楊 何，湯明高，許 強，霍宇翔，向育才，鄧文鋒

（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

1 研究背景

三峽工程是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程，三峽庫區(qū)歷來就是地質(zhì)災(zāi)害隱患居多的區(qū)域。庫水位的變化不僅造成庫岸兩側(cè)坡體內(nèi)滲流場發(fā)生變化，而且在庫水位周期性升降作用下，岸坡巖體的物理力學(xué)性質(zhì)也會逐步劣化[1-2]。嚴(yán)重時將引起岸坡的穩(wěn)定性破壞，給人民生命財產(chǎn)造成重大損失。如三峽庫區(qū)2003年湖北秭歸縣千將坪滑坡[3-4]、2008年巫峽龔家方崩塌[5]與巫山縣水泥廠滑坡、2014年秭歸縣杉樹槽滑坡[6-8]以及箭穿洞危巖體的變形、破壞均因庫水位變動帶（消落帶）巖體的劣化所誘發(fā)[9]。因此岸坡巖體劣化的特征及其規(guī)律對水庫巖質(zhì)岸坡穩(wěn)定性評價具有重要的意義。

巖體的劣化是指巖體在外部環(huán)境作用下出現(xiàn)破碎、疏松及礦物成分變化，物理力學(xué)性質(zhì)弱化的現(xiàn)象。根據(jù)外作用的不同，可以分為風(fēng)化劣化、干濕劣化、凍融劣化、卸荷劣化等[10-13]。本文主要研究在庫水位周期性變化作用下的巖體劣化性。近十年，許多學(xué)者對這方面的巖體劣化性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。巖體的劣化一般通過力學(xué)性質(zhì)的弱化來表達(dá)，常見的特性指標(biāo)有單軸抗壓強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角以及彈性模量等。傅晏[14]與劉新榮等[15-17]通過完整砂巖的室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，揭示了砂巖的干濕循環(huán)劣化規(guī)律，得出砂巖在經(jīng)歷10個周期的干濕循環(huán)后，單軸抗壓強度降低了52.62%；在酸性環(huán)境下，砂巖抗剪強度劣化最為嚴(yán)重，堿性次之，中性最輕。鄧華鋒等[18-21]在考慮水壓力變化的情況下對砂巖的劣化性質(zhì)研究得出相比于完整試樣，損傷砂巖試樣各項力學(xué)指標(biāo)衰減得更快，浸泡時水壓力變化幅度越大，循環(huán)次數(shù)越多，損傷效應(yīng)越明顯；砂巖在經(jīng)歷6個周期的干濕循環(huán)后，單軸抗壓強度降低了36.37%。此外，其他一些學(xué)者也對粉砂巖、紅層軟巖、泥灰?guī)r、板巖、大理巖、石膏質(zhì)巖、泥質(zhì)白云巖、蝕變巖等巖體在干濕循環(huán)條件下的劣化性質(zhì)做了較多的室內(nèi)研究，都表明劣化程度較大[22-27]。劉廣寧等[9]運用單孔、跨孔聲波測試方法對粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖進(jìn)行原位測試，表明巖體橫向完整性差，縱向完整性相對較好，且消落帶內(nèi)巖體隨著高程的降低，其巖體完整性呈下降趨勢；室內(nèi)力學(xué)測試結(jié)果表明，20 次干-濕循環(huán)后其強度平均下降了77%～45%。

實際上，三峽水庫運行過程復(fù)雜，岸坡巖體受多種因素的影響。以往對巖體劣化的研究，大多集中于室內(nèi)試驗，缺少現(xiàn)場的原位測試，所得到的巖體劣化性可能被高估，并且沒有提出較完善的劣化質(zhì)量評價方法。三峽庫區(qū)在經(jīng)歷了11個完整的水文周期后，岸坡巖體呈現(xiàn)不同程度的劣化，庫水位變動帶本身就是一個非常好的天然試驗場地，將消落帶與高水位以上部位的巖體進(jìn)行對比分析，可以很好地得到受庫水位升降影響的巖體劣化特征。因此，本文首先對三峽庫區(qū)兩岸出露巖體進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查，在此基礎(chǔ)上選取典型巖體進(jìn)行原位地質(zhì)雷達(dá)測試、回彈測試，以鉆孔取芯及室內(nèi)聲波測試作為驗證，分析不同巖體、不同部位劣化性的差異；最后提出了巖體劣化分級指標(biāo)體系。

2 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)位于四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合部，是指受長江三峽工程淹沒的地區(qū)，共涉及20個縣區(qū)，干支流庫岸總長約5456 km。2008年至今，水庫水位在175 m 至145 m之間循環(huán)升降變化。庫區(qū)內(nèi)巖質(zhì)岸坡約占整個庫岸長度的70%，出露岸坡巖體的巖性主要為花崗巖、片麻巖、灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、砂巖、粉砂巖、泥巖等。研究區(qū)位于著名的長江三峽境內(nèi)，主要為碳酸鹽巖組成的侵蝕中山峽谷區(qū)，西起重慶市的奉節(jié)縣，東至湖北省的宜昌市，全長達(dá)205 km，涉及三峽庫區(qū)內(nèi)的瞿塘峽、巫峽、西陵峽以及大寧河內(nèi)的小三峽等岸坡?，F(xiàn)場測試區(qū)位于瞿塘峽出口附近。測試區(qū)內(nèi)，兩岸陡崖對峙，臨江山頂高程600～1000 m，岸坡坡角平均45°～64°，枯水期水面寬150～250 m；基巖為二疊系、三疊系灰?guī)r、泥灰?guī)r、粉砂巖及泥巖。三峽庫區(qū)地層巖性分布及劣化帶示例見圖1。

圖1 三峽庫區(qū)地層巖性分布及劣化帶

3 研究方法

巖體的劣化不僅僅是呈現(xiàn)在表面上，更是深入巖體內(nèi)部；庫水位變化對巖體劣化的影響是在巖體風(fēng)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此對巖體表層與內(nèi)部的研究及水上、水下巖體性質(zhì)的對比研究是極為必要的。探地雷達(dá)法（Ground Penetrating Radar Method）是近年來一種新興的地下探測、無損檢測的新技術(shù)。它能探測巖體內(nèi)部空間位置和分布的一種地球物理探測方法。其原理是利用目標(biāo)體及周圍介質(zhì)的電磁波的反射特性，對目標(biāo)體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷（或其他不均勻體）進(jìn)行探測?；貜梼x是一種簡便、輕型、現(xiàn)場實用的儀器，巖石回彈值的大小反映了巖石強度的大小，并且?guī)r石的回彈值具有綜合反映野外天然巖石質(zhì)量、各向異性、風(fēng)化程度、含水情況等優(yōu)點。鉆孔取芯能夠直接觀察到巖體內(nèi)部的完整或破碎程度，室內(nèi)聲波測試可對巖芯劣化程度及界限作細(xì)致區(qū)分，然而鉆孔取芯在高陡岸坡上施工難度相當(dāng)大，僅作輔助。因此，本文直接應(yīng)用回彈儀測得的巖石回彈值與雷達(dá)波形對巖體表層及深部的劣化進(jìn)行分析[28-29]，同時輔以鉆孔取芯及室內(nèi)聲波測試作為驗證。

3.1 巖體現(xiàn)場探地雷達(dá)測試結(jié)合現(xiàn)場探測精度深度，本次測試采用瑞典MALA ProEx 型探地雷達(dá)，天線選用800 MHz 屏蔽天線，分別對庫區(qū)的泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r進(jìn)行雷達(dá)掃描，具體測線布置見圖2。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)測線布置

三種巖體的測試方案如下：

（1）泥質(zhì)粉砂巖體的測試區(qū)位于巫山棗子樹包滑坡右側(cè)，巖層產(chǎn)狀為162°∠40°，測線布置在出露的巖層表面。在水位變動帶進(jìn)行網(wǎng)格測試，在x、y方向各布置11 條測線，間距分別為0.5 m和1.0 m。為查看巖體邊緣的劣化性，在水位變動帶巖體邊緣布置了4 條測線，間距0.5 m。為查看高水位以上部位與水位變動帶之間劣化性的不同，在高水位以上部位布置了3 條測線作對比，間距0.5 m。

（2）泥灰?guī)r體的測試區(qū)位于泥質(zhì)粉砂巖測試區(qū)上游100 m 位置，巖層產(chǎn)狀為175°∠44°，測線布置在出露的巖層表面。在水位變動帶進(jìn)行網(wǎng)格測試，x方向布置7 條測線，間距0.5 m；y方向布置9 條測線，間距1.0 m。為查看高水位以上部位與水位變動帶之間劣化性的不同，在高水位以上部位布置了3 條測線作為對比，間距0.5 m。

（3）灰?guī)r體的測試區(qū)位于瞿塘峽內(nèi)，產(chǎn)狀為170°∠75°，測線布置在出露的巖層表面。在水位變動帶上進(jìn)行單向測試，x方向布置4 條測線，間距0.5 m。同理，在高水位以上部位布置了3 條測線作為對比，間距0.5 m。

3.2 巖體現(xiàn)場回彈測試本測試采用的回彈儀型號為ZC3-A 型，其沖擊動能為2.207J。測試方案為在現(xiàn)場每種巖體的高水位以上部位與庫水位變動帶上各選取3個測區(qū)，每個測區(qū)面積不大于0.4 cm2。彈擊方法為單個測區(qū)內(nèi)彈擊16個點，相鄰兩測點的凈距不小于20 mm?；貜梼x測試前需首先進(jìn)行率定；測試過程中，回彈儀的軸線應(yīng)始終垂直于巖體表面?；貜椫涤嬎銜r不考慮角度修正，去除3個最大值、3個最小值后取平均值作為該測區(qū)巖體的回彈值。

3.3 鉆孔及室內(nèi)聲波測試為了查明巖體劣化的準(zhǔn)確深度，在地質(zhì)雷達(dá)測試區(qū)進(jìn)行多個現(xiàn)場鉆孔取芯作業(yè)，通過芯樣判斷其劣化深度及程度，完整的巖芯帶回室內(nèi)做聲波測試。對每一個長度在5 cm以上的完整巖芯，從頭部開始每約5 cm 切割一段，記錄每一段的波速。每一種巖體在高水位以上及水位變動帶至少保證各3個鉆孔，通過波速的不同判斷劣化深度。

4 研究結(jié)果

4.1 泥質(zhì)粉砂巖的試驗結(jié)果（1）現(xiàn)場地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果。泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)較多，由于篇幅限制，選取其中一部分進(jìn)行展示，見圖3。由圖3（a）可知，在測線x1 的左側(cè)0～3.0 m 區(qū)域，電磁波反射信號幅值較大，繞射信號明顯，信號呈網(wǎng)格狀信號；右側(cè)部位電磁波反射信號幅值較弱，波形均勻，能量正常衰減，局部存在針狀信號。由此表明，測線x1 左側(cè)巖體比右側(cè)較破碎松散，其內(nèi)部細(xì)微裂隙發(fā)育。根據(jù)圖3（b）可知，在測線x11的右側(cè)部位，電磁波反射信號幅值較強，繞射信號明顯，呈網(wǎng)格狀信號。由此表明，測線x11 右側(cè)巖體比左側(cè)較破碎松散，其內(nèi)部裂隙更發(fā)育，其原因在于x11 測線右側(cè)表層有節(jié)理穿過。根據(jù)圖3（c）（d）可知，測線上部與下部相比，電磁波反射信號幅值較強，下部電磁能量正常衰減，局部存在板狀信號。另外，從x1與x11 測線比較可知，x1 測線電磁波穿透更強，第一排波形變化幅度更大，x1 測線附近巖體表層凹凸不平。由此表明，測區(qū)上部巖體相比下部巖體較破碎松散。其原因為在175 m 水位附近較長時間存在上下的反復(fù)波動。圖3（e）與其他相比，電磁波反射信號幅值較弱，波形均勻，電磁波穿透更強，表明高水位以上部位的巖體相比水位變動帶的巖體較密實。根據(jù)圖3（f）可知，整個x4 測線電磁波反射信號幅值較強，大量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充斥其中，并且繞射波、多次波眾多，呈區(qū)域化分布；只是在中間能量較為均勻。其原因在于該測線位于整個巖面的邊緣部位，而且三面臨水，尤其兩側(cè)的層間涉水，水更容易從層間進(jìn)入巖體內(nèi)部，從而對巖體造成的劣化更強。

通過三維視圖及以上分析，可以得出水位變動帶巖體比高水位以上部位巖體劣化要強，水位變動帶高程175 m 附近部位比高程169 m 附近部位的巖體劣化要強，巖體層間劣化比層面劣化要強，表面有節(jié)理裂縫其周圍部位劣化要強。根據(jù)波形初步判定，目前泥質(zhì)粉砂巖劣化深度在50～150 cm。

圖3 泥質(zhì)粉砂巖的地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果

（2）現(xiàn)場回彈強度。由圖4可知，高水位以上部位表層的回彈強度平均值為27.53 MPa，庫水位變動帶的泥質(zhì)粉砂巖表層回彈強度平均值為19.73 MPa?？梢娫诮?jīng)歷11個庫水位升降周期后，庫水位變動帶的泥質(zhì)粉砂巖相比不受庫水位影響的泥質(zhì)粉砂巖，其表層強度降低28.33%，年平均降低率約為2.58%。

圖4 泥質(zhì)粉砂巖的強度回彈值

（3）鉆孔及室內(nèi)聲波測試結(jié)果。由于鉆孔較多，本文展示其中3個孔的巖芯圖片，見圖5。從圖5可看出，高水位以上的巖芯較完整新鮮；水位變動帶的巖芯破碎松散，圖5（b）在孔深48 cm 處出現(xiàn)完整巖芯；圖5（c）在端部有18 cm 長的完整巖芯，為表層的泥灰?guī)r，而在孔深103 cm 處仍未見完整巖芯，且?guī)r樣更為破碎、含水量更高。圖5（c）相比圖5（b）劣化程度更高，這是因為c 孔位于測試區(qū)邊緣，受庫水影響更大的原因，這與上節(jié)地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果一致。取a 孔與b 孔中的泥質(zhì)粉砂巖的聲波測試結(jié)果進(jìn)行對比，見表1。兩個部位的巖芯都是隨著孔深的增加波速增大，在高水位以上部位取得的巖芯波速較大，遠(yuǎn)大于水位變動帶前3 段的巖芯波速。根據(jù)波速判斷泥質(zhì)粉砂巖層面的劣化深度可達(dá)70 cm，由表面到內(nèi)部的劣化是一個漸變的過程。

圖5 三種巖性的巖芯照片

4.2 泥灰?guī)r的試驗結(jié)果

（1）現(xiàn)場地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果。泥灰?guī)r地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)較多，由于篇幅限制，選取其中一部分進(jìn)行展示，見圖6。

根據(jù)圖6（a）（b）對比可知，測線x1 電磁波穿透正常衰減，測線x7 表層多見繞射波，電磁波衰減較快，表現(xiàn)為網(wǎng)格狀信號特征，多次波分布區(qū)域也較大，表明x7 測線比x1 測線劣化要強。同理，可見測線y1與y9的上部劣化程度更強，測線終段比起始段劣化要強；并且y1 比y9 劣化程度要強，其原因為在測線y1右側(cè)1.0 m 位置表層存在一條小裂隙，水侵入通道更多。同理，根據(jù)圖6（e）可見高水位以上部位電磁波同相軸連續(xù)性較強。根據(jù)波形初步判定，目前泥灰?guī)r劣化深度在30～50 cm。

表1 泥質(zhì)粉砂巖巖芯的波速

（2）現(xiàn)場回彈強度。由圖7可知，高水位以上部位表層的回彈強度平均值為34.37 MPa，庫水位變動帶的泥灰?guī)r表層回彈強度平均值為29.17 MPa。可見在經(jīng)歷11個庫水位升降周期后，庫水位變動帶的泥灰?guī)r相比不受庫水位影響的泥灰?guī)r，其表層強度降低15.13%，年平均降低率約為1.38%。

（3）鉆孔及室內(nèi)聲波測試結(jié)果。從圖5可看出，高水位以上的巖芯較完整新鮮；水位變動帶的巖芯破碎。圖6（d）在端部10 mm 處即出現(xiàn)完整巖芯；圖6（e）在端部22 cm 處出現(xiàn)完整巖芯。由巖芯波速表2可見，兩個部位巖芯的波速都是隨著孔深的增加而增大，水位變動帶巖芯波速比高水位以上部位的巖芯波速小得多。根據(jù)波速比較可以推斷層面臨水的泥灰?guī)r其劣化深度約可達(dá)44 cm。

圖6 泥灰?guī)r的地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果

圖7 泥灰?guī)r的強度回彈值

表2 泥灰?guī)r巖芯的波速

4.3 灰?guī)r的試驗結(jié)果

（1）現(xiàn)場地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果。灰?guī)r地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)較多，由于篇幅限制，選取其中一部分進(jìn)行展示，見圖8。

圖8 灰?guī)r的地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果

根據(jù)圖8（a）（b）與圖8（c）對比可知，電磁波反射信號幅值較強，呈典型的孤立體相位特征，為非規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，而且同相軸斷開呈尖波狀。由此表明，水位變動帶相比高水位部位巖體內(nèi)部溶蝕孔洞在數(shù)量與尺寸上更為發(fā)育，巖體內(nèi)部可能存在順層裂隙。劣化僅出現(xiàn)在表部節(jié)理附近，呈針狀、板狀結(jié)構(gòu)信號，深度總體上較淺。但從上向下可見能量吸收增強，多次波、繞射波增多，水位變動帶巖體劣化比高水位以上部位要強；同樣在巖體層間臨水面電磁波反射呈板狀信號。由此表明層間劣化比層面更強。根據(jù)波形初步判定灰?guī)r劣化深度在10 cm 左右。

（2）現(xiàn)場回彈強度。由圖9可知，高水位以上部位表層的回彈強度平均值61.33 MPa，庫水位變動帶的灰?guī)r表層回彈強度平均值為53.4 MPa?？梢娫诮?jīng)歷11個庫水位升降周期后，庫水位變動帶的灰?guī)r相比不受庫水位影響的灰?guī)r，其表層強度降低12.93%，年平均降低率約為1.18%。

圖9 灰?guī)r的強度回彈值

（3）鉆孔及室內(nèi)聲波測試結(jié)果。從圖5可看出，高水位以上部位的巖芯完整新鮮；水位變動帶的巖芯有2 條原生縫隙將巖樣切斷，裂隙內(nèi)無充填。根據(jù)聲波測試結(jié)果表3進(jìn)行對比分析，水位變動帶的巖芯波速隨著孔深的增加而增大，在高水位以上部位取得的巖芯波速在6000 m/s 左右，水位變動帶前2 段的巖芯波速均遠(yuǎn)小于6000 m/s。根據(jù)波速比較可以推斷層面臨水的泥灰?guī)r其劣化深度大約12 cm。

表3 灰?guī)r巖芯的波速

5 討論

5.1 巖體劣化的模式根據(jù)對三峽庫區(qū)瞿塘峽、巫峽、西陵峽以及小三峽區(qū)域內(nèi)岸坡的庫水位變動帶巖體進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)巖性，巖體層面與庫水的位置關(guān)系可將庫區(qū)巖體劣化模式分類總結(jié)如下。

圖10 巖體劣化模式的現(xiàn)場照片

溶蝕塌落型：指含碳酸鹽的巖石經(jīng)過長期巖溶作用在其內(nèi)部形成大量溶蝕孔洞或裂縫，在庫水位升降過程中溶蝕作用加強而造成塌陷；產(chǎn)生該現(xiàn)象的巖體以泥灰?guī)r、灰?guī)r為主（圖10（a））。層面龜裂型：指巖體層面臨水，受庫水位升降引起的干濕循環(huán)作用、熱脹冷縮作用造成層面發(fā)生規(guī)則或不規(guī)則的裂縫，將巖體表面切割成大小不一的塊狀；產(chǎn)生該現(xiàn)象的巖體以泥灰?guī)r、灰?guī)r、砂巖為主（圖10（b））。層間碎裂型：指巖體層面臨水，受庫水位升降引起的干濕循環(huán)作用、熱脹冷縮作用造成層間面發(fā)生大量縱橫向的裂縫，將巖體表面切割成眾多的小碎塊形成“積木狀”，巖體呈碎裂狀，巖塊在自然營力作用下不斷脫落；產(chǎn)生該現(xiàn)象的巖體以泥灰?guī)r、灰?guī)r為主，砂巖次之（圖10（c））。侵蝕剝落型：指巖體主要受水化學(xué)作用影響，在庫水位升降引起的干濕循環(huán)、熱脹冷縮等作用的共同影響下造成其內(nèi)部礦物質(zhì)溶解流失，出現(xiàn)大量微小裂隙，結(jié)構(gòu)發(fā)生松散，巖性變軟，強度變低，發(fā)生片狀或顆粒狀剝落；產(chǎn)生該現(xiàn)象的巖體以泥巖、粉砂巖以及含泥量大的泥灰?guī)r為主（圖10（d））。

5.2 不同巖體劣化特征的對比分析根據(jù)上述分析可知，三種巖性的劣化特征有所不同。泥質(zhì)粉砂巖劣化性最強，泥灰?guī)r次之，灰?guī)r最弱，由此可以推斷巖體劣化性與巖體強度有關(guān)，劣化性隨著巖體強度的增加而減弱。巖體劣化性與巖層臨水類型及有無裂隙有關(guān)，劣化性由強到弱排序為裂隙巖體強于層間臨水的巖體強于層面臨水的巖體。根據(jù)現(xiàn)場巖體的回彈強度可知，在經(jīng)過11個水文周期后泥質(zhì)粉砂巖強度損失為0.2833，泥灰?guī)r強度損失為0.1513，灰?guī)r的強度損失為0.1293。這幾個強度損失值比某些學(xué)者室內(nèi)劣化試驗所得到的強度損失要小[9，14-25]。主要原因在于室內(nèi)劣化試驗都沒有考慮巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)，在受到圍壓作用時巖體的劣化會減弱減慢很多。這一問題將在后續(xù)的工作中作進(jìn)一步的研究。黃波林等[30]采用無損探測的超聲波儀與回彈儀對裂隙灰?guī)r、較完整灰?guī)r進(jìn)行了表層巖體質(zhì)量劣化測試，得到裂隙灰?guī)r的聲波數(shù)據(jù)每個循環(huán)下降率為5.36%，回彈值每個循環(huán)下降率為3.59%，而較完整灰?guī)r的回彈值每個循環(huán)下降率為0.83%。而本文得到的泥灰?guī)r回彈值年下降率為1.38%，灰?guī)r回彈值的年下降率為1.18%，灰?guī)r室內(nèi)聲波數(shù)據(jù)年下降率為0.74%，在量值上與其較完整灰?guī)r結(jié)果較接近。根據(jù)鉆孔巖芯與室內(nèi)聲波數(shù)據(jù)可見，表層巖體劣化程度強于深部巖體，隨深度的增加劣化程度逐漸減弱，巖體內(nèi)部裂隙將加速其劣化。

5.3 巖體劣化質(zhì)量評價常規(guī)的巖體質(zhì)量評價方法有RQD分類法、Q系統(tǒng)分類法、RMR分類法以及BQ法等[31]。本文參照巖體質(zhì)量評價提出適合巖體劣化的質(zhì)量評價方法，主要針對巖體劣化性分類及劣化程度進(jìn)行快速評價。因此，按照巖體劣化的特征，參照本文的試驗方法及獲得的數(shù)據(jù)，采用定性與定量相結(jié)合，將劣化性分為3 類，劣化程度分為5 級，見下表4、表5。在劣化性分類中以巖石堅硬程度與能與水反應(yīng)的礦物含量兩個為主要指標(biāo)，以巖體完整程度、滲透性以及外部環(huán)境的庫水升降幅度、干濕交替程度、酸堿度為輔助指標(biāo)。在劣化程度的分級評價中比常規(guī)巖體質(zhì)量評價增加考慮了強度劣化值、雷達(dá)波形、劣化深度3個劣化指標(biāo)。

表4 巖體的劣化性分類

表5 巖體劣化程度的質(zhì)量分級評價表

現(xiàn)場巖體質(zhì)量劣化評價首先進(jìn)行不同劣化型式下的巖體完整程度調(diào)查，結(jié)合回彈強度值進(jìn)行初步判斷；進(jìn)一步采取探地雷達(dá)、波速比測試進(jìn)行劣化深度評價。在此基礎(chǔ)上建立考慮巖體劣化的地質(zhì)模型和計算模型，可采用極限平衡分析方法進(jìn)行穩(wěn)定性評價。根據(jù)上表對本次測試區(qū)的巖體進(jìn)行劣化質(zhì)量評價，庫水位變動帶主測區(qū)的泥質(zhì)粉砂巖處于中劣化狀態(tài)，邊緣部分處于強劣化狀態(tài)；泥灰?guī)r處于弱劣化狀態(tài)；灰?guī)r處于弱劣化狀態(tài)。

5.4 劣化機理特殊性分析巖體劣化機理的研究較多，可以歸納為物理作用、化學(xué)作用、力學(xué)作用。其中，物理作用主要包括潤滑、軟化、泥化、干濕、凍融、沖擊淘刷等過程；化學(xué)作用主要包括溶解、水解、水化、酸化、氧化、鈣化等過程；力學(xué)作用主要包括產(chǎn)生靜水壓力、動水壓力、流固耦合等過程[32-35]。

（1）水的物理、化學(xué)、力學(xué)作用對巖體的劣化通常不是單一出現(xiàn)，而是相互影響，相互促進(jìn)的過程。然而，不同巖體受3種作用的影響程度不同。含泥質(zhì)的軟巖受化學(xué)作用的影響最大，其內(nèi)部膠結(jié)程度較低的礦物顆粒逐漸析出變形；而硬巖受物理作用的影響最大，以裂隙擴展破壞為主。

（2）在庫水位周期性升降作用下，因力學(xué)作用的變化，巖體的劣化機理也有其特殊性。庫水位上升時，水壓力升高，內(nèi)部裂隙擴展，水向巖體深部滲流、擴散，這擴大巖體劣化面積，同時加速了化學(xué)作用。庫水位下降時，由于滲流的滯后性會產(chǎn)生動水壓力，可以使內(nèi)部的溶蝕物質(zhì)及裂縫中的嵌填物更容易隨水流出，從而為水巖作用提供了更有利的條件，為物理、化學(xué)作用提供更多的反應(yīng)通道。灰?guī)r在庫水位升降過程中一般認(rèn)為不會出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，國內(nèi)外有關(guān)灰?guī)r劣化的研究也很少。然而，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)，瞿塘峽的灰?guī)r表層及內(nèi)部裂隙較多，與高水位以上部位的灰?guī)r存在不同；現(xiàn)場回彈試驗也表明受庫水影響灰?guī)r強度有所降低。可見，灰?guī)r在庫水位升降作用下是存在劣化性的。分析其原因的不同之處主要為，原生裂隙內(nèi)充填有大量方解石形成的膠結(jié)物，方解石遇水會不斷溶蝕，從而使裂隙重生。另外，峽區(qū)內(nèi)晝夜溫差較大，熱脹冷縮作用與短期內(nèi)連續(xù)的干濕循環(huán)作用也會使灰?guī)r體表面產(chǎn)生大量細(xì)微裂隙。因而造成灰?guī)r岸坡巖體表層裂隙縱橫交錯，以致形成塊狀或碎裂狀的巖體。

（3）反復(fù)的庫水位升降作用導(dǎo)致的干濕循環(huán)次數(shù)及頻率的增加都將加速巖體的劣化效應(yīng)。根據(jù)三峽水庫運行數(shù)據(jù)，在一個水文周期內(nèi)，庫水位在175～172 m與145～150 m之間兩個階段存在多次的連續(xù)的反復(fù)波動，因此造成該高程段的巖體的劣化性要強于其他部分。這可以從泥質(zhì)粉砂巖的地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果得到很好的印證。然而，劉廣寧等[9]認(rèn)為在消落帶內(nèi)巖體隨高程的降低，其完整性呈下降趨勢，與此有所不同。分析其原因主要在對巖體完整性指數(shù)計算時采用的巖塊波速值不同所致。

6 結(jié)論

本文根據(jù)三峽庫區(qū)現(xiàn)場調(diào)查對巖體劣化模式進(jìn)行了分類，采用地質(zhì)雷達(dá)、現(xiàn)場回彈儀對庫區(qū)幾個典型岸坡巖體的劣化性進(jìn)行了測試，以鉆孔取芯與室內(nèi)聲波測試進(jìn)行驗證，得到如下結(jié)論。

（1）三峽庫區(qū)岸坡巖體劣化模式可分為溶蝕塌落型，層面龜裂型，層間碎裂型，侵蝕剝落型4 類。

（2）巖體劣化性與巖體強度有關(guān)，劣化性隨著巖體強度的增加而減弱。巖體劣化性與巖層臨水類型及有無裂隙有關(guān)，劣化性由強到弱排序為裂隙巖體強于層間臨水的巖體強于層面臨水的巖體。在經(jīng)過11個水文周期后泥質(zhì)粉砂巖強度損失率為0.2833，其劣化深度可達(dá)50～150 cm；泥灰?guī)r強度損失率為0.1513，其劣化深度可達(dá)30～44 cm；灰?guī)r的強度損失率為0.1293，其劣化深度可達(dá)10～12 cm。

（3）庫水位反復(fù)地升降引起干濕循環(huán)次數(shù)及頻率增加將加速巖體的劣化效應(yīng)，因而消落帶內(nèi)長期波動部位其巖體劣化程度最高。

本文建立的巖體劣化分類方法充分考慮了庫水位升降的外部環(huán)境以及其巖體本身的礦物含量與滲透性，增加了三個特有的巖體劣化評價指標(biāo)，相比常規(guī)手段具有方便快捷經(jīng)濟的特點，采用本方法評價現(xiàn)場巖體的劣化性更符合現(xiàn)場實際情況。