三峡库区顺层灰岩岸坡劣化−溃屈灾变机制研究

三峡库区巫峡段发现多处顺层岸坡滑移−弯曲变形迹象,库水循环涨落加剧了岸坡前缘劣化损伤与失稳破坏。以巫峡段青石 6号坡为例构建室内概化模型,开展顺层灰岩岸坡在消落带岩体劣化下的灾变机制研究。研究结果表明：蓄水前岸坡整体长期处于稳定状态。随着劣化进行,蓄水后岸坡变形加剧直至溃屈破坏,岩体劣化缩短了劣化−溃屈失稳进程。运动学分析显示,溃屈破坏时同一岩层达到速度峰值近似。岩层“弯折点”后部运动特征较为一致,前部较为离散。溃屈破坏点是岸坡能量释放的转折点和顶点;随劣化演变位移、应力逐渐递增,呈现提前破坏征兆,溃屈破坏前后应力产生“集中−释放”。整体来看,应力变化提前于位移,表明应力监测更有效。应力监测的核心在于关键区段的确定,对于劣化−溃屈型岸坡来讲,前缘“挠曲段”处应力陡增可作为岸坡临界失稳的重要表征;“劣化−溃屈”演化进程中后缘推挤始终存在,它是岸坡灾变的前提。但岸坡失稳的主导因素却是消落带岩体持续不断的劣化。青石 6 号坡当前处于向强烈弯曲隆起演化进程中,由于消落带岩体持续劣化,可能由稳定/基本稳定逐渐演变为欠稳定状态。     

基于岩体劣化顺层灰岩岸坡滑移-弯曲失稳机理和评价

三峡库区在高程145~175 m之间周期性水位调控,促使库区灰岩岸坡劣化损伤加剧、稳定性衰减。本文结合巫峡段顺层灰岩岸坡“滑移-弯曲”破坏实例,基于弹塑性板翘曲模型,考虑岩体动态劣化概念,结合广义H-B准则中GSI(t)岩体参数动态指标,推导得临界挠曲段平衡方程。与传统静态计算方法相比,适用性更广,可以考虑岸坡随劣化时间t动态演化过程,更加符合工程实际。结果表明:随着劣化进行临界挠曲段l_cr逐步降低,岸坡稳定状态变差,下滑推力F逐步增大,抗弯刚度K逐渐减小,也正是这两方面因素导致l_cr快速降低。由于岩体劣化函数GSI(t)为指数劣化形式,故l_cr呈现出快速降低并趋缓直至逼近一定值,该区段为岸坡防治的“关键区段”;随着岩层倾角α增大,l_cr与相对板长比RPL快速降低,随着岩层厚度h_i增大,l_cr与RPL缓慢变大,α对l_cr与RPL的影响明显大于h_i。且岸坡l_cr快速下降角α大约在40°~60°,可作为类似顺向岸坡是否容易滑移-弯曲失稳的地质判据。本文推导的考虑岩体劣化的临界平衡方程,以三峡库区青石6号岸坡为例进行了计算、论证。可为其他类似顺层岸坡损伤演化计算提供借鉴,不同之处在于确定具体岸坡损伤劣化的GSI(t)函数式。     

三峡库区消落带溶蚀岩体劣化指标研究

三峡库区水位消落带岩体劣化松动使得部分岸坡加速朝不稳定方向演化,给溶蚀岩体岸坡带来了工程灾变效应问题.本文提出了利用高程175 m附近区域的岩体替代未受蓄水影响的岩体的"比拟法",统计分析岩体劣化情况.定义、改进和统计了岩体劣化变量Det、岩体体积节理数增量△Jv和地质强度指标变化值ΔGSI.通过对库区10个典型溶蚀岩...     

三峡库区巫峡剪刀峰顺层岩质岸坡破坏模式分析

剪刀峰岸坡位于三峡库区巫山县巫峡左岸,全长2.1 km。受北侧神女峰箱状背斜及南侧神女溪—官渡口向斜影响,岸坡为陡倾顺层岩质岸坡。岸坡坡度45°～89°,整体为陡坡与的陡崖复合地貌;岸坡出露的第四系地层主要为崩坡积碎块石土,出露的基岩含三叠系大冶组三段、四段及嘉陵江组一段至四段地层,地层多元化;岩组类别主要为大冶组及嘉陵江组碳酸盐溶岩组成的坚硬岩组及嘉陵江组二段岩溶角砾岩组成的较软岩组;岩体结构从极薄层至巨厚层状,岸坡地形、地层、岩组及结构复杂。岸坡上游至下游,2.1 km范围内,坡体结构变化大,岸坡变形破坏特征差异大,成因机制及破坏模差异大。根据岸坡不同的地质条件及特征,划分为6个大段、6个亚段。研究从岸坡宏观变形、破坏特征出发,将岸坡目前的变形、破坏总结为“构造切割及卸荷”“局部压裂、滑移”“地表溶蚀”“消落区岩体劣化”四个方面,并从岸坡成因机制上分析了各段的破坏模式。此外,本次研究还分析了库水位以上岸坡及库水位消落区的岩体劣化特征,从岩体劣化的角度提出了沿层面渐进式松脱滑移、沿软弱夹层溃屈滑移、沿“X型”节理滑移、沿层面倾倒溃屈四种岩体劣化及破坏类型。     

岸坡消落带岩体劣化的新生型滑坡(崩塌)隐患演化模式研究

三峡库区岸坡消落带是库岸边坡稳定性的敏感地带。库区内多次发生的地质灾害均与消落带的岩体劣化有关。随着时间的推移消落带的岩体劣化情况日益加剧,新生型滑坡不断涌现。本文通过实地调查与室内分析,系统总结了三峡库区秭归至巴东段岸坡消落带岩体劣化的类型以及新生型滑坡隐患的演化模式。研究表明,区内消落带岩性主要以碳酸盐岩类和碎屑岩类为主,碳酸盐岩类劣化类型主要有溶蚀(潜蚀)、裂缝显化与扩张和机械侵蚀,碎屑岩类的劣化类型主要有松动(剥落)、冲蚀(磨蚀)、结构面崩解块裂和软硬相间侵蚀,其中以松动/剥落型最为发育。在此基础上结合结构面发育特征、岸坡结构、岩性及结构和边界特征,厘定了不同岸坡消落带岩体劣化演化形成新生型滑坡隐患点的模式,碳酸岩盐类岸坡主要以基座碎裂压溃型、基座掏空倾倒型、顺向滑移型为主;碎屑岩类岸坡主要以软硬相间坍(崩)塌型、视倾向楔形滑动型、顺向滑移型及逆向倾倒型为主。研究结果可为三峡库区地质灾害监测预警及防治提供技术支撑。     

三峡库区碎屑岩岸坡岩体钻孔成像特征及质量评价方法研究

三峡库区地层岩性复杂,岩体赋存环境差异性明显,影响岩体质量的因素较多,在周期性水力作用下碎屑岩岸坡岩体已形成独有的结构特征,对岸坡的长期安全与稳定性不利。在调查统计库区碎屑岩特征的基础上,开展了大量原位钻孔测试,分类总结了库区碎屑岩岸坡岩体典型的钻孔成像特点,详细分析了不同裂隙特征岩体钻孔岩芯的块体尺度与断裂特征。基于岩芯断裂特征与钻孔成像裂隙特征的对应关系,建立了岩体质量评价指标RQ,并与传统的岩石质量指标RQD和声波测试结果进行对比,验证了该指标的适用性。研究结果表明,三峡库区碎屑岩库岸影响岩体质量的钻孔成像特征主要有沉积分层结构、软弱充填结构、原生破碎带及钻孔轴向裂隙切割4种结构类型,RQ考虑了不同结构类型划分块体的长度区间,量化了不同区间岩体占比对岩体质量评价值的贡献,基于岩体内部结构特征可以更客观地评价碎屑岩岸坡的岩体质量,避免了钻孔取芯过程机械损伤引入的误差。研究成果有助于分析三峡库区碎屑岩岸坡岩体的质量分布特征,并为岩体质量演化的量化描述提供理论方法与技术思路。     

三峡库区岸坡消落带岩体劣化分形特征与演化预测研究

三峡库区岸坡岩体劣化的关键在于岩体节理的持续扩展。本文采用分形理论对消落带上下岸坡测窗岩体劣化程度、劣化破碎相变时间及发展趋势进行了分析。研究表明：岩体节理劣化分布具有分形属性,可将缺项值Λ(r)曲线陡缓转折点视为REV(表征单元)岩体尺寸下限;整体来看,劣化使得岩体节理生长向更加均匀、密布的趋势发展,呈现升维特征;进一步利用节理升维值ΔDb建立了劣化程度分级标准,升维值ΔDb与面积节理数增量ΔJov、地质强度指标变化值ΔGSI满足指数函数关系;最后探讨并提出了2种节理分维数劣化演变模式,采用岩体劣化破碎相变时间计算式可进行相应的演化预测分析,且岩体劣化破碎相变时间预测是基于割线的估计。由于分维数Db具有较高的统计稳定性,能够满足工程应用需求。研究成果为库区岸坡劣化程度调查以及劣化演化预测提供了新的方法。     

考虑岩体劣化的库岸典型危岩体破坏过程与长期稳定性分析

自三峡库区蓄水以来,岸坡消落带岩体劣化趋势明显,加速了岩质岸坡向欠稳定和不稳定发展,潜在崩塌涌浪灾害威胁长江航道安全。以三峡库区板壁岩为例,采用抗剪强度折减法分析在岩体劣化工况下危岩体的破坏过程与长期稳定性。结果表明：在自然工况下,板壁岩危岩体处于稳定状态;在库水+岩体劣化工况下,中部锁固段处拉应力集中,拉张裂缝逐步向顶部主控裂缝及底部基破碎带延展并相互贯通,可能发生滑移-剪切破坏;在库水+岩体劣化+强降雨极端工况下,约40个水文周期后,岩体强度下降30%,板壁岩危岩体的稳定性系数降至约1.14,处于欠稳定状态,建议进行工程防治,提高危岩体稳定性,以保障航道安全。研究结果可为三峡库区板壁岩及类似危岩体的防灾减灾工作提供科学合理的依据。     

库水波动带岸坡原位声波测试及劣化特性研究

为了揭示库水波动带内岩体在库水位周期性升降,干-湿循环条件下,其物理力学性质变化特征,掌握不同岩性的劣化改造过程和差异性。选择消落带内变形破坏强烈的侏罗系库岸斜坡,在宏观调查的基础上,运用单孔、跨孔声波测试方法进行原位试验测试,同时进行原位样品试件采集,运用干湿循环、力学测试、耐崩解等手段进行室内试验测试。原位单孔声波测试K_V值为0.2~0.51,跨声波测试K_V值为0.46~0.91,表明岩体横向完整性差,纵向完整性相对较好,并且消落带内岩体随着高程的降低,其岩体完整性呈下降趋势;试件力学测试结果表明,20次干-湿循环后其强度平均下降30%~45%,且摩擦系数和黏聚力参数均呈逐渐降低趋势;耐崩解性试验表明,干-湿循环条件下,岩石耐崩解性逐渐降低,5次干-湿循环后,试件耐崩解性指数降低量达3.1%~20.2%。试验结果均证实了消落带内岩体受库水影响强烈,岩体长期在干-湿循条件下,其物理力学性质呈降低趋势,不同岩性劣化程度不同,岩体总体向破碎、解体的趋势发展,并且具有渐进性和累积性。     

干湿循环作用下岸坡消落带土体抗剪强度劣化规律及其对岸坡稳定性影响研究

三峡水库蓄水运行之后,库水位每年都在145 m的防洪水位和175 m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速地升降变化,岸坡消落带区域岩土体长期处于干湿循环状态,其力学参数的劣化规律将直接影响岸坡的变形稳定。基于此,设计并进行了典型岸坡消落带土体的干湿循环作用试验。结果表明:(1)在干湿循环作用过程中,土体抗剪强度参数劣化幅度非常明显,其中,前4次干湿循环作用导致的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化度的75%左右,4次干湿循环作用之后,劣化趋势逐渐趋于平缓;(2)在干湿循环作用下,土样内部的微观裂纹、裂隙反复张开闭合,逐渐发育、汇集,土样由密实状态逐渐变为内部裂纹发育的松散状态,土样内部的损伤是导致其抗剪强度参数逐渐劣化的根本原因;(3)考虑干湿循环作用下消落带土体参数劣化时,岸坡消落带区域局部安全系数劣化趋势明显,总体趋势与消落带土体抗剪强度参数劣化规律一致,而且岸坡消落带区域附近的局部滑动迹象明显,这与现场踏勘所见到的该区域明显发育的裂缝、下挫现象是一致的。研究成果对库水作用下岸坡的长期变形稳定评价具有较大的参考意义,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。     

三峡工程库区岩溶岸坡岩体劣化及其灾变效应

三峡工程库区175 m试验性蓄水10 多年后,峡谷区岩溶岸坡水位变动带岩体劣化强烈,新生或加速形成了大量地质灾害,引起研究人员和政府的广泛关注。文章从微细观到宏观、由点到面,采用野外调查、室内试验分析了三峡库区岩溶岸坡岩体劣化及其灾变效应。野外调查显示,溶蚀岩体劣化集中发育于三峡、大宁河等干支流峡谷区域,其中以巫峡共约10 km长的岸坡最为典型。溶蚀岩体劣化机制包括以机械搬运为主的物理机制、以溶蚀/溶解为主的化学机制和以应力腐蚀断裂为主的力学机制。岩体劣化导致溶蚀岩体结构降级,岸坡局部持续形变。岩体劣化、岩溶水动力作用、岸坡形变相互促进,推动了岸坡灾变的发生。大量案例表明,岩溶岸坡岩体劣化引起灾变效应早期,破坏浅表层、岸坡不断后退。岩体劣化影响下岩溶岸坡破坏模式包括崩塌、滑移和倾倒3种主要类型。库水位长期变动导致的溶蚀岩体劣化带来了前所未有的高陡岸坡灾变威胁,可能将三峡库区地质灾害带入新的发育阶段。本研究将为三峡库区岩溶地质灾害隐患点识别与防灾减灾提供技术支撑。     

三峡水库碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏

三峡水库峡谷区矗立着大量岩溶不稳定库岸,危及长江黄金水道安全。采用野外勘查和力学分析,对三峡库区碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏关系进行深入研究。野外勘查发现,三峡库区碳酸盐岩库岸存在许多与溶洞、溶隙、溶蚀带、溶槽、溶沟等表层岩溶作用有关的斜坡不稳定现象。巫峡段库岸内共发育岩溶地质灾害及隐患点186处,其中滑坡隐患点37处,大型以上危岩体6个。岩体力学分析表明：强降雨、蓄水和岩体劣化会因为有效应力减少、强度下降而造成破裂的节理/裂隙逐渐扩大。同时,水位变动带岩体劣化的裂缝扩展速率比三峡的平均溶蚀率高出约1 300倍,极大地加快了已经进入屈服状态的不稳定岩体的演化进程。溶蚀作用是岩溶岸坡中最基本的作用,库水长期波动加快了岩溶岸坡演化。本次研究将为三峡库区峡谷段不稳定库岸识别和防灾减灾提供技术支撑。     

三峡库区青石-抱龙段顺层灰岩库岸坡变形破坏机理

三峡库区基岩顺层滑坡大多以砂/泥岩或泥/泥灰岩互层滑坡为主,力学机制以顺层滑移剪切为主。新近发现的青石-抱龙段顺层灰岩库岸,岸坡岩性以灰岩、白云岩为主。在21个顺向斜坡中9个斜坡存在岩层弯曲现象,高程分布在145~175m,且大量层面有擦痕,局部岩层强烈弯曲形成了类似逆断层的现象。这些变形破坏现象受控于重力作用下沿层面的滑移-弯曲力学机制。通过连续-非连续数值分析方法研究表明,在这一带岸坡中约200m的主动平直滑移段下滑力驱动了约30m的被动弯曲隆起段变形,被动弯曲隆起段位移地形变缓、岩层增厚。当前青石-抱龙一带顺层灰岩库岸岩层隆起和松动较小,处于滑移-弯曲变形的早期阶段,主要以累进性变形为主。建议对该段库岸进行专业监测,并开展进一步的调查研究工作。     

长江三峡水库区危岩分类及宏观判据研究

危岩是三峡水库区主要地质灾害之一，约30，000余个位于陡崖或陡坡上。河流或沟谷强烈下切产生的岸坡岩体卸荷作用、软硬相间的岩层组合（如砂岩、泥岩）以及高强度的降雨或较大的日温差变化是三峡水库区危岩形成的基本条件，其破坏具有突发性、致灾具有毁灭性。目前将危岩分为滑塌式、倾倒式及坠落式3类，体现了危岩失稳破坏的主要模式。现场可识性不强、力学机理不明确，降低了危岩治理的针对性及有效性。据此，文章提出了现场易识性、力学机理明确性和失稳模式预判性的危岩分类原则，并将危岩分为单体危岩和群体危岩两大类。单体危岩分为压剪-滑动型危岩、拉剪-倾倒型危岩、拉裂-坠落型危岩及拉裂-压剪坠落型危岩；群体危岩分为底部诱发破坏型危岩及顶部诱发破坏型危岩。分析了各类危岩的基本特点；从陡崖（坡）断面形状、主控结构面、主控结构面走向与陡崖（坡）走向之间的组合关系以及岩性等方面构建了危岩分类宏观判据，经万州太白岩50余个危岩的现场验证，利用这些宏观判据判识的危岩与实际相符。     

基于地面三维激光扫描的三峡库区危岩体监测

三峡水库周期性蓄水改变了岸坡内的地下水渗流场和应力场,降低岩土体的剪切强度,对库岸边坡、岩体稳定性影响很大。以往库区岸坡岩体形变监测主要通过设置固定点进行观测,难以发现岩体整体变化情况。地面三维激光扫描方法能获取岩体整体表面厘米精度的点云数据,具有无需接触目标、获取速度快、精度高等特点,非常适合库区高陡危岩体表面三维形变监测。以巫山箭穿洞危岩体为例,采用地面三维激光扫描方法对箭穿洞危岩体进行了为期2年（2017—2018年）共3期监测,以第一期观测目标周围稳定岩体数据为基准,对数据进行重叠点云迭代配准,点云配准精度优于±2.7 cm。针对箭穿洞危岩体在观测时段内的变化情况,构建危岩体区域的基准不规则三角网模型,以点到基准面最近距离法结合危岩体变化区间分析其变形。通过对比分析箭穿洞危岩体3期观测数据,发现相对于2017年,2018年箭穿洞危岩体左侧岩体有变形趋势;在库区蓄水阶段,危岩体局部多处存在明显凹陷变化,局部因蓄水影响发生约−0.03～−0.07 m变形。结果证明三维激光扫描技术在库岸高陡边坡形变监测中的有效性,为三峡库区高陡危岩体形变监测及地质灾害防治工作提供了参考。     

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。     

三峡库区凤城危岩稳定性评价与防治对策研究

危岩失稳是三峡库区频发的地质灾害之一。文章在研究凤城危岩所处区域的地质背景条件及危岩失稳的诱发因素基础上,分析了凤城镇危岩体的分布规律及形态特征,根据破坏模式的不同对该区危岩进行了类型划分,采用赤平投影法与极限平衡法对该区6个代表性危岩单体的稳定状况进行定性与定量分析评价,经分析判断其均处于欠稳定或不稳定状态,需进行工程治理。针对每个危岩单体的具体特征,提出了小规模清方+岩体支撑+锚固,配合地表排水及裂隙封闭的联合治理方案。