三峽庫區(qū)秭歸碎屑巖岸坡消落帶巖體劣化特性研究

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 湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站,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,巖體的物理力學性質(zhì)呈現(xiàn)出弱化的趨勢,巖體的結(jié)構性發(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岸坡穩(wěn)定性、岸坡形貌特征的改造等都會產(chǎn)生顯著的影響.庫水位升降水動力作用是岸坡消落帶巖體劣化的主要誘發(fā)因素,基于這種認識,不同學者開展了干濕循環(huán)作用條件下巖石物理力學性質(zhì)試驗及測試、理論分析、原位試驗及測試等研究工作.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)境災害問題;徐志華等[2]開展了干濕循環(huán)作用下紅砂巖的強度劣化特性研究,擬合出了干濕循環(huán)次數(shù)與巖石強度劣化規(guī)律;劉新榮等[3]研究了砂巖受庫水飽水-風干水巖循環(huán)作用后抗剪強度的劣化規(guī)律;鄧華鋒等[4-5]考慮消落帶庫水位反復升降變化,開展了紅層軟巖浸泡-風干循環(huán)水巖作用試驗研究,認為水壓力的反復升降變化和浸泡-風干循環(huán)作用對紅層軟巖造成了不可逆的漸進累積損傷;張振華等[6-7]開展了水庫運行期岸坡消落帶紅砂巖強度劣化機制研究;亢金濤等[8]開展了巖石/結(jié)構面劣化導致巴東組軟硬互層巖體強度劣化的作用機制研究;其他學者也開展了室內(nèi)試驗和原位測試及調(diào)查研究[9-12].

以上研究工作為巖(石)體劣化宏觀現(xiàn)象解釋和成因機制的揭示奠定了較好的研究基礎.然而,實際調(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)試驗及測試成果并不完全一致,主要是巖體真實賦存環(huán)境和條件、巖體的結(jié)構等與室內(nèi)試驗模擬存在明顯的差異性,消落帶巖體劣化的客觀描述和真實現(xiàn)狀對促進室內(nèi)試驗模擬能力和水平提升具有一定的指導意義.因此,基于野外調(diào)查,結(jié)合室內(nèi)試驗及測試,采取消落帶與消落帶以上巖體劣化的比對法,綜合描述消落帶巖體劣化特征和模式,并對消落帶巖體劣化成因機制進行分析,對岸坡消落帶巖體劣化評價理論和方法的建立及外野觀測具有一定的指導意義.

1 岸坡消落帶巖體劣化特征

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

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,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,硬巖相對凸出,硬巖劣化特性與沿層面或?qū)永砻娣植加嘘P,同時受到節(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)粉細砂巖與頁巖和泥巖組成的復合型岸坡中,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力作用下,岸坡消落帶巖體劣化與岸坡結(jié)構、工程地質(zhì)巖組、巖性等密切相關.岸坡結(jié)構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)水巖作用效應是巖體劣化的外在呈現(xiàn).通過對三峽庫區(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),對岸坡消落帶巖體劣化進行分類.由于消落帶巖體劣化主要是庫水位升降水動力作用的結(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)構中均會發(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.

圖6 中厚層狀碎屑巖岸坡劣化

2.3 復合型

復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)構面呈現(xiàn)塊裂特征.同時,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,消落帶巖體反翹彎曲現(xiàn)象.復合型巖體劣化是庫水位周期性升降作用效應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力作用,劣化現(xiàn)象是水動力效應的宏觀表現(xiàn).岸坡消落帶巖體劣化不斷地改造岸坡,并對岸坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響.庫水位升降水動力作用表現(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)構性改變,包括節(jié)理裂隙的擴展和延伸、裂縫顯化等.同時,巖體的破壞模式也會隨干濕循環(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法,分析消落帶巖體劣化成因機制.岸坡消落帶以上巖體處于自然風化狀態(tài),未受庫水位升降水動力作用影響,可與消落帶巖體劣化進行比對分析.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,處于自然風化區(qū)的巖體結(jié)構性較為完整(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)構面發(fā)生干濕交替水巖作用,裂隙結(jié)構面不斷擴展、延伸和交錯,不斷切割巖體,造成消落區(qū)巖體逐漸破碎.對取自岸坡消落帶與非消落帶的碎屑巖開展強度測試和物性試驗,部分數(shù)據(jù)來源于文獻[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)的巖石強度指標和物性指標總體上表現(xiàn)為劣化趨勢.

圖9 碎屑巖點荷載強度分布

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,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)構面的劣化兩部分,巖體節(jié)理裂隙結(jié)構面的劣化速度遠大于巖石的劣化速度,巖石內(nèi)部微裂隙、微孔隙等缺陷對巖石破碎塊體的大小具有控制作用,同時,巖石的礦物組成是劣化的物質(zhì)基礎.鄧華鋒等[5]通過節(jié)理砂巖力學試驗研究,發(fā)現(xiàn)節(jié)理的傾角對巖石破壞特征具有顯著影響.巖石干濕循環(huán)作用的試驗結(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(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,泥質(zhì)巖具有較強的水敏感性,遇水易出現(xiàn)軟化泥化現(xiàn)象.對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)水動力作用,同時,受到水力沖蝕、波浪淘蝕等機械侵蝕作用,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,對于復合型岸坡,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.對于軟硬互層復合型岸坡,巖體在重力作用下發(fā)生蠕變變形,當受到前緣阻滑作用時,塊裂狀層狀巖體會發(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)構類型、工程地質(zhì)巖組、巖性、巖體賦存環(huán)境等具有相關性.通過對三峽庫區(qū)秭歸碎屑巖岸坡段的調(diào)查和試驗研究,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力條件.