考慮巖體劣化的三峽庫(kù)區(qū)順層巖質(zhì)邊坡破壞分析

秦 盼 盼，黃 波 林，秦 臻，閆 國(guó) 強(qiáng)，白 林 豐

(1.三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 宜昌 443002； 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

三峽庫(kù)區(qū)廣泛發(fā)育順層基巖滑坡，對(duì)沿岸居民和長(zhǎng)江航道帶來(lái)巨大的威脅。例如，2003年7月13日發(fā)生的秭歸縣千將坪滑坡，體積約為2 400萬(wàn)m3，產(chǎn)生了約39 m高的涌浪，造成24人死亡或失蹤[1-2]。同時(shí)，順層巖質(zhì)滑坡特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水庫(kù)蓄水對(duì)順層滑坡的穩(wěn)定性影響強(qiáng)烈。

Yin等認(rèn)為三峽水庫(kù)誘發(fā)滑坡可分為3個(gè)階段，不同階段其主要誘發(fā)因素不同，分別是水位變化疊加降雨和巖體劣化[3]。從順層滑坡典型案例來(lái)看，千將坪滑坡是2003年三峽庫(kù)區(qū)首次蓄水達(dá)到135.00 m誘發(fā)形成的，杉樹槽滑坡是在2014年9月1日水位大幅上漲和暴雨期間發(fā)生的[4]，卡門子灣滑坡是2019年12月10日發(fā)生，由阻滑段巖體強(qiáng)度劣化所致[3]。

在誘發(fā)滑坡的前兩個(gè)階段，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)順層巖質(zhì)岸坡研究較多，取得了大量認(rèn)識(shí)。例如，在水位變動(dòng)下順層滑坡研究方面，劉才華等研究指出庫(kù)水位上升會(huì)使巖土體水致弱化，滑帶抗剪強(qiáng)度急劇降低，坡體抗滑力降低，影響岸坡穩(wěn)定性[5]；鄧華鋒等研究指出在長(zhǎng)期水-巖循環(huán)作用下的力學(xué)參數(shù)弱化，會(huì)使穩(wěn)定滑坡向不穩(wěn)定方向轉(zhuǎn)變[6]；Jian等研究發(fā)現(xiàn)千將坪滑坡失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素是庫(kù)水位上升和持續(xù)降雨[7]；代貞偉的研究表明坡體軟硬相間順層單斜結(jié)構(gòu)是藕塘滑坡形成的內(nèi)在因素，降雨及水庫(kù)蓄水是導(dǎo)致藕塘滑坡復(fù)活的主要誘因[8]。但關(guān)于第3個(gè)階段庫(kù)水位長(zhǎng)期波動(dòng)條件對(duì)順層岸坡變形破壞的影響研究較少。Tang等通過(guò)對(duì)黃土坡滑坡進(jìn)行長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)坡體位移曲線中的“跳躍點(diǎn)”與暴雨和庫(kù)區(qū)水位快速下降的時(shí)間相吻合[9]。黃波林等研究發(fā)現(xiàn)巖溶岸坡巖體劣化早期，以破壞淺表、岸坡后退為主，引起的主要破壞模式為崩塌、滑移和傾倒3種類型[10]。劉廣寧等也發(fā)現(xiàn)受庫(kù)水位波動(dòng)影響，坡體前緣受江水侵蝕，坡腳部位的軟弱夾層向內(nèi)凹陷，巖體會(huì)發(fā)生滑移、錯(cuò)動(dòng)、坍塌等破壞模式[11]。

2008年以來(lái)，三峽庫(kù)區(qū)已經(jīng)經(jīng)歷了12個(gè)周期的145.00～175.00 m水位變動(dòng)。三峽庫(kù)區(qū)巫峽段內(nèi)青石-抱龍一帶順層消落帶巖體強(qiáng)烈劣化。本文以青石6號(hào)坡為研究對(duì)象，利用連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模擬，分析斜坡裂縫擴(kuò)展、變形破壞機(jī)理和破壞運(yùn)動(dòng)過(guò)程。然后結(jié)合室內(nèi)飽和-風(fēng)干循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，討論了巖體劣化對(duì)岸坡變形破壞過(guò)程所產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果可為三峽庫(kù)區(qū)順層巖質(zhì)岸坡的防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

1 青石6號(hào)坡工程地質(zhì)概況

青石6號(hào)坡位于三峽庫(kù)區(qū)巫峽段右岸，距上游巫山縣城16 km。坡體在高程170 m處，地形起伏較大，將坡體分為上下兩部分。坡體上部呈馬鞍狀，凸起端長(zhǎng)度達(dá)218 m，坡體下部坡面角度逐漸轉(zhuǎn)緩，形成陡緩平臺(tái)。坡體兩側(cè)沖溝為上下游邊界，前緣入江，受庫(kù)水位波動(dòng)影響(見(jiàn)圖1)。水位為145.00 m時(shí)，斜坡縱長(zhǎng)約410 m，寬約為170 m，總體坡向345°。坡體表層出露三疊系下統(tǒng)嘉陵江組3段(T1j3)白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為340°～350°∠40°～50°(見(jiàn)圖2)。坡體由多個(gè)巖層組成，且?guī)r層傾角略大于坡角，為典型的順層巖質(zhì)岸坡。研究區(qū)位于楠木園背斜北翼、官渡口向斜南翼，地層穩(wěn)定，無(wú)活動(dòng)斷裂通過(guò)。

岸坡消落帶范圍內(nèi)巖體發(fā)育有兩組產(chǎn)狀分別為34°∠70°和270°∠80°的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，平均間距約為2.8 m，僅在坡體表層發(fā)育。巖體結(jié)構(gòu)面與層面相互切割坡面巖體，形成碎塊狀板狀六面體巖體。巖層面間以鈣質(zhì)膠結(jié)物填充，少量巖層面處于張開(kāi)狀態(tài)。在庫(kù)水長(zhǎng)期淘蝕作用下，巖層節(jié)理的張開(kāi)程度逐漸擴(kuò)大。在上覆巖體的重力擠壓作用下，消落帶范圍巖體的破碎程度不斷增加，巖體強(qiáng)度不斷下降。

經(jīng)長(zhǎng)期變形演化后，坡體上出現(xiàn)明顯的變形破壞跡象。坡體高程165 m處，間續(xù)發(fā)育有多處波狀彎曲現(xiàn)象，從坡體上游邊界間斷延伸至坡體下游邊界。在坡體兩側(cè)沖溝內(nèi)觀察，發(fā)現(xiàn)波狀彎曲由表層向內(nèi)部延伸有一定深度(見(jiàn)圖3)。波狀彎曲撓曲段由于彎折角度過(guò)大，新生大量縱向裂縫。在對(duì)青石岸坡范圍內(nèi)的21個(gè)斜坡進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，在互不相鄰的9個(gè)斜坡上，均發(fā)育有彎曲程度不同的波狀彎曲。青石岸坡上所出現(xiàn)空間分布不連續(xù)、彎曲程度大小不一的波狀彎曲現(xiàn)象說(shuō)明，在青石岸坡上出現(xiàn)的波狀現(xiàn)象并不是由地質(zhì)營(yíng)力所致，而是由坡體上部重力作用所致。

2 青石6號(hào)坡變形破壞全過(guò)程分析

受自重和庫(kù)水位波動(dòng)的影響，青石6號(hào)坡坡面巖體較為破碎，質(zhì)量較差，具有明顯變形跡象。不同破壞模式下，坡體運(yùn)動(dòng)方式不同，產(chǎn)生的災(zāi)害大小也有所差異。本文選用Munjiza提出的FEM/DEM耦合分析方法，對(duì)青石6號(hào)坡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)其變形破壞全過(guò)程。

2.1 FEM/DEM原理

本文采用文獻(xiàn)[12]中的方法，該方法結(jié)合了FEM(有限元)和DEM(離散元)優(yōu)點(diǎn)，能夠模擬出層狀巖體中裂縫擴(kuò)展和破碎過(guò)程，得到巖質(zhì)邊坡漸進(jìn)式損傷和破壞過(guò)程[12-13]。

FEM/DEM耦合分析的基本思路是將整個(gè)坡體劃分為三角形有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格之間由4個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)厚度的節(jié)理單元相連[12](見(jiàn)圖4)，形成完整的坡體結(jié)構(gòu)。通過(guò)在有限元網(wǎng)格中插入離散元網(wǎng)格表示滑體區(qū)域，允許離散元網(wǎng)格發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)與位移。模型中的破壞準(zhǔn)則包括抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂能。

對(duì)坡體模擬過(guò)程中，受重力作用影響，連接離散元網(wǎng)格的節(jié)理單元發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)滑體僅沿著滑動(dòng)面產(chǎn)生蠕動(dòng)變形；進(jìn)一步演化時(shí)，節(jié)理單元發(fā)生分離，離散元網(wǎng)格相互張開(kāi)，滑體開(kāi)始出現(xiàn)破裂。通過(guò)對(duì)坡體連續(xù)-非連續(xù)的分析[13-14]，實(shí)現(xiàn)了變形破壞全過(guò)程模擬。上述模型的主要特點(diǎn)為既可對(duì)坡體初始階段所發(fā)生的小變形進(jìn)行模擬，也可對(duì)坡體在破壞過(guò)程中所發(fā)生的大規(guī)模破壞、運(yùn)動(dòng)巖體相互分離進(jìn)行模擬，從而反映出邊坡巖體變形破裂這一復(fù)雜巖體力學(xué)行為。

在巖質(zhì)邊坡分析方面，F(xiàn)EM/DEM耦合分析方法可以模擬坡體中裂縫擴(kuò)展和巖體破碎過(guò)程，完整展示坡體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)分析巖質(zhì)邊坡具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[15-16]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖體裂紋擴(kuò)展[17-18]、洞室開(kāi)挖[19]、巖質(zhì)邊坡[20]、危巖體分析[21]等方面均取得了較好成果，驗(yàn)證了FEM/DEM方法的可行性和普適性。但由于FEM/DEM后處理程序缺少對(duì)網(wǎng)格位移量的追蹤，不能得到坡體運(yùn)動(dòng)速度和位移量，無(wú)法對(duì)坡體變形情況定量分析。

2.2 模型建立

青石6號(hào)坡數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)377 m，高297 m，由基巖巖體與滑體構(gòu)成(見(jiàn)圖5)。整個(gè)計(jì)算模型由2 000個(gè)均勻大小的計(jì)算網(wǎng)格組成，網(wǎng)格之間由節(jié)點(diǎn)相連。利用有限元網(wǎng)格單元模擬基巖巖體，離散元網(wǎng)格單元模擬滑體區(qū)域，節(jié)理單元模擬層面。從坡體結(jié)構(gòu)來(lái)看，青石6號(hào)坡坡體中部出現(xiàn)了明顯的凸起段，在上部巖體的重力作用下，巖層順著層面滑動(dòng)。由于坡體前緣坡面角度逐漸轉(zhuǎn)緩，巖層滑移受阻，使巖層發(fā)生波狀彎曲。故將坡體凸起段劃分為滑體區(qū)域，其余區(qū)域在模擬過(guò)程中不發(fā)生變化，將剩余區(qū)域劃分為基巖巖體。

計(jì)算模型中所需的巖體強(qiáng)度參數(shù)如表1所列，各部分取值先結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合取值，再通過(guò)對(duì)比坡體實(shí)際變形破壞情況和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行不斷調(diào)整優(yōu)化。表中基巖巖體和滑體區(qū)域主要由灰?guī)r巖體組成，強(qiáng)度較高。滑動(dòng)面位于巖層層面之間，強(qiáng)度主要由填充其中的泥質(zhì)填充物維持。經(jīng)長(zhǎng)期庫(kù)水掏蝕，泥質(zhì)填充物之間的膠結(jié)能力越來(lái)越差，松散程度不斷增大，致使滑動(dòng)面的巖土體強(qiáng)度大大降低。所取得滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)低于滑動(dòng)面傾角，使得上覆巖體具備沿滑移面向下滑移的條件。

表1 計(jì)算模型中巖體強(qiáng)度參數(shù)Tab.1 Rock strength parameters of calculation model

在計(jì)算過(guò)程中，使用張拉破壞斷裂能和剪切破壞斷裂能對(duì)巖質(zhì)邊坡破壞前和破壞過(guò)程中所出現(xiàn)的巖體破裂、損傷和軟化現(xiàn)象進(jìn)行模擬[22]，通過(guò)不斷計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置得到巖質(zhì)邊坡的運(yùn)動(dòng)后狀態(tài)。對(duì)模型底部和左側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)/單元施加固定約束，固定坡體位置。對(duì)坡體內(nèi)部節(jié)點(diǎn)/單元施加重力，模擬坡體在重力作用下變形破壞過(guò)程。計(jì)算模型中的最大不平衡力與初始最大不平衡力比值低于10-5或離散網(wǎng)格的物理位移趨近于一個(gè)常數(shù)不再變化便視為模型已達(dá)到應(yīng)力平衡，單元網(wǎng)格不再發(fā)生變化[23]。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文中的工況僅考慮坡體在重力作用下的變形演化過(guò)程，并未涉及其他因素。基于數(shù)值模擬結(jié)果，可以將其變形演化過(guò)程劃分為裂縫新生、擴(kuò)展、彎曲-隆起、裂縫貫通、大規(guī)模滑移等5個(gè)階段。初始階段，坡體結(jié)構(gòu)完整，無(wú)網(wǎng)格單元張開(kāi)(見(jiàn)圖6)，以連續(xù)分析為主。基巖巖體中節(jié)理單元強(qiáng)度較大，在接下來(lái)的演化過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算全過(guò)程為連續(xù)分析。

裂縫新生階段：坡體中部巖體(主動(dòng)傳力區(qū))在重力作用下內(nèi)部應(yīng)力逐步調(diào)整。坡體中下部巖體(被動(dòng)擠壓區(qū))發(fā)生蠕滑，滑體發(fā)生剪張破壞，剪力向臨空面方向作用，形成張拉裂縫(見(jiàn)圖7)。此階段，僅坡體中下部巖體(被動(dòng)擠壓區(qū))的節(jié)理單元斷裂，少量網(wǎng)格相互分離，滑體以連續(xù)分析為主，占坡體變形破壞總時(shí)步的33%。

裂縫擴(kuò)展階段：在坡體中部巖體重力的持續(xù)作用下，坡體中應(yīng)力不斷調(diào)整，坡體中上部巖體(主動(dòng)傳力區(qū))繼續(xù)蠕變，中下部巖體(被動(dòng)擠壓區(qū))中的新生裂縫由內(nèi)部向兩端不斷張開(kāi)擴(kuò)展，向上延伸長(zhǎng)度增加(見(jiàn)圖8)。此階段，被動(dòng)擠壓區(qū)中節(jié)理單元斷裂數(shù)量不斷增加，使得三角形單元張開(kāi)度逐漸增加。滑體下部開(kāi)始轉(zhuǎn)為非連續(xù)分析，上部仍保持連續(xù)介質(zhì)。這一階段占坡體變形破壞總時(shí)步的23%。

彎曲-隆起階段：隨著作用時(shí)間的增加，被動(dòng)擠壓區(qū)垂直于層面的壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于順層壓應(yīng)力，由于兩者壓力差過(guò)大，致使坡面輕微彎曲隆起。此階段中，在坡體內(nèi)部形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)[24]和“X”形節(jié)理。彎曲-隆起區(qū)域位于坡面彎曲起伏轉(zhuǎn)折段，使得滑移段巖體下滑受阻，有利于此現(xiàn)象出現(xiàn)。隨著巖層彎曲隆起程度不斷增大，當(dāng)彎折角度過(guò)大時(shí)，彎曲部位開(kāi)始出現(xiàn)縱向裂縫，巖體逐漸碎裂化發(fā)生松動(dòng)，在彎曲部位前緣出現(xiàn)巖體崩落(見(jiàn)圖9)。此階段，被動(dòng)擠壓區(qū)中節(jié)理單元的斷裂數(shù)量持續(xù)增加，滑體與基巖巖體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)進(jìn)而發(fā)生節(jié)理單元變形，滑體以非連續(xù)分析為主，占坡體變形破壞總時(shí)步的33%。

裂縫貫通階段：隨著坡體中部巖體(主動(dòng)傳力區(qū))蠕滑位移的持續(xù)增加，對(duì)坡體中下部巖體(被動(dòng)擠壓區(qū))的擠壓程度不斷增大，彎曲-隆起程度增加。隆起部位內(nèi)的巖體裂縫相互貫通形成完整剪出面，坡體向臨空面已產(chǎn)生一定位移(見(jiàn)圖10)。此階段，滑體中三角形網(wǎng)格的張開(kāi)度不斷擴(kuò)大，使得相鄰張開(kāi)區(qū)域相連，滑體以非連續(xù)分析為主，占變形破壞總時(shí)步的11%。

滑移破壞階段：坡體中下部巖體(被動(dòng)擠壓區(qū))阻抗能力達(dá)到極限，滑移面貫通，形成完整剪出口。坡體順著坡面方向發(fā)生“滑移-剪斷”引起大規(guī)模滑移，最終堆積在坡腳(見(jiàn)圖11)。此階段，滑體中的三角形單元相互分離逐漸碎片化，以非連續(xù)分析為主。

從以上分析可知，青石6號(hào)坡裂縫主要是由于巖層相互擠壓形成。滑體對(duì)阻滑端巖體形成擠壓，巖層發(fā)生彎曲-隆起，隨著彎曲程度的增加，巖層破碎程度增大，逐漸形成完整的滑移面，沿著剪出口發(fā)生大規(guī)模滑移。青石6號(hào)坡數(shù)值分析過(guò)程中所出現(xiàn)的滑移-彎曲現(xiàn)象，符合現(xiàn)階段坡體表面所出現(xiàn)的變形跡象，可以用于預(yù)測(cè)斜坡的破壞過(guò)程。對(duì)于青石6號(hào)坡這類庫(kù)水型岸坡，水位變動(dòng)對(duì)消落帶巖體所產(chǎn)生的損傷劣化作用，在岸坡的變形演化過(guò)程中起到了極為重要的作用[25]。如進(jìn)一步結(jié)合庫(kù)水位變動(dòng)對(duì)消落帶巖體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不良影響，討論不同劣化情況下岸坡變形破壞模式如何變化，所得結(jié)果會(huì)更貼近庫(kù)區(qū)的實(shí)際工況，適用范圍更加廣泛。

3 庫(kù)水位長(zhǎng)期變動(dòng)對(duì)巖體劣化的影響

3.1 庫(kù)水對(duì)岸坡的損傷劣化作用

自三峽水庫(kù)開(kāi)始正式運(yùn)行后，庫(kù)水位經(jīng)周期性調(diào)度后，消落帶巖體長(zhǎng)期處于“飽和-風(fēng)干”條件，水巖相互作用會(huì)造成巖體強(qiáng)度劣化。劉新榮等通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M砂巖在庫(kù)水位漲落情況下，砂巖抗剪強(qiáng)度劣化規(guī)律[26-27]。鄧華鋒等發(fā)現(xiàn)經(jīng)循環(huán)加載作用后，內(nèi)部損傷的砂巖巖樣在浸泡-風(fēng)干作用下抗剪、抗壓強(qiáng)度劣化效應(yīng)明顯，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)和非均勻性[28]。以上說(shuō)明庫(kù)水位周期性升降會(huì)使巖體強(qiáng)度逐步劣化，但是對(duì)岸坡穩(wěn)定性和變形破壞過(guò)程會(huì)產(chǎn)生何種影響，仍然值得探討。

本文選取青石-抱龍段4個(gè)不同區(qū)域的灰?guī)r(T1j3)巖樣，按照試驗(yàn)規(guī)程要求進(jìn)行“浸泡-風(fēng)干”循環(huán)試驗(yàn)[29]。其中試樣1，2位于岸坡消落帶之上，試樣3，4位于消落帶范圍內(nèi)，已經(jīng)歷過(guò)多次水位變動(dòng)，由此試樣3，4的初始單軸抗壓強(qiáng)度低于試樣1，2的初始單軸抗壓強(qiáng)度。每循環(huán)5個(gè)周期對(duì)巖樣進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測(cè)定，測(cè)定經(jīng)過(guò)0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50次循環(huán)試驗(yàn)后灰?guī)r(T1j3)巖樣的飽和單軸抗壓強(qiáng)度，得到在不同循環(huán)周期時(shí)灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度下降曲線(見(jiàn)圖12)。經(jīng)過(guò)50次循環(huán)試驗(yàn)后，4個(gè)試樣飽和單軸抗壓強(qiáng)度的總下降率約為18%～26%，單次循環(huán)平均下降率約為0.37%～0.51%(見(jiàn)圖13)，總體相差不大。

受尺寸效應(yīng)的影響，室內(nèi)巖樣的下降速率并不能表征岸坡巖體下降速率。閆國(guó)強(qiáng)等根據(jù)灰?guī)r的劣化損傷特征，引入核衰變劣化控制方程[30]：

N(t)=N0e-λt

(1)

式中：N0為初始物理強(qiáng)度參數(shù)，λ為劣化常數(shù)，t為循環(huán)周期。

式(1)可以較好地描述灰?guī)r巖體物理力學(xué)參數(shù)的衰減過(guò)程。本文利用核衰變劣化控制方程對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行修正，得到在不同循環(huán)次數(shù)下灰?guī)r的飽和單軸抗壓強(qiáng)度，如表2所列。

由表2可知，4個(gè)試樣飽和單軸抗壓強(qiáng)度的總下降率近似相等，在50次循環(huán)周期后約為29.88%。此下降率明顯大于室內(nèi)干濕循環(huán)作用下的下降率結(jié)果，考慮到了巖體的實(shí)際物理力學(xué)屬性，更加貼近實(shí)際結(jié)果。

表2 采用劣化控制方程得到的灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度Tab.2 Saturated uniaxial compressive strength of limestone by deterioration control equation

由此將消落帶巖體(坡面高程145～175 m內(nèi))單個(gè)循環(huán)周期強(qiáng)度下降率近似取值為采用劣化控制方程下灰?guī)r飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均下降率，約為0.6%。在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，對(duì)消落帶范圍巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角與滑動(dòng)面黏聚力以0.6%的下降率折減。統(tǒng)計(jì)在不同循環(huán)周期下，巖體強(qiáng)度下降率逐漸增加時(shí)，坡體失穩(wěn)所需時(shí)步(坡體內(nèi)部裂縫相互貫通時(shí)坡體失穩(wěn))和變形破壞模式是否發(fā)生變化。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著消落帶范圍巖體強(qiáng)度下降率增加，坡體失穩(wěn)所需時(shí)步逐漸減少，變形破壞模式并不會(huì)發(fā)生變化(見(jiàn)表3)。消落帶巖體強(qiáng)度降低，坡體阻滑段巖體阻抗能力下降，是造成坡體失穩(wěn)速度加快的主要原因，坡體出現(xiàn)彎曲-隆起的時(shí)間也逐步提前。消落帶巖體強(qiáng)度下降程度的高低，僅會(huì)影響岸坡變形演化速度，并不會(huì)改變坡體變形破壞模式，仍以滑移-彎曲為主。此劣化方程未考慮到巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體物理力學(xué)強(qiáng)度的影響，會(huì)導(dǎo)致所取下降率依然偏小，坡體失穩(wěn)所需時(shí)步增大。如在后續(xù)的研究中考慮在水位波動(dòng)條件下，岸坡巖體結(jié)構(gòu)面劣化效應(yīng)對(duì)巖體強(qiáng)度下降率的影響，會(huì)更加貼近實(shí)際工況。

表3 不同循環(huán)周期下坡體失穩(wěn)所需時(shí)步變化Tab.3 Time step of slope instability under different cycle periods

3.2 巖體劣化對(duì)岸坡變形破壞模式的影響

巖體強(qiáng)度下降僅是消落帶巖體劣化的表現(xiàn)形式之一，更為常見(jiàn)的是對(duì)岸坡結(jié)構(gòu)的破壞。在巖層面發(fā)育的順層岸坡上，經(jīng)長(zhǎng)年累月的庫(kù)水掏蝕，逐步發(fā)育有大量沿層面與垂直于層面的節(jié)理裂隙切割巖體，使得坡面逐漸碎塊化，并被侵蝕掏空形成凹腔。將消落帶范圍巖體掏蝕深度定為0.97，2.68，4.49，6.74 m，并作為數(shù)值模擬的4種工況(見(jiàn)圖14)。得到不同巖體結(jié)構(gòu)劣化結(jié)果下，對(duì)坡體變形失穩(wěn)所產(chǎn)生的影響。

當(dāng)掏蝕深度達(dá)0.97 m時(shí)，在消落帶區(qū)域形成凹腔，使得坡體阻滑段巖體的阻抗能力急劇下降，失穩(wěn)所需時(shí)步大幅度縮減。由于掏蝕區(qū)域較少，并未影響坡體變形失穩(wěn)模式。當(dāng)掏蝕深度達(dá)2.68 m時(shí)，形成的凹腔區(qū)域擴(kuò)大，阻滑段巖體變薄。滑體前緣臨空，順著層面直接滑移，破壞模式由滑移-彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)榛?見(jiàn)圖15)。當(dāng)淘蝕深度分別為4.49，6.74 m時(shí)，凹腔區(qū)域不斷擴(kuò)大，阻滑段巖體逐步消失，滑體前緣臨空程度增大，坡體更易直接滑移，失穩(wěn)所需時(shí)步進(jìn)一步縮減(見(jiàn)表4)。

表4 不同劣化程度下坡體失穩(wěn)模式變化情況Tab.4 Change of slope instability mode under different deterioration degree

對(duì)青石6號(hào)坡而言，由于其阻滑段巖體處于三峽庫(kù)區(qū)消落帶范圍內(nèi)，長(zhǎng)期庫(kù)水位波動(dòng)的影響會(huì)對(duì)阻滑段巖體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劣化效應(yīng)，影響坡體穩(wěn)定性。從上述分析可知，消落帶巖體強(qiáng)度的劣化并不會(huì)改變坡體的變形失穩(wěn)模式；而坡體結(jié)構(gòu)對(duì)劣化程度的響應(yīng)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，坡體變形破壞模式會(huì)發(fā)生變化。相比岸坡其他區(qū)域，消落帶區(qū)域巖體所處應(yīng)力環(huán)境更復(fù)雜，劣化效應(yīng)極為明顯，影響到未來(lái)庫(kù)岸邊坡變形演化方式。黃波林等也發(fā)現(xiàn)：“水-巖-岸”互饋?zhàn)饔茫涌炝藢用尕炌ǎ煌瑫r(shí)由于趨表-后退效應(yīng)，不斷下切的消落帶巖體，改變了消落帶巖體結(jié)構(gòu)，兩者共同作用加快了岸坡變化速度[25]。王健等也發(fā)現(xiàn)坡腳巖體在不同下切深度下，巖質(zhì)順層岸坡的變形破壞模式會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)換[31]，印證了本文通過(guò)降低消落帶巖體強(qiáng)度和破壞巖體結(jié)構(gòu)，模擬在長(zhǎng)期庫(kù)水波動(dòng)條件下岸坡變形破壞過(guò)程的可行性。

4 結(jié)論與建議

以FEM/DEM耦合分析方法作為青石6號(hào)坡數(shù)值模擬手段，結(jié)合室內(nèi)飽和-風(fēng)干試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)坡體變形破壞機(jī)理、庫(kù)水對(duì)岸坡?lián)p傷劣化作用與變形破壞模式的影響等方面進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：

(1) 以FEM/DEM耦合分析方法預(yù)測(cè)得到了青石6號(hào)坡變形破壞全過(guò)程，將其劃分為裂縫萌生、擴(kuò)展、彎曲-隆起、裂縫貫通、大規(guī)模滑移等5個(gè)階段，坡體變形破壞模式為彎曲-隆起。模擬結(jié)果中出現(xiàn)的彎曲-隆起現(xiàn)象與坡體目前出現(xiàn)的變形跡象相對(duì)應(yīng)，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

(2) 根據(jù)室內(nèi)“飽和-風(fēng)干”試驗(yàn)，得到灰?guī)r(T1j3)巖樣飽和單軸抗壓強(qiáng)度下降速率，以此對(duì)消落帶巖體進(jìn)行強(qiáng)度折減。計(jì)算表明，巖體強(qiáng)度的下降僅會(huì)加快岸坡變形演化速度，并不會(huì)影響坡體變形破壞模式。

(3) 隨著坡體結(jié)構(gòu)劣化程度的增加，致使阻滑段巖體逐漸變薄，阻滑能力降低，滑體前緣臨空程度不斷增大，使得青石6號(hào)坡變形破壞模式由滑移-剪斷向順層滑移轉(zhuǎn)變。

目前青石6號(hào)坡正處于蠕變階段，但是隨著庫(kù)水位對(duì)消落帶巖體的長(zhǎng)期劣化作用，會(huì)使得岸坡巖體的破碎程度逐漸增加，加快坡體的變形演化速度。整個(gè)青石-抱龍段存在類似的20個(gè)順層巖質(zhì)斜坡，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。針對(duì)各個(gè)斜坡目前所處階段，進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)或治理。否則一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞，滑體入江會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的涌浪災(zāi)害，對(duì)長(zhǎng)江航道與沿岸居民帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。