三峽庫區(qū)危巖體劣化特征及變形破壞模式研究

王 恒，蔣先念，李樹建，賈智丹

(1. 重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院，重慶 400700； 2. 重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400030)

0 引 言

三峽水利樞紐工程是一個舉世矚目的大型水利水電工程，庫區(qū)水位常年位于145～175 m之間蓄水和消落[1]。消落帶巖體在干濕循環(huán)、溶蝕、浪蝕、構(gòu)造風(fēng)化作用等因素影響下，致使高陡峽谷帶巖體劣化變形及卸荷裂縫發(fā)育，引起岸坡失穩(wěn)的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象已多次出現(xiàn)[2-4]。國內(nèi)眾多學(xué)者做了大量的研究工作[5-11]，但是三峽庫區(qū)庫岸線長，消落帶地質(zhì)條件千變?nèi)f化，深部巖體劣化、破碎結(jié)構(gòu)面不易識別，危巖變形破壞模式復(fù)雜難辨。以三峽庫區(qū)黃巖窩危巖為工程背景，研究危巖體劣化特征及變形破壞模式，對進一步分析庫區(qū)危巖體的劣化特征及同類地質(zhì)災(zāi)害變形破壞模式提供了理論依據(jù)。

1 黃巖窩危巖體工程概況

黃巖窩危巖位于巫山縣培石鄉(xiāng)，長江航道里程編號K143+432～K144+263右岸。由6個危巖單體構(gòu)成，單體方量約5 200～540 000 m3，見表1，總方量約95.5萬m3，為特大型危巖。根據(jù)地形地貌、岸坡結(jié)構(gòu)及巖體特征，將岸坡分為黃巖東段和黃巖西段，如圖1。危巖體失穩(wěn)主要危及長江航道、過往的游輪客船、碼頭及居民點安全等。

表1 危巖體規(guī)模及形態(tài)特征Table 1 Size and morphological characteristics of the perilous rock mass

(續(xù)表1)

編號形態(tài)寬/m高/m厚/m規(guī)模/m3形狀基座高程/mW2100-120100-11025-32360 000板狀135-140W320-5070922 050棱錐狀160W45030-4559 000楔型240W528-3590-100718 480棱柱狀145W6206545 200棱柱狀150

圖1 危巖體分布Fig. 1 Perilous rock mass distribution

2 危巖體劣化特征

由于黃巖窩危巖體位于高陡峽谷區(qū)，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，臨江面構(gòu)造裂隙存在外傾結(jié)構(gòu)且?guī)r體破碎，采用傳統(tǒng)取芯鉆探手段判斷巖體劣化、破碎程度難度大。因此，采用其它手段分析危巖體劣化特征顯得至關(guān)重要。結(jié)合本工程概況，危巖單體W1和W2體積偏大，危巖帶卸荷裂縫及構(gòu)造裂隙發(fā)育，消落帶巖體劣化程度復(fù)雜；筆者主要介紹采用調(diào)查測繪、單孔聲波法、孔內(nèi)高清攝像及物探測試手段分析黃巖西段的巖體劣化特征。

2.1 調(diào)查測繪

根據(jù)調(diào)查測繪，黃巖西段臨江面共發(fā)育裂隙37條見圖2，產(chǎn)狀75～120°∠67～88°，貫通長度20～110 m，消落帶145～175 m之間裂縫線密度為1條/2 m，面密度為1條/4 m2。175 m以上裂縫線密度為1條/20 m，面密度為1條/40 m2；統(tǒng)計分析可知消落帶巖體裂隙發(fā)育程度約為175 m水位以上的10倍，消落帶巖體風(fēng)化程度高。

2.2 單孔聲波法

采用單孔聲波法對鉆孔K1、K2、K3進行了聲波測試，得出鉆孔內(nèi)不同段巖體縱波波速，根據(jù)波速差異判斷巖體完整程度。K1孔口高程150.00 m，深度62.0 m；K2孔口高程152 m，深度60.0 m；K3孔口高程155.0 m，深度55.0 m，鉆孔位置見圖2。

圖2 巖體劣化分布Fig. 2 Distribution map of rock mass deterioration

K1鉆孔測試結(jié)果表明：0～5.8 m區(qū)域內(nèi)波速低，表明巖體破碎程度高。5.8～15.2 m區(qū)域內(nèi)總體上波速相對較高，但7.2～8.0 m鉆孔段所測波速低，表明巖體局部裂隙發(fā)育。15.2～18.4 m區(qū)域內(nèi)總體上波速低，巖體破碎。18.4～62.0 m段總體上波速相對高值，局部波速較低，表明巖體相對完整，局部發(fā)育裂隙。

K2鉆孔測試結(jié)果表明：0～15.0 m區(qū)域內(nèi)總體上波速低，表明巖體裂隙發(fā)育。15.0～60.0 m段波速相對高值，局部波速較低，表明巖體相對完整、局部發(fā)育裂隙。

K3鉆孔測試結(jié)果表明：0～16.0 m區(qū)域內(nèi)總體上波速低，表明巖體破碎程度高。16.0～31.0 m段整體波速起伏較大，波速曲線呈鋸齒狀，表明巖體裂隙發(fā)育。31.0～55.0 m段波速曲線較平緩，整體波速呈相對高值，表明巖體相對完整。

臨江面水平鉆孔波速測試結(jié)果表明，從鉆孔0～18.0 m區(qū)域內(nèi)危巖體的巖體總體上劣化破碎程度高，完整性差，裂隙發(fā)育；其它區(qū)域內(nèi)巖體相對完整及局部發(fā)育裂縫。

2.3 孔內(nèi)高清攝像

為了進一步驗證和補充鉆孔波速測試結(jié)果，采用孔內(nèi)高清攝像分析。K1鉆孔深度在13.2～14.5、15.2～15.4、17.4、19.8～20.0、20.7～21.0 m段有明顯裂隙發(fā)育，K2鉆孔深度在0.7、5.5、6.3～6.7、10.1～10.4、20.5～20.7、22.2～22.6 m段有明顯裂隙發(fā)育，其孔內(nèi)高清攝像成果圖見圖3。通過孔內(nèi)高清攝影技術(shù)，不僅可以直觀的觀察巖體的裂隙發(fā)育情況，還能補充驗證水平鉆孔波速測試結(jié)果，更加準(zhǔn)確地了解巖體的劣化程度。

2.4 物探測試

由于單孔聲波法和孔內(nèi)高清攝像無法評估整個危巖體的劣化情況，故采用瞬變電磁法在危巖單體W1和W2的垂直陡崖面布置6條物探線，其中1-1和6-6剖面物探測試結(jié)果見圖4。 測試結(jié)果表明：危巖體145～175 m區(qū)域內(nèi)電阻率異常，表明巖體較破碎；危巖單體W1和W2存在破碎帶和溶蝕區(qū)，沿臨江崖壁向里延伸20.8 m區(qū)域內(nèi)電阻率相對較低，巖體總體上劣化破碎程度高，與單孔聲波法和孔內(nèi)高清攝像測試結(jié)果基本一致。

圖3 K1 K2鉆孔高清攝像成果Fig. 3 High definition camera picture of K1 K2 borehole

圖4 W1(1-1)、W2(6-6) 物探測試Fig. 4 W1 (1-1), W2 (6-6) geophysical prospecting test

3 危巖變形破壞模式

根據(jù)上述調(diào)查測試分析結(jié)果可知，危巖體陡崖頂部受卸荷裂縫控制，沿臨江面受構(gòu)造裂隙切割形成危巖塊體。經(jīng)過調(diào)查測繪、單孔聲波法、孔內(nèi)高清攝像及物探測試分析后發(fā)現(xiàn)，危巖體陡崖頂部卸荷裂縫一直延伸至江面，構(gòu)造裂隙切割深度較大，沿臨江崖壁向里延伸18 m區(qū)域內(nèi)的巖體總體上劣化程度高，深部破碎帶結(jié)構(gòu)面發(fā)育。分析得出危巖單體W1、W2三種基本變形破壞模式：①潰屈滑移式：巖體劣化帶或溶蝕破碎區(qū)在庫區(qū)水位漲落掏蝕、沖刷浪蝕及干濕循環(huán)作用下，巖體強度逐漸降低，劣化破碎帶逐步加寬，最終導(dǎo)致危巖體在自重作用、溶蝕作用及江水漲落掏蝕下沿破碎帶或結(jié)構(gòu)面發(fā)生潰屈變形，進而引起上部巖體發(fā)生滑移；②墜落式：消落帶巖體破碎軟弱，受水位漲落影響形成凹巖腔，導(dǎo)致危巖從凹腔或臨空破碎帶發(fā)生墜落破壞。③傾倒式：隨著巖體劣化、溶蝕破碎帶發(fā)育及變形，危巖重心逐漸外傾，危巖體沿外傾支點向臨空方向傾倒，形成傾倒破壞。

因此，巖體在自重作用、溶蝕作用及江水漲落掏蝕等影響下，劣化區(qū)巖體不斷被壓裂剪斷，形成軟弱破碎帶或潛在潰屈滑移面，進而引起上部巖體發(fā)生滑移式、傾倒式、墜落式的復(fù)合型變形破壞，如圖5。

圖5 危巖破壞失穩(wěn)模式Fig. 5 Damage and failure modes of perilous rock

4 結(jié) 論

以三峽庫區(qū)黃巖窩危巖帶為工程背景，采用調(diào)查測繪、單孔聲波法、孔內(nèi)高清攝像及物探測試手段分析危巖體劣化特征，并分析了危巖變形破壞模式。主要結(jié)論如下：

1)危巖單體W1和W2存在破碎帶和溶蝕區(qū)，消落帶沿臨江崖壁向內(nèi)延伸18 m區(qū)域內(nèi)的巖體劣化程度高。

2)危巖巖體在自重作用、溶蝕作用及江水漲落掏蝕等影響下，劣化區(qū)巖體不斷被壓裂剪斷，形成軟弱破碎帶或潛在潰屈滑移面，進而引起上部巖體發(fā)生滑移式、傾倒式、墜落式復(fù)合型變形破壞。

3)通過對三峽庫區(qū)危巖體劣化特征及變形破壞模式的研究，對進一步了解三峽庫區(qū)同類地質(zhì)災(zāi)害提供了理論依據(jù)。