三峽庫區巖質庫岸劣化變形演化過程與規律分析

摘要：三峽工程位于湖北省宜昌市，受水庫作用，庫周斜坡水文地質條件發生復雜的變化，庫岸劣化導致穩定性降低。本文對三峽庫區巖質庫岸進行現場勘查，結合現場測試、模擬分析等成果資料，綜合分析消落區巖體劣化特征，開展穩定性評價，初步研究巖質庫岸劣化變形演化過程，總結劣化變形規律，以期為三峽庫區庫岸劣化研究、庫區新生順層巖質滑坡防治提供技術支撐，為國內類似水庫庫岸劣化防治提供借鑒。

關鍵詞：三峽庫區；巖質庫岸；劣化變形；演化過程與規律；破水峽庫岸

中圖分類號：TV223.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）02-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.02.008

Analysis of the Evolution Process and Laws of Deterioration and Deformation of Rocky Reservoir Banks in the Three Gorges Reservoir Area

—Taking the Poshuixia Reservoir Bank as an Example

HE Yuming1，2， ZHAO Zhenyang1，2， XIE Di1，2， WANG Jinbo1，2， HUANG Ning1，2

（1. Hydrogeology and Engineering Geology Institute of Hubei Geological Bureau;

2. Hubei Provincial Key Laboratory of Resources and Ecological Environment Geology， Hubei Geological Bureau， Jingzhou 434000， China）

Abstract： The Three Gorges Project is located in Yichang City， Hubei Province， due to the action of the reservoir， the hydrogeological conditions of the slopes around the reservoir have undergone complex changes， and the deterioration of the reservoir bank has led to a decrease in stability. An on-site investigation of the rocky reservoir bank in the Three Gorges Reservoir Area is conducted in this paper， based on the results of on-site testing， simulation analysis and other data， the degradation characteristics of the rock mass in the subsidence area are comprehensively analyzed， stability evaluation is carried out， and the degradation deformation evolution process of the rocky reservoir bank is preliminarily studied， and the degradation deformation law is summarized， in order to provide technical support for the study of reservoir bank degradation in the Three Gorges Reservoir Area and the prevention and control of new bedding rock landslides in the reservoir area， and provide reference for the prevention and control of similar reservoir bank deterioration in China.

Keywords： Three Gorges Reservoir Area; rock reservoir bank; deterioration deformation; evolution process and laws; Poshuixia Reservoir Bank

湖北省三峽工程建成以來，受水庫影響，庫周斜坡水文地質條件發生復雜的變化，庫岸劣化導致的穩定性降低問題逐步顯現，地質災害發生的可能性增大，對庫區人民的經濟發展和生命財產安全構成極大威脅[1-2]。本文以典型巖質庫岸——破水峽庫岸為例，對其劣化開展地質調查和現場試驗，初步分析三峽庫區巖質庫岸劣化變形演化過程，揭示巖質庫岸劣化變形規律，為三峽庫區庫岸劣化研究、庫區新生順層巖質滑坡研究和防治提供技術支撐，并為國內類似水庫庫岸劣化防治提供借鑒。

1 庫岸基本特征

1.1 形態特征

破水峽庫岸位于長江干流右岸，位于巴東縣與秭歸縣交界處荷花村村委會東北側，庫岸總長約為

1 km，底部高程為145 m，頂部高程為240 m，頂部高程自西向東逐漸減小。頂部為自然斜坡，坡度較陡，約為50°，多為喬木、灌木覆蓋；臨江側為陡崖，坡度為70°～90°，基巖裸露，局部呈巖屋狀，坡向為356°，巖層產狀為25°∠27°，坡體結構為順向坡。出露地層為三疊系嘉陵江組灰巖，為薄-中厚層狀構造，受褶皺構造作用、卸荷作用以及庫水位升降影響[3-4]，巖體多被切割為塊體，完整性差，垂向貫通結構面發育，受裂隙切割，該庫岸陡崖部位見多處危巖體及危石塊體，局部崩落掉塊、滑移現象時有發生，如圖1所示。

1.2 變形特征

破水峽庫岸劣化變形以局部崩落、掉塊、滑移[5]為主，目前庫岸內主要發育2處危巖，下面分述典型危巖劣化變形特征。

1.2.1 WY1危巖劣化變形特征

破水峽庫岸共發育兩處危巖，WY1危巖頂部高程為215 m，底部高程為145 m，高為80 m，寬為25 m，厚為15 m，體積約為3×104 m3，主崩方向為345°，總體呈三角形，高程160～215 m地形近直立，局部為負角度，高程145～160 m的水上部位呈陡崖狀，消落區基座為陡坡，坡度為50°～60°，危巖邊界明顯，危巖體兩側裂縫貫通，垂直切割危巖體，危巖左側三條裂縫中，LF1與LF2裂縫近平行，LF3裂縫為LF2裂縫分支，LF1裂縫裂面平直，無填充，張開10～20 cm，可見延伸長為30 m，LF2裂縫裂面較平直，張開10～30 cm，裂縫上寬下窄，可見延伸長為40 m，LF3為LF2在高程195 m的分支，裂縫寬為15～30 cm，裂面粗糙，有少許碎石填充，如圖2所示。

危巖基座巖體破碎，裂隙發育，裂隙面平均張開5～10 cm，且多無填充，密度為3～6條/m，延伸長為1～5 m，裂隙面貫通情況較好，裂隙面互切密布，巖體多裂成碎塊狀，塊徑一般為5～40 cm，已多次產生崩落掉塊。

1.2.2 WY2危巖劣化變形特征

WY2危巖頂部高程為163 m，危巖高約為20 m，寬為150 m，厚為10 m，體積約為3×104 m3，危巖整體位于消落區，顏色呈淺灰色，基巖裸露，整體呈不規則形狀，危巖橫切面呈駝峰狀，兩邊高中間低，已脫離母巖，向北側長江干流滑移，滑移拉張裂縫張開2～5 m，危巖東側裂縫比西側裂縫寬，裂縫有局部泥質填充，整體滑移外傾，巖體破碎，多呈碎塊狀，碎塊直徑為20～80 cm，如圖3所示。

消落區巖質基座巖體破碎，裂隙發育，裂隙面粗糙，平均張開5～15 cm，且多無填充，密度為

5～10條/m，延伸長為5～15 m，裂隙面貫通情況較好，裂隙面互切密布，巖體多裂成碎塊狀，塊徑一般為3～20 cm，劣化后巖石強度降低，支撐力降低，危巖體整體滑移。

2 庫岸劣化試驗分析

2.1 巖石劣化

巖石的劣化主要發生在面層，巖石劣化過程緩慢，主要機理為水參與的微弱化學反應[6]。根據巖石干濕循環試驗，細觀劣化情況對比，巖石劣化也為表層的緩慢變化，主要為巖石中方解石發生局部溶蝕形成溶孔，或邊緣黏土礦物條帶附近發生水巖作用，它沿條帶附近延伸拓展變形。

2.2 結構面劣化

破水峽庫岸水上部分巖體相對完整，裂隙面平均張開1～3 cm，且多為鈣質充填，密度為2條/m，延伸長為1～2 m，裂隙面貫通情況一般；消落區巖體破碎，裂隙面平均張開5～20 cm，且多無填充，密度為3～6條/m，延伸長為1～5 m，裂隙面貫通情況較好，裂隙面互切密布，巖體多裂成碎塊狀，塊徑一般為3～15 cm。經過近15年的高水位運行庫水變動影響，175 m水位線附近形成明顯的分界線，分界部位可見明顯劣化凹痕，深度為10～30 cm。

2.3 巖體強度劣化

調查過程中，對破水峽庫岸進行現場回彈和點荷載試驗[7-8]。一是對庫岸175 m水位線上和消落區進行現場回彈強度試驗，同一斜坡部位水位線上強度略高于消落區巖體。經過水上、水下各50次的回彈試驗，灰巖水上平均回彈為61.2Rm，水下回彈為58.4Rm。其中，Rm為測區平均回彈值。因此，通過試驗成果比較消落區與水位線上巖體，水庫作用導致巖質庫岸巖體回彈性降低。二是針對地表巖塊進行現場點荷載試驗，選取強度類似的巖塊進行試驗，取平均值進行對比分析，試驗方向均為垂直巖層面方向。對庫岸175 m水位線上和消落區進行現場點荷載試驗，點荷載破壞荷載為37.12 kN，水下點荷載試驗破壞荷載為36.55 kN，試驗結果顯示，消落區與水位線上巖體比較，水庫作用導致巖質庫岸巖體強度總體下降

約1.54%。

3 庫岸穩定性分析

根據破水峽庫岸危巖體，構建危巖體計算模型，相關計算參數采用試驗值和經驗值。擬定2種工況組合。工況一為現狀自然工況，分別為自重+145 m水位、自重+175 m水位；工況二為巖體劣化工況，分別為巖體強度下降5%+145 m水位、巖體強度下降5%+145 m

水位。危巖體后緣有陡傾裂隙時按式（1）計算。其中，后緣裂隙靜水壓力采用式（2）計算，沿滑面揚壓力采用式（3）計算。

Kf =[W（cosα-Asinα）-Vsinα-U]tanφ+

CLW（sinα+Acosα）+Vcosα（1）

V=1/2γwH2（2）

U=1/2γwLH（3）

式中：Kf為穩定性系數；W為滑體的重力，kN/m；

A為地震加速度（重力加速度g）；V為后緣裂隙靜水壓力；U為沿滑面揚壓力；C為滑面的黏聚力，kPa；L為滑帶長，m；α為滑面的傾角，°；φ為滑面的內摩擦角，°；γw為滑體重度；H為后緣裂隙高程，m。

危巖在145 m水位天然工況條件下的穩定性系數為1.21，175 m水位天然工況條件下的穩定性系數為1.13，危巖在145 m巖體劣化工況下的穩定性系數為1.08，危巖在175 m巖體劣化工況下的穩定性系數為1.01。

巖體處于工況一145 m水位條件下，穩定性系數為1.21，處于基本穩定狀態；危巖體處于工況一175 m

水位條件下，穩定性系數為1.13，處于欠穩定狀態；危巖體處于巖體劣化工況145 m水位條件下，穩定性系數為1.08，處于欠穩定狀態；危巖體處于巖體劣化工況175 m水位條件下，穩定性系數為1.01，處于欠穩定狀態。綜上所述，危巖體在175 m水位高程比145 m水位高程更容易發生滑移變形，與實際劣化變形情況一致。

4 巖質庫岸劣化變形演化過程與規律

在水庫作用下，庫岸巖體的主要劣化過程為：夏季因調洪低水位運行，消落區基座巖體裸露，高溫暴曬及沖刷侵蝕，致消落區基座巖體松散破碎、掉塊，隨后高水位運行期長時間浸泡，基座巖體結構面軟化，在危巖體重力作用下，易沿層面緩慢滑移變形。庫岸劣化變形機理主要為：在庫水位周期性變化過程中，庫水沿巖體裂隙結構面滲入，鈣質或易溶礦物沿巖體結構面溶解流失，巖體結構緩慢受損，強度逐步降低，裂隙沿層理擴展延伸，細小裂縫隨擴展方向不斷擴張連通，填充物和易溶物流失，導致巖體整體結構塊裂散裂，力學強度逐步減弱，基座巖體在上部危巖體重力作用下沿層面法線方向壓裂擴展，使巖體沿層面方向劈裂張開，呈現出上小下大的倒V字形，該變形為巖體在劣化基礎上的壓致劈裂破壞，同時存在沿臨空面的卸荷效應，隨著時間推移，消落區松散巖體逐步劣化崩落、滑移，導致巖體塊裂散裂加劇，部分被掏空，形成臨空面，結構松散，承重能力大幅度減弱，形成壓致劈裂破壞，最終在高水位期間沿層面產生順層滑動，發生滑移式破壞。

綜上所述，庫岸劣化變形在時間上的規律是低水位期間以零星崩落掉塊及結構面擴展變形為主，高水位期間以危巖整體滑移或局部垮塌變形為主。庫岸劣化速度主要受裂隙發育程度和巖層產狀控制，巖體完整性越差，劣化速度越快，且順向坡的巖體劣化變形速度高于逆向或斜向坡劣化速度。

5 結論

三峽庫區巖質庫岸劣化主要受周期性庫水位變動影響，消落區巖體劣化塊裂碎裂明顯，庫岸穩定性逐步降低，最終形成一定規模的滑移、垮塌變形。它總體表現為4個階段，即基座巖體塊裂碎裂→臨空重力卸荷崩落掉塊形成凹腔→局部垮塌→整體滑移，該4個階段持續循環，最終可能產生較大規模的整體滑移式或傾倒式崩塌，結合三峽庫區水庫運行特點分析，夏季低水位運行，劣化塊裂碎裂、崩落沖刷后，高水位運行，浸泡軟化，易產生整體變形破壞。巖質庫岸劣化為三峽庫區新生型地質災害的主要誘發因素之一，這種致災效應逐步顯現，對長江航道及庫區安全造成巨大威脅。本研究為巖質庫岸劣化變形監測及綜合防治提供支撐，保障三峽庫區安全運營和發展，同時對國內類似巖體劣化研究有借鑒意義。

參考文獻

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