金沙江上遊某大型古堆積體群地質成因分析*

金沙江上遊某大型古堆積體群地質成因分析*

任愛武① 周自梁② 段慶偉① 孫 平① 趙宇飛①

(①中國水利水電科學研究院巖土所 北京 100048)

(②北京市地質礦產勘查開發總公司 北京 100050)

摘 要 金沙江上遊地質條件複雜，大型古堆積體群普遍發育，嚴重影響該區的水利水電開發建設。合理的解釋古堆積體群的地質成因問題是進行水電建設工作的基礎。本文以金沙江上遊某水電站古堆積群現場工程為依託，通過工程地質分區、巖體結構特徵分析和地質現象分析3個步驟，逐步還原了堆積體群的形成過程。最終結論如下:(1)以古堆積體群整體形貌特徵為基礎，結合巖性、結構等基本特性，將古堆積體群劃分為4個區域;(2)根據古堆積群Ⅱ區的形貌特徵假設Ⅱ區物質來自河對岸，繼而採用結構特徵分析證明了這一假設，結果表明:Ⅱ區物質與河對岸物質結構具有較好的一一對應關係，同時物質結構具有明顯的分選性，為典型的泥石流產物;(3)結合區域風化程度、S型轉彎、衝積扇、高位靜水沉積等地質現象分析，還原了該古堆積體群的形成過程，即:Ⅰ區風化程度較嚴重，年代明顯早於其他各區。Ⅲ區、Ⅳ區之間應為古河道，Ⅰ區的形成造成了河流的S形改道，但並未造成真正意義上的堵江。真正的堵江事件發生在Ⅱ區形成後。Ⅱ區泥石流物質與Ⅲ區、Ⅳ區物質一起形成了一個天然土石壩，形成了真正意義上的堵江，產生了高位沉積現象。此時江水一部分從古河道流出，一部分從Ⅱ區泥石流物質區向下滲流，最終Ⅱ區物質被掏蝕衝垮，形成了今河道。

關鍵詞 金沙江上遊 古堆積體群 巖體結構特徵分析 滑坡堵江 地質成因

1 引言

堆積體一般是由碎石或者塊石組成。顧名思義，堆積體群就是堆積體的集合。在現場工程中，堆積體群在我國乃至世界均有廣泛分布，尤其在金沙江上遊近藏一帶高山峽谷地區，堆積體經常以群體的形式出現。因此，堆積體群的穩定性問題對工程建設的影響顯得格外重要。堆積體群具有物質成分複雜、力學性質難於界定和地質成因複雜的特性。因此，確定堆積體群的地質成因和穩定性分析是巖土工程界的難題［1，2］。對於小型堆積體邊坡來說，其工程效應比較容易把握，一般認為其成因和巖土體性狀明確，工程處置也相對簡單;但對大型堆積體邊坡，其成因的把握要困難很多［1］。

國內外許多學者關於堆積體邊坡相關問題進行了比較深入的研究，主要集中於斜坡堆積體現狀評價、堆積體力學參數研究和堆積體穩定性分析等方面。一般以堆積體邊坡的空間工程效應為切入點，運用地質工程分析、數值模擬和物理試驗等多種手段，提出了堆積體變形失穩的空間特徵，堆積體變形失穩控制途徑［3～11］。但這些研究重點都放在堆積體個體本身力學特性的研究，缺乏對堆積體群形成過程系統整體的把握。

金沙江上遊某水電壩址上遊約1km處發育一古堆積體群 (圖1)。該堆積體位於距壩址上遊右岸約700m處。從地形地貌看，索多西堆積體的分布高程為2400～2650m，前緣長度約1700m，後緣長度約1500m，平均厚度約20m，堆積體總體積達5.58×107m3。水庫蓄水至正常蓄水位2485m時，堆積體前緣大部分位於庫水位以下，其中水上部分體積約1.15×107m3，水下部分體積約4.43×107m3。

該堆積體群在地形上分界較為明顯，其上下遊側邊界為深切溝谷所切割，前緣部位已達金沙江邊，後緣為陡峭的基巖出露。據前期可研地質資料該堆積體群為地質歷史時期經多次滑坡、崩塌及河流侵蝕、堆積交替作用形成，在地貌上呈現四周高地、中間低洼的特點，其中低洼平坦地帶多被開墾為農田，一鄉鎮坐落於靠近上遊部位的堆積體上。

根據現場勘測資料，該堆積體群的物質組成以崩坡積碎塊石夾少量細粒物質為主，其主要成分為黑雲斜長片麻巖，堆積體後緣物質表面塊石林立，呈稜角狀或次稜角狀，多以弱風化為主，前緣表面物質組成以大塊石與碎石土，因地勢平坦。堆積體下伏與後緣出露基巖為二疊系下統冰峰組石英片巖、黑雲斜長片麻巖，巖層產狀為 NW340°/SW∠70°～90°。

該古堆積體群規模巨大，距壩址距離較近，嚴重影響庫區的安全。合理的解釋其地質成因，對於判斷和提出處理該堆積體群的措施具有非常重要的意義。本文以該古堆積群現場工程為依託，通過工程地質分區、巖體結構特徵分析和地質現象分析3個步驟，重新還原了古堆積體群的形成過程。首先基於現場地質調查資料，通過地貌特徵分析，結合巖性、結構等基本特性差異分析，堆積群被合理工程地質分區;繼而，通過巖體結構特徵分析，確定了古堆積體的物質來源，為地質成因分析奠定了基礎;最後，在風化程度、S型轉彎、衝積扇、高位沉積等地質現象的分析基礎上，綜合所有分析資料，提出了堆積群形成過程雛形。

2 工程地質分區

工程地質分區是在研究區內，依據工程地質條件相似或相近的基本原則進行的區域劃分。每一個工程地質區還可劃分亞區或次亞區。分區的目的是結合工程類型和分布進行工程地質分區評價［12，13］。

圖1 古堆積體工程地質平面圖

Fig.1 Geological engineering division of ancient accumulation group

該崩滑體地貌特徵明顯，人為活動較少，基本保留了堆積體的原始地貌特徵。因此，本項研究的工程地質分區依據以地貌特徵為主，兼顧堆積體的結構和巖性特徵進行區分。

從圖1中可以看到，從形貌上堆積體群大致可以分為4塊。在各區塊邊緣可以看到比較明顯的小路或者低洼處。當然，各區塊的具體劃分還需要結合更加具體的地質特徵。如，Ⅰ和Ⅲ區，從遠觀區別並不是特別明顯，但在對比Ⅰ區和Ⅲ區的後緣特徵後，就會發現區塊特徵差異。又如，Ⅱ區與Ⅲ區，兩者距離比較近，單從形貌遠觀很難準確區分，需要進一步進行結構調查，獲得更加詳細的信息。

2.1 Ⅰ區工程地質特徵

Ⅰ區位於堆積體上遊側，坡體相對比較平坦，坡體上居住有比較多的居民。整個堆積體前緣向前緩緩伸出，前緣坡體目前多為梯田 (圖1)。金沙江在Ⅰ區前緣有個S型轉向。在Ⅰ區後緣，綠樹掩映，並且發現比較大的後緣坑，目前後緣坑已經成為當地居民的良田 (圖2)。

2.2 Ⅱ區工程地質特徵

Ⅱ區與Ⅲ區交接處有低洼分界，Ⅱ區與Ⅰ區明顯有高程上的差異。因此，區分起來比較明顯。同時，在物質結構上，Ⅱ區與Ⅰ區、Ⅲ區也有較大的區別，在下文將有更加詳細的描述。

2.3 Ⅲ區工程地質特徵

圖2 Ⅰ區與Ⅲ區後緣

Fig.2 Backedge of domainⅠ and domainⅢ

Ⅲ區在地形上為單獨的一堆，該堆積體上僅有一戶居住。而且從圖1可以看到，有綠樹和小樹環繞在Ⅲ區周圍。這些地貌特徵基本已經標定了Ⅲ區的邊界。Ⅲ區後緣為較大的後緣坑，與Ⅰ區後緣坑連接 (圖2)，目前已經成為當地居民耕地。

2.4 Ⅳ區工程地質特徵

Ⅳ區位於下遊靠山體側，從地形上看應屬於後期滑塌形成的。Ⅳ區前緣經踏勘為衝洪積物(圖1)。該區具有較明顯的後緣特徵 (圖3)。

3 古堆積體群坡體結構特徵分析

地質結構在地質體的成因分析中有著決定性的作用［13］。在初期踏勘的過程中發現，Ⅱ區結構與其他各區有明顯差異，因此對Ⅱ區進行單獨分析。

3.1 Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ區結構特徵分析

圖3 Ⅳ區後緣

Fig.3 Backedge of domain Ⅳ

在崩滑體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ區坡表布滿了大小不一的塊石(圖4)。這些塊石形狀不規則，有些立在坡表，有些一半沒入坡體。堆積體表面塊石體積最大的上百噸，小的則是小碎石，巖性多為片麻巖和片巖。這樣的地表塊石分布特徵，與當地的地形條件、氣候條件應該有直接關係。金沙江上遊河谷兩岸岸坡陡峻，極易發生塊石崩塌。另外，工程當地晝夜溫差大，冬季時間長，並且溫度低。沿江兩岸經常見到巨大如小山的塊石，和大小不一、形狀不規則的塊石堆，說明這樣的地貌特徵是一種區域地貌現象。

圖4 坡表塊石林立

Fig.4 Lots of rocks on slope surface

另外，鑽孔取心結果顯示:在前25～30m深度範圍內取得巖心，最大長度為30cm，個別10～15cm，一般為小於5cm的碎屑與碎塊。這些鑽孔巖心進一步證明了:堆積體整體結構以大塊石為骨架，塊石間夾黏性較差的碎石土。

3.2 堆積體群Ⅱ區坡體結構分析

Ⅱ區表層為細碎的塊石，結構與其他各區差異明顯。顯然Ⅱ區物質來源不同於另外3個區域。

由圖5可以看到，Ⅱ區緊挨河岸，在形狀上，形似一個舌頭從對岸伸了過來，因此，可初步假設Ⅱ區物質來源於對岸。顯然，如果Ⅱ區物質與對岸相應位置的物質有較好的對應關係，那麼該假設就成立。

3.2.1 Ⅱ區物質結構分析

Ⅱ區坡體高約20～30m，從其上部結構中可以看到(圖6)，堆積體上部為灰黑色(長期雨水衝刷鏽蝕造成的)，主體結構為黏性較差的細碎的碎石土，中間夾雜形狀不規則的小塊石。

圖5 Ⅱ區形貌

Fig.5 Morphology of domainⅡ

圖6 Ⅱ區上部結構圖

Fig.6 Upper structure of domain Ⅱ

Ⅱ區堆積體的中部結構可由雨水在堆積體上衝蝕形成的衝蝕槽來揭示。

從圖7中可以看到，堆積體中部結構仍以碎石土為主，中間夾雜形狀不規則的中型塊石(塊石大小較堆積體上部塊石稍大)。圖中將部分夾雜的塊石圈了出來(圖7中黑線圈圈注部分)。

圖7 中部雨水衝蝕槽

Fig.7 Groove erased by rain atmiddle part

在Ⅱ區崩滑體下部踏勘時發現該部位有大塊石出現，形狀不規則，圖8中為Ⅱ區下部一表面風化較嚴重的整塊石。

圖8 Ⅱ區下部大塊石

Fig.8 Big stone at lower-part of domain Ⅱ

比較Ⅱ區堆積體從上到下的結構特徵發現，Ⅱ區堆積體的結構為:以黏性較差的碎石為骨架，中間夾大小不一、形狀不規則的塊石，並且夾雜的塊石從上部到下部有一定的分選性。從分選性的特徵來看，比較符合泥石流的攜帶特徵，而出現在Ⅱ區位置的泥石流只可能來自於左岸。

結合Ⅱ區對岸對應部位坡體結構特徵做進一步的驗證分析。

3.2.2 Ⅱ區對岸物質結構分析

左岸坡體上部為結構較緻密的坡積物，局部夾形狀不規則的小塊石(圖9)，圖中紅線圈注部分為塊石。

圖9 左岸坡體上部結構

Fig.9 Upper structure of anti-shore slope

中部結構為碎石土+中小型塊石 (圖10)。坡體下部發現有大塊石出露，下部整塊石 (圖11)為大塊強風化片麻巖。綜合分析左岸坡體結構可以知道，左岸坡體以碎石土為主，中間加形狀不規則、大小不一的塊石，並且塊石從上到下有一定的分選性。

比較以上左右岸坡體結構上中下部的分析結果。顯然，具有較好的一致性。由此說明右岸Ⅱ區來自於左岸的假設成立。

4 地質現象與堆積體群地質成因分析

綜合以上分析結果，結合地質現象分析，對堆積體群的成因做進一步分析。

圖10 左岸坡體中部結構

Fig.10 Middle part structure of anti-shore slope

圖11 左岸坡體下部結構

Fig.11 Lower-part structure of anti-shore slope

4.1 地質現象分析

4.1.1 風化程度

由圖2和圖12可以看到，4個區中，只有Ⅰ區有居民居住，說明Ⅰ區風化程度要強於其他3區。從而推斷在風化條件相同的條件下，Ⅰ區的形成時代必然早於其他3個區。

圖12 Ⅰ區居民

Fig.12 Residential houses on domain Ⅰ

圖13 衝積扇

Fig.13 Alluvial fan

4.1.2 衝積扇

在Ⅲ區與Ⅳ區之間存在一個保存完好的衝積扇，這是河道曾經流過的最好證據。具體如圖1中箭頭所示位置。

另外，在Ⅲ區與Ⅳ區的鑽孔巖心中發現一層厚約2～3m的粉細沙，這層粉細沙的發現進一步證明古河道曾經在Ⅲ區與Ⅳ區之間流過。

4.1.3 高位靜水沉積現象

在Ⅰ區上遊側高位發現靜水沉積物，證明河水在該轉彎處有相當長時間的高水位停留，從而產生了相應的靜水沉積痕跡 (圖14，黑線位置)。這種現象是河道曾經發生堵塞的直接證據。

圖14 高位靜水沉積現象

Fig.14 High position hydrostatic deposition

但Ⅰ區滑動完成後並沒有形成真正意義上的堵江;原因在於Ⅰ區前緣平坦(圖15)，不具備堵江的地質基礎。真正的堰塞湖應形成於Ⅱ、Ⅲ區塊滑動完成後。江水從古河道位置滲流，最終從Ⅱ區掏蝕衝開形成現今河道。

圖15 Ⅰ區形貌圖

Fig.15 Morphology of domain Ⅰ

綜合以上事實，可以描繪出古崩滑體形成過程的基本雛形:

Ⅰ區首先形成，形成後造成了河流的改道，並未堵江。從而，形成了目前堆積體位置S形河道;隨後的Ⅲ區滑動形成以及Ⅱ區泥石流的發生，造成了真正意義上的堵江;堵江後，江水一部分從古河道，即Ⅲ區、Ⅳ區之間，滲流，一部分從Ⅱ區處掏蝕、垮塌，最終河道從Ⅱ區處衝開形成現今河道。

5 結論

通過工程地質分區、巖體結構特徵分析和地質現象分析3個步驟，重新還原了金沙江上遊一古堆積體群的形成過程，最終得到了如下結論:

(1)根據地貌特徵、邊界範圍，結合結構特徵，將古堆積體群分為4個區;

(2)通過結構詳細描述、地貌特徵分析和對比分析，確定Ⅱ區物質為對岸泥石流產物，結構具有一定的分選性，為黏性較差的碎石土+塊石;

(3)根據風化程度、衝積扇、高位靜水沉積等地質現象巖體風化強弱，確定Ⅰ區的形成要早於其他區;但Ⅰ區並不具備堵江的地質實力，真正的堵江事件發生在Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區形成後;

(4)提出了該堆積體群地質成因雛形:Ⅰ區首先形成，形成後造成了河流的改道，並未堵江。從而，形成了目前古堆積體群位置S形河道;隨後的Ⅳ區、Ⅲ區以及Ⅱ區泥石流的形成，造成了真正意義上的堵江;堵江後，江水一部分從古河道滲流，一部分從Ⅱ區處掏蝕，最終河道從Ⅱ區處衝開形成現今河道。

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ANALYSIS ON GEOLOGICAL ORIGIN OF ANCIENT ACCUMULATION BODY GROUP AT UPPER REACHESOF JINSHA RIVER

REN Aiwu① ZHOU Ziliang② DUAN Qingwei① SUN Ping① ZHAO Yufei①

(①Department of Geotechanical Engineering，China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100048)

(②Beijing Geology and Mineral Resources Exploration and Development Corporation，Beijing 100050)Abstract The accumulation body group is an aggregate of accumulations.It can be seen everywhere along the upper reaches of Jinsha river.It is a big problem to limit the progress of hydropower development at this area.This paper examines the problem using a project of a hydropower station at upper reaches of Jinsha river.This place is strongly affected by geological structure and climate.The ancient accumulation body group lies on the right bank of the upper reaches of Jinsha river.Its size is almost threemillion tons and its geological structure and origin can not be certain.It is located just only aboutone kilometer distance to the hydropower station.So itwill be a big problem of the hydropower project.Threemethods are applied to analyze the problem in this paper.They are topographic feature analysis，rock structure theory，and analogy analysis.Finally，four results are achieved.(1)on the basis of topographic feature，the accumulation group can be divided into four domains.(2)Comprehensive topographic and geological structure feature analysis results are achieved that river blocking had happened at this area.(3)the product period of domainⅠ is earlier than the other domains.However，the river blockingwas nothappened during the period of domain Iproduction.The production of domain Ⅰ justmade the river diversion.(4)the structure of domainⅡ have a separation grade feature from up to down.This is a typical character belong to debris flow.So the conclusion is that the domainⅡ was come from anti-shore.The true river blocking was happened after the domainⅡproduction.

Key words Site investigation and field observations，Upper reach Jinsha River，Geological structure feature analysis，River blocking，Geological origin

中圖分類號:P642

文獻標識碼:A

收稿日期:2012－10－20;

收到修改稿日期:2013－03－01.

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)，大型水利水電工程高陡邊坡全生命周期性能演化與安全控制，編號(2011CB013502);中國水利水電科學研究院科研專項:新疆西域礫石區域重大水利工程建設中的巖體工程特性評價研究(巖集1210).

第一作者簡介:任愛武，工程地質專業.Email:[e-mail]