三峡库区危岩体劣化特征及变形破坏模式研究

王 恒，蒋先念，李树建，贾智丹

(1. 重庆市地质灾害防治工程勘查设计院，重庆 400700； 2. 重庆大学 资源与安全学院，重庆 400030)

0 引 言

三峡水利枢纽工程是一个举世瞩目的大型水利水电工程，库区水位常年位于145～175 m之间蓄水和消落[1]。消落带岩体在干湿循环、溶蚀、浪蚀、构造风化作用等因素影响下，致使高陡峡谷带岩体劣化变形及卸荷裂缝发育，引起岸坡失稳的地质灾害现象已多次出现[2-4]。国内众多学者做了大量的研究工作[5-11]，但是三峡库区库岸线长，消落带地质条件千变万化，深部岩体劣化、破碎结构面不易识别，危岩变形破坏模式复杂难辨。以三峡库区黄岩窝危岩为工程背景，研究危岩体劣化特征及变形破坏模式，对进一步分析库区危岩体的劣化特征及同类地质灾害变形破坏模式提供了理论依据。

1 黄岩窝危岩体工程概况

黄岩窝危岩位于巫山县培石乡，长江航道里程编号K143+432～K144+263右岸。由6个危岩单体构成，单体方量约5 200～540 000 m3，见表1，总方量约95.5万m3，为特大型危岩。根据地形地貌、岸坡结构及岩体特征，将岸坡分为黄岩东段和黄岩西段，如图1。危岩体失稳主要危及长江航道、过往的游轮客船、码头及居民点安全等。

表1 危岩体规模及形态特征Table 1 Size and morphological characteristics of the perilous rock mass

(续表1)

编号形态宽/m高/m厚/m规模/m3形状基座高程/mW2100-120100-11025-32360 000板状135-140W320-5070922 050棱锥状160W45030-4559 000楔型240W528-3590-100718 480棱柱状145W6206545 200棱柱状150

图1 危岩体分布Fig. 1 Perilous rock mass distribution

2 危岩体劣化特征

由于黄岩窝危岩体位于高陡峡谷区，地质环境条件复杂，临江面构造裂隙存在外倾结构且岩体破碎，采用传统取芯钻探手段判断岩体劣化、破碎程度难度大。因此，采用其它手段分析危岩体劣化特征显得至关重要。结合本工程概况，危岩单体W1和W2体积偏大，危岩带卸荷裂缝及构造裂隙发育，消落带岩体劣化程度复杂；笔者主要介绍采用调查测绘、单孔声波法、孔内高清摄像及物探测试手段分析黄岩西段的岩体劣化特征。

2.1 调查测绘

根据调查测绘，黄岩西段临江面共发育裂隙37条见图2，产状75～120°∠67～88°，贯通长度20～110 m，消落带145～175 m之间裂缝线密度为1条/2 m，面密度为1条/4 m2。175 m以上裂缝线密度为1条/20 m，面密度为1条/40 m2；统计分析可知消落带岩体裂隙发育程度约为175 m水位以上的10倍，消落带岩体风化程度高。

2.2 单孔声波法

采用单孔声波法对钻孔K1、K2、K3进行了声波测试，得出钻孔内不同段岩体纵波波速，根据波速差异判断岩体完整程度。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，钻孔位置见图2。

图2 岩体劣化分布Fig. 2 Distribution map of rock mass deterioration

K1钻孔测试结果表明：0～5.8 m区域内波速低，表明岩体破碎程度高。5.8～15.2 m区域内总体上波速相对较高，但7.2～8.0 m钻孔段所测波速低，表明岩体局部裂隙发育。15.2～18.4 m区域内总体上波速低，岩体破碎。18.4～62.0 m段总体上波速相对高值，局部波速较低，表明岩体相对完整，局部发育裂隙。

K2钻孔测试结果表明：0～15.0 m区域内总体上波速低，表明岩体裂隙发育。15.0～60.0 m段波速相对高值，局部波速较低，表明岩体相对完整、局部发育裂隙。

K3钻孔测试结果表明：0～16.0 m区域内总体上波速低，表明岩体破碎程度高。16.0～31.0 m段整体波速起伏较大，波速曲线呈锯齿状，表明岩体裂隙发育。31.0～55.0 m段波速曲线较平缓，整体波速呈相对高值，表明岩体相对完整。

临江面水平钻孔波速测试结果表明，从钻孔0～18.0 m区域内危岩体的岩体总体上劣化破碎程度高，完整性差，裂隙发育；其它区域内岩体相对完整及局部发育裂缝。

2.3 孔内高清摄像

为了进一步验证和补充钻孔波速测试结果，采用孔内高清摄像分析。K1钻孔深度在13.2～14.5、15.2～15.4、17.4、19.8～20.0、20.7～21.0 m段有明显裂隙发育，K2钻孔深度在0.7、5.5、6.3～6.7、10.1～10.4、20.5～20.7、22.2～22.6 m段有明显裂隙发育，其孔内高清摄像成果图见图3。通过孔内高清摄影技术，不仅可以直观的观察岩体的裂隙发育情况，还能补充验证水平钻孔波速测试结果，更加准确地了解岩体的劣化程度。

2.4 物探测试

由于单孔声波法和孔内高清摄像无法评估整个危岩体的劣化情况，故采用瞬变电磁法在危岩单体W1和W2的垂直陡崖面布置6条物探线，其中1-1和6-6剖面物探测试结果见图4。 测试结果表明：危岩体145～175 m区域内电阻率异常，表明岩体较破碎；危岩单体W1和W2存在破碎带和溶蚀区，沿临江崖壁向里延伸20.8 m区域内电阻率相对较低，岩体总体上劣化破碎程度高，与单孔声波法和孔内高清摄像测试结果基本一致。

图3 K1 K2钻孔高清摄像成果Fig. 3 High definition camera picture of K1 K2 borehole

图4 W1(1-1)、W2(6-6) 物探测试Fig. 4 W1 (1-1), W2 (6-6) geophysical prospecting test

3 危岩变形破坏模式

根据上述调查测试分析结果可知，危岩体陡崖顶部受卸荷裂缝控制，沿临江面受构造裂隙切割形成危岩块体。经过调查测绘、单孔声波法、孔内高清摄像及物探测试分析后发现，危岩体陡崖顶部卸荷裂缝一直延伸至江面，构造裂隙切割深度较大，沿临江崖壁向里延伸18 m区域内的岩体总体上劣化程度高，深部破碎带结构面发育。分析得出危岩单体W1、W2三种基本变形破坏模式：①溃屈滑移式：岩体劣化带或溶蚀破碎区在库区水位涨落掏蚀、冲刷浪蚀及干湿循环作用下，岩体强度逐渐降低，劣化破碎带逐步加宽，最终导致危岩体在自重作用、溶蚀作用及江水涨落掏蚀下沿破碎带或结构面发生溃屈变形，进而引起上部岩体发生滑移；②坠落式：消落带岩体破碎软弱，受水位涨落影响形成凹岩腔，导致危岩从凹腔或临空破碎带发生坠落破坏。③倾倒式：随着岩体劣化、溶蚀破碎带发育及变形，危岩重心逐渐外倾，危岩体沿外倾支点向临空方向倾倒，形成倾倒破坏。

因此，岩体在自重作用、溶蚀作用及江水涨落掏蚀等影响下，劣化区岩体不断被压裂剪断，形成软弱破碎带或潜在溃屈滑移面，进而引起上部岩体发生滑移式、倾倒式、坠落式的复合型变形破坏，如图5。

图5 危岩破坏失稳模式Fig. 5 Damage and failure modes of perilous rock

4 结 论

以三峡库区黄岩窝危岩带为工程背景，采用调查测绘、单孔声波法、孔内高清摄像及物探测试手段分析危岩体劣化特征，并分析了危岩变形破坏模式。主要结论如下：

1)危岩单体W1和W2存在破碎带和溶蚀区，消落带沿临江崖壁向内延伸18 m区域内的岩体劣化程度高。

2)危岩岩体在自重作用、溶蚀作用及江水涨落掏蚀等影响下，劣化区岩体不断被压裂剪断，形成软弱破碎带或潜在溃屈滑移面，进而引起上部岩体发生滑移式、倾倒式、坠落式复合型变形破坏。

3)通过对三峡库区危岩体劣化特征及变形破坏模式的研究，对进一步了解三峡库区同类地质灾害提供了理论依据。