黄河上游地质环境的演化与崩滑体成因探讨.pdf

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2 0 3 第 2 期 卷牗 V o l u m e) 2 6 , 期( N u m b e r)2 , 总牗 S U M牘 9 3 页牗 P a g e s)2 0 3~ 2 0 6 , 2 0 0 2 , 6(J u n . , 2 0 0 2 ) 大 地 构 造 与 成 矿 学 G e o t e c t o n i ce t M e t a l l o g e n i a 黄河上游地质环境的演化与崩滑体成因探讨 刘唐生, 王生力 ( 石家庄经济学院,河北省 石家庄0 5 0 0 3 1) 摘要 黄河上游水流湍急, 水量丰沛。利用水能资源所规划和兴建的梯级电站, 大多座落在黄河上游的高山峡谷 区。这些区段地势高陡, 崩滑体分布广泛, 是我国崩滑灾害的多发区段。一旦坝前失稳, 将会造成难以弥补的损失。 本文从地质环境演化的观点出发, 对崩滑体的成因进行了较为深入的探讨, 并对其稳定性进行了初步评价。 关键词 地质环境; 崩滑体; 黄河上游; 稳定性 中图分类号 P 6 4 2 . 2 1 / 2 2文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 - 1 5 5 2 牗 2 0 0 2 牘 0 2- 2 0 3- 0 4 收稿日期牶 2 0 0 2- 0 2- 1 6 牷改回日期牶 2 0 0 2- 0 5- 作者简介牶 刘唐生牗 1 9 4 8-牘 , 男, 硕士, 副教授, 主要从事地质工程专业的教学与科研 . 黄河上游龙羊峡至青铜峡河段全长 9 1 8k m , 河 段内谷川相间, 山峻河窄, 水流湍急, 水量充沛稳定, 该河段天然落差 1 3 2 4m 。 河段内各坝址具有优越的 水电开发条件和技术经济指标。目前规划的十五个 梯级水电站, 总装机容量 1 3 6 9 . 6 万千瓦, 年发电量 5 0 0 亿度。这十五个水电站大坝座落于黄河的高山 峡谷区, 是我国崩滑灾害多发区。 特别是刘家峡至龙 羊峡的各峡谷中分布有数十个巨大的岩质滑坡体。 这些滑坡体的方量都在百万立方米以上,其中 “ 多 左” 、 “ 多右” 等滑坡体的方量达一亿立方米犤 1 9 8 8 , 曹 树祥, 等犦 。 显然, 这些滑坡体的稳定性与水电站的安 全运行密切相关,一旦失稳将会造成难以弥补的损 失。因此, 深入分析研究它们形成的地质环境, 掌握 规律, 对其有针对性地制定整治措施, 将起到重要的 指导作用。 1 地质环境概述 1 . 1岩性特征 龙羊峡至青铜峡之间, 峡谷与盆地相间出现, 出 露的岩性迥然不同。 在盆地内, 普遍以三叠系浅变质 砂岩、 板岩, 自垩系砂岩、 砂砾岩, 第三系红色粘土 岩、 砂岩、 砂砾岩和第四系松散堆积物为主。峡谷区 则以变质较深的结晶板岩、 斜长片岩、 片麻岩, 并因 后期岩浆活动而产生的混合岩为主。局部出露有中 酸性熔岩和火山碎屑岩。各峡谷区的主要出露岩性 详见表 1 。 1 . 2区域地质构造与地应力 从大的构造单元来讲, 龙羊峡处于青藏“ 夕” 字 型与河西系复合部位, 阿什贡、 松巴、 李家和公伯各 峡, 位于祁吕贺兰“ 山” 字型前弧西翼与河西系复合 部位。N WW向的南山、拉脊山、拉马山褶皱带与 N N W向的河卡山,瓦里贡山、松巴、公伯隆起带衔 接。 构造复杂, 断裂相当发育, 各种断裂纵横交错, 构 成了多方向的构造格架, 易于形成复合滑面, 为崩滑 体的发育提供了有利的结构面条件。 区域内现今最大水平主压应力方向为北北东至 北东向, 并且由西部向东部逐渐偏转的趋势。 在电站 坝址区实测地应力值龙羊峡 9 ~ 1 0M P a , 拉西瓦 2 3 M P a , 坡脚处达 5 5M P a , 李家峡 1 0M P a 以上。如此 之高的地应力,为崩滑体的发生和发展造成了不可 逆转的环境。 1 . 3新构造运动与地震 区内的新构造运动迹象是明显的,尤其是挽近 期以来更为显著。主要表现形式有 (1)地貌上呈断陷盆地与高耸隆起的山岳相间 分布的景观。 第 2 6卷2 0 4大地构造与成矿学 表1黄河上游各峡谷区主要岩性分布表 T a b l e 1 D i s t r i b u t i o no f m a i nr o c k s o f v a r i o u s g o r g e s o n u p p e r r e a c h e s o f t h e Y e l l o wR i v e r 峡谷名称位置主要岩性 龙羊峡青海共和变质砂板岩、 花岗岩、 花岗闪长岩 拉西瓦青海贵德变质砂板岩、 印支期花岗岩 李家峡青海化隆斜长片岩、 片麻岩、 混合岩、 红色砂砾岩 公伯峡青海循化混合片麻岩、 红色砂砾岩 积石峡青海循化红色砂砾岩、 砂岩、 混合片麻岩 寺沟峡青海甘肃交界角闪斜长片麻岩 刘家峡甘肃永靖云母石英片岩、 片麻岩 盐锅峡甘肃永靖红色砂岩、 砂砾岩 八盘峡甘肃兰州砂岩与页岩互层 小峡甘肃皋兰石英云母片岩、 片麻岩 大峡甘肃皋兰石英云母片岩、 片麻岩 乌金峡甘肃靖远斜长花岗岩 小观音甘肃景泰变质石英砂岩 大柳树宁夏中卫变质石英砂岩夹千枚岩 青铜峡宁夏青铜峡石灰岩、 砂页岩 表2黄河李家峡段各级阶地基本特征表 T a b l e 2 T h e b a s i c f e a t u r e o f v a r i o u s t e r r a c e s i nL i j i a x i a 级别 阶地高程 高出河水位(m) 基座顶面高程 高出河水位(m) 各阶地间的上 升幅度(m) 阶地长度 阶地宽度(m) Ⅰ 2 0 5 8 ~2 0 6 0 8 ~1 0 8 0 1 0 Ⅱ 2 0 7 5 ~2 0 8 2 2 8 ~3 3 2 0 7 5 ~2 0 7 6 2 7 ~2 8 1 7 3 0 0 ~7 0 0 2 0 ~1 0 Ⅲ 2 1 0 2 ~2 1 2 0 5 5 ~7 1 2 0 9 0 ~2 1 0 0 4 3 ~5 1 1 5 1 0 0 2 5 Ⅳ 2 1 6 0 ~2 1 8 0 1 1 3 ~1 3 1 2 1 4 0 ~2 1 5 5 9 3 ~1 0 5 5 0 >5 0 0 >3 0 0 Ⅴ 2 2 3 0 ~2 2 4 0 1 8 3 ~1 9 1 2 2 0 6 ~2 2 2 0 1 5 9 ~1 7 1 6 6 2 2 0 8 0 Ⅵ 2 2 7 0 ~2 2 3 0 2 2 3 ~2 3 1 2 2 4 7 ~2 2 5 8 2 0 0 ~2 0 9 4 1 2 2 0 8 0 Ⅶ 2 3 1 0 2 6 1 ~2 6 3 2 3 0 5 2 5 7 ~2 5 6 5 0 5 0 6 0 Ⅷ 2 3 7 5 3 2 6 ~3 2 0 2 3 7 0 3 2 2 ~3 2 3 6 5 1 2 5 5 0 (2)地热、矿、泉点沿河西系构造线呈带状分 布。 (3)部分褶皱断裂构造复活形迹明显。 (4)大面积间歇性及差异性上升运动十分活 跃。 区域内的地震比较频繁, 并且有周期短、 频率高 的特点。 地震烈度较高, 而且具有沿黄河逆流而上递 增的规律, 公伯峡为六至七度, 李家峡和松巴峡为七 度, 龙羊峡为八度。 1 . 4地形地貌 黄河龙羊峡至青铜峡河段全长 9 1 8k m ,地 形由高到低, 天然落差 1 3 2 4m 。 黄河自中更新世 以来, 深切各峡谷达 3 0 0 ~ 7 0 0m , 致使黄河两岸 山势高耸,河窄流急,一般发育有八级基座阶地 ( 详见表 2) 。由于黄河的侧浸和地表水流的切割 作用, 致使两岸深切冲沟发育。这些为高边坡的 变形和破坏提供了极为有利的地形和有效的临 空条件。 1 . 5生态与水文地质条件 本区域属高寒型干旱、 半干旱气候。常年干 旱少雨,冰冻期长,温差变幅大。年平均降水量 3 0 0 ~ 5 0 0m m , 蒸发量 1 5 0 0 ~ 2 0 0 0m m以上。 降 水量多集中在 6 ~ 9 月,占全年降水量的 5 0 % ~ 8 0 %。由于降水集中, 汇水迅速, 侵蚀作用强烈, 侵蚀模数 1 5 5m 3/ k m 。河谷两岸基岩裸露, 植被 覆盖稀少,对岩土体起不到很好的固化作用,极 易造成水土流失坡体失稳。 地下水类型主要为基 岩裂隙水, 埋藏深度 5 0 ~ 1 0 0m , 水量欠丰, 数十米 内的岸坡岩体表层,基本上或大部分处于干燥无水 状态。 但是水库蓄水以后, 生态环境和水文地质条件 将发生较大的变化。 2 崩滑体的变形演变与破坏特征 根据崩滑体岩性特点、结构特征和形成的力学 机制, 大体上可以划分为四种基本类型 滑移、 弯曲 拉裂型顺层岩质滑坡, 拉张、 压裂滑移型切层岩 质滑坡, 蠕滑、 弯曲拉裂型滑坡群, 弯曲、 拉裂滑 塌型倾倒体。它们的变形演变和破坏过程大体上可 划分为三个阶段( 参阅图 1 、 图 2 ) (1)牵引式滑移变形阶段。 高陡的岸坡在重力、 地应力和卸荷长时间的共同作用下,岩层产生卸荷 回弹和应力松弛, 累进性地沿着软弱的片岩、 缓倾角 断裂或层间挤压带向临空面方向产生缓慢地滑移。 在坡脚处岩体变形受阻,进而导致上复岩层发生弯 曲变形和张裂。 (2)蠕滑变形和松动解体阶段。边坡岩体继续 弯曲下滑,坡顶沿着原有的软弱结构面向纵深发 展。 而坡脚处岩体变形继续受阻, 在岩坡上部由于挤 压应力的持续作用, 使岩层纵向弯曲变形加剧, 进而 引起岩层倒转, 以及弯曲部位岩体强烈破碎扩容, 并 伴随后缘及表部岩体的转动、 张裂, 坡脚底部剪裂面 出现。此外, 地表水沿拉裂缝下渗, 更加削弱了受剪 面的强度, 从而导致边坡岩体松动解体。 2 0 5 第 2 期 图 2古什群Ⅰ号滑坡变形破坏过程 示意图犤 1 9 8 8 , 曹树祥, 等犦 F i g . 2T h ep r o c e s so fd e f o r ma t i o n a n dd e s t r u c t i o no fG u s h i q u n N o . 1L a n d s l i d e 1-张开裂隙; 2- 剖面 X裂隙; 3-追踪剪裂 隙; 4- 滑移剪出面 图 1李家峡Ⅱ号滑坡变形破坏过程 示意图犤 1 9 8 8 , 曹树祥, 等犦 F i g . 1T h ep r o c e s so fd e f o r ma t i o n a n dd e s t r u c t i o no fL i j i a x i a N o . 2L a n d s l i d e 1-层间挤压错动软弱层;2- 张开裂隙; 3-剖面 X裂隙;4- 追踪剪裂隙;5-压 碎扩容区; 6-滑移剪出面 (3)滑移破裂面贯穿阶段。 岩体继续变形弯曲, 必然导致坡脚处应力高度集中,由于岩层原有的缓 倾断裂和变形过程中产生的 X型剪切节理相互追 踪,而逐渐形成剪裂带,最后贯穿锁固段形成滑动 面, 在近代河面附近剪出而形成滑坡。 3 崩滑体稳定性评价 (1)黄河上游水流湍急, 冲刷力强, 河水位变化 大, 平水期和洪水期水位年变幅 1 0 ~ 1 4m , 最大为 1 8m左右。这是一种活跃的动力因素, 一方面下切 河谷, 另一方面侵蚀坡脚, 使河谷加深加宽, 高陡岸 坡的临空空间不断扩大,为崩滑体的形成提供了有 利的地形和有效的临空条件。致使崩滑体前缘剪出 的位置常与Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级阶地及现代河面相应, 在地 形分布上多集中在平均坡度为 4 5 ~ 5 5 及局部呈陡 坎的坡段内。 (2)较高的地应力,活跃的新构造运动是崩滑 体变形破坏累进性发展的主要力源之一。青藏高原 是地震的多发区, 并且有周期短、 频率高的特点。地 震波的冲击可以使滑面的锁固段发 生松动,岩体结构强度降低,当这种 冲击很强烈时,能导致崩滑体的失 稳。对于一般的小震作用仅仅是瞬 间,在统一滑面的形成过程中,所占 比重甚少。 (3)各峡谷区的崩滑体大多发 育在相距较近的黄河两岸, 如李家峡 的Ⅰ、Ⅱ号滑坡( 详见图 3) , 它们在演 化过程中相互影响。 一岸先形成的滑 体,在滑移过程中使临空空间缩小, 河道变窄, 水位抬升, 流速加快, 侧蚀 作用增强, 导致另一岸坡体变形解体 加剧, 最终形成滑坡。 因此, 位于黄河 两岸崩滑体的稳定性是互相影响密 切相联的。 (4)水( 包括地下水、 地表水、 库 水) 对崩滑体有着不可忽视的诱发作 用。电站建成蓄水以后, 地质环境和 水文地质条件将发生很大的变化, 这 对崩滑体的稳定性产生不同的影 响。通过对龙羊峡近坝右岸滑坡群、 李家峡Ⅰ、Ⅱ号岩质滑坡、 公伯峡右岸 倾倒体、左岸滑坡群的全面分析评 价。崩滑体处于正常蓄水位以上部分, 稳定性较好, 一般勿需顾虑, 而部分遭受浸没、 浸润的滑体, 将以 分期局部、 小规模的塌滑为主要破坏方式, 一次性整 体滑动的可能性非常小。这一论断已被实际所证 实。 (5)纵观各峡谷新老崩滑体, 在天然状态下, 安 全度比较大, 尚无整体复活的实例和迹象。 那些滑床 为平缓弧线, 矮卧圈椅状的滑体, 其稳定性较好。由 多方向各软弱结构面组成的复合滑面,因滑床形状 或滑带物质力学强度较高而具有较大的安全储备, 即使前缘部分遭受破坏也不会牵连整个滑体。李家 峡Ⅰ、Ⅱ号滑体, 含有多个次滑体, 在地形上是上缓下 陡, 而且滑床纵剖面多呈三段弧线形, 形态险峻, 不 经处理,当前部遭库水浸没和侵蚀时亦有局部失稳 的可能。公伯峡古什群滑坡群并非是一次性整体滑 动形成, 产生的时期有先有后。它们的稳定性, 就总 体而言是比较高的。位于前缘的 I 号滑体在天然状 态下, 其稳定程度相当高。电站蓄水后, 滑床中前部 的平缓段大都遭浸润, 稳定性将受到削弱, 有局部滑 塌的可能, 而一次整体滑动的机率是极小的, 亦不会 刘唐生, 等 黄河上游地质环境的演化与崩滑体成因探讨 第 2 6卷2 0 6大地构造与成矿学 R E S E A R C H O N G E O L O G I C A LE N V I R O N ME N TE V O L U T I O N A N D C O L L A P S EA N D L A N D S L I D EO C C U R R E D I N Y E L L O W R I V E R L I U T a n g  s h e n g ,WA N G S h e n g  l i 牗 S h i j i a z h u a n gU n i v e r s i t yo fE c o n o m i c s 牞 S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 3 1 牞 C h i n a 牘 A b s t r a c t T h er i v e rf l o w sr a p i d l y 牞a n dt h e r ei sa b u n d a n tw a t e rv o l u m ei nu p p e rr e a c h e so ft h eY e l l o w R i v e r .F i f t e e nc a s c a d eh y d r o p o w e rs t a t i o n sh a v eb e e np l a n n e da n db u i l t w i t hw a t e r p o t e n t i a l r e s o u r c e .T h e y a r el o c a t e da m o n gh i g hm o u n t a i n sa n dg o r g e si nu p p e rr e a c h e so ft h eY e l l o wR i v e r .T h eg e o l o g i c a lh a z a r d s o f c o l l a p s e sa n dl a n d s l i d e sf r e q u e n t l yh a p p e n si nt h e s ea r e a s .T h e yw i d e l yo c c u rd u et oh i g ha n dp r e c i p i t o u s r e l i e f .O n c es t e a d ys t a t el o s ti nf r o n td a m 牞t h el o s sw i l ln o tb ee v a l u a t e d .F r o m t h ev i e w o fg e o l o g i c a l e n v i r o n m e n te v o l u t i o n 牞c o l l a p s ea n dl a n d s l i d ei sd i s c u s s e dd e t a i l e d l ya n ds t a b i l i t yi sp r i m a r i l ye v a l u a t e d . K e yw o r d s G e o l o g i c a le n v i r o n m e n t ;c o l l a p s ea n dl a n d s l i d e ;u p p e rr e a c h e so ft h eY e l l o wR i v e r ;s t a b i l i t y 图 3李家峡坝前Ⅰ、Ⅱ号滑坡地质平面图 犤 1 9 8 8 , 何启标, 等犦 F i g . 3G e o l o g i c a lma po fN o . 1a n dN o . 2l a n d s l i d e s i nf r o n to fL i j i a x i ad a m 1- 坡积、 冲积、 洪积层; 2- 成因不明的黄土; 3- 下第三系砂砾岩; 4- 前震旦系混合岩; 5- 地层界线; 6- 断层; 7- 滑坡边界线 牵连整个群体犤 1 9 9 3 , 苏伯苓, 等犦 。位于右岸的倾倒 体, 目前正处于剪切滑移阶段, 水库建成蓄水后将浸 泡其坡脚, 岩体结构强度会遭到软化有所降低, 但因 滑面起伏度较大, 齿槽间相互咬合、 相嵌, 增强了阻 滑作用, 亦无失稳的可能犤 1 9 9 7 , 姚爱军, 等犦 。 4 结论 黄河上游发育的崩滑体有其发生、 发展和衰亡, 由静到动、 由动到静的过程。只有掌握崩滑体发生、 发展和衰弱的规律, 才能防患于未然。 影响坡体稳定 性的因素十分复杂, 更难以定量表达。 因此全面地了 解和分析它们形成的地质环境及演化过程,对广泛 发育的、大规模的崩滑体的稳定性给予定性评价是 十分必要的。 在坡体变形破坏演变过程中, 高陡的岸 坡、 有利的地形、 软硬相间的岩层、 多方向的构造格 架是形成崩滑体的基本条件, 是主因。 高地应力的持 续卸荷、 活跃的新构造运动、 水、 地震等是诱发条件, 是外因。当外因变化很快、 很激烈时, 就会通过内因 起作用, 导致坡体失稳。 青藏高原气候干旱少雨, 地下水水量欠丰, 这对 于维持崩滑体的结构强度十分有利,坡体强度不易 衰减, 在天然状态下, 是其能长期维持稳定难以复活 的重要原因。 电站的修建, 地质环境的演变对崩滑体 将产生不同程度的影响,应根据具体情况剖析其稳 定性及可能复活的性状与规模。 参考文献 1 9 8 8曹树祥, 白国安 . 黄河上游岩质滑坡 犤 C 犦 .中国典型 滑坡, 科学出版社, 3 1 5- 3 2 2 . 1 9 8 8何启标, 赵定成 . 李家峡坝前岩质滑坡的特征与稳定 性的研究 犤 C 犦 .中国典型滑坡,科学出版社,2 5 6- 2 6 6 . 1 9 9 3苏伯苓,等 .黄河公伯峡坝前高陡岩坡稳定性初析 犤 C 犦 .水工环论文集, 地震出版社, 3 9- 4 4 . 1 9 9 7姚爱军, 等 .黄河李家峡典型岩坡变形破坏的水效应 研究犤 J 犦 .工程地质学报, 7 2 - 7 9 .
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