鄧華鋒 駱祚森 張景昱 周美玲 李建林

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué)), 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002;3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

繼三峽工程之后,我國西南地區(qū)的大渡河、雅礱江、金沙江、怒江、瀾滄江等河流上陸續(xù)建成或在建一大批大型水利水電工程.這些工程建設(shè)為推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了重要的綠色能源支撐.然而,這些高壩大庫蓄水運(yùn)行后,庫水位一般會(huì)抬升數(shù)十米甚至數(shù)百米,而且按照水庫運(yùn)行、調(diào)度等要求,庫水位往往需要在一定高程范圍反復(fù)升降,進(jìn)而在水位變化區(qū)域形成庫岸消落帶.例如,三峽工程蓄水運(yùn)行之后,按照“冬蓄夏洪”的調(diào)度計(jì)劃,庫水在145 m 的防洪水位和175 m 的蓄水發(fā)電水位之間或緩慢或快速地升降,形成30 m 的消落帶,如圖1所示,影響范圍包括湖北省4個(gè)縣和重慶市16個(gè)縣(區(qū)),干支流庫段總長807.8 km,庫岸總長度達(dá)5 300 km 以上.庫水位的大幅度變化,一方面,在短期內(nèi)改變了庫岸邊坡巖體的應(yīng)力狀態(tài),打破了庫區(qū)多年來自然形成的應(yīng)力、地質(zhì)、環(huán)境等平衡狀態(tài),直接引發(fā)一系列新的地質(zhì)災(zāi)害問題;另一方面,庫水沿著裂隙面運(yùn)移并與巖體發(fā)生復(fù)雜的水-巖作用,庫岸邊坡消落帶成為地表水和地下水極為活躍的區(qū)域,水-巖作用改造節(jié)理面微細(xì)觀結(jié)構(gòu),并弱化巖石強(qiáng)度,導(dǎo)致消落帶巖體物理力學(xué)性質(zhì)劣化,很可能使前期穩(wěn)定的岸坡向不穩(wěn)定方向發(fā)展[1-2],研究顯示,在水壓力作用下,水-巖作用損傷效應(yīng)更為強(qiáng)烈.

圖1 三峽庫區(qū)蓄水影響范圍

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),自2008年三峽庫區(qū)175 m 試驗(yàn)性蓄水以來,庫岸邊坡消落帶巖體劣化逐漸明顯,節(jié)理裂隙逐漸發(fā)育(圖2是一組三峽庫區(qū)典型岸坡消落帶照片),而且部分庫岸段消落帶巖體發(fā)生了局部的崩塌、垮塌、彎曲變形等變形破壞現(xiàn)象,這說明消落帶巖體的損傷劣化與庫水位周期性升降變化密切相關(guān).近年來三峽庫區(qū)先后發(fā)生了杉樹槽滑坡(2014)、紅巖子滑坡(2015)、鹽關(guān)滑坡(2017)、卡門子灣滑坡(2019)等滑坡與地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情.消落帶巖體的持續(xù)損傷劣化,已成為誘發(fā)岸坡地質(zhì)災(zāi)害的主要原因之一[3],受到了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注.

圖2 典型庫岸邊坡消落帶巖體損傷劣化

三峽工程蓄水運(yùn)行后,為了研究庫岸邊坡消落帶巖體的損傷劣化機(jī)制,眾多學(xué)者針對消落帶巖體受到的庫水、應(yīng)力等賦存環(huán)境影響,開展了不同水-巖作用下的室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場測試,為庫岸邊坡消落帶水-巖作用研究奠定了良好基礎(chǔ).基于此,本文重點(diǎn)從庫岸邊坡水-巖作用試驗(yàn)方法和設(shè)備、庫岸邊坡水-巖作用劣化機(jī)理、庫岸邊坡消落帶巖體劣化現(xiàn)場測試和消落帶巖體劣化誘發(fā)岸坡失穩(wěn)致災(zāi)等4個(gè)方面對庫岸邊坡消落帶水-巖作用相關(guān)的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析,并展望消落帶水-巖作用試驗(yàn)將來的發(fā)展方向.

1 庫岸邊坡水-巖作用試驗(yàn)方法和設(shè)備

1.1 干濕循環(huán)水-巖作用試驗(yàn)方法和設(shè)備

水-巖作用是由前蘇聯(lián)學(xué)者А.М.Овчинников于20世紀(jì)50年代提出的,是一個(gè)典型多學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)果,在不同領(lǐng)域有不同的理解和研究目的,其中,在庫岸邊坡消落帶,主要關(guān)注水-巖作用帶來的巖土體物理力學(xué)性能損傷劣化.針對三峽庫區(qū)消落帶水-巖作用,劉新榮等[4]采用“飽水-風(fēng)干”循環(huán)模擬了消落帶巖石的干濕循環(huán)過程;陳賓等[5]采用自然浸泡吸水和強(qiáng)制烘干的方法模擬庫岸邊坡消落帶的干濕循環(huán)過程;王子娟[6]采用強(qiáng)制烘干和抽真空強(qiáng)制飽水的方法模擬庫岸邊坡消落帶干濕交替作用過程;Prick[7]采用自然浸水和自然風(fēng)干的方法開展了水-巖作用試驗(yàn);Hu Ming等[8]通過使用加熱板加熱樣品并通過使用自上而下的鉆孔來維持供水和排水從而實(shí)現(xiàn)干濕循環(huán)的測試;梁越等[9]采用自主設(shè)計(jì)的滲透儀,實(shí)現(xiàn)了干濕循環(huán)和滲流耦合的模擬;劉星等[10]采用自制的儀器,實(shí)現(xiàn)了一定溫度條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M.應(yīng)該說,干濕循環(huán)試驗(yàn)為庫岸邊坡消落帶的水-巖作用研究開創(chuàng)了很好的思路.

1.2 考慮庫水壓力影響的水-巖作用試驗(yàn)方法和設(shè)備

在干濕循環(huán)水-巖作用試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,許多學(xué)者逐漸認(rèn)識到水壓力的影響,并結(jié)合一些多場耦合試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了試驗(yàn)研究,姚華彥等[11]基于自主研制的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng),開展了化學(xué)溶液和水壓作用下單裂紋灰?guī)r破裂的細(xì)觀試驗(yàn);唐浩等[12]、簡文星等[13]利用MTS815剛性試驗(yàn)機(jī)分別開展了砂巖、泥質(zhì)粉砂巖在不同水壓力條件下的水-力耦合試驗(yàn),為深入了解砂巖在水力作用下的微裂紋擴(kuò)容及損傷破裂等細(xì)觀力學(xué)行為和破壞機(jī)理奠定了基礎(chǔ).

有的學(xué)者結(jié)合庫岸邊坡消落帶巖體的復(fù)雜賦存條件,研制了相關(guān)專用水-巖作用設(shè)備;劉鎮(zhèn)等[14]模擬軟巖水環(huán)境下流變損傷過程,研制了水-力耦合流變損傷多尺度試驗(yàn)系統(tǒng);張振華等[15]先后研制了模擬庫水位周期性升降變化環(huán)境的滲透儀和模擬水壓力和“濕干”交替共同作用的巖石抗拉強(qiáng)度測試系統(tǒng).李建林教授團(tuán)隊(duì)在庫岸邊坡水-巖作用研究的過程中,先后研制了多套庫岸邊坡水-巖作用專用試驗(yàn)設(shè)備,其中,YRK-1巖石溶解試驗(yàn)儀,實(shí)現(xiàn)了巖石浸泡過程中庫水壓力的施加.YRK-2 巖石浸泡-風(fēng)干試驗(yàn)儀,實(shí)現(xiàn)了浸泡水壓力升降變化過程以及溫控風(fēng)干過程的模擬.HYS-4-2型單裂隙水巖耦合儀,實(shí)現(xiàn)裂隙巖體滲流和水-巖作用過程的模擬,并在此基礎(chǔ)上開展了大量的岸坡消落帶水-巖作用試驗(yàn)研究[16-17].

1.3 應(yīng)力和水-巖耦合作用試驗(yàn)方法和設(shè)備

對工程巖體來說,水力環(huán)境和應(yīng)力環(huán)境往往是耦合在一起,在分析水-巖作用的基礎(chǔ)上,逐漸關(guān)注應(yīng)力對水-巖作用的影響.馮夏庭等[18]為了模擬應(yīng)力-水流-化學(xué)耦合作用過程,研制了巖石破裂全過程細(xì)觀加載系統(tǒng).湯艷春等[19]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單軸壓縮條件下巖鹽應(yīng)力-溶解耦合效應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn),研究了巖石應(yīng)力-溶解耦合作用機(jī)制.張培森等[20]為研究不同圍壓不同損傷程度紅砂巖滲流特性,結(jié)合Rock Top多場耦合試驗(yàn)儀,開展了紅砂巖水-力耦合作用試驗(yàn).為了模擬應(yīng)力-滲流-化學(xué)耦合作用試驗(yàn)過程,中科院武漢巖土力學(xué)研究所與法國里爾科技大學(xué)聯(lián)合制了巖石三軸流變儀[21],重點(diǎn)考慮了水壓加載系統(tǒng).盛金昌等[22]在以往應(yīng)力-滲流耦合作用試驗(yàn)儀器基礎(chǔ)上,研發(fā)了可模擬應(yīng)力、滲流、溫度和化學(xué)環(huán)境耦合作用的巖石滲透特性試驗(yàn)系統(tǒng).鄔愛清等[23]模擬裂隙巖體的水壓力環(huán)境條件,研制了裂隙巖體水力耦合真三軸試驗(yàn)系統(tǒng).李建林教授團(tuán)隊(duì)研制了YRQ-1000型巖石浸泡-風(fēng)干循環(huán)荷載流變儀(圖3),該設(shè)備可以較好地模擬庫岸邊坡巖體在上覆巖層應(yīng)力作用下的庫水位反復(fù)升降變化過程,可進(jìn)行單軸壓縮與水-巖耦合作用試驗(yàn),而且考慮水壓力作用的砂巖蠕變試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),庫水壓力對巖石的微細(xì)觀裂紋發(fā)育影響顯著,進(jìn)而影響其蠕變變形及破壞特征[24].

圖3 YRQ-1000型巖石浸泡-風(fēng)干循環(huán)荷載流變儀

綜合目前研究現(xiàn)狀分析可知,對庫岸邊坡巖體賦存的水力環(huán)境認(rèn)識逐漸深化和深刻,在消落帶水-巖作用模擬方案和試驗(yàn)設(shè)備方面,逐步從模擬浸泡-風(fēng)干循環(huán)(干濕循環(huán)),發(fā)展到考慮水壓力升降變化、應(yīng)力等因素耦合作用,相關(guān)模擬庫水環(huán)境條件及水力、應(yīng)力等多場耦合的水-巖作用試驗(yàn)儀器設(shè)備也得到了較快的研制,相關(guān)研究成果為消落帶巖體水-巖作用劣化效應(yīng)及庫岸邊坡的長期變形穩(wěn)定分析提供了較好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2 庫岸邊坡水-巖作用劣化效應(yīng)及機(jī)理

20世紀(jì)60年代以來,逐漸有學(xué)者開始注意到水對巖石物理力學(xué)性能的影響,分析認(rèn)為不僅要從有效應(yīng)力原理方面進(jìn)行考慮,而且還要系統(tǒng)考慮復(fù)雜的應(yīng)力腐蝕過程[25].此后,水-巖作用劣化效應(yīng)相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究逐步發(fā)展,研究內(nèi)容從單純考慮水-巖作用下巖石的強(qiáng)度劣化規(guī)律逐漸發(fā)展到水-巖作用下巖石物理、力學(xué)、水力等性能劣化的作用機(jī)理,再由機(jī)理的探索進(jìn)一步深入到理論層面的研究,進(jìn)而構(gòu)建了不同類型的描述水-巖作用劣化效應(yīng)的損傷劣化模型.

2.1 水-巖作用下巖石劣化規(guī)律研究

20世紀(jì)70年代,Atkinson[26]在研究中發(fā)現(xiàn)液態(tài)水促進(jìn)了石英的開裂;常春等[27]研究分析了水環(huán)境對巖石屈服強(qiáng)度影響規(guī)律;Hale[28]考慮氣候條件變化,進(jìn)行了6種不同砂巖的干濕循環(huán)試驗(yàn),獲得了各種砂巖的強(qiáng)度劣化規(guī)律.針對庫岸邊坡的水-巖作用研究起步相對較晚,劉新榮等[4]2008年通過“飽水-風(fēng)干”循環(huán)模擬消落帶巖石的干濕循環(huán)過程,發(fā)現(xiàn)水-巖作用下巖石抗剪性能劣化趨勢明顯;在此基礎(chǔ)上,傅晏、崔凱等學(xué)者[29-33]針對砂巖、板巖、大理巖、泥巖和灰?guī)r等開展了水-巖作用試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)水-巖作用對各類巖石的物理力學(xué)特性均造成了不可逆轉(zhuǎn)的漸進(jìn)性損傷,而且泥巖的劣化趨勢更為顯著.

在各類完整巖石水-巖作用試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,節(jié)理、裂隙在水-巖作用的損傷劣化也逐漸受到關(guān)注,Feucht等[34]通過含預(yù)制裂紋的砂巖試樣三軸試驗(yàn),系統(tǒng)分析了水-巖作用對裂紋面摩擦性能的影響規(guī)律;宋維勝等[35]基于能量原理用初始損傷張量和裂紋擴(kuò)展附加損傷張量描述裂隙巖體在水-巖作用下的損傷演化過程;韓鐵林[36]在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,分析建立了干濕循環(huán)作用下裂隙巖體損傷演化方程;王瑞紅等[37]研究發(fā)現(xiàn)在考慮水壓力作用下,裂隙巖體的水軟化效應(yīng)更加明顯;鄧華鋒等[38-39]設(shè)計(jì)開展了節(jié)理巖體干濕循環(huán)水-巖作用試驗(yàn),分析得到了干濕循環(huán)作用下節(jié)理巖體抗剪性能劣化規(guī)律;張景昱等[40]開展了熱濕循環(huán)作用下節(jié)理巖樣的重復(fù)剪切試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)溫度放大了水-巖作用對節(jié)理巖體的劣化效應(yīng).綜合這些成果可見,不同巖石在干濕循環(huán)水-巖作用下的損傷劣化趨勢存在明顯差別,而且結(jié)構(gòu)面的劣化趨勢更為顯著.與此同時(shí),部分學(xué)者也在試驗(yàn)進(jìn)程中注意到水-巖作用對巖石結(jié)構(gòu)特征的影響,如汪亦顯[41]發(fā)現(xiàn)水對軟巖斷裂力學(xué)性質(zhì)的弱化作用直接影響試樣的預(yù)制裂紋擴(kuò)展及貫通方式,且?guī)r石的強(qiáng)度損傷隨裂隙空間展布和裂隙數(shù)量變化呈現(xiàn)出規(guī)律性變化.

總體而言,圍繞巖石類型及巖體結(jié)構(gòu),水-巖作用劣化效應(yīng)的研究逐漸向多方向、多維度發(fā)展,水-巖作用也逐漸從力學(xué)層面向內(nèi)在機(jī)理深入.

2.2 水-巖作用下巖石劣化機(jī)理研究

水-巖作用下,巖石的物質(zhì)成分和微細(xì)觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化,這是導(dǎo)致其宏觀物理力學(xué)特性劣化的主要原因.周翠英等[42]研究發(fā)現(xiàn)水-巖作用下巖石的孔隙率逐漸增加,顆粒間連接變得松散;Liao等[43]對頁巖在水-巖作用下的微觀結(jié)構(gòu)特征變化進(jìn)行了研究.許多學(xué)者也將掃描電鏡、CT 掃描、核磁共振等新的測試技術(shù)應(yīng)用于水-巖作用試驗(yàn)分析,巫錫勇等[44]采用掃描電鏡分析了黑色頁巖水-巖化學(xué)作用前后的微觀特征;楊成祥等[45]通過CT 掃描,分析獲得了水-巖作用下泥巖內(nèi)部的裂隙的發(fā)育規(guī)律;謝小帥等[46]采用X射線衍射對紅層軟巖遇水軟化機(jī)制進(jìn)行了探討,發(fā)現(xiàn)黏土礦物與水反應(yīng)產(chǎn)生的不均勻應(yīng)力和大量微孔隙導(dǎo)致軟巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞;劉科等[47]開展了不同水-巖作用下岸坡巖石力學(xué)特性劣化試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)巖樣的力學(xué)特性和微細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化程度表現(xiàn)為熱濕循環(huán)作用＞干濕循環(huán)作用＞長期浸泡作用.

同時(shí),有的學(xué)者對水-巖作用下巖體表面、節(jié)理面的形貌變化特征也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.Clarke等[48]、周宏偉等[49]將分形理論引入巖石形貌特征的描述,并建立了分形維數(shù)與粗糙度系數(shù)的相關(guān)關(guān)系;馮夏庭等[18]通過CT 掃描技術(shù)開展了多種巖石水化學(xué)腐蝕試驗(yàn),在宏細(xì)觀尺度上分析了巖石破裂過程中的化學(xué)-應(yīng)力耦合機(jī)理;為了分析水-巖作用對裂隙表面形貌特征的影響,Chen等[50]采用三維表面激光形貌儀在不同試驗(yàn)階段進(jìn)行測試分析.有的學(xué)者也通過巖石微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化特征去分析解釋水-巖作用的損傷劣化機(jī)制,SCISLEWSKI等[51]系統(tǒng)分析了水-巖作用過程中巖石表面積變化規(guī)律與活性礦物溶解率的相關(guān)關(guān)系;宋朝陽等[52]對不同受力方式和飽水條件下的剪切破壞斷面形貌進(jìn)行三維可視化處理和定量分析,發(fā)現(xiàn)膠結(jié)物質(zhì)遇水軟化是決定弱膠結(jié)砂巖剪切破壞斷面形貌的關(guān)鍵因素;左小鵬等[53]通過單裂隙滲流試驗(yàn)獲取裂隙滲流特性變化規(guī)律,并借助三維表面輪廓掃描技術(shù),研究了裂隙面表面形貌變化規(guī)律.

在試驗(yàn)和測試的基礎(chǔ)上,有的學(xué)者也采用數(shù)值模擬方法,對水-巖作用下巖石損傷劣化過程進(jìn)行了模擬分析,張梁、胡訓(xùn)健等[54-55]基于水-巖作用的宏細(xì)觀測試結(jié)果,利用PFC2D 進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)水-巖作用促進(jìn)了巖石內(nèi)部裂紋拓展、改變了巖石顆粒間的接觸網(wǎng)絡(luò)及受力時(shí)的力鏈分布;Potyondy等[56-58]基于平行黏結(jié)模型提出巖石應(yīng)力腐蝕模型(PSC),實(shí)現(xiàn)了巖石蠕變?nèi)^程的PFC 模擬,從細(xì)觀層面研究了巖石蠕變的變形特征、裂紋特征及破裂特征;駱祚森等[59]基于PFC中的平行黏結(jié)模型(PBM),考慮水-巖作用對黏結(jié)的弱化和材料特性隨時(shí)間的變化,提出水-巖作用下砂巖蠕變的離散元模擬方法,并在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展水-巖作用下砂巖蠕變模擬.

隨著水-巖作用劣化機(jī)理的研究逐漸豐富和完善,大量學(xué)者從不同角度總結(jié)了巖石力學(xué)、水力等性能的劣化規(guī)律,如Yasuhara等[60]分析了應(yīng)力溶解機(jī)制,建立應(yīng)力作用下巖石溶解及滲流特性的相關(guān)關(guān)系;Liang等[61]開展了不同含水率與分布的砂巖三軸壓縮試驗(yàn)并建立了評估含水率、浸泡時(shí)間對砂巖力學(xué)行為影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.綜合目前研究成果來看,簡單的函數(shù)關(guān)系顯然已經(jīng)無法對水-巖作用的劣化效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述,水-巖作用劣化模型也逐漸成為研究的重點(diǎn).

2.3 水-巖作用下巖石劣化模型研究

許多學(xué)者從巖石的微觀損傷發(fā)育,細(xì)觀結(jié)構(gòu)演變和宏觀物理、力學(xué)特性劣化等不同層面,對水-巖作用劣化模型進(jìn)行了多角度的分析.

在微細(xì)觀層面,根據(jù)巖石的溶解和擴(kuò)散,部分學(xué)者在水膜擴(kuò)散模型[62]和島渠模型[63]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),王建秀等[64]分析建立了拉剪應(yīng)力作用下碳酸巖水化-水力耦合作用損傷演化模型;湯艷春等[19]建立了單軸壓縮作用下巖鹽的溶蝕模型;申林方等[65]通過綜合化學(xué)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)、過渡態(tài)理論和巖石力學(xué)等理論建立了應(yīng)力作用下巖石的溶解動(dòng)力學(xué)模型;胡玉等[66]從巖樣破壞斷面特征、顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)特征、斷口形態(tài)和裂紋擴(kuò)展特征3個(gè)層面分析了水-巖作用下砂巖損傷劣化機(jī)理,建立了水-巖作用下砂巖微細(xì)觀劣化模型,如圖4所示.

圖4 水-巖作用下各階段巖石微細(xì)觀劣化模型[66]

宏觀層面,曾鈴等[67]采用預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣開展了裂隙演化原位試驗(yàn)和裂隙試樣直剪試驗(yàn),通過不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣裂隙圖像特征參數(shù)定量化描述了各階段裂隙發(fā)育特征,建立了抗剪強(qiáng)度參數(shù)與裂隙參數(shù)關(guān)系模型;Fang等[68]研究了干濕循環(huán)過程對砂巖節(jié)理面的損傷劣化效應(yīng),建立了水-巖作用下節(jié)理表面的物理劣化模型,如圖5所示;黃震等[69]通過干濕循環(huán)與應(yīng)力共同作用下粉砂巖的三軸試驗(yàn),闡明了循環(huán)次數(shù)與縱波波速、含水率的變化規(guī)律及其力學(xué)特性的劣化機(jī)制;朱寅斌等[70]采用3D 打印技術(shù)預(yù)制了不同粗糙度的砂巖裂隙樣品,分析建立了慣性滲透率與平均開度和分形維數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)定量化模型.

圖5 干濕循環(huán)作用下節(jié)理表面劣化過程[70]

同時(shí),在水-巖作用損傷劣化物理模型研究的基礎(chǔ)上,相關(guān)考慮水-巖作用損傷效應(yīng)的力學(xué)本構(gòu)模型也得到了較大的發(fā)展.胡昕等[71]基于weibull分布函數(shù)建立了考慮水-巖作用損傷的單軸壓縮損傷統(tǒng)計(jì)模型;許寶田等[72]、康亞明等[73]針對巖石內(nèi)部缺陷的隨機(jī)分布特征及巖石損傷變量與主應(yīng)力差的雙曲線變化關(guān)系,建立了三軸壓縮條件下巖石的損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型;梁國喜等[74]建立了考慮累積損傷和能量耗散的損傷本構(gòu)模型;鄧華鋒等[75]將水-巖作用損傷耦合到損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型中,分段建立了考慮水-巖作用損傷的本構(gòu)方程,并重點(diǎn)考慮了壓密段的影響;孫曉明等[76]在進(jìn)行不同含水率砂巖蠕變試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)對巖石的峰值強(qiáng)度與長期強(qiáng)度存在明顯軟化效應(yīng),并基于新型黏壺原件建立了改進(jìn)的西原模型.

總體來看,在庫岸邊坡消落帶水-巖作用試驗(yàn)設(shè)備和方法發(fā)展的基礎(chǔ)上,研究掌握了水-巖作用下多種巖石損傷劣化規(guī)律,同時(shí),多種微細(xì)觀的測試技術(shù)和方法也逐漸應(yīng)用于水-巖作用損傷劣化分析,為從微細(xì)觀角度揭示水-巖作用機(jī)制提供了有效途徑,相關(guān)考慮水-巖作用損傷的物理、力學(xué)模型也逐漸完善.

3 庫岸邊坡消落帶巖體劣化現(xiàn)場測試

水-巖作用室內(nèi)試驗(yàn)研究為揭示庫岸邊坡消落帶巖體劣化機(jī)理奠定了較好基礎(chǔ).然而,三峽水庫蓄水運(yùn)行過程中,消落帶巖體的實(shí)際賦存環(huán)境較為復(fù)雜,在庫水位周期性升降影響下,消落帶巖體的損傷劣化還受到岸坡結(jié)構(gòu)類型、地層巖性等因素影響[77].為此,在室內(nèi)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,部分學(xué)者針對消落帶劣化巖體開展了現(xiàn)場原位測試與分析.

3.1 庫岸邊坡消落帶巖體現(xiàn)場回彈測試

回彈儀具有野外易攜帶和無損探測的優(yōu)點(diǎn),常常用來進(jìn)行巖體表層質(zhì)量現(xiàn)場測試.黃波林等[33]對箭穿洞巖體和青石庫岸巖體進(jìn)行現(xiàn)場回彈測試,發(fā)現(xiàn)較完整巖體的劣化要遠(yuǎn)小于破碎巖體,且現(xiàn)場測試結(jié)果比實(shí)驗(yàn)室中測得的巖石強(qiáng)度的平均劣化幅度略大.楊何等[78]測試了巫山棗子樹包滑坡右側(cè)145-175m 消落帶和175m 水位線之上泥質(zhì)粉砂巖的回彈值,結(jié)果顯示,經(jīng)歷了11個(gè)庫水位升降周期后,相比175m 高水位之上的泥質(zhì)粉砂巖,消落帶區(qū)域巖體強(qiáng)度下降了28.33%.

3.2 庫岸邊坡消落帶巖體原位聲波測試

在不同時(shí)期,對同一鉆孔深度位置巖體進(jìn)行多次聲波波速測量,可分析庫水位周期性升降作用下岸坡內(nèi)部巖體結(jié)構(gòu)和完整性的變化規(guī)律.消落帶巖體現(xiàn)場測試中,目前主要有單孔聲波和跨孔聲波兩種原位聲波測試方法[79].劉廣寧等[80]對三峽庫區(qū)歸州河口-泄灘河口庫岸段消落帶巖體原位單孔和跨孔聲波測試,得出單孔KV值為0.2～0.51,跨聲波KV值為0.46～0.91,說明隨著高程的降低,消落帶巖體完整性明顯下降,且水平方向的降低趨勢更明顯.黃波林等[33,81]對巫山縣青石6號斜坡開展了多期跨孔聲波對穿測試,結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)面附近巖體劣化強(qiáng)烈,而巖體較完整段波速下降并不明顯,在深度方向上巖體結(jié)構(gòu)面是巖體質(zhì)量下降的“主力軍”.

3.3 庫岸邊坡消落帶巖體現(xiàn)場探地雷達(dá)測試

探地雷達(dá)是近年興起的一種用于地下探測的新技術(shù),能較好地識別巖體內(nèi)部的節(jié)理裂隙發(fā)育程度及空間位置分布.楊何等[78]對三峽庫區(qū)泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r等幾類損傷劣化跡象明顯的分布區(qū)域開展了雷達(dá)掃描分析,測區(qū)布置如圖6所示,發(fā)現(xiàn)消落帶內(nèi)測區(qū)上部巖體比下部巖體更破碎松散,層間劣化比層面劣化強(qiáng);并根據(jù)波形分析發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r等具有不同劣化深度,分別為50～150 cm、30～50 cm 和10 cm.

圖6 地質(zhì)雷達(dá)測線布置

3.4 庫岸邊坡消落帶巖體鉆孔取芯和鉆孔成像

通過現(xiàn)場鉆孔取芯或者鉆孔成像可以更加直觀地了解到邊坡內(nèi)部巖體的完整性,然而在高陡岸坡上鉆孔施工難度相當(dāng)大,一般僅作輔助測試用.楊何等[78]對消落帶巖體進(jìn)行了現(xiàn)場鉆孔取芯,結(jié)果顯示,175m 高水位以上的巖芯較新鮮、完整,消落帶的巖芯破碎松散,而且,高水位以上部位取得的巖芯波速較大,消落帶部位的巖芯都是隨著孔深的增加波速增大.閆國強(qiáng)[82]根據(jù)鉆孔成像、巖芯樣品和聲波波速,綜合判定淺層巖體較為破碎、裂隙分布密集,而且,結(jié)構(gòu)面的存在,加速了水-巖作用損傷劣化進(jìn)程.

總體來說,在庫岸邊坡消落帶巖體損傷劣化現(xiàn)場測試方面進(jìn)行了較好的探索,并取得了較好的成果,進(jìn)一步豐富了消落帶巖體劣化的研究內(nèi)容,這也是未來庫區(qū)巖體劣化研究的重要發(fā)展方向.

4 庫岸邊坡消落帶巖體劣化誘發(fā)岸坡失穩(wěn)致災(zāi)研究

三峽庫區(qū)蓄水運(yùn)行以來,岸坡變形穩(wěn)定問題一直是社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn),眾多學(xué)者圍繞三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)制展開了系統(tǒng)的研究,并取得了豐碩的研究成果,為保證三峽工程的安全提供了有力的技術(shù)保障.研究結(jié)果顯示,三峽庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素與蓄水進(jìn)程密切相關(guān),在2003之前,主要與自然因素、人類活動(dòng)相關(guān)[83];2003—2008年,庫水位大幅度提升成為一個(gè)新的主要因素,千將坪滑坡(2003)就是發(fā)生在蓄水至135 m 時(shí)的一個(gè)典型的滑坡,許多學(xué)者深入分析了庫水位上升及其與暴雨等其他因素聯(lián)合作用下庫岸邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)制[84-85];而后,庫水位在145 m 和175 m 之間周期性升降變化,庫水位上升、下降及其與暴雨聯(lián)合作用下庫岸邊坡的變形失穩(wěn)機(jī)制成為研究的重點(diǎn)[86],期間發(fā)生了一系列滑坡或者滑坡險(xiǎn)情[87],例如杉樹槽滑坡(2014)、紅巖子滑坡(2015)、柏堡滑坡險(xiǎn)情(2017)、卡門子灣滑坡(2019).同時(shí),大量滑坡、危巖體存在持續(xù)變形跡象,典型的如木魚包滑坡、大嶺西南滑坡、箭穿洞危巖體、板壁巖危巖體、棺木嶺危巖體、黃巖窩危巖體等.在部分滑坡和危巖體變形穩(wěn)定影響因素中,消落帶巖體的損傷劣化逐漸成為關(guān)鍵因素,典型的卡門子灣滑坡與水-巖作用導(dǎo)致的滑坡體中下部碎屑巖損傷劣化密切相關(guān)[88],箭穿洞危巖體、棺木嶺危巖體的變形直接與基座巖體的水-巖作用損傷劣化直接相關(guān)[89].

庫水位周期性升降作用下,消落帶巖體損傷劣化是一個(gè)由表及里的動(dòng)態(tài)演化過程,有的學(xué)者針對消落帶巖體劣化影響下的岸坡變形演化機(jī)制也進(jìn)行了探討,殷坤龍等[90]針對龔家方2號斜坡,分析了庫水作用下薄厚互層、軟硬相間的反傾巖質(zhì)邊坡的變形破壞機(jī)制和判據(jù);Huang等[91]分析了消落帶巖體劣化對反傾巖質(zhì)岸坡變形破壞的影響機(jī)制;余姝等[92]分析了三峽庫區(qū)青石-抱龍段21個(gè)順層灰?guī)r岸坡在水-巖作用下的變形破壞機(jī)理.殷躍平、黃波林、陳小婷等[93-94]對三峽庫區(qū)巖溶岸坡消落帶巖體劣化問題進(jìn)行較多的研究,并將巖溶劣化誘發(fā)的岸坡災(zāi)變模式劃分為塔狀危巖體崩塌、順層岸坡滑移和逆向岸坡傾倒等3種類型.劉新榮等[95]針對巫山段消落帶巖體劣化問題,歸納了5類易引發(fā)消落帶變形破壞的致災(zāi)巖組.

綜合目前研究成果來看,消落帶巖體損傷劣化在岸坡變形破壞演化中逐漸成為一個(gè)不可忽視的重要因素,但水-巖作用下消落帶巖體損傷劣化誘發(fā)岸坡局部或者整體變形失穩(wěn)的臨界條件、變形破壞模式、物質(zhì)遷移路徑等研究方面還不夠完善.

5 結(jié)論與展望

大型水庫蓄水運(yùn)行后,庫岸邊坡消落帶成為地表水和地下水極為活躍的區(qū)域,消落帶的水-巖作用研究也取得了豐碩的研究成果,為庫岸邊坡長期變形穩(wěn)定分析評價(jià)提供了較好的理論依據(jù).隨著庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)制研究深度和廣度的深入,對庫岸邊坡消落帶水-巖作用相關(guān)試驗(yàn)和理論研究也提出了更高的要求,主要有下述幾方面:

1)庫岸邊坡消落帶巖體賦存環(huán)境條件復(fù)雜,一方面是水-巖作用(高水壓力循環(huán)升降變化及浸泡-風(fēng)干循環(huán))的庫水條件,另一方面是復(fù)雜的應(yīng)力條件,除了水壓力、地應(yīng)力作用之外,還有地震作用和其他動(dòng)力作用的影響,而且有些因素是反復(fù)循環(huán)、耦合與疊加作用的.相關(guān)模擬復(fù)雜應(yīng)力條件和庫水環(huán)境耦合作用的專用儀器設(shè)備和方法亟待進(jìn)一步研究完善.

2)基于現(xiàn)有試驗(yàn)條件的庫岸邊坡消落帶巖體損傷劣化機(jī)理及模型研究理論豐碩,但還無法很好解釋庫岸邊坡消落帶巖體損傷劣化的時(shí)空演化規(guī)律,復(fù)雜賦存條件下庫岸邊坡消落帶巖體損傷劣化與地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系,以及消落帶巖體的損傷劣化機(jī)理及模型研究亟待完善.

3)庫區(qū)存在明顯損傷劣化跡象的庫岸段較長,不同庫岸段坡體結(jié)構(gòu)、地層巖性不盡相同,對應(yīng)的損傷劣化程度也不一樣,受測試施工難度、成本等限制,僅在某些庫岸點(diǎn)進(jìn)行了聲波、回彈和鉆孔測試分析,缺乏原位的抗壓、抗拉、抗剪力學(xué)性能試驗(yàn),對消落帶巖體物理力學(xué)性能的長期損傷演化過程把握不全面;同時(shí),為了滿足大范圍、長周期的消落帶巖體劣化現(xiàn)場監(jiān)測要求,相關(guān)適用于消落帶巖體的激光掃描技術(shù)、無人機(jī)近景攝影測量、基于物聯(lián)網(wǎng)以及多源數(shù)據(jù)融合的監(jiān)測方法等研究亟待完善.

4)許多學(xué)者已經(jīng)將消落帶巖體劣化作為影響岸坡長期變形破壞的影響因素之一,并重點(diǎn)對部分庫岸段消落帶的損傷劣化進(jìn)行分析,但消落帶巖體損傷劣化誘發(fā)岸坡局部或者整體變形失穩(wěn)的臨界條件、變形破壞模式分析還不夠系統(tǒng).同時(shí),水庫蓄水運(yùn)行中,消落帶巖體的劣化與地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)等密切相關(guān),因此,在水-巖作用試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,不同結(jié)構(gòu)類型消落帶巖體損傷劣化時(shí)空演化規(guī)律及誘發(fā)岸坡變形失穩(wěn)機(jī)制亟待進(jìn)一步研究完善.