三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)庫(kù)岸劣化變形演化過(guò)程與規(guī)律分析

摘要：三峽工程位于湖北省宜昌市，受水庫(kù)作用，庫(kù)周斜坡水文地質(zhì)條件發(fā)生復(fù)雜的變化，庫(kù)岸劣化導(dǎo)致穩(wěn)定性降低。本文對(duì)三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)庫(kù)岸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、模擬分析等成果資料，綜合分析消落區(qū)巖體劣化特征，開(kāi)展穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，初步研究巖質(zhì)庫(kù)岸劣化變形演化過(guò)程，總結(jié)劣化變形規(guī)律，以期為三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸劣化研究、庫(kù)區(qū)新生順層巖質(zhì)滑坡防治提供技術(shù)支撐，為國(guó)內(nèi)類(lèi)似水庫(kù)庫(kù)岸劣化防治提供借鑒。

關(guān)鍵詞：三峽庫(kù)區(qū)；巖質(zhì)庫(kù)岸；劣化變形；演化過(guò)程與規(guī)律；破水峽庫(kù)岸

中圖分類(lèi)號(hào)：TV223.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)，受水庫(kù)影響，庫(kù)周斜坡水文地質(zhì)條件發(fā)生復(fù)雜的變化，庫(kù)岸劣化導(dǎo)致的穩(wěn)定性降低問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性增大，對(duì)庫(kù)區(qū)人民的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅[1-2]。本文以典型巖質(zhì)庫(kù)岸——破水峽庫(kù)岸為例，對(duì)其劣化開(kāi)展地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步分析三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)庫(kù)岸劣化變形演化過(guò)程，揭示巖質(zhì)庫(kù)岸劣化變形規(guī)律，為三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸劣化研究、庫(kù)區(qū)新生順層巖質(zhì)滑坡研究和防治提供技術(shù)支撐，并為國(guó)內(nèi)類(lèi)似水庫(kù)庫(kù)岸劣化防治提供借鑒。

1 庫(kù)岸基本特征

1.1 形態(tài)特征

破水峽庫(kù)岸位于長(zhǎng)江干流右岸，位于巴東縣與秭歸縣交界處荷花村村委會(huì)東北側(cè)，庫(kù)岸總長(zhǎng)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(cè)為陡崖，坡度為70°～90°，基巖裸露，局部呈巖屋狀，坡向?yàn)?56°，巖層產(chǎn)狀為25°∠27°，坡體結(jié)構(gòu)為順向坡。出露地層為三疊系嘉陵江組灰?guī)r，為薄-中厚層狀構(gòu)造，受褶皺構(gòu)造作用、卸荷作用以及庫(kù)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(jié)構(gòu)面發(fā)育，受裂隙切割，該庫(kù)岸陡崖部位見(jiàn)多處危巖體及危石塊體，局部崩落掉塊、滑移現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如圖1所示。

1.2 變形特征

破水峽庫(kù)岸劣化變形以局部崩落、掉塊、滑移[5]為主，目前庫(kù)岸內(nèi)主要發(fā)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(kù)岸共發(fā)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?yàn)?45°，總體呈三角形，高程160～215 m地形近直立，局部為負(fù)角度，高程145～160 m的水上部位呈陡崖?tīng)睿鋮^(qū)基座為陡坡，坡度為50°～60°，危巖邊界明顯，危巖體兩側(cè)裂縫貫通，垂直切割危巖體，危巖左側(cè)三條裂縫中，LF1與LF2裂縫近平行，LF3裂縫為L(zhǎng)F2裂縫分支，LF1裂縫裂面平直，無(wú)填充，張開(kāi)10～20 cm，可見(jiàn)延伸長(zhǎng)為30 m，LF2裂縫裂面較平直，張開(kāi)10～30 cm，裂縫上寬下窄，可見(jiàn)延伸長(zhǎng)為40 m，LF3為L(zhǎng)F2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(fā)育，裂隙面平均張開(kāi)5～10 cm，且多無(wú)填充，密度為3～6條/m，延伸長(zhǎng)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(chǎn)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(qū)，顏色呈淺灰色，基巖裸露，整體呈不規(guī)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(cè)長(zhǎng)江干流滑移，滑移拉張裂縫張開(kāi)2～5 m，危巖東側(cè)裂縫比西側(cè)裂縫寬，裂縫有局部泥質(zhì)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(qū)巖質(zhì)基座巖體破碎，裂隙發(fā)育，裂隙面粗糙，平均張開(kāi)5～15 cm，且多無(wú)填充，密度為

5～10條/m，延伸長(zhǎng)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(qiáng)度降低，支撐力降低，危巖體整體滑移。

2 庫(kù)岸劣化試驗(yàn)分析

2.1 巖石劣化

巖石的劣化主要發(fā)生在面層，巖石劣化過(guò)程緩慢，主要機(jī)理為水參與的微弱化學(xué)反應(yīng)[6]。根據(jù)巖石干濕循環(huán)試驗(yàn)，細(xì)觀劣化情況對(duì)比，巖石劣化也為表層的緩慢變化，主要為巖石中方解石發(fā)生局部溶蝕形成溶孔，或邊緣黏土礦物條帶附近發(fā)生水巖作用，它沿條帶附近延伸拓展變形。

2.2 結(jié)構(gòu)面劣化

破水峽庫(kù)岸水上部分巖體相對(duì)完整，裂隙面平均張開(kāi)1～3 cm，且多為鈣質(zhì)充填，密度為2條/m，延伸長(zhǎng)為1～2 m，裂隙面貫通情況一般；消落區(qū)巖體破碎，裂隙面平均張開(kāi)5～20 cm，且多無(wú)填充，密度為3～6條/m，延伸長(zhǎng)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(jīng)過(guò)近15年的高水位運(yùn)行庫(kù)水變動(dòng)影響，175 m水位線附近形成明顯的分界線，分界部位可見(jiàn)明顯劣化凹痕，深度為10～30 cm。

2.3 巖體強(qiáng)度劣化

調(diào)查過(guò)程中，對(duì)破水峽庫(kù)岸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回彈和點(diǎn)荷載試驗(yàn)[7-8]。一是對(duì)庫(kù)岸175 m水位線上和消落區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回彈強(qiáng)度試驗(yàn)，同一斜坡部位水位線上強(qiáng)度略高于消落區(qū)巖體。經(jīng)過(guò)水上、水下各50次的回彈試驗(yàn)，灰?guī)r水上平均回彈為61.2Rm，水下回彈為58.4Rm。其中，Rm為測(cè)區(qū)平均回彈值。因此，通過(guò)試驗(yàn)成果比較消落區(qū)與水位線上巖體，水庫(kù)作用導(dǎo)致巖質(zhì)庫(kù)岸巖體回彈性降低。二是針對(duì)地表巖塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)，選取強(qiáng)度類(lèi)似的巖塊進(jìn)行試驗(yàn)，取平均值進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)方向均為垂直巖層面方向。對(duì)庫(kù)岸175 m水位線上和消落區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)，點(diǎn)荷載破壞荷載為37.12 kN，水下點(diǎn)荷載試驗(yàn)破壞荷載為36.55 kN，試驗(yàn)結(jié)果顯示，消落區(qū)與水位線上巖體比較，水庫(kù)作用導(dǎo)致巖質(zhì)庫(kù)岸巖體強(qiáng)度總體下降

約1.54%。

3 庫(kù)岸穩(wěn)定性分析

根據(jù)破水峽庫(kù)岸危巖體，構(gòu)建危巖體計(jì)算模型，相關(guān)計(jì)算參數(shù)采用試驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)值。擬定2種工況組合。工況一為現(xiàn)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(qiáng)度下降5%+145 m水位、巖體強(qiáng)度下降5%+145 m

水位。危巖體后緣有陡傾裂隙時(shí)按式（1）計(jì)算。其中，后緣裂隙靜水壓力采用式（2）計(jì)算，沿滑面揚(yáng)壓力采用式（3）計(jì)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(wěn)定性系數(shù)；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(yáng)壓力；C為滑面的黏聚力，kPa；L為滑帶長(zhǎng)，m；α為滑面的傾角，°；φ為滑面的內(nèi)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(wěn)定性系數(shù)為1.21，175 m水位天然工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.13，危巖在145 m巖體劣化工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，危巖在175 m巖體劣化工況下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.01。

巖體處于工況一145 m水位條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.21，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；危巖體處于工況一175 m

水位條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.13，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；危巖體處于巖體劣化工況145 m水位條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；危巖體處于巖體劣化工況175 m水位條件下，穩(wěn)定性系數(shù)為1.01，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。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(fā)生滑移變形，與實(shí)際劣化變形情況一致。

4 巖質(zhì)庫(kù)岸劣化變形演化過(guò)程與規(guī)律

在水庫(kù)作用下，庫(kù)岸巖體的主要劣化過(guò)程為：夏季因調(diào)洪低水位運(yùn)行，消落區(qū)基座巖體裸露，高溫暴曬及沖刷侵蝕，致消落區(qū)基座巖體松散破碎、掉塊，隨后高水位運(yùn)行期長(zhǎng)時(shí)間浸泡，基座巖體結(jié)構(gòu)面軟化，在危巖體重力作用下，易沿層面緩慢滑移變形。庫(kù)岸劣化變形機(jī)理主要為：在庫(kù)水位周期性變化過(guò)程中，庫(kù)水沿巖體裂隙結(jié)構(gòu)面滲入，鈣質(zhì)或易溶礦物沿巖體結(jié)構(gòu)面溶解流失，巖體結(jié)構(gòu)緩慢受損，強(qiáng)度逐步降低，裂隙沿層理擴(kuò)展延伸，細(xì)小裂縫隨擴(kuò)展方向不斷擴(kuò)張連通，填充物和易溶物流失，導(dǎo)致巖體整體結(jié)構(gòu)塊裂散裂，力學(xué)強(qiáng)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(kuò)展，使巖體沿層面方向劈裂張開(kāi)，呈現(xiàn)出上小下大的倒V字形，該變形為巖體在劣化基礎(chǔ)上的壓致劈裂破壞，同時(shí)存在沿臨空面的卸荷效應(yīng)，隨著時(shí)間推移，消落區(qū)松散巖體逐步劣化崩落、滑移，導(dǎo)致巖體塊裂散裂加劇，部分被掏空，形成臨空面，結(jié)構(gòu)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(chǎn)生順層滑動(dòng)，發(fā)生滑移式破壞。

綜上所述，庫(kù)岸劣化變形在時(shí)間上的規(guī)律是低水位期間以零星崩落掉塊及結(jié)構(gòu)面擴(kuò)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(kù)岸劣化速度主要受裂隙發(fā)育程度和巖層產(chǎn)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(jié)論

三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)庫(kù)岸劣化主要受周期性庫(kù)水位變動(dòng)影響，消落區(qū)巖體劣化塊裂碎裂明顯，庫(kù)岸穩(wěn)定性逐步降低，最終形成一定規(guī)模的滑移、垮塌變形。它總體表現(xiàn)為4個(gè)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(gè)階段持續(xù)循環(huán)，最終可能產(chǎn)生較大規(guī)模的整體滑移式或傾倒式崩塌，結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)分析，夏季低水位運(yùn)行，劣化塊裂碎裂、崩落沖刷后，高水位運(yùn)行，浸泡軟化，易產(chǎn)生整體變形破壞。巖質(zhì)庫(kù)岸劣化為三峽庫(kù)區(qū)新生型地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素之一，這種致災(zāi)效應(yīng)逐步顯現(xiàn)，對(duì)長(zhǎng)江航道及庫(kù)區(qū)安全造成巨大威脅。本研究為巖質(zhì)庫(kù)岸劣化變形監(jiān)測(cè)及綜合防治提供支撐，保障三峽庫(kù)區(qū)安全運(yùn)營(yíng)和發(fā)展，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)類(lèi)似巖體劣化研究有借鑒意義。

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