三峽庫(kù)區(qū)高陡岸坡變形失穩(wěn)模式研究

三峽庫(kù)區(qū)高陡岸坡變形失穩(wěn)模式研究

山坡失穩(wěn)破壞是相對(duì)常見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象，也是當(dāng)前地質(zhì)過(guò)程的一種表現(xiàn)形式。巖質(zhì)岸坡巖體中通常存在不同尺度、不同力學(xué)性質(zhì)的節(jié)理、裂隙、斷層、剪切帶等結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面組合是基巖斜坡變形、破壞最根本的控制性因素,幾乎所有的自然巖質(zhì)斜坡失穩(wěn)都受到巖體結(jié)構(gòu)面的控制。A.Varga和V.Gorbushina通過(guò)收集和分析全球350座水庫(kù)壩址區(qū)的不同類型基巖滑坡,發(fā)現(xiàn)有50%以上的岸坡失穩(wěn)是因巖體結(jié)構(gòu)的影響而引發(fā)的。三峽庫(kù)區(qū)岸坡陡峻、崩滑災(zāi)害體廣布,僅三峽庫(kù)區(qū)巫峽上段25km沿岸就發(fā)育104處危險(xiǎn)塊體和大型危巖體(群)。這些危巖體(群)和危險(xiǎn)塊體的存在與巖體結(jié)構(gòu)密切相關(guān),它們的變形破壞實(shí)際上是結(jié)構(gòu)性巖體(巖塊)的重新組合與排列。大量的文獻(xiàn)總結(jié)了不同巖體結(jié)構(gòu)類型與變形破壞方式可能的對(duì)應(yīng)關(guān)系,同時(shí)許多工程實(shí)踐也反映了同一斜坡可能包含多種變形模式或模式轉(zhuǎn)化。但對(duì)變形失穩(wěn)模式是如何通過(guò)巖體結(jié)構(gòu)的變化而轉(zhuǎn)化的研究較少。本文以三峽庫(kù)區(qū)高陡岸坡為主要研究對(duì)象,總結(jié)了3種主要的巖體結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)模式,并通過(guò)實(shí)例分析和數(shù)值模擬研究了巖體結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的失穩(wěn)模式轉(zhuǎn)化,確定了層面變化、塊體變化與斜坡巖體變形破壞模式轉(zhuǎn)化的關(guān)系。巖體結(jié)構(gòu)對(duì)變形失穩(wěn)模式的影響研究,為認(rèn)識(shí)高陡岸坡復(fù)合變形模式和準(zhǔn)確建立斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)地質(zhì)模型提供了科學(xué)支撐,為高陡岸坡的有效防治提供了科學(xué)依據(jù)。1密度型節(jié)理裂隙帶根據(jù)2006~2008年對(duì)三峽庫(kù)區(qū)奉節(jié)以下114個(gè)高陡危巖及崩滑體調(diào)查研究,高陡岸坡變形失穩(wěn)主要表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)、傾倒、彎曲等3種形式,均為結(jié)構(gòu)性破壞或失穩(wěn)。這與峽谷段多為硬巖不易發(fā)生材料性破壞有關(guān)。中低傾角的順層巖質(zhì)斜坡中若發(fā)育有順層軟弱夾層,則軟弱夾層之上的巖體在自身重力、揚(yáng)壓力等作用力的影響下將發(fā)生順層滑動(dòng)破壞。若坡體巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育,則被其切割的巖石塊體將追蹤裂隙面發(fā)生滑動(dòng)或沿密集的節(jié)理裂隙帶形成滑動(dòng)帶而發(fā)生破壞。較為典型的是2003年發(fā)生的千將坪滑坡,該大斜坡上分布有多層層間剪切帶,造成該斜坡上分布有多個(gè)滑坡(圖1)。當(dāng)平緩厚層狀坡體堅(jiān)硬巖體被近于直立的結(jié)構(gòu)面所切割,下伏軟弱夾層時(shí),巖體結(jié)構(gòu)易發(fā)生傾倒變形。該類型以廖家坪危巖體較為典型。橫石溪背斜的廖家坪危巖體地層近水平,其上部為泥盆系云臺(tái)觀組(D2y)的石英砂巖及志留系紗帽組(S1s)長(zhǎng)石石英砂巖,被節(jié)理和頁(yè)巖泥巖所切割。斜坡由于逐級(jí)傾倒崩塌,形成了臺(tái)階狀懸崖地貌(圖2)。若層狀斜坡堅(jiān)硬巖層傾角近直立,節(jié)理較少發(fā)育,則斜坡巖體也多表現(xiàn)為板裂結(jié)構(gòu)。在縱剖面上,板裂結(jié)構(gòu)巖體發(fā)生傾倒多從前緣臨空面開(kāi)始,逐步向坡體后部發(fā)展。板裂破壞以梁板的彎折強(qiáng)度控制其破壞?？酌鞅逼聻槿B系嘉陵江組(T1j)灰?guī)r白云巖,地層陡立,巖體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為板裂傾倒破壞,形成了懸崖陡壁的地貌(圖3)。當(dāng)坡體被正交結(jié)構(gòu)面所切割,形成堅(jiān)硬的單個(gè)小巖柱時(shí),坡體就會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。這種彎曲是一種似連續(xù)性的彎曲,是由于小巖塊連續(xù)性的傾倒或滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)造成的,并不是巖柱的連續(xù)彎曲造成的。彎曲程度一般從坡體外至坡體內(nèi)逐漸減少,坡體前緣向坡體后緣逐漸減少;最終坡體這種彎曲變形量累積到一定程度以傾倒或滑動(dòng)的形式發(fā)生破壞。在巫峽的龔家方至獨(dú)龍一帶及箭穿峽的部分區(qū)域分布著大冶組薄層灰?guī)r、泥頁(yè)巖,節(jié)理發(fā)育,形成了巖層“點(diǎn)頭哈腰”的現(xiàn)象(圖4)。2失穩(wěn)模式的改變毫無(wú)疑問(wèn),大型結(jié)構(gòu)面的變化將強(qiáng)烈地改變大型危巖體或崩滑體。有些結(jié)構(gòu)面的變化如力學(xué)性質(zhì)等改變其穩(wěn)定狀況,有些則改變其失穩(wěn)模式。前者有大量的工程實(shí)踐和理論研究進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)于后者,本文就大型結(jié)構(gòu)面中的層面變化和小型結(jié)構(gòu)面中的正交塊體間距變化引起的失穩(wěn)模式轉(zhuǎn)化,分別進(jìn)行實(shí)例和數(shù)值模擬研究,用以分析這些結(jié)構(gòu)變化對(duì)失穩(wěn)模式的影響。2.1神女峰—層面變化與失穩(wěn)模式的關(guān)系大型結(jié)構(gòu)面變化引起失穩(wěn)模式變化的研究,通過(guò)大量野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),神女峰至剪刀峰一帶是一個(gè)很好的研究地點(diǎn)。神女峰位于距巫峽進(jìn)口約13km處的河谷左岸,與孔明碑山體走向總體為近東西向,該2km長(zhǎng)的岸坡陡峻,坡度在40°~85°之間。該庫(kù)岸段位于神女峰背斜的南翼,出露地層均為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j),上部山頂均為嘉陵江組四段中至厚層白云巖、塊狀巖溶角礫巖夾灰質(zhì)白云巖;沿江斜坡段為嘉陵江組三段中厚層白云質(zhì)灰?guī)r夾少量泥質(zhì)白云巖、碎石條帶灰?guī)r,質(zhì)地堅(jiān)硬。神女峰位于走向北東東向的神女峰背斜軸部,其背斜東西延伸約30km,兩翼寬約4~6km,系箱狀褶皺(圖5)。神女峰至孔明碑段發(fā)育主要有3組結(jié)構(gòu)面:第一組是層面,傾角在40°~80°之間,從神女峰坡腳至孔明碑漸次變化;第二組與第三組為X共軛節(jié)理,300°~320°∠40°~50°,65°~80°∠40°~50°。在這組X共軛節(jié)理的作用下,地貌上出現(xiàn)大量V形谷和三角面山體?？梢?jiàn),神女峰至孔明碑2km長(zhǎng)的高陡岸坡段地質(zhì)背景一致,巖層傾角從神女峰至孔明碑逐漸變大至近直立。而當(dāng)巖層傾角由緩變陡的過(guò)程中,其失穩(wěn)模式也發(fā)生了變化。神女峰坡腳斜坡為巖塊順層面滑動(dòng),至今仍有滑動(dòng)后留下的痕跡。至孔明碑,巖層陡立,巖層板裂沿X節(jié)理面傾倒破壞。剪刀峰處于剪刀峰與孔明碑之間,其層面傾角約65°~70°,也為層面坡。2007年7月分別發(fā)生兩次崩塌,崩塌體呈板狀,崩塌體沿X節(jié)理破壞。從剪刀峰的地貌特征上來(lái)看,以頂部后緣的巖層為基準(zhǔn),向下逐級(jí)覆蓋的巖層數(shù)變多,即頂部巖層剝落的最多;斜坡上游側(cè)也是巖層剝落的強(qiáng)烈區(qū)域。整個(gè)山體臨空面為三角形,其產(chǎn)狀與區(qū)域的節(jié)理優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面一致。很明顯形成的V谷和三角面是塊體的滑動(dòng)必不可少的。板裂結(jié)構(gòu)有潰屈和傾倒變形特有的兩種破壞形式,當(dāng)層面傾角較小時(shí),巖層間沒(méi)有足夠的下滑力以產(chǎn)生順層蠕滑,不會(huì)產(chǎn)生潰屈;層面傾角超過(guò)45°時(shí),巖層產(chǎn)生傾倒破壞。因此剪刀峰應(yīng)該存在傾倒變形和沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)兩種機(jī)制。因此,隨著巖層產(chǎn)狀的變化,岸坡的變形失穩(wěn)模式也以滑動(dòng)式→傾倒-滑動(dòng)復(fù)合→板裂傾倒式進(jìn)行變化。2.2巖質(zhì)岸坡變形失穩(wěn)模擬小型結(jié)構(gòu)面通常被忽視,或者當(dāng)岸坡為遍布節(jié)理時(shí),被均一化處理成的弱化巖體介質(zhì)。它的變化通常不引起人們的注意,但是在一些特殊情況下如累進(jìn)性變形岸坡中它的變化不可忽視。根據(jù)野外調(diào)查分析,巫峽口附近由龔家方至獨(dú)龍一帶有多個(gè)斜坡處于累進(jìn)性變形中,2008年11月23日發(fā)生的龔家方崩塌就是其中一個(gè)。因此,有必要對(duì)這些小型結(jié)構(gòu)面的變化進(jìn)行分析,以確定其對(duì)失穩(wěn)模式的影響程度。由于在三峽其他背景相同,僅僅正交塊體間距變化且失穩(wěn)模式有差異的巖質(zhì)岸坡實(shí)例較少見(jiàn),因此采用概化的離散元模擬進(jìn)行研究。L.Shihai等的研究成果表明,盡管離散元計(jì)算的統(tǒng)一失穩(wěn)彎曲滑面角度與物理相似試驗(yàn)所得有所差異,但是它所顯示的失穩(wěn)機(jī)理卻是一致的。當(dāng)岸坡巖體為兩組連續(xù)相交結(jié)構(gòu)面組成時(shí),圖6(a)、(b)展示了塊體大小不一時(shí)的變形失穩(wěn)模擬結(jié)果。圖6(a)為巖體由大塊體(10m×10m×10m)組成,圖6(b)為巖體由小塊體(0.5m×0.5m×0.5m)組成。離散元模擬結(jié)果顯示,塊體前緣運(yùn)動(dòng)量大于后緣,坡體表面運(yùn)動(dòng)量大于坡體內(nèi)部,且運(yùn)動(dòng)方向上塊體后部與前部有方向差,造成塊體順時(shí)針旋轉(zhuǎn),并在塊體間形成反坡陡坎。在巖體軸向上形成了彎曲變形,最終將產(chǎn)生傾倒破壞。大小塊體構(gòu)成的計(jì)算模型表現(xiàn)的變形失穩(wěn)模式一致。當(dāng)岸坡巖體為兩組相錯(cuò)相交結(jié)構(gòu)面組成時(shí),塊體大小不一時(shí)的變形失穩(wěn)模擬結(jié)果,見(jiàn)圖7(a)、(b)。離散元模擬結(jié)果顯示,滑動(dòng)塊體起始于坡面巖體,由于摩擦力的原因慢慢傳遞至坡體內(nèi)部?；瑒?dòng)造成坡體內(nèi)部張開(kāi),張開(kāi)裂隙追蹤兩組節(jié)理,且張開(kāi)裂隙不止一條。最終巖體發(fā)生滑出破壞。大小塊體構(gòu)成的計(jì)算模型展示的變形模式也一致。因此,在累進(jìn)性變形岸坡中,塊體大小不改變失穩(wěn)模式,但是兩組結(jié)構(gòu)面的組合方式能改變變形失穩(wěn)模式。3結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)模式對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的分析和失穩(wěn)模式的判定是準(zhǔn)確建立穩(wěn)定性評(píng)價(jià)地質(zhì)模型的基礎(chǔ)。本文通過(guò)大量的野外調(diào)查分析和室內(nèi)數(shù)值模擬,對(duì)三峽庫(kù)區(qū)高陡岸坡巖體結(jié)構(gòu)、失穩(wěn)模式及其關(guān)系進(jìn)行了初步分析,得到以下結(jié)論:(1)114個(gè)高陡危巖及崩滑體的調(diào)查分析表明,高陡岸坡變形失穩(wěn)主要表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)、傾倒、彎曲等3種形式,均為結(jié)構(gòu)性破壞或失穩(wěn)。(2)一定的巖體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著一定的失穩(wěn)模式。滑動(dòng)模式的巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是存在順坡向軟弱滑動(dòng)面或節(jié)理裂隙帶;傾倒模式的巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是陡立巖體成板裂結(jié)構(gòu)或平緩厚層巖體被陡立正交節(jié)理切割;彎曲變形的特點(diǎn)是巖體由小型結(jié)構(gòu)面正交切割成遍布節(jié)理巖體并發(fā)生累進(jìn)性變形。(3)一定的結(jié)構(gòu)面變化可能引起失穩(wěn)模式發(fā)生變化或者復(fù)合。神女峰至孔明碑一帶的庫(kù)岸岸坡結(jié)構(gòu)和