三峡库区秭归县棺木岭危岩体发育特征及成因机制探讨

棺木岭危岩体为三峡库区新发现的崩塌隐患点,呈不规则塔柱状,平均高约50 m,宽约50 m,厚约20 m,体积约5×104 m3.本文基于野外地质调查,在分析棺木岭危岩体发育特征及形成原因的基础上,对其形成机制及可能破坏模式进行初步研究.调查和分析表明:陡峻地形、上硬下软的岩体介质结构、构造裂隙切割是危岩形成的主要原因,水库蓄水和降雨是危岩体破坏的外在激发因素,尤其是库水位周期性涨落加剧了基座岩体的破坏,加速了危岩体形成演化;其成因机制为下伏软弱基座在上覆硬岩巨大自重荷载作用下压裂破坏,引起山体变形开裂形成,危岩体可能破坏模式为倾倒破坏或座滑破坏;其形成演化过程可以分为以下4个阶段:卸荷裂隙形成阶段、软弱基座差异沉降与裂隙扩展阶段、水库蓄水加剧裂隙贯通与基座岩体碎裂化阶段、崩塌与堆积阶段.     

封面照片说明

2011年10月20日晚7时,三峡库区巫山县两坪乡望霞村长江航段多次发生危岩垮塌,造成航道堵塞,上下游2000多名旅客滞留。望霞危岩地处巫山县两坪乡同心村,位于长江巫峡峡口长江北岸,高程约1050～1250m,危岩体临空面为绝壁,东西长100m、南北宽40m,高80～100m,体积约40×104 m3,     

差异风化型危岩力学模型及破坏机制研究

差异风化型危岩多形成于由砂岩和泥岩等软、硬岩性组成的互层陡倾岩质边坡中,其崩塌破坏属地质灾害中的常见形态。以普洱渡危岩高边坡为例,推导出差异风化型危岩岩腔后壁泥岩压应力随岩腔深度增加而增大的计算公式。据普洱渡危岩高边坡地形地貌和地质构造特征建立了两类4种差异风化型危岩力学模型：第1类为主控结构面贯通率等于1时的泥岩基座压裂破坏型和转动破坏型危岩;第2类为主控结构面贯通率小于1时的坠落型和倾倒型危岩。利用岩石强度理论推导出研究区砂岩的二次抛物线型摩尔强度包络方程,以极限平衡理论和摩尔强度理论推导了4种危岩体在自重、地震力和裂隙水压力共同作用下的崩塌破坏判别表达式,并由此反演出危岩体的临界崩塌边界方程,得出危岩体崩塌边界（岩腔深度、危岩体厚度和高度、主控裂隙深度）之间的关系,为现场预测和判别危岩体的稳定性和崩落时序提供简便可靠的依据。     

岩腔后退近水平砂-泥岩互层危岩稳定性研究

岩腔后退是三峡库区重庆段近水平砂-泥岩危岩稳定性改变的关键。基于岩腔平行后退理论,提出了岩腔泥岩后退的剪切破坏和拉破坏力学机制,考虑岩腔后退参数提出了3类危岩体稳定性计算方法,结合重庆万州太白岩危岩稳定性计算得到如下结论:采用本文方法计算得出滑塌式危岩W12、倾倒式危岩W22、坠落式危岩W4处于稳定状态,倾倒式危岩W59处于欠稳定状态,而坠落式危岩W16处于基本稳定状态,这与2008~2013年现场监测情况相吻合。针对滑塌式危岩W12讨论得出,最小主应力随时间呈线性降低趋势,随着最小主应力持续降低,泥岩先产生剪切破坏后发生拉破坏,泥岩破裂角随着最小主应力降低不断降低;随着岩腔深度加大,稳定系数呈凹曲线降低趋势,岩腔后退是危岩失稳的根本原因;存在一临界岩腔深度,此岩腔深度下危岩将发生失稳破坏,并可据此预测危岩失稳时间。     

水力作用下顺层岩质边坡稳定性分析

通过对顺层岩质边坡中地下水力作用进行分析,认为地下水力作用主要为沿结构面分布的裂隙水压力和拖拽力。分析了滑动破坏中的控稳优势结构面,认为该面上的张裂隙静水压力、滑动面扬压力以及拖拽力的大小均取决于后缘张裂隙的充水高度。将典型岩石边坡进行简化假设,利用简化后的边坡水力学分析模型,推导出边坡稳定系数和决定边坡稳定性的张裂隙充水临界高度的表达式。选取实际边坡进行分析和计算,验证了公式的合理性,结果表明地下水作用下边坡稳定系数的降低主要与静水压力有关,而渗透力的影响很小。     

重庆市万州区戴家岩危岩灾害风险分析

万州区是三峡库区内危岩发育较为典型的地区。文章以戴家岩危岩为例,提出了适用于危岩的风险评价模型,并结合防治规划,提出了危岩灾害风险管理对策建议。首先根据危岩可能的破坏模式,将危岩分为滑塌式危岩、坠落式危岩和倾倒式危岩三类,然后选取天然、暴雨及暴雨加地震三种工况分别计算危岩在各工况下的稳定性,从而找出最危险工况并得到该工况条件下危岩的破坏概率,再结合危岩强度对危岩进行危险性评价。研究区的承灾体分类主要包括人口和财产两方面,根据承灾体与危岩体的相对空间距离和各危岩强度来确定各承灾体的易损性。最后,将危岩的破坏概率与承灾体的危害度相乘得到危岩破坏的风险结果。     

危岩主控结构面变形破坏的扩展有限元法模拟分析

危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一,主要分为坠落式危岩和倾倒式危岩两种失稳形式,危岩主控结构面受荷断裂扩展是其发育成灾的关键核心。将危岩主控结构面类比为宏观裂纹,运用扩展有限元方法（XFEM）,求解结构面扩展过程的移动非连续问题,探索在荷载作用下危岩主控结构面的断裂扩展行为,以重庆万州太白岩危岩为例,考虑岩石的抗拉强度、主控结构面的几何位置与倾角对危岩的变形破坏模式与稳定性的影响。结果表明,随着岩石抗拉强度的降低,危岩的稳定性程度降低;随着主控结构面倾角的减小,危岩的稳定性程度提高,同时结构面开裂路径也明显改变;危岩体两种失稳模式的破坏机制都为拉剪机制,相对于倾倒式危岩,同等条件下坠落式危岩的稳定性更差。     

基于实测的望霞W1危岩体失稳动态过程分析

在地质调查和现场监测的基础上,研究了望霞W1危岩体变形-演化的动力学过程。危岩体位于重庆市巫山县两坪乡,受裂隙切割成柱状。岩性为中厚层硅质、泥质灰岩夹燧石层,危岩体下部基座为粉砂岩、粘土岩及煤线,形成上硬下软的地层结构。研究表明:危岩体局部变形失稳过程与整体失稳过程的位移变形曲线表现出相似性,可划分为前期累积变形、匀速变形、加速变形和临界加速变形等四个阶段。望霞危岩的特殊地质结构、地质环境为危岩的孕育和破坏提供了地质基础。人为活动和降雨对危岩的变形破坏具有显著的影响。     

基于水波动力学模型的棺木岭危岩体涌浪数值分析

以棺木岭危岩为研究对象,在分析危岩体变形破坏的基础上,运用水波动力学模型进行危岩体在145 m、175 m水位条件下的滑坡涌浪模拟。结果显示:145 m条件下最大涌浪高度为24.2 m,最大爬高为19.9 m,1m以上涌浪高度的河道长约5.4 km;175 m条件下最大涌浪高度为23.3 m,最大爬高为14.5 m,1 m以上涌浪高度的河道长约6.6 km。在九畹溪河道上,涌浪的波高严重不均衡,下游涌浪强度明显高于上游。在长江河道上,涌浪波以九畹溪口为扰动点,向上下游衰减,衰减近似平缓。随着库水位的下降,危岩体形成的最大涌浪高度增大,而涌浪危害的范围逐渐减小。     

重庆南川甑子岩山体崩塌机制研究

本文以重庆南川甑子岩崩塌为例,对近水平厚层状高陡灰岩山体座落滑移式崩塌机制进行研究,通过工程地质分析揭示了甑子岩危岩崩塌的成因机制,利用数值模拟开展了初始变形破坏的研究。研究认为,甑子岩崩塌是自然条件下形成发育、受岩溶风化与人类工程活动影响所产生的大型危岩体崩塌。岩体中多组大型陡倾节理发育,卸荷作用下在陡崖边缘形成张拉裂隙,地下水长期溶蚀使裂隙连通率不断增大,地下采空加速软弱基座破坏、危岩体变形。随着裂隙的贯通,软弱基座内部应力累积,应变逐渐增大,当超过岩体强度时发生圆弧形剪切滑移破坏,导致柱状危岩体座落崩塌。     

重庆市南川甑子岩危岩形成演化机制分析及防治措施探讨

地质灾害的形成严重制约地方经济的发展，灾害形成机制研究可为其治理提供科学依据。重庆市地质灾害主要表现为滑坡、崩塌。对于前者已有较多的研究，而后者开展的工作甚少。甑子岩危岩体全长近1400m，潜在崩塌体积约444．06万m3。目前危岩带岩体处于时效变形破坏阶段，变形仍在继续，特别是在暴雨及其它人为因素的作用下，很可能突发崩塌灾害，危及附近居民及铝矿厂的安全。为此已引起了有关方面的高度重视。文章从地形地貌、地层岩性、坡体结构、降雨、风化、温度、植物、人类工程活动等方面对危岩的形成机制进行分析，得出上硬、下软的岩体地质结构是危岩形成的物质条件，采矿活动是危岩形成的最重要的原因的结论。通过危岩变形破坏演化过程的剖析，确定了危岩变形的两种破坏模式：倾倒式破坏、基座剪切滑塌式破坏。在此基础上结合Ⅰ、Ⅱ区危岩的不同危害性，建议采取分区治理。通过施工条件、经济合理性、治理效果、社会效应4方面的优劣对比，对Ⅱ区危岩南坡村民居住区搬迁避让比治理Ⅱ区危岩体更经济、有效。由于铝矿厂搬迁难度极大，因此对Ⅰ区危岩体采取排水、封闭裂缝、填实采空区、填补凹腔、锚固、拦挡的综合治理措施。     

重庆南川甑子岩-二垭岩危岩带特征及其稳定性分析

在调查重庆南川甑子岩-二垭岩段88处近水平层状大型危岩形成的地质环境背景基础上,分析了危岩发育特征、影响因素以及稳定情况,查明了危岩体结构与失稳模式的相关性,分坠落式、倾倒式、滑移式三种失稳模式进行稳定性分析。研究表明该危岩带是金佛山向斜核部经长期地质演化形成的近水平层状厚层灰岩陡崖,受降雨、岩溶、底部软弱层及大面积地下采空影响形成的,属特大型危岩带。其中,危岩带内的塔状岩体是西南缓倾层状灰岩山区典型的危岩类型,破坏机理复杂,易形成崩塌碎屑流。通过稳定性计算并综合考虑现场调查结果,认为带内危岩体在天然工况下整体稳定性较高,但暴雨工况和地震工况下稳定性骤降,尤其是危岩分布集中的甑子岩、和尚帽以及二垭岩区段,具有较高的成灾可能性,亟需开展监测预警工作。     

三峡水库碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏

三峡库区175 m蓄水以来,巫峡段碳酸盐类岩溶岸坡在周期性水位变动下岩体劣化强烈,新生或加速形成了大量地质灾害。为探讨在周期性水位变动下碳酸盐岩类岸坡的强度弱化规律,文章从岩石(体)物理结构、化学性质、力学性质等方面开展研究,通过在巫峡最具代表性的6处库岸段开展原位岩体回弹强度测试、原位点荷载试验以及室内干湿循环试验、岩石矿物成分分析、岩石表观裂隙扫描等试验,获取水位变动条件下碳酸盐类岩石(体)的强度弱化数据。原位岩体回弹强度测试结果表明,原位岩体单一年度的强度弱化率为0.3%~25.9%,岩体强度弱化主要沿结构面产生;室内干湿循环试验结果表明,在50次干湿循环后,岩石强度弱化率为16.4%~23.9%,变形模量弱化率为17.1%~24.9%;岩石矿物成分分析结果表明,在100次循环后,CaO的溶失量为0.5%~5.6%;岩石表观裂隙扫描结果表明,岩块表面裂纹发育位置发生了水蚀痕迹加重、溶孔变大、裂纹延伸等变形现象。基于干湿循环试验数据,建立岩石强度弱化函数,推导出各点位上的指数函数弱化计算模型。该计算模型可用来预测岩石强度、变形模量与水位循环次数间的数值关系。最后以曲子滩危岩“溃屈”式破坏计算为例,探讨了岩体强度弱化后的灾变效应。研究提出的工作方法和通过试验所得到的数据可为三峡库区岸坡劣化带的防治提供数据和技术支撑。     

基于实测的望霞W1危岩体失稳动态过程分析

在地质调查和现场监测的基础上,研究了望霞W1危岩体变形-演化的动力学过程。危岩体位于重庆市巫山县两坪乡,受裂隙切割成柱状。岩性为中厚层硅质、泥质灰岩夹燧石层,危岩体下部基座为粉砂岩、粘土岩及煤线,形成上硬下软的地层结构。研究表明:危岩体局部变形失稳过程与整体失稳过程的位移变形曲线表现出相似性,可划分为前期累积变形、匀速变形、加速变形和临界加速变形等四个阶段。望霞危岩的特殊地质结构、地质环境为危岩的孕育和破坏提供了地质基础。人为活动和降雨对危岩的变形破坏具有显著的影响。     

西南某水电站坝址区右岸WY3危岩稳定性研究

WY3危岩位于西南某水电站前期勘探施工临时营地正上方,基座受风化板岩层切割,上盘岩体受层面、两组中陡倾角侧向裂隙切割成块状,并呈现架空结构,后缘沿陡壁拉裂形成典型的贴坡式倾倒体。WY3目前处于时效变形阶段,一旦失稳,将对现场施工人员的生命财产构成极大威胁。通过系统分析WY3危岩体的工程地质条件后,提出了危岩体可能的破坏模式,利用离散元软件对该危岩的破坏模式进行验证并模拟了危岩的变形运动趋势,采用相应的计算公式计算危岩体在4种不同工况条件下的稳定性系数,最后提出了危岩处理措施。     

川西高原红军山危岩崩塌变形特征及稳定性分析

川西高原受青藏高原新生代持续隆升和河流快速下切作用,形成大量的坡度高陡、坡型复杂,岩体破碎的岸坡和陡崖。红军山危岩崩塌具有规模大、分布范围广、破坏模式多样、力学机制复杂等特点。本文在工程地质测绘的基础上,调查了危岩的分布范围、规模大小、破坏特征,研究了危岩的破坏模式,对不同模式进行了稳定性计算。主要认识有：①岩体结构具有明显的区域性和分带性。②危岩产生及破坏模式表现为块体失稳、阶梯状滑动。③根据危岩体发育特征,变形破坏力学机制,考虑天然、暴雨、地震3种工况进行稳定性计算。最大的危岩体,隆聋危岩在天然工况下处于稳定状态,暴雨和地震工况下稳定系数明显降低,处于基本稳定-不稳定状态。其他危岩体在各种工况下稳定性较差,处于基本稳定-不稳定状态。④对危岩体进行清除、加固、监测,雨季巡排查等预防措施。     

三峡库区巫峡段高陡峡谷区危岩裂隙带探地雷达探测

三峡库岸岩石受构造、风化及消落带水位影响裂隙发育,本文利用有限差分正演算法程序模拟计算危岩裂隙的探地雷达响应特征,结果表明:不同形态下的裂缝有不同的探地雷达响应特征,通过模型与模拟计算结果建立的对应关系可从野外实测数据中识别岩体裂缝。以重庆巫峡板壁岩危岩带探地雷达探测为例,对探地雷达野外实测数据进行推断解释危岩裂隙带,并以钻孔高清摄像及波速测试验证推断解释的准确性,为防治、监测方案的制定提供科学依据。该案例可为其他库岸高陡峡谷区危岩裂隙带探测提供借鉴。     

敦煌莫高窟玉门组砂砾岩风化特征研究

风化是引起莫高窟围岩（砂砾岩）破坏的一种重要病害,严重影响莫高窟的长期保存。为研究莫高窟玉门组砂砾岩的风化特征,选取莫高窟南侧一处崖体为试验点,采用逐层剥离的方法,分别在距崖体侧表面0cm、3cm、5cm、8cm及10cm深度处进行现场声波测试、回弹测试并取样进行X-射线衍射试验和易溶盐试验。试验结果表明:莫高窟围岩在风化作用下强度降低,现场声波测试和回弹测试结果均随着开挖深度的增加而不断升高;砂砾岩胶结物的主要矿物为石英、方解石、长石、白云石、石膏等,主要黏土矿物是绿泥石;其可溶盐主要包括Na₂SO₄、NaCl、CaSO₄等。同时结合气象数据及试验结果,分析了影响岩体风化的主要因素,初步讨论了岩体的风化机理,包括:（1）温度应力引起岩体结构破坏和裂隙发育;（2）胶结物中的主要矿物方解石易于发生水化作用,转化成易溶的Ca（HCO₃）₂,发生迁移,破坏岩体的胶结结构;（3）盐风化也是岩体风化的一个重要方式,Na₂SO₄、CaSO₄等可溶盐在水汽作用下发生溶解、结晶及水合作用,体积膨胀,对孔隙壁产生较大压力,致使岩体颗粒之间联结减弱,结构破坏,裂隙发育。     

软件Geo-Studio在重庆市巫山县板壁岩W1危岩体稳定性分析应用

库区水位变动是导致危岩失稳主要原因之一。采用Geo-Studio软件SLOPE/W及SIGMA/W模块对板壁岩W1危岩体进行有限元数值计算,在是否考虑消落带区域岩体劣化的因素下,将数值计算划分为两种工况,并计算得到不同工况下145m水位及175m水位下典型剖面的稳定性系数以及应力、应变、位移分布云图,为该危岩带防灾减灾提供理论依据。其成果为库区危岩防治和预测提供一定的参考。     

大采高综放开采覆岩破坏特征和裂隙演化规律

工作面回采过程中,覆岩破坏特征对于煤矿水灾害和瓦斯防治具有重要意义,为了进一步研究综放开采覆岩破坏特征。以山西某矿5.82m大采高工作面为试验面,采用分段注水、钻孔电视、地质雷达、微震监测探测覆岩破坏高度,对破坏过程进行了数值模拟研究,并对裂隙演化进行了相似模拟试验,同时对传统经验公式进行了修正,研究结果表明:综放开采垮落带发育高度为43.1m,断裂带发育高度为86.7m;垮落带、断裂带、导水断裂带各测试方法之间相差分别小于4.5%、7.1%、9.0%;工作面采动前,裂隙发育度低,而采动后,裂隙数量明显增多,发育度增加;近煤壁区域为裂隙聚集区,密度曲线呈“蛇”型分布;得到新的适合该矿地质条件下的覆岩导水断裂带发育高度经验公式。