碳酸盐岩滑坡的失稳机制：结构、喀斯特作用的形成及水库水位波动

《Geomorphology》：Failure mechanisms of carbonate rock landslides: structure, karst generation and reservoir water fluctuations

碳酸盐岩滑坡的形成机制与变形特征研究，以白鹤滩水电站库区Gengdi滑坡为对象，揭示构造地质环境与喀斯特化过程的耦合作用。通过区域地质结构、现场露头、原位测试及室内实验，系统分析了Riedel剪切带、古喀斯特层及水库水位波动对滑坡边界形成与力学响应的影响。数值模拟与监测数据对比表明，断层带物质结构（如铁硫化物富集）显著劣化碳酸盐岩力学性质，古喀斯特发育的渗流通道加剧了裂隙扩展，形成多因素协同作用的滑坡演化模式。

　　在地质学和工程领域，碳酸盐岩滑坡是一个广泛存在的现象，通常伴随着断层和喀斯特化过程。这种类型的滑坡不仅在世界各地的地质环境中频繁发生，而且其形成机制和研究方法尚未得到充分探讨。以中国 Baihetan 水电站为例，该电站是全球第二大的水电站，其水库水位波动范围是世界上最大的。在 Baihetan 水库区域，自 2021 年 4 月开始蓄水以来，Gengdi 滑坡成为研究的重点对象。该滑坡区域的内部结构特征和喀斯特化过程在微尺度到宏观尺度上对边坡的稳定性及滑坡行为产生了深远影响。

研究通过区域结构、现场露头、现场测试和实验室测试等多种手段，对理想化的 Riedel 剪切模型、断层带模型和喀斯特化模型进行了系统观察。研究发现，滑坡的破坏机制与走滑断层和碳酸盐岩的劣化密切相关。通过数值模拟结果与现场监测数据的对比分析，强调了地质结构环境和水库水位波动对滑坡演化进程的重要影响。断层带和碳质板岩中富含铁硫化物和玄武岩中的铁溶解现象，进一步加剧了碳酸盐岩的劣化过程。此外，研究还建立了反应区的物理和喀斯特化模型，定量分析了溶解和渗流对断层带变形的影响机制。

研究结果表明，断层带、古喀斯特和水库水位波动共同促进了碳酸盐岩体滑坡的形成。这一发现为识别和理解受走滑断层影响的水库碳酸盐岩滑坡的力学特性提供了更深入的视角。由于碳酸盐岩的形成通常与海洋沉积有关，其内部结构往往受到地壳抬升和沉降的影响，导致弱层的存在和复杂的地质构造。此外，喀斯特化不仅促进了裂缝的发育，还控制了坡体内部的水力路径，使得碳酸盐岩滑坡的形成机制极其复杂。

在西南中国，特别是 Baihetan 水电站所在的构造带，碳酸盐岩滑坡的发生频率较高。该地区丰富的断层、褶皱和碳酸盐岩地质特征，使得滑坡高风险区域集中分布。然而，尽管结构地质和化学溶解长期被工程地质学家视为滑坡的重要因素，将这些理论整合到滑坡演化的各个阶段仍然面临挑战。因此，本研究从跨学科的角度出发，结合地质学、喀斯特地貌学和岩土工程学的知识，弥补了以往单一学科研究的不足。

大型碳酸盐岩滑坡更可能出现在靠近断层带的陡坡区域，尤其是在断层交汇和河流发育区。例如，在西南中国，主要河流如安宁河、则木河、黑水河和小江河通常沿着重要的走滑断层发育。断层带的局部结构特征决定了滑坡的类型和行为。走滑断层不仅会形成次级断层关联，还常常导致 Riedel 剪切结构的出现。然而，目前对于这些构造过程如何控制和引发滑坡的分析仍不充分。走滑断层的核心区域通常伴随着断层带的形成，而断层带材料一般由断层泥、断层角砾和受到不可逆损伤的岩体组成，这些材料的结构和性质在靠近主断层带的位置会逐渐变化。

由于断层带材料的结构差异显著，其力学特性也存在较大变化。仅依靠室内力学测试难以全面考虑结构对岩体的影响，因此目前尚无统一的研究方法，且断层带结构和材料对滑坡稳定性的影响机制仍未得到明确解释。此外，碳酸盐岩断层带中的细粒物质更容易受到化学溶解和水库水渗流的影响，这种影响在滑坡体的变形过程中可能起到关键作用。特别是水库水位波动在断层带中形成的渗流路径更为复杂，导致水静压力和水动压力对滑坡的影响与以往研究有所不同。

以 Baihetan 水电站水库区域的 Gengdi 滑坡为例，该滑坡位于电站大坝上游 30 公里处，属于深层大型岩质滑坡，具有双滑带特征，滑坡宽度约为 1.2 公里，纵向长度约为 0.6 公里，滑坡体体积估计约为 2740 万立方米。滑坡的滑动方向大致为北偏东 30 度。从地质构造框架来看，滑坡块体的运动形成了典型的“Y”形结构，这表明断层和喀斯特化过程在滑坡形成过程中起到了关键作用。

研究还探讨了内生和外生地质过程的耦合作用。通过分析断层带的结构和喀斯特化过程，研究者能够更全面地理解碳酸盐岩滑坡的规律性和系统性。在这一过程中，断层带的结构特征和喀斯特化现象相互作用，共同影响滑坡的边界和物理特性。同时，古喀斯特的复活进一步削弱了断层带的力学性能，导致碳酸盐岩滑坡的频繁发生。

研究结果表明，不同尺度的 Riedel 剪切结构是由则木河走滑断层引起的，这些结构控制了滑坡的地质特征。从宏观角度来看，Riedel 剪切结构界定了滑坡的边界。此外，现场露头的分析显示，岩体的破坏模式主要受 Riedel 剪切控制，滑坡块体沿着由 R 型结构形成的光滑面进行分离。通过钻孔岩芯的分析，进一步揭示了断层带的结构平面和其对滑坡行为的影响。

为了更准确地模拟碳酸盐岩滑坡的破坏机制，研究采用了 Mohr-Coulomb 失效准则进行 FLAC3D 数值模拟。该准则基于对岩石参数的清晰物理理解，因此在分析滑坡演化阶段和过程时具有重要意义。通过这种方式，研究能够更精确地评估滑坡体在不同地质条件下的稳定性。

在讨论部分，研究指出碳酸盐岩滑坡的频繁发生与地质结构密切相关。构造和溶解过程在碳酸盐岩滑坡中普遍存在，而这些过程的耦合作用对滑坡的边界和物理特性具有决定性影响。同时，古喀斯特的复活导致断层带的力学性能下降，从而增加了碳酸盐岩滑坡的发生频率。这一发现对于理解碳酸盐岩滑坡的形成机制和预测其演化趋势具有重要价值。

研究的结论表明，结合文献研究、现场调查、现场测试、实验室测试和数值模拟，可以更全面地探讨碳酸盐岩滑坡在断层带中的破坏机制。初步结论显示，不同尺度的 Riedel 剪切结构对滑坡的地质结构产生了重要影响，从宏观角度来看，这些结构界定了滑坡的边界。此外，研究还发现，断层带的结构和材料特性对滑坡的稳定性具有显著作用，而这些特性在滑坡演化过程中会随着地质环境的变化而变化。

在数据可得性方面，所有在研究过程中生成或使用的数据、模型和代码均已在发表的论文中提供。研究的作者团队也明确表示，他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系。最后，研究得到了湖北省重点研发项目（项目编号：2021BCA219）和中国国家留学基金委员会（CSC，项目编号：202306410068）的资助，支持了作者之间的合作研究。