三峽庫區(qū)近水平厚層斜坡滑動穩(wěn)定性研究——以重慶巫山箭穿洞危巖為例

王文沛，李 濱，黃波林，張 楠，韓 笑

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；3.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢中心，武漢 430223)

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三峽庫區(qū)近水平厚層斜坡滑動穩(wěn)定性研究
——以重慶巫山箭穿洞危巖為例

王文沛1，李 濱2，黃波林3，張 楠1，韓 笑1

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；3.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢中心，武漢 430223)

以重慶巫山箭穿洞近水平巨厚層危巖體為例，通過地質(zhì)環(huán)境條件、基座位移及應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)等分析，總結(jié)歸納了危巖體目前的變形和受力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)危巖體的強度仍在持續(xù)降低。同時，運用FLAC2D模擬手段，設(shè)置了初始天然、初始飽和、臨滑、失穩(wěn)4種模擬工況，研究了危巖基座巖體及泥質(zhì)條帶灰?guī)r層面對危巖體阻滑規(guī)律。研究結(jié)果表明，基座泥質(zhì)條帶灰?guī)r層強度的持續(xù)降低將會使得危巖體處于臨滑乃至失穩(wěn)狀態(tài)。該穩(wěn)定性分析也為進一步的防治設(shè)計提供了依據(jù)。

三峽庫區(qū)；近水平厚層斜坡；箭穿洞危巖體；安全系數(shù)

1 厚層危巖穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀

厚層危巖廣泛分布西陵峽、巫峽和瞿塘峽。不少學(xué)者從巖體強度特征的角度對厚層狀巖體進行過穩(wěn)定性評價研究，如：Terzaghi[1]在研究高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性時發(fā)現(xiàn)，巖體中普遍存在的斷續(xù)節(jié)理之間形成若干巖橋，從而提出滑面有效粘聚力概念，滑坡失穩(wěn)過程實際上是巖橋連續(xù)接替發(fā)生破壞，破裂面的貫通最終導(dǎo)致滑坡整體失穩(wěn)；Goodman等[2]提出了層狀巖質(zhì)邊坡傾倒崩塌穩(wěn)定性計算公式，公式中將條塊分為穩(wěn)定、傾倒、滑動破壞3種狀態(tài)，通過比較條塊間推力大小確定條塊狀態(tài)；陳祖煜[3]改進了Goodman-Bray方法[2]，考慮了條塊底滑面上巖橋的作用，同時考慮了條塊的抗彎能力，在折減剪切強度指標C和tanφ值時，也對抗拉強度進行折減；Hungr等[4]在研究高陡巖質(zhì)滑坡失穩(wěn)模式分類時，根據(jù)巖體強度上限值定義“應(yīng)力穩(wěn)定數(shù)”Ns，當(dāng)Ns>0.25時，滑坡更易發(fā)生緩慢的塑性滑移崩塌；殷躍平等[5]在重慶武隆雞尾山厚層巖質(zhì)滑坡滑動機制分析中，強調(diào)關(guān)鍵塊體對整個滑坡的阻滑作用，提出了側(cè)向阻滑下滑坡平面穩(wěn)定性的強度折減法；黃波林等[6]認為三峽庫區(qū)周期性的水位漲落會使得巖體承受反復(fù)荷載作用，致使巖體裂隙率上升，含水量提高，進而提出了箭穿洞危巖基座巖體進一步劣化的可能。雖然以上研究中考慮到巖體強度變化會影響近水平層狀巨厚層危巖穩(wěn)定性，但究竟如何影響危巖體的穩(wěn)定性尚未深入研究。因此，本文在該危巖體的現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)分析及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，通過FLAC2D強度折減法數(shù)值模擬近水平層狀巨厚層危巖滑動穩(wěn)定性，強調(diào)庫水變動對基座層間軟弱帶的淘蝕、對基座巖體進一步劈裂使得危巖體處于臨滑乃至滑動失穩(wěn)狀態(tài)，從而為此類危巖體的治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 地質(zhì)條件及水位變動

重慶巫山箭穿洞危巖體位于長江左岸，地處神女峰背斜核部(見圖1)。2012年6月調(diào)查發(fā)現(xiàn)，箭穿洞危巖下方基座已經(jīng)被壓得支離破碎，嚴重威脅三峽航道和沿岸人民生命財產(chǎn)安全。特別是神女峰、神女溪旅游景區(qū)和青石居民集聚區(qū)附近，涌浪災(zāi)害風(fēng)險較大。殷躍平等[7]通過固-液耦合流體動力學(xué)計算分析，認為箭穿洞危巖滑落入水形成的涌浪最大高度將達到17.3 m，若以傾倒模式入江，涌浪最大高度甚至可達47.1 m。

圖1 箭穿洞危巖平面衛(wèi)星圖(引自Google Earth)Fig.1 RS images showing border of Jianchuandong rockmass

近水平層狀巨厚層危巖多指巖層傾角小于10°，主要由厚層狀碎屑巖、碳酸鹽巖以及黏土巖組成，具有典型的軟硬相間或上硬下軟的“二元結(jié)構(gòu)”特征[8]，箭穿洞危巖體即具有以上特征(見圖2)。

圖2 箭穿洞危巖立面圖Fig.2 Vertical view of the Jianchuandong rockmass at the water level of 145 m and 160 m

箭穿洞危巖體后緣高程為278～305 m，基座高程為155 m，高差為123～150 m，平均高差135 m，危巖平均橫寬約50 m，平均長度約55 m，體積約35.75×104m3[9]。

危巖體上部及后緣高程280 m以上，由下三疊統(tǒng)嘉陵江組第一段(T1j1)組成，巖性為薄—中厚層狀白云巖，層厚約15 m；中風(fēng)化巖體較完整，表層風(fēng)化強烈，強風(fēng)化層厚度1.0～1.5 m；其上為淺灰色中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r，巖體較完整，錘擊聲脆，強度高，強風(fēng)化層缺失。

危巖體主要由下三疊統(tǒng)大冶組第四段(T1d4)組成，分布高程155～280 m；巖性主要為灰色、肉紅色中—厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，層厚約115 m；頂部見波痕，巖體較完整，錘擊聲脆，強度高，強風(fēng)化層缺失。

基座為灰白色泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r，呈薄層—中厚層狀，層厚約10 m。巖體較破碎，存在大量的劈裂狀高傾角裂隙，錘擊易碎，強度較低，強風(fēng)化層缺失。

基座以下為下三疊統(tǒng)大冶組第三段(T1d3)，巖性為淺灰色泥質(zhì)灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，巖體較完整，錘擊聲脆，強度高，強風(fēng)化層缺失。

箭穿洞危巖位于神女峰背斜軸部—南東翼的轉(zhuǎn)折段，區(qū)內(nèi)無斷層及活動性斷裂。軸部巖層產(chǎn)狀為NE255°—265°∠5°—7°，南東翼巖層傾向為NE150°—160°∠10°—24°。

經(jīng)勘查，箭穿洞危巖體北西、南東兩側(cè)和北東后緣邊界裂縫清晰，已全部貫通，僅靠底部泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r支撐，平面形態(tài)呈不規(guī)則的長條狀(見圖2、圖3)。

圖3 箭穿洞危巖A-A1工程地質(zhì)剖面圖(剖面位置見圖1)Fig.3 A-A1 engineering geological section of the Jianchuandong rockmass

除3條主要構(gòu)造裂縫外，巖體頂部表層發(fā)育多條豎向卸荷裂縫。危巖體邊界由 3 條主要構(gòu)造裂縫構(gòu)成：①北西側(cè)邊界以陡崖沖溝為界(NE325°—335°∠85°—88°)；②南東側(cè)邊界裂縫在臨江陡崖面上清晰可見(NE300°—315°∠78°—85°)，上寬下窄，局部充填碎石土，并向下逐漸收斂至153 m高程尖滅；③北東后緣邊界發(fā)育在距離陡崖臨空面約50～60 m處，發(fā)育標高約305 m，后緣卸荷裂縫(NE255°—265°∠70°—80°)，走向約340°，裂隙張開度最大達到3.15 m，裂隙在高程286 m以下底部均被碎石所填充。

從箭穿洞危巖的地形條件和空間形態(tài)來看，后緣及兩側(cè)邊界裂縫貫通性好，地形坡度陡，向長江的排泄條件好，暴雨時在后緣裂隙充水、形成較高水頭的可能性小，形成后緣裂隙水壓力致使危巖體傾倒破壞的可能性小。

此外，抗日戰(zhàn)爭時期在157 m高程開挖了3個平硐(用作峽江防守掩體)，自長江上游編號分別為1#、2#和3#，延伸長度分別為8.2 m、13.7 m和11.0 m，硐室截面尺寸為2 m×2 m，從而破壞了底部巖體的完整性。目前，在上部巖體荷載作用下，基座巖體已形成劈裂狀。三峽水庫175 m蓄水后，基座巖體中存在的平硐和張性裂縫有利于庫水的貫入、沖刷、淘蝕和軟化基座的泥質(zhì)條帶灰?guī)r，進一步降低了基座巖體的強度(見圖2、圖3)。2013年和2014年調(diào)查發(fā)現(xiàn)：1#平硐頂部和上游側(cè)，坡面巖體均發(fā)生了不同程度崩塌，規(guī)模1～5 m3。根據(jù)近年來175 m水位蓄水對基座巖體的影響分析，層間泥質(zhì)條帶被淘蝕和侵蝕高度達1～15 cm，橫向和縱向上的延伸長度達2.9 m。

3 危巖體位移及應(yīng)力監(jiān)測

3.1 位移監(jiān)測

圖2顯示了箭穿洞危巖位移監(jiān)測點的位置，由上至下分別為S1、S2和S3，監(jiān)測頻率為每周1次。位移監(jiān)測曲線[9](見圖4)表明：①危巖體整體豎向變形曲線平緩，處于緩慢沉降過程，2012年10月至2014年6月間，累計沉降位移量最大約-20.0 mm，并且豎向變形與水位變動之間并無明顯相關(guān)性；②2012年10月至2013年12月間，危巖體整體水平位移在緩慢增加，累計水平位移最大為25 mm，發(fā)生在坡頂監(jiān)測點S1；然而，2013年12月至2014年6月，隨著水位的下降，監(jiān)測點S1累計水平位移開始減少，至2014年6月已經(jīng)減少到5～10 mm，而S2和S3累計水平位移仍然在緩慢增加，最大增加到30.9 mm(S2)。也就是說水位變動已可能造成危巖體頂部表面出現(xiàn)新的局部張拉裂縫。結(jié)合巡查監(jiān)測情況分析，危巖整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 箭穿洞危巖位移監(jiān)測曲線Fig.4 Displacement monitoring curves of the Jianchuandong rockmass

3.2 基座應(yīng)力監(jiān)測

基座的3個平硐內(nèi)(高程約157 m)均布置自動壓力監(jiān)測(見圖2)，因篇幅限制，僅介紹危巖體正下方基座內(nèi)1#平硐監(jiān)測點[9]。1#平硐含4個監(jiān)測點(a0、a1、b0、b1)，監(jiān)測頻率為每天1次，應(yīng)力監(jiān)測曲線(見圖5)表明，應(yīng)力受水位變動影響較大，水位上升時，壓應(yīng)力從1.5～2.0 MPa迅速下降，甚至降到0；水位下降時，壓應(yīng)力迅速恢復(fù)上升，局部甚至達到約3.0 MPa。結(jié)合2013年和2014年調(diào)查1#平硐頂板發(fā)生垮塌的現(xiàn)狀，可以判斷箭穿洞危巖的破壞主要在下方基座處。

圖5 箭穿洞危巖基座1#平垌壓應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.5 Pressure stress curves of 1# adit in the Jianchuandong rockmass

4 庫水位上升時危巖體穩(wěn)定性

強度折減方法是指不斷降低巖土體材料的抗剪強度，從而獲得斜坡的穩(wěn)定系數(shù)[10]。本文將采用FLAC2D軟件進行流固耦合模擬分析。由于箭穿洞危巖后緣及兩側(cè)邊界裂縫貫通性好，地形坡度陡，向長江的排泄條件好，故水位變動不易在危巖體及基座內(nèi)產(chǎn)生較大的水頭差。根據(jù)箭穿洞危巖現(xiàn)場勘察結(jié)果，結(jié)合工程類比和反演分析法，建議采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。其中，危巖體整體視為均值彈性體，基座采用Mohr-Coulomb準則的彈塑性模型；同時，基座巖體考慮層面被侵蝕、軟化的影響，引入遍布節(jié)理本構(gòu)模型，節(jié)理參數(shù)設(shè)置同巖層結(jié)構(gòu)面。傾角7°?？辜魪姸戎笜耍禾烊徽尘哿=60 kPa，內(nèi)摩擦角φ=22°；飽和粘聚力C=50 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°。運用強度折減法時，節(jié)理抗剪強度同時進行折減。

表1 箭穿洞危巖數(shù)值計算參數(shù)建議表

本文設(shè)置4種模擬工況穩(wěn)定系數(shù)，反映了箭穿洞危巖基座巖體及泥質(zhì)條帶灰?guī)r層面對危巖體阻滑規(guī)律(見圖6，表2)。

圖6 箭穿洞危巖阻滑模擬剪切應(yīng)變增量結(jié)果Fig.6 Stimulation results of Jianchuandong rock slide shear strain increment

工況抗剪強度內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa穩(wěn)定系數(shù)備注初始天然狀態(tài)基座巖體32522基座層面2260137峰值天然強度(145m水位)初始飽和狀態(tài)基座巖體32522基座層面1850120峰值飽和強度(175m水位)臨滑狀態(tài)基座巖體32522基座層面1440105層面2/3強度失穩(wěn)狀態(tài)基座巖體21350基座層面14400852/3強度

4種工況穩(wěn)定系數(shù)反映了危巖基座巖體及泥質(zhì)條帶灰?guī)r層對上部危巖體阻滑規(guī)律，特別是泥質(zhì)條帶灰?guī)r層受長江江水的淘蝕形成層間裂縫，若層面強度降至初始飽和狀態(tài)層面強度的2/3，危巖體已處于臨滑狀態(tài)。若在庫水變動外荷載和坡體應(yīng)力作用下，巖體進一步劈裂狀惡化，強度同樣降為初始飽和狀態(tài)巖體強度的2/3時，危巖滑動失穩(wěn)。

5 結(jié)論與建議

箭穿洞近水平厚層危巖被北西、南東兩側(cè)和北東后緣豎向構(gòu)造裂縫切割，僅靠底部泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r基座支撐。危巖體整體性較好，但基座中巖體已形成劈裂狀，在三峽水庫175 m蓄水后，基座巖體中存在的平硐(1#、2#和3#)和張性裂縫有利于庫水貫入、沖刷、淘蝕和軟化基座的泥質(zhì)條帶灰?guī)r，進一步降低了基座巖體的強度。

危巖體整體雖然處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但水平向和豎向沉降變形一直在緩慢增加，危巖體頂部表層可能出現(xiàn)新的局部裂縫；同時平垌內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測反映庫水變動對于危巖體應(yīng)力變化影響很明顯，這種反復(fù)荷載作用下易降低基座巖體強度。

FLAC2D模擬表明，基座泥質(zhì)條帶灰?guī)r層強度的持續(xù)降低將會使得危巖體處于臨滑狀態(tài)。若同時考慮庫水變動外荷載和坡體應(yīng)力作用，基座巖體進一步劈裂狀惡化，危巖將處于滑動失穩(wěn)狀態(tài)。

致謝 本文得到高楊、趙瑞欣等同志的幫助和指導(dǎo)，監(jiān)測數(shù)據(jù)由重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院無償提供，在此一并表示感謝！

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STABILITY ANALYSIS OF SUB-HORIZONTAL THICK-BEDDED SLOPE IN THREE GORGES RESERVIOR AREA:A CASE STUDY OF JIANCHUANDONG DANGEROUS ROCKMASS IN WUSHAN, CHONGQING

WANG Wen-pei1, LI Bin2, HUANG Bo-lin3, ZHANG Nan1, HAN Xiao1

(1.China Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100083, China；2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China；3.WuhanCentreofChinaGeologicalSurvey,Wuhan430223,China)

Taking Jianchuandong dangerous rockmass in Wushan for an example, based on analyzsis of geological conditions, displacement of base and stress monitoring data, we summarized the present deformation and stress state of the dangerous rockmass, then found that the strength of it remaining reduce. Meanwhile, using FLAC2Dwe set up four simulation conditions, including Initial natural, Initial saturation, critical sliding and destabilizing to research the rule of rock base and shale strip limestone when facing up rock slide. The results show that decreasing of base strength of argillaceous limestone will make dangerous rockmass in a state of critical sliding. Stability analysis of the above also provides a basis for further control of the design.

Three Gorges Reservoir; sub-horizontal thick-bedding slope; Jianchuandong dangerous rockmass; factor of safety

1006-6616(2016)03-0725-08

2016-06-25

國家自然科學(xué)基金“庫水變動下堆積層滑坡滲透失穩(wěn)機理研究”(41502305)

王文沛(1985-)，男，高工，主要從事地質(zhì)災(zāi)害與防治研究，E-mail：wangwenpei1985@163.com

李 濱(1981-)，男，副研究員，主要從事工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害研究，E-mail：libin1102@163.com

P642. 22

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