田 衛(wèi) 明

(重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247)

0 引 言

自三峽水庫運行以來，三峽大壩長江上游沿線岸坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，如2008年11月發(fā)生涼水井滑坡，2008年11月巫峽龔家方岸坡失穩(wěn)，2009年10月發(fā)生神女溪青石滑坡及2015年5月巫山江東寺岸坡破壞失穩(wěn)，這些地質(zhì)災(zāi)害嚴重威脅著長江航運及庫岸城市基礎(chǔ)設(shè)施安全。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三峽庫區(qū)岸坡地質(zhì)災(zāi)害具有兩個顯著特征：一是從岸坡災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量和規(guī)模來看，呈減小趨勢，如三峽工程自2008年至2011年底，庫區(qū)累計發(fā)生崩塌、滑坡及岸坡變形共427處，其中2008年發(fā)生263處、2009年發(fā)生153處、2010年降至7處，2011年則僅發(fā)生4處；二是從岸坡坡體物性來看，逐漸由均勻土質(zhì)岸坡或巖質(zhì)岸坡向復(fù)雜巖土質(zhì)岸坡演化的趨勢，同樣自2008年至2011年底，復(fù)雜巖土質(zhì)岸坡破壞比例由2008年的5%上升至2011年的73%。因此，受庫水位升降和降雨復(fù)合條件下的復(fù)雜巖土質(zhì)岸坡長期穩(wěn)定問題是三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害今后的研究熱點[1]，而強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡正是典型復(fù)雜巖土質(zhì)岸坡之一，占三峽庫區(qū)長江沿線復(fù)雜巖土質(zhì)岸坡的65%以上，因此，研究其岸坡破壞特征和機制，對于三峽庫區(qū)長期預(yù)警和減災(zāi)具有指導(dǎo)意義。

三峽庫區(qū)廣泛發(fā)育巴東組地層，以灰?guī)r和泥灰?guī)r地層為主，灰?guī)r或泥灰?guī)r經(jīng)庫水位升降、降雨或長期風(fēng)化作用，岸坡內(nèi)裂隙擴寬，巖體逐漸解體，形成具有層狀碎裂巖體結(jié)構(gòu)特征的岸坡[2]。研究發(fā)現(xiàn)：巖溶風(fēng)化是強風(fēng)化泥巖存在的根本原因[3-5]，泥灰?guī)r具有灰?guī)r和泥巖的雙重特性，水流溶蝕灰?guī)r中的鈣質(zhì)成分，泥巖遭受風(fēng)化泥質(zhì)富集，巖體結(jié)構(gòu)疏松，坡體內(nèi)裂隙發(fā)育，成為溶蝕液體的新通道，從而加劇泥灰?guī)r的風(fēng)化進程，造成岸坡失穩(wěn)破壞[6]。同時，岸坡坡體不同部位的巖溶風(fēng)化程度不同，一般情況下，岸坡坡肩巖溶不發(fā)育，而坡腳巖溶發(fā)育顯著[7]，也是岸坡發(fā)生解體破壞的關(guān)鍵位置。

目前，關(guān)于三峽庫區(qū)強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡破壞模式尚未統(tǒng)一，如丁王飛等[8]提出了龔家方岸坡巖塊脫離的斷裂力學(xué)計算方法，但未對其破壞模式進行分析；劉海燕等[9]總結(jié)了三峽庫區(qū)泥灰?guī)r岸坡的變形破壞類型為薄-中厚層塊裂式破壞、中-厚層點裂式破壞和厚-巨厚層層裂式破壞3種；歐光照等[10]、羅元華等[11]、劉海燕等[12]分別認為其破壞模式可分為滑移和滑移壓致拉裂破壞；殷坤龍等[13]提出了厚-薄互層泥灰?guī)r傾倒變形破壞模式。從以上文獻可以發(fā)現(xiàn)，各位學(xué)者提出的破壞模式具有一個共性，均集中在強風(fēng)化泥灰?guī)r解體形成的巖塊滑移和傾倒破壞上，這是三峽庫區(qū)強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡破壞的基本特征。

筆者針對龔家方泥灰?guī)r岸坡破壞特點，總結(jié)強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡破壞基本特征，提出了強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡分層剝離破壞模式，并解譯了其變形破壞機理，研究成果可為同類型岸坡變形破壞研究提供理論依據(jù)。

1 三峽庫區(qū)龔家方岸坡簡介

重慶市巫山縣巫峽鎮(zhèn)龔家方位于長江左岸，行政區(qū)劃屬于重慶市巫山縣巫峽鎮(zhèn)，距巫山城區(qū)水平距離為4.5～9 km。區(qū)內(nèi)屬侵蝕中低山河谷地貌區(qū)，位于巫山縣縣城東4.5～9 km的巫峽峽口地段長江左岸。山勢呈NEE展布，山脊從西向東為長江大橋—大石坡—望天坪—陰坡—棺材蓋一線，山脊高程730(文峰觀)～1 211.5 m(棺材蓋)，山脊寬度5～10 m。長江谷底高程為30 m左右，相對高差1 181.5 m。山體北側(cè)地形坡角35°～42°，為順向坡。山體南側(cè)為龔家方岸坡區(qū)域，為逆向坡，500 m高程以下坡角35°～55°，500 m以上坡度進一步變陡，直至坡頂形成陡崖，坡角62°～74°。500 m高程以下發(fā)育橫向沖溝，越靠近江邊，切割越深。沖溝寬度一般3～6 m，溝兩側(cè)底部呈直立狀，沖溝切割深度5～50 m，獨龍一帶切割深度較大，沖溝內(nèi)呈跌坎狀，跌坎高度5～12 m，沖溝兩側(cè)山體突出，如圖1。

圖1 龔家方岸坡區(qū)域地貌形跡Fig. 1 Geomorphology of Gongjiafang bank slope

2008年11月23日，巫山縣巫峽鎮(zhèn)龔家方岸坡突發(fā)大面積滑塌(圖2)，產(chǎn)生的涌浪高13 m，嚴重威脅長江航道安全。以危害對象、受災(zāi)對象及損失程度為依據(jù)，巫山縣巫峽鎮(zhèn)龔家方至獨龍斜坡危害對象為：① 長江航道及過往船只，據(jù)統(tǒng)計，該航段每天過往的船只百余艘；② 堵江直接威脅巫山縣城及以上城市；③ 斷江將直接威脅三峽大壩正常發(fā)電。

圖2 龔家方岸坡滑塌形跡Fig. 2 Slump of Gongjiafang bank slope

2 強風(fēng)化順層泥灰?guī)r岸坡分層剝離機理

2.1 泥灰?guī)r節(jié)理分析

龔家方岸坡位于橫石溪背斜近軸部及北西翼，巖層呈單斜產(chǎn)出，正常巖層產(chǎn)狀320°～350°∠55°～62°，沖溝兩側(cè)山脊近地表發(fā)生彎折，巖層產(chǎn)狀變緩，傾角23°～45°，為一順層巖質(zhì)岸坡。

圖3為節(jié)理裂隙走向玫瑰圖示，龔家方岸坡巖體中發(fā)育一組縱張裂隙，產(chǎn)狀150°～170°∠42°～80°，該組裂隙與坡向一致，沖溝兩側(cè)山脊上多見，裂面平直，部分張開2～10 cm，一般延伸長度5～10 m，最長50 m，間距0.8～1.2 m/條。另外發(fā)育兩組“X”型剪切裂隙，產(chǎn)狀分別為80°～100°∠60°～78°和220°～240°∠62°～80°，該組裂隙短小，一般延伸長0.6～1.5 m，間距0.3～0.8 m/條。由于裂隙發(fā)育，加上風(fēng)化卸荷作用，坡面巖體多形成巖塊。

圖3 節(jié)理裂隙走向玫瑰圖Fig. 3 Rose diagram of the trend of joints and fissures

2.2 泥灰?guī)r風(fēng)化特性

龔家方岸坡巖體主要為泥灰?guī)r，為巴東組(T2b)地層第三段(T2b3)和第一段(T2b1)。其礦物組成主要為方解石、白云石、泥質(zhì)，次為石英、巖屑與生物碎屑。泥灰?guī)r經(jīng)強風(fēng)化作用后，一部分節(jié)理裂隙之間形成大量黏土礦物，并逐漸泥化形成鈣質(zhì)泥化夾層，夾層中泥質(zhì)含量最高達90%，主要礦物成分為水云母和綠泥石，含少量蒙脫石；另外一部分節(jié)理裂隙之間的碳酸鹽礦物被溶解、淋失，形成溶穴、溶孔等，節(jié)理面之間較為粗糙，但同樣含有泥質(zhì)，含量在5%～35%之間，泥質(zhì)經(jīng)庫水浸泡后具有軟化特性，促使邊坡的滑移。而這兩類節(jié)理面構(gòu)成了巴東組地層的易滑帶。

同時，巴東組第三段(T2b3)碳酸鹽構(gòu)成巴東大斜坡的主體，一般為強風(fēng)化巖體，風(fēng)化程度向岸坡內(nèi)部減弱，表層呈現(xiàn)為裂隙發(fā)育的碎裂巖體，呈塊狀。

2.3 分層剝離地質(zhì)模型

泥灰?guī)r岸坡經(jīng)強風(fēng)化作用，原生節(jié)理裂隙逐漸形成泥質(zhì)含量較高的泥化夾層和泥質(zhì)含量較低的粗糙面，而巖體經(jīng)節(jié)理裂隙切割并經(jīng)風(fēng)化作用逐漸呈塊狀。根據(jù)強風(fēng)化泥灰?guī)r節(jié)理裂隙面的差異和泥灰?guī)r巖塊的破壞模式，將三峽庫區(qū)龔家方泥灰?guī)r岸坡分層剝離模型分為滑移剝離地質(zhì)模型、傾倒剝離地質(zhì)模型以及滑移-傾倒地質(zhì)模型。

2.3.1 分層滑移剝離地質(zhì)模型

圖4為強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡分層滑移剝離地質(zhì)模型，該模型由強風(fēng)化形成的碎裂巖塊和節(jié)理裂隙面之間的泥化夾層構(gòu)成。在庫水位循環(huán)升降浸泡條件下，泥化夾層遇水逐漸軟化，強度降低，當泥化夾層強度降低到一定程度后，巖塊沿泥化夾層滑移，與后部巖塊分離。泥化夾層以上的巖塊相繼發(fā)生滑移破壞，泥灰?guī)r岸坡表層逐漸被剝離。隨著風(fēng)化程度加深，岸坡內(nèi)部的泥化夾層強度進一步降低，下層的巖塊會出現(xiàn)相同的滑移現(xiàn)象，巖塊由上而下逐層滑移剝離破壞，如圖5。

圖4 分層滑移剝離地質(zhì)模型Fig. 4 Geology model of hierarchy slippage exfoliation

圖5 龔家方岸坡具有滑移趨勢的巖塊Fig. 5 Rock blocks with slippage tendency in Gongjiafang bank slope

2.3.2 分層傾倒剝離地質(zhì)模型

圖6為強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡分層傾倒剝離地質(zhì)模型，該模型由強風(fēng)化泥灰?guī)r巖塊和泥質(zhì)含量較低的節(jié)理面構(gòu)成。對于泥質(zhì)含量較低的節(jié)理裂隙面，孔隙率較大，庫水位下降時滲流驅(qū)動作用更強，逐漸帶走可溶性礦物和泥質(zhì)，同時，流速較大的水溶蝕作用更強，水流在節(jié)理表面形成溶穴、溶孔，進一步增大泥灰?guī)r孔隙率，與此同時，節(jié)理面表層泥質(zhì)含量進一步降低，粗糙度增大。因此，節(jié)理面強度在庫水位作用下不減小反而增加，巖塊難以沿節(jié)理面滑移。但三峽庫區(qū)龔家方岸坡發(fā)現(xiàn)，庫水位升降作用將泥灰?guī)r節(jié)理裂隙間的泥質(zhì)帶走，岸坡前緣發(fā)生沉降，導(dǎo)致岸坡坡度加大，巖塊在重力的作用下傾倒破壞，如圖7。隨著庫水位作用的進一步加強，沉降量增大，后部岸坡同樣發(fā)生沉降，坡度增大，巖塊分層傾倒剝離現(xiàn)象向岸坡后緣延伸，岸坡泥灰?guī)r巖塊逐層傾倒破壞。

圖6 分層傾倒剝離地質(zhì)模型Fig. 6 Geology model of hierarchy toppling exfoliation

圖7 龔家方岸坡具有傾倒破壞趨勢的巖塊Fig. 7 Rock blocks with toppling tendency in Gongjiafang bank slope

2.3.3 分層滑移-傾倒剝離地質(zhì)模型

泥灰?guī)r岸坡分層滑移-傾倒剝離地質(zhì)模型是滑移剝離地質(zhì)模型和傾倒剝離地質(zhì)模型的綜合體，如圖8。自然風(fēng)化形成的泥灰?guī)r節(jié)理裂隙面并不是單一的泥化夾層和粗糙面，同一個泥灰?guī)r岸坡，可能形成多個泥化夾層和粗糙面，而節(jié)理裂隙面的情況決定了上覆巖塊的破壞方式。如圖9，對于含泥化夾層的節(jié)理裂隙面，巖塊發(fā)生滑移破壞，對于粗糙的節(jié)理裂隙面，巖塊發(fā)生傾倒破壞，甚至出現(xiàn)有些巖塊先滑移后傾倒的現(xiàn)象，但巖塊分層剝離的模式不會改變，為表層逐漸向內(nèi)部、前緣逐漸向后緣剝離的方式進行，如圖9。

圖8 分層滑移-傾倒剝離地質(zhì)模型及破壞模式Fig. 8 Geology model and failure model of hierarchyslippage-toppling exfoliation

圖9 龔家方岸坡具有分層滑移-傾倒趨勢的巖塊Fig. 9 Rock blocks with hierarchy slippage-toppling exfoliationtendency in Gongjiafang bank slope

3 分層剝離力學(xué)機理

3.1 分層滑移剝離力學(xué)機理

分層滑移剝離地質(zhì)模型如圖4，對于二維模型而言，控制巖塊是否滑移的面為巖塊底部的滑移面和巖塊后緣的泥化夾層，針對分層滑移剝離地質(zhì)模型，建立了單個巖塊分層滑移剝離力學(xué)模型(圖10)，模型中巖塊長為a，高為b，巖塊后緣泥化夾層發(fā)生拉破壞，沿滑移面滑動。

為了判識巖塊是否發(fā)生滑移，采用Mohr-Coulomb準則建立巖塊是否發(fā)生滑移破壞的力學(xué)判據(jù)：

(1)

其中，

τf=σtanφ+c

(2)

圖10 巖塊分層滑移剝離力學(xué)模型Fig. 10 Mechanical model of rock mass hierarchy slippage exfoliation

假定正應(yīng)力與剪應(yīng)力在滑移面上均勻分布，則：

(3)

(4)

其中，法向力N與切向力T由重力G的分量與泥化夾層的抗拉強度ft確定，得到：

N=Gcosα

(5)

T=Gsinα

(6)

因此，將式(5)、式(6)分別代入式(3)、式(4)，并代入式(1)整理得判定標準為：

(7)

對于二維應(yīng)力狀態(tài)的分層滑移剝離力學(xué)模型，重力G可由下式(8)確定：

G=abγ

(8)

將式(8)帶入式(7)整理得

(9)

由此建立了分層滑移剝離的判別式，當Fs小于1即可認為巖塊發(fā)生滑移破壞。

式(1)～(9)中：a為巖塊長度；b為巖塊高度；Fs為巖塊穩(wěn)定系數(shù)；σ為滑移傾角；τf為滑移面抗剪強度；τ為滑移面剪應(yīng)力；σ為滑移面正應(yīng)力；φ為滑移面內(nèi)摩擦角；c為滑移面黏聚力；T為滑移面切向力；N為滑移面正壓力；G為巖塊重量；σt為泥化夾層抗拉強度；γ為巖塊重度。

3.2 分層傾倒剝離力學(xué)機理

圖6為分層傾倒剝離地質(zhì)模型。當巖塊底部脫空，巖塊可能發(fā)生傾倒破壞，由此，基于分層傾倒剝離地質(zhì)模型建立了其力學(xué)模型，如圖11。

傾倒剝離力學(xué)模型與滑移剝離力學(xué)模型有本質(zhì)的區(qū)別，前者以轉(zhuǎn)動破壞為主，而后者以滑移破壞為主，因此，為了評價脫空巖塊的傾倒穩(wěn)定性，建立了傾倒穩(wěn)定判據(jù)：

(10)

圖11 巖塊分層傾倒剝離力學(xué)模型Fig. 11 Mechanical model of rock mass hierarchy toppling exfoliation

根據(jù)巖塊重心位置與傾覆點相對位置的不同，可分為以下兩種情況：

1)當重心位置未超過傾覆點時，重力在沿垂直于滑面方向的分力提供抗傾力矩，而重力在沿滑面方向的分力提供傾覆力矩，則抗傾力矩Mf由巖塊2個接觸面的抗拉強度以及重力在沿垂直于滑面方向的分力共同提供，由式(11)確定：

(11)

傾覆力矩M由巖塊重力在沿滑面方向的分力提供，為：

(12)

將式(8)代入式(11)、式(12)，并將式(11)、式(12)代入式(10)整理得：

(13)

2)當重心位置超過傾覆點時，重力在沿垂直于滑面方向的分力以及沿滑面方向的分力共同提供傾覆力矩，則抗傾力矩Mf由巖塊2個接觸面的抗拉強度提供，由下式(14)確定：

(14)

傾覆力矩M由巖塊重力在沿滑面方向的分力以及在沿垂直于滑面方向的分力共同提供，為：

(15)

將式(8)代入式(15)，并將式(14)、式(15)代入式(10)整理得穩(wěn)定系數(shù)為：

(16)

由此建立了分層傾倒剝離的判別式，當Fs<1即可認為巖塊發(fā)生傾倒破壞。

式(10)～式(16)中：Mf為抗傾覆力矩；M為傾覆力矩；Fs為巖塊穩(wěn)定系數(shù)；d為巖塊底部接觸長度；e為巖塊重心距轉(zhuǎn)動點的垂直距離，當巖塊重心位置在a/2內(nèi)側(cè)時式(13)取正號，當巖塊重心位置在a/2外側(cè)時式(13)取負號；t1為巖塊底部接觸面抗拉強度；其他物理意義同上。

4 討 論

4.1 滑移傾角及巖塊長高比對巖塊分層滑移響應(yīng)分析

為了探討滑移傾角及巖塊長度對巖塊分層滑移的響應(yīng)機制，以龔家方岸坡為例，分析灰?guī)r巖塊滑移的力學(xué)機理，巖塊重度為26.5 kN/m3，將表1的分界面物理力學(xué)參數(shù)代入式(9)，分別考慮不同滑移傾角、巖塊長高比等因素，獲得巖塊穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律，如圖12、13。

表1 龔家方岸坡巖塊分界面物理力學(xué)參數(shù) Table 1 Physical and mechanical parameters of surface for Gongjiafang bank slope

在巖塊滑移條件下，巖塊穩(wěn)定系數(shù)隨滑移傾角逐漸減小，當滑移傾角較小時，巖塊穩(wěn)定系數(shù)較高，且穩(wěn)定系數(shù)變化曲線降低較快，當滑移傾角逐漸增大，穩(wěn)定系數(shù)緩慢降低，并趨于穩(wěn)定，如圖12。由圖12可見：當滑移傾角小于15.5°時，巖塊穩(wěn)定系數(shù)均大于1，而滑移傾角大于15.5°后巖塊穩(wěn)定系數(shù)均小于1，表明龔家方岸坡傾角大于15.5°后巖塊將發(fā)生破壞，逐漸剝落，由此可見，滑移傾角15.5°是龔家方灰?guī)r巖塊發(fā)生失穩(wěn)破壞的臨界角度。

圖12 巖塊穩(wěn)定系數(shù)隨滑移傾角變化曲線Fig. 12 Curve of stability coefficient of rock mass changing with sliding inclination angle

岸坡巖塊的滑移破壞與巖塊的尺寸直接相關(guān)，巖塊穩(wěn)定系數(shù)隨長高比變化曲線如圖13。由圖13可見：巖塊穩(wěn)定系數(shù)隨長高比近似線性變化，表明長高比越大，巖塊越穩(wěn)定，即巖塊底面接觸長度相對高度越大，巖塊越穩(wěn)定。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當巖塊長高比大于2.4時，巖塊處于穩(wěn)定狀態(tài)，而當巖塊長高比小于2.4時，巖塊發(fā)生破壞，由此可以認為長高比2.4是龔家方岸坡巖塊發(fā)生失穩(wěn)的臨界值。

圖13 巖塊穩(wěn)定系數(shù)隨長高比變化曲線Fig. 13 Curve of stability coefficient of rock mass changing with length-height ratio

4.2 巖塊底面接觸比對分層傾倒的響應(yīng)分析

圖11顯示巖塊發(fā)生分層傾倒剝離，與巖塊底部的接觸面積直接相關(guān)，顯然，接觸面積越多，巖塊越不易于發(fā)生傾倒，而接觸面積越少，巖塊越易于發(fā)生傾倒破壞，巖塊穩(wěn)定系數(shù)隨底面接觸比變化曲線(圖14)也顯示出這個現(xiàn)象。由圖14可見：巖塊傾倒穩(wěn)定系數(shù)隨巖塊底面接觸比先緩慢增加然后快速增大，當接觸比小于0.27時，巖塊穩(wěn)定系數(shù)小于1，發(fā)生失穩(wěn)破壞，而接觸比大于0.27時，穩(wěn)定系數(shù)先是緩慢增大，當接觸比大于0.5時，穩(wěn)定系數(shù)加速增大，由此可見，接觸比0.27是龔家方岸坡巖塊發(fā)生傾倒失穩(wěn)的臨界值，同時，接觸比越大，對巖塊的穩(wěn)定越有利。

圖14 巖塊穩(wěn)定系數(shù)隨底面接觸比變化曲線Fig. 14 Curve of stability coefficient of rock mass changing with the contact ratio

5 結(jié) 論

以三峽庫區(qū)龔家方岸坡為例，分析了三峽庫區(qū)強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡分層剝離機理，得到以下結(jié)論：

1)三峽庫區(qū)龔家方岸坡主要發(fā)育一組縱張節(jié)理和兩組“X”型節(jié)理，縱張裂隙順坡發(fā)育，“X”型節(jié)理切割形成泥灰?guī)r巖塊，庫水位升降條件下節(jié)理面強風(fēng)化形成泥化夾層或粗糙面，泥灰?guī)r巖塊與節(jié)理面是構(gòu)成岸坡分層剝離的基本條件。

2)三峽庫區(qū)強風(fēng)化泥灰?guī)r岸坡剝離地質(zhì)模型根據(jù)龔家方岸坡特征可分為分層滑移、分層傾倒和分層滑移-傾倒剝離地質(zhì)模型，分層滑移剝離地質(zhì)模型適用于節(jié)理面含泥化夾層的岸坡，分層傾倒剝離地質(zhì)模型適用于節(jié)理面較粗糙的岸坡，而分層滑移-傾倒剝離地質(zhì)模型是前兩種模型的綜合體，該3種地質(zhì)模型能較好地解譯三峽庫區(qū)龔家方岸坡剝離機理。龔家方岸坡主要破壞模式為滑移破壞與傾倒破壞。

3)建立了岸坡巖塊分層滑移及分層傾倒的力學(xué)模型及失穩(wěn)判據(jù)，討論得出滑移傾角15.5°是龔家方灰?guī)r巖塊發(fā)生分層滑移的臨界角度；長高比2.4是龔家方岸坡巖塊發(fā)生分層滑移失穩(wěn)的臨界值；接觸比0.27是龔家方岸坡巖塊發(fā)生傾倒失穩(wěn)的臨界值。