣化表现出显著差异性。根据野外调查与室内分析，研究区岸坡消落带岩体劣化主要表现为结构面松动、岩体断裂、岩体表面剥落、表层冲蚀溶蚀孔洞、机械剥蚀等。因此，根据地层岩性，岸坡结构以及破坏的方式将研究区消落带岩体劣化分为碳酸盐岩与碎屑岩两大类共计7种类型，碳酸盐岩类岩体劣化类型表现为溶蚀(潜蚀)型、裂缝显化与扩张型、机械侵蚀型； 碎屑岩类岩体劣化类型主要表现为松动(剥落)型、冲蚀(磨蚀)型、结构面崩解块裂型及软硬相间侵蚀型，如表1 所示。

表1 研究区岩体劣化类型统计表

长江左岸劣化带分区：L1→L88，共计88段劣化分段带； 长江右岸劣化带分区：R1→R81，共计81段劣化分段带，研究区共计劣化分段带169段。其中以松动/剥落型的劣化类型最为发育，左岸25处，右岸15处，共计40段，总长度为26.4km占总劣化区的22.5%。冲蚀/磨蚀型次之左岸16段，右岸11段，共计27段，总长度为15.3km占总劣化区的13.0%。其中左岸存在的滑坡(崩塌)隐患点有68处，占研究区左岸劣化区的77.3%，右岸存在的滑坡(崩塌)隐患点有54处，占研究区右岸劣化区的66.7%，共计122处滑坡(崩塌)隐患点，占研究区总劣化带的72.2%。劣化类型及滑坡隐患点的分布详细分布见图2。

图1 三峡库区秭归至巴东段地形地貌及沿长江主干道地质剖面概要图

图2 研究区岸坡消落带岩体劣化类型及隐患点分布图

2 研究区潜在滑坡隐患点发育特征及野外识别

2.1 碳酸盐岩类岸坡消落带岩体劣化的潜在滑坡隐患点发育特征及野外识别

2.1.1 基座碎裂压溃型崩塌隐患点发育特征及野外识别

基座碎裂压溃型潜在崩塌隐患点的地形大部分以陡坡为主，甚至是近直立岸坡。溶蚀/潜蚀致使岸坡消落带岩体中发育大量的沿节理裂隙和层面的溶隙、溶槽及不等规模的溶孔，使岸坡消落带岩体结构面急剧增多，岩体质量严重下降，形成卸荷作用致使上部极易出现卸荷裂隙，进一步发育形成危岩体地质灾害。

基座碎裂压溃型典型潜在崩塌隐患点发育特征如图3 所示。隐患点的岩层大多为缓倾构造、塔柱状岸坡结构，坡度较陡近直立，其发育特征受控于库岸的地形及地貌。部分潜在崩塌隐患点下部软弱基座轻微内凹，为危岩体的形成提供了临空条件。其次，在地质构造方面，研究区内岩体应力集中，坡体内部岩体挤压，构造裂隙发育且多为纵张性，应力越集中，裂隙的贯通性和张开度越好。再者，地层岩性方面，基座碎裂压溃型潜在崩塌隐患点岩性构成主体为泥质灰岩、灰岩； 顶部为白云岩、泥质灰岩； 基座为砾屑、砂屑灰岩，为接触式胶结，胶结物为泥钙质，且层间具条带状构造，为软弱夹层，极易被水淘蚀，上软下硬的岩性组合提供了危岩体的物质基础。

图3 基座碎裂压溃型潜在崩塌隐患点发育特征图(镜头方向NE20°)

2.1.2 基座掏空倾倒型崩塌隐患点发育特征及野外识别

基座掏空倾倒型崩塌隐患点的发育与研究区内碳酸盐岩类岸坡岩体发生的溶蚀/潜蚀及裂缝显化与扩张等劣化现象密切相关。在长期机械侵蚀和化学溶蚀作用下，消落带岩体结构面及其软弱层会进一步受损，机械冲刷会使节理裂隙进一步加宽变深，消落带上的岩体在自身重力作用下极易发生倾倒破坏，形成基座掏空型的潜在崩塌隐患点。

研究区内发育的基座掏空倾倒型崩塌隐患点主要以不稳定斜坡为主，少量发育潜在危岩体，其发育规模均较小，形态大多以簸箕形居多。其劣化程度受控于岸坡结构、岸坡地层岩性及内外动力条件等。研究发现消落带的岩体与非消落带的岩体相比劣化特征表现在岸坡消落带裂缝数量上增多，裂缝宽度普遍增大，裂缝迹长普遍增加，进而使结构面贯通。形成的典型潜在滑坡隐患点如图4。

图4 基座掏空倾倒型潜在崩塌隐患点发育特征图(镜头方向NE60°)

2.1.3 顺向滑移型滑坡隐患点演化与发育特征及野外识别

顺向滑移型潜在滑坡隐患点多以顺向、斜顺向岸坡为主，岩性以灰岩、白云质灰岩和白云岩等硬质岩为主，部分岸坡坡度较缓。这类滑坡隐患点浅表层岩体结构面发育，经常会出现结构面或裂缝变宽、变深的现象。在长期的库水位波动及内动力作用下，部分岸坡消落带岩体沿层面顺向滑移，落入江内。经野外调查与室内分析，这类岩体劣化为主的潜在滑坡隐患点以顺向滑移型潜在不稳定斜坡为主，典型的滑坡隐患点如图5。

图5 顺向滑移型潜在滑坡隐患点发育现状图(镜头方向NW20°)

2.2 碎屑岩类岸坡消落带岩体劣化的潜在滑坡隐患点演化与发育特征及野外识别

2.2.1 软硬相间坍(崩)塌型滑坡隐患点识别与发育特征及野外识别

软硬相间坍(崩)塌型滑坡隐患点发育规模主要以小型为主。其发育特征与岸坡消落带的地层岩性及内外动力条件密切相关。当碎屑岩类岸坡消落带以软岩(泥页岩)和硬岩紫红色砂岩交替出露时，泥页岩作为夹层遇水极易发生软化，在动水作用下发生掏空剥蚀，致使薄至中厚层的砂岩沿着层面发生脱落，从而使岸坡岩体劣化。长期的水动力作用使软岩进一步软化，硬岩层失去支撑作用被迫开裂，形成次生节理，当垂直于岩层层面的节理裂隙贯通后，逐渐形成多条平行于坡面或垂直于岩层走向的卸荷裂隙，进而演化为潜在滑坡隐患点。这类滑坡隐患点主要受控于消落带软硬相间岩性的碎屑岩岸坡结构，其演化为灾害的类型主要以坍(崩)塌为主如图6。

图6 软硬相间坍(崩)塌型滑坡隐患点发育现状图(镜头方向SE60°)

2.2.2 视倾向楔形滑动型滑坡隐患点演化与发育特征及野外识别

视倾向楔形滑动型滑坡隐患点的地质灾害类型以不稳定斜坡为主。其发育的消落带岸坡结构为顺向、斜顺向。岩性多以软硬相间岩层为主。软岩在库水位波动下，发生软化，在长期的水动力作用下，产生冲蚀磨蚀、松动剥落、结构面崩解块裂等碎屑岩类岩体劣化现象。软岩及崩解的块体在水位波动和浪蚀作用下极易被冲刷搬运走，留下大量冲蚀孔洞，进而形成卸荷裂隙及后缘拉张裂缝。前缘硬岩层逐渐形成临空面，且极易发育两组深切岩层的节理裂隙，致使坡体逐步形成与原岩分离的楔形体，发生卸荷作用后，上部坡体逐渐失稳，形成楔形滑面，在自身重力作用下逐步贯通软弱层形成滑带，从而发生楔形滑动。典型视倾向楔形滑动型潜在滑坡隐患点的发育现状如图7。这类滑坡隐患点的失稳演化过程主要表现为岩层结构面发生开裂-结构面贯通-楔形面形成-滑移。

图7 视倾向楔形滑动型滑坡隐患点发育现状图(镜头方向NE45°)

2.2.3 顺向滑移型滑坡隐患点演化与发育特征及野外识别

顺向滑移型滑坡隐患点岩性以泥质砂岩及泥页岩互层为主，在顺向、斜顺向岸坡中，软岩遇水极易发生软化卸荷，在水流淘蚀和自身重力作用下硬岩即沿层面发生向下滑动、剥落，从而形成岸坡岩体劣化现象，进一步发育即会形成潜在顺向滑移型滑坡隐患点。这类隐患点主要发育于松动/剥落型的碎屑岩类岸坡岩体劣化带中，发育的地质灾害类型以不稳定斜坡为主，以小规模为主。岸坡结构多以顺向、斜顺向岸坡为主，且多伴随着软硬相间岩层，软岩在库水位波动下，发生软化，硬岩层形成卸荷作用后，沿着节理面发生开裂-松动-滑移等现象。通过野外实地调查与室内航遥数据对比分析，顺向滑移型滑坡隐患点主要表现特征为坡面有大小不均的块体，以紫红色砂岩为主，可见冲蚀孔洞，节理贯通性好，坡体岩性大部分为薄层-厚层砂岩夹薄层泥页岩，坡面局部可见第四系堆积物，部分硬岩块体有沿层面向下滑动的趋势。典型碎屑岩类顺向滑移型滑坡隐患点发育现状如图8。

图8 顺向滑移型滑坡隐患点发育现状图(镜头方向NW30°)

2.2.4 逆向倾倒型滑坡隐患点发育特征及野外识别

逆向倾倒型滑坡隐患点与冲蚀/磨蚀型、结构面崩解块裂型的碎屑岩类岸坡岩体劣化及岸坡岩性、结构密切相关。研究区内大量出露砂岩夹泥页岩互层，泥页岩作为岸坡中的软弱层，其遇水极易发生软化，在水流淘蚀作用下发生掏空剥蚀，致使中厚层的砂岩沿着原生结构面发生崩解块裂，从而使岸坡岩体发生结构面崩解块裂型劣化现象。长期的库水位波动及水动力作用下，软岩(泥页岩)软化并随水流被冲刷搬运，留下大量冲蚀/磨蚀孔洞，为硬岩层提供了形成潜在不稳定斜坡的必要条件——临空面，在结构面崩解块裂作用下，硬岩层(如中厚层的砂岩)发生开裂，形成次生节理(垂直于层面的结构面逐渐发育)，逐步贯通，进而使岩体发生卸荷作用，产生剥落掉块、倾倒等现象。大部分岸坡结构为逆向岸坡，坡体岩性主要为砂岩夹泥页岩。典型逆向倾倒型潜在滑坡隐患点发育现状如图9 所示。

图9 典型逆向倾倒型潜在滑坡隐患发育现状图(镜头方向NE20°)

3 研究区岩体劣化的潜在滑坡隐患点演化模式

根据研究区岸坡消落带岩体劣化类型的调查与分析结果，结合结构面发育特征，岸坡结构，岩性结构及边界特征系统总结了以下几种潜在岩体劣化的新生型滑坡(隐患)灾害演化模式。

3.1 碳酸盐岩类岸坡消落带岩体劣化的潜在滑坡隐患点演化模式

3.1.1 基座碎裂压溃型

基座碎裂压溃型演化模式潜在崩塌隐患点以溶蚀潜蚀、裂隙扩展型为主，大型结构面/控制性结构面发育形成边界，岸坡结构多为逆向岸坡或平缓层状岸坡，岩体结构类型大多为块状结构或层状结构或碎裂结构或散体结构或软硬相间结构。这类潜在滑坡隐患点的基座发育了大量溶沟、溶槽、溶隙及溶洞，在降雨或其他外力作用触发下，稳定性较差的岩体将会沿着溶蚀裂隙和卸荷裂隙逐渐解体，进而发生坍(崩)塌或滑坡等地质灾害。概化模式示意图如图10 所示。

图10 基座碎裂压溃模式

3.1.2 基座掏空倾倒型

基座掏空倾倒型演化模式的潜在崩塌隐患点岩体劣化类型以裂缝显化与扩张型、机械冲刷为主，大型外倾或陡立结构面/控制性结构面发育，岸坡结构多为逆向岸坡或平缓层状岸坡。基座岩体在库水长期的浸泡和淘蚀作用下，软弱的岩体发生软化、泥化最后被水流带走，导致基座被掏空，形成形状不一的侵蚀裂隙和侵蚀凹腔，裂隙和凹腔形成使岩体下部整体性遭到破坏，难以承受上部岩体的重量，在水位消退后，失去了水的侧向压力，岩体上部就产生了拉张裂隙，一旦形成了江水涌进岩体内部的通道，这种劣化类型就会进一步加速发育，当拉张裂隙进一步发育贯通后消落带岸坡就会发生局部坍(崩)塌破坏。概化模式示意图如图11 所示。

图11 基座掏空模式

3.1.3 顺向滑移型

顺向滑移型演化模式的潜在滑坡隐患点岩体劣化类型主要为溶蚀潜蚀型、裂缝显化与扩张和机械侵蚀型，岸坡结构多为顺向岸坡或斜顺向岸坡，层面发育在长期的库水位波动下，发生冲蚀、淘蚀。碳酸岩盐类岸坡会发生溶蚀潜蚀等溶蚀作用，长年累月顺向层面被掏空，逐步发育大量沿层面和垂直于层面的节理裂隙，完整的岩体被新生的垂直于层面的裂隙切割，被裂隙切割的岩体或者局部失稳岩体在自身重力及浪蚀等作用下发生沿层面向库区滑动。主要发生在顺向和斜顺向的岩质岸坡区域。概化模式示意图如图12 所示。

图12 顺向滑移型模式

3.2 碎屑岩类岸坡消落带岩体劣化的潜在滑坡隐患点形式

3.2.1 软硬相间坍(崩)塌型

软硬相间坍(崩)塌型演化模式的潜在滑坡隐患点岩体劣化类型主要为软硬相间侵蚀型。随机结构面发育，岸坡结构多为顺向岸坡或斜顺向岸坡或逆向岸坡，岩体结构类型大多为层状软硬相间结构。坡体内的软岩(泥页岩)在长期的库水位波动下，发生软化卸荷，层间的硬岩(砂岩)发生断裂破碎，节理裂隙逐步发育，逐渐形成贯通的垂直层面的卸荷裂隙。主要发生在岩质软硬相间的岸坡的较陡区域。概化模式示意图如图13 所示。

图13 软硬相间坍(崩)塌模式

3.2.2 视倾向楔形滑动型

视倾向楔形滑动型演化模式的潜在滑坡隐患点岩体结构类型大多为层状结构，在长期的库水位作用下，视倾向岸坡消落带岩体(粉砂岩和泥岩)在水位变动条件和周期性干湿交替环境下极易发生强烈劣化。坡体前缘的抗滑体发生岩体劣化后，后缘逐渐形成两个滑面(相交的楔形滑面)，滑坡体在楔形滑面逐渐贯通后，底部沿着软弱面(带)向库区发生整体楔形滑移，进而发生滑坡灾害。如2019年12月10日研究区内发生的秭归县卡门子湾滑坡，该滑坡即为视倾向楔形滑动。概化模式示意图如图14 所示。

图14 视倾向楔形滑动模式

3.2.3 顺向滑移型

顺向滑移型潜在滑坡隐患点岩体劣化类型主要为冲蚀磨蚀型、结构面崩解块裂型，大型结构面/控制性结构面发育，岸坡结构多为顺向岸坡或斜顺向岸坡，岩体结构类型大多为层状结构，含软弱层。顺向滑移型潜在滑坡隐患点岸坡表面全风化和强风化岩体在库水作用下，不断地被搬运带走，发生呈缓慢后退的冲刷剥蚀破坏，岸坡表层岩体沿层面发生向库区滑移，使得岸坡消落带形成不稳定斜坡。这是研究区内较典型的新生型碎屑岩类滑坡(隐患)演化模式。主要发生在研究区岩质岸坡的强风化带其概化模式示意图如图15 所示。

图15 顺向滑移模式

3.2.4 逆向倾倒型

逆向倾倒型演化模式的潜在滑坡隐患点岩体劣化类型主要为软硬相间侵蚀型、松动剥落型、结构面崩解块裂型，大中型结构面/控制性结构面发育或追踪性大型结构面发育，岸坡结构多为逆向岸坡，岸坡岩体结构类型大多为层状结构或碎裂结构。长期的库水位波动与水流作用，逆向岸坡消落带岩体发生强烈的岩体劣化，其劣化原理和碳酸岩类的基座倾倒型类似，拉张裂隙开始后逐渐形成贯通的垂直于层面的卸荷裂隙，卸荷裂隙使局部较陡的区域先发生破坏，接着失稳范围不断扩大使整个岩体向库区坍(崩)塌倾倒。主要发生在碎屑岩类岸坡的较陡区域。概化模式示意图如图16 所示。

图16 逆向倾倒模式

4 结 论

针对三峡库区秭归至巴东段岸坡消落带岩体劣化产生的新生型滑坡(崩塌)隐患的演化模式进行研究，得到了以下结论：

(1)通过对研究区多期次的野外调查，根据岸坡消落带岩体劣化发育特征将岸坡消落带进行了劣化分段共计169段，其劣化类型主要为碳酸盐岩(3小类)与碎屑岩(4小类)，其中碳酸盐岩类岩体劣化类型主要为溶蚀(潜蚀)、裂缝显化与扩张、机械侵蚀； 碎屑岩类岩体劣化类型主要为松动(剥落)、冲蚀(磨蚀)、结构面崩解块裂及软硬相间侵蚀，在此基础上发现了122处滑坡(崩塌)隐患点。

(2)通过对研究区典型岸坡消落带岩体劣化类型与滑坡(崩塌)隐患发育特征分析，总结了新生型滑坡(崩塌)隐患演化模式。碳酸盐岩类岸坡消落带发育的新生型滑坡(崩塌)隐患演化模式主要为基座碎裂压溃、基座掏空倾倒和顺向滑移； 碎屑岩类的主要为软硬相间坍塌、视倾向楔形滑动、顺向滑移和逆向倾倒。

(3)通过对研究区岩体劣化模式的研究，厘清了研究区内岩体劣化的类型与对应滑坡隐患演化模式的关系，可为三峡库区岸坡长期稳定性提供科学依据。