張國棟 邵杰鵬 葉義成 何鈺銘 李 錚 楊劍飛 夏文中

(1.三峽大學(xué) 湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站,湖北 宜昌 443002;2.湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,湖北 宜昌 443000)

岸坡消落帶是庫水位升降形成的干濕交替作用區(qū)域.岸坡消落帶巖體在庫水位升降水動(dòng)力作用下,巖體的賦存環(huán)境發(fā)生顯著改變,巖體的物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出弱化的趨勢,巖體的結(jié)構(gòu)性發(fā)生顯著改變,呈現(xiàn)出不同的劣化現(xiàn)象和模式.岸坡消落帶巖體劣化對(duì)岸坡穩(wěn)定性、岸坡形貌特征的改造等都會(huì)產(chǎn)生顯著的影響.庫水位升降水動(dòng)力作用是岸坡消落帶巖體劣化的主要誘發(fā)因素,基于這種認(rèn)識(shí),不同學(xué)者開展了干濕循環(huán)作用條件下巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及測試、理論分析、原位試驗(yàn)及測試等研究工作.王思敬等[1]分析了水庫區(qū)水巖作用的類型及水庫滑坡、庫岸再造等典型環(huán)境災(zāi)害問題;徐志華等[2]開展了干濕循環(huán)作用下紅砂巖的強(qiáng)度劣化特性研究,擬合出了干濕循環(huán)次數(shù)與巖石強(qiáng)度劣化規(guī)律;劉新榮等[3]研究了砂巖受庫水飽水-風(fēng)干水巖循環(huán)作用后抗剪強(qiáng)度的劣化規(guī)律;鄧華鋒等[4-5]考慮消落帶庫水位反復(fù)升降變化,開展了紅層軟巖浸泡-風(fēng)干循環(huán)水巖作用試驗(yàn)研究,認(rèn)為水壓力的反復(fù)升降變化和浸泡-風(fēng)干循環(huán)作用對(duì)紅層軟巖造成了不可逆的漸進(jìn)累積損傷;張振華等[6-7]開展了水庫運(yùn)行期岸坡消落帶紅砂巖強(qiáng)度劣化機(jī)制研究;亢金濤等[8]開展了巖石/結(jié)構(gòu)面劣化導(dǎo)致巴東組軟硬互層巖體強(qiáng)度劣化的作用機(jī)制研究;其他學(xué)者也開展了室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試及調(diào)查研究[9-12].

以上研究工作為巖(石)體劣化宏觀現(xiàn)象解釋和成因機(jī)制的揭示奠定了較好的研究基礎(chǔ).然而,實(shí)際調(diào)查和原位測試表明,消落帶巖體劣化在宏觀表現(xiàn)上與室內(nèi)試驗(yàn)及測試成果并不完全一致,主要是巖體真實(shí)賦存環(huán)境和條件、巖體的結(jié)構(gòu)等與室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M存在明顯的差異性,消落帶巖體劣化的客觀描述和真實(shí)現(xiàn)狀對(duì)促進(jìn)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M能力和水平提升具有一定的指導(dǎo)意義.因此,基于野外調(diào)查,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及測試,采取消落帶與消落帶以上巖體劣化的比對(duì)法,綜合描述消落帶巖體劣化特征和模式,并對(duì)消落帶巖體劣化成因機(jī)制進(jìn)行分析,對(duì)岸坡消落帶巖體劣化評(píng)價(jià)理論和方法的建立及外野觀測具有一定的指導(dǎo)意義.

1 岸坡消落帶巖體劣化特征

在庫水位周期性升降水動(dòng)力作用下,岸坡消落帶巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、賦存水環(huán)境、結(jié)構(gòu)性等會(huì)發(fā)生改變,這種改變與岸坡結(jié)構(gòu)類型、工程地質(zhì)巖性組合、地層巖性具有明顯的相關(guān)性.

1.1 塊裂狀和碎裂狀劣化

塊裂狀劣化主要出現(xiàn)在中厚層狀砂巖岸坡消落帶中,巖石強(qiáng)度較高,巖性呈脆性,塊體大小與巖層厚度、節(jié)理裂隙密度、傾角與傾向、層面等相關(guān),如圖1所示.

圖1 中厚層狀碎屑巖岸坡巖體劣化

碎裂狀劣化主要出現(xiàn)在薄層或薄層軟硬互層的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖岸坡中,巖體強(qiáng)度較低,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,受庫水位浸泡和升降干濕循環(huán)作用影響,極易碎裂化,如圖2所示.

圖2 薄層狀碎屑巖岸坡巖體劣化

1.2 凸凹型劣化

凸凹性劣化主要出現(xiàn)在厚層狀軟硬互層巖體組成的岸坡,硬層為砂巖或粉砂巖,軟層為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖,表現(xiàn)為軟巖不斷劣化凹陷,硬巖相對(duì)凸出,硬巖劣化特性與沿層面或?qū)永砻娣植加嘘P(guān),同時(shí)受到節(jié)理裂隙的切割,硬巖呈現(xiàn)出塊裂狀劣化特征,如圖3所示.

圖3 厚層互層狀碎屑巖岸坡巖體劣化

1.3 褶皺型劣化

褶皺型劣化常出現(xiàn)在中厚層狀砂巖和粉砂巖、薄層狀炭質(zhì)粉細(xì)砂巖與頁巖和泥巖組成的復(fù)合型岸坡中,中厚層狀砂巖和粉砂巖呈塊裂狀,薄層狀炭質(zhì)粉細(xì)砂巖與頁巖和泥巖呈泥粉狀,巖體沿軟弱層面發(fā)生反傾彎曲,褶皺型劣化常形成于后陡前緩的順向碎屑巖岸坡中,如圖4所示.

圖4 中厚層狀軟硬互層岸坡巖體劣化

2 岸坡消落帶巖體劣化模式

在庫水位周期性升降水動(dòng)力作用下,岸坡消落帶巖體劣化與岸坡結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)巖組、巖性等密切相關(guān).岸坡結(jié)構(gòu)是岸坡巖體劣化的基本地質(zhì)環(huán)境,工程地質(zhì)巖組是岸坡結(jié)構(gòu)的基本組成單元,不同類型的巖石干濕循環(huán)水巖作用效應(yīng)是巖體劣化的外在呈現(xiàn).通過對(duì)三峽庫區(qū)秭歸岸坡段的野外調(diào)查,結(jié)合岸坡巖體的劣化特征,基于巖體劣化的宏觀表現(xiàn),對(duì)岸坡消落帶巖體劣化進(jìn)行分類.由于消落帶巖體劣化主要是庫水位升降水動(dòng)力作用的結(jié)果,本研究只考慮了庫水位升降作用誘發(fā)的巖體劣化問題,表1為岸坡消落帶巖體劣化模式分類.

表1 岸坡消落帶巖體劣化模式分類

2.1 侵蝕型

軟巖或軟硬互層巖層建造的岸坡,長期受到庫水位周期性升降作用,這為軟弱巖層軟化、泥化創(chuàng)造了條件,軟弱巖層受水力沖蝕、降雨沖刷、波浪淘蝕等機(jī)械侵蝕作用,消落帶岸坡形貌特征顯著改變,如圖5所示.軟弱巖層的年侵蝕量或侵蝕速率可以表征庫水對(duì)這類岸坡的侵蝕程度[2].軟硬互層岸坡所形成的凸凹劣化特征就是軟弱巖層侵蝕作用的結(jié)果(圖3).

圖5 泥巖岸坡巖體劣化

2.2 剝蝕型

剝蝕型巖體劣化主要是沿層面、層理面、節(jié)理裂隙面等劣化,這些部位水巖作用最為強(qiáng)烈,該類型的劣化常出現(xiàn)在中厚層砂巖和粉砂巖地層,各類岸坡結(jié)構(gòu)中均會(huì)發(fā)生,如圖6所示.巖體剝蝕垮落塊體的大小與節(jié)理裂隙密度、巖體厚度、層面、層理面分布等因素有關(guān).

圖6 中厚層狀碎屑巖岸坡劣化

2.3 復(fù)合型

復(fù)合型巖體劣化常出現(xiàn)在薄層-中厚層軟硬互層的巖體結(jié)構(gòu)中,薄層狀軟巖呈現(xiàn)軟化泥化等侵蝕型劣化特征,硬巖沿節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面呈現(xiàn)塊裂特征.同時(shí),硬質(zhì)巖層沿軟弱層面滑移,在岸坡前緣巖層反翹表現(xiàn)為圖4的劣化特征.圖7為在庫區(qū)岸坡劣化調(diào)查時(shí),消落帶巖體反翹彎曲現(xiàn)象.復(fù)合型巖體劣化是庫水位周期性升降作用效應(yīng)在岸坡巖體中的綜合反映.

圖7 不等厚軟硬互層岸坡劣化

3 消落帶巖體劣化成因機(jī)制

岸坡消落帶巖體劣化的主要誘發(fā)因素是庫水位升降水動(dòng)力作用,劣化現(xiàn)象是水動(dòng)力效應(yīng)的宏觀表現(xiàn).岸坡消落帶巖體劣化不斷地改造岸坡,并對(duì)岸坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響.庫水位升降水動(dòng)力作用表現(xiàn)為岸坡消落帶巖體長期處于干濕交替環(huán)境,誘發(fā)巖體結(jié)構(gòu)性改變,包括節(jié)理裂隙的擴(kuò)展和延伸、裂縫顯化等.同時(shí),巖體的破壞模式也會(huì)隨干濕循環(huán)作用而改變,在宏觀上改變巖體的形貌特征.

3.1 干濕循環(huán)作用對(duì)巖體劣化特性的影響

采取消落帶與消落帶以上巖體劣化特性的比對(duì)法,分析消落帶巖體劣化成因機(jī)制.岸坡消落帶以上巖體處于自然風(fēng)化狀態(tài),未受庫水位升降水動(dòng)力作用影響,可與消落帶巖體劣化進(jìn)行比對(duì)分析.圖8是處于不同賦存環(huán)境條件下碎屑巖岸坡巖體宏觀劣化特性,處于自然風(fēng)化區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)性較為完整(圖8(a)),而處于消落帶區(qū)域的巖體較為破碎(圖8(b)).

圖8 砂巖和粉砂巖及頁巖不等厚互層岸坡

庫水沿巖體裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)生干濕交替水巖作用,裂隙結(jié)構(gòu)面不斷擴(kuò)展、延伸和交錯(cuò),不斷切割巖體,造成消落區(qū)巖體逐漸破碎.對(duì)取自岸坡消落帶與非消落帶的碎屑巖開展強(qiáng)度測試和物性試驗(yàn),部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[12-24],以比較處于水下區(qū)、消落區(qū)和庫水位以上區(qū)巖石的物理力學(xué)特性,結(jié)果如圖9～10所示.從圖9、10結(jié)果可以看出,處于消落區(qū)的巖石強(qiáng)度指標(biāo)和物性指標(biāo)總體上表現(xiàn)為劣化趨勢.

圖9 碎屑巖點(diǎn)荷載強(qiáng)度分布

圖11試樣為取自岸坡鉆孔巖芯的粉砂巖,在室內(nèi)開展干濕循環(huán)試驗(yàn),在經(jīng)歷若干次干濕循環(huán)后,試樣逐漸破碎,最終呈現(xiàn)為碎裂狀,這與庫岸調(diào)查發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象較為吻合(圖2).巖體的劣化可以分為巖石的劣化和結(jié)構(gòu)面的劣化兩部分,巖體節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面的劣化速度遠(yuǎn)大于巖石的劣化速度,巖石內(nèi)部微裂隙、微孔隙等缺陷對(duì)巖石破碎塊體的大小具有控制作用,同時(shí),巖石的礦物組成是劣化的物質(zhì)基礎(chǔ).鄧華鋒等[5]通過節(jié)理砂巖力學(xué)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)節(jié)理的傾角對(duì)巖石破壞特征具有顯著影響.巖石干濕循環(huán)作用的試驗(yàn)結(jié)果表明,硬質(zhì)碎屑巖沿節(jié)理裂隙面易發(fā)生崩解性剝蝕破壞[13-15].

圖10 基本物理指標(biāo)(中砂巖)

圖11 粉砂巖干濕循環(huán)破壞演化過程

圖12試樣為取自岸坡鉆孔巖芯的泥質(zhì)巖,在室內(nèi)開展干濕循環(huán)試驗(yàn),泥質(zhì)巖具有較強(qiáng)的水敏感性,遇水易出現(xiàn)軟化泥化現(xiàn)象.對(duì)于軟硬互層的消落帶岸坡,軟弱巖層長期受到庫水侵泡和干濕循環(huán)水動(dòng)力作用,同時(shí),受到水力沖蝕、波浪淘蝕等機(jī)械侵蝕作用,由軟弱巖體組成的岸坡消落帶,其劣化程度往往比硬質(zhì)巖劣化嚴(yán)重,這與庫岸調(diào)查發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象較為吻合(圖3、5).

圖12 泥質(zhì)巖干濕循環(huán)破壞演化過程

3.2 干濕循環(huán)作用對(duì)巖體變形特性的影響

干濕循環(huán)作用影響巖體變形的演化過程,對(duì)于復(fù)合型岸坡,巖體劣化誘發(fā)巖體變形,褶皺型劣化是巖體彎曲變形的直觀表現(xiàn)(圖4、7).對(duì)于軟硬互層的順向或斜順向岸坡,層面、節(jié)理裂隙面是水動(dòng)力作用最活躍的區(qū)域,一方面軟化泥化軟弱巖體;另一方面造成硬質(zhì)巖體塊裂化,演化為塊裂狀層狀岸坡.對(duì)于軟硬互層復(fù)合型岸坡,巖體在重力作用下發(fā)生蠕變變形,當(dāng)受到前緣阻滑作用時(shí),塊裂狀層狀巖體會(huì)發(fā)生反翹彎曲變形,其形成過程如圖13所示.

圖13 巖體變形演化過程

4 結(jié)論

庫水位升降水動(dòng)力作用誘發(fā)岸坡消落帶巖體劣化,岸坡消落帶巖體劣化與岸坡結(jié)構(gòu)類型、工程地質(zhì)巖組、巖性、巖體賦存環(huán)境等具有相關(guān)性.通過對(duì)三峽庫區(qū)秭歸碎屑巖岸坡段的調(diào)查和試驗(yàn)研究,主要結(jié)論如下:

1)碎屑巖岸坡消落帶巖體的劣化表現(xiàn)出不同的特征,可以劃分為3類,分別為塊裂型和碎裂型、凸凹型、褶皺型.

2)碎屑巖岸坡消落帶巖體劣化模式可以劃分3類,分別為侵蝕型、剝蝕型、復(fù)合型.

3)庫水位升降作用產(chǎn)生的干濕交替循環(huán)作用環(huán)境是岸坡消落帶巖體劣化的主要水動(dòng)力條件.