三峡库区秭归碎屑岩岸坡消落带岩体劣化特性研究

张国栋 邵杰鹏 叶义成 何钰铭 李 铮 杨剑飞 夏文中

(1.三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北 宜昌 443002;2.湖北省水文地质工程地质勘察院,湖北 宜昌 443000)

岸坡消落带是库水位升降形成的干湿交替作用区域.岸坡消落带岩体在库水位升降水动力作用下,岩体的赋存环境发生显著改变,岩体的物理力学性质呈现出弱化的趋势,岩体的结构性发生显著改变,呈现出不同的劣化现象和模式.岸坡消落带岩体劣化对岸坡稳定性、岸坡形貌特征的改造等都会产生显著的影响.库水位升降水动力作用是岸坡消落带岩体劣化的主要诱发因素,基于这种认识,不同学者开展了干湿循环作用条件下岩石物理力学性质试验及测试、理论分析、原位试验及测试等研究工作.王思敬等[1]分析了水库区水岩作用的类型及水库滑坡、库岸再造等典型环境灾害问题;徐志华等[2]开展了干湿循环作用下红砂岩的强度劣化特性研究,拟合出了干湿循环次数与岩石强度劣化规律;刘新荣等[3]研究了砂岩受库水饱水-风干水岩循环作用后抗剪强度的劣化规律;邓华锋等[4-5]考虑消落带库水位反复升降变化,开展了红层软岩浸泡-风干循环水岩作用试验研究,认为水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对红层软岩造成了不可逆的渐进累积损伤;张振华等[6-7]开展了水库运行期岸坡消落带红砂岩强度劣化机制研究;亢金涛等[8]开展了岩石/结构面劣化导致巴东组软硬互层岩体强度劣化的作用机制研究;其他学者也开展了室内试验和原位测试及调查研究[9-12].

以上研究工作为岩(石)体劣化宏观现象解释和成因机制的揭示奠定了较好的研究基础.然而,实际调查和原位测试表明,消落带岩体劣化在宏观表现上与室内试验及测试成果并不完全一致,主要是岩体真实赋存环境和条件、岩体的结构等与室内试验模拟存在明显的差异性,消落带岩体劣化的客观描述和真实现状对促进室内试验模拟能力和水平提升具有一定的指导意义.因此,基于野外调查,结合室内试验及测试,采取消落带与消落带以上岩体劣化的比对法,综合描述消落带岩体劣化特征和模式,并对消落带岩体劣化成因机制进行分析,对岸坡消落带岩体劣化评价理论和方法的建立及外野观测具有一定的指导意义.

1 岸坡消落带岩体劣化特征

在库水位周期性升降水动力作用下,岸坡消落带岩体的物理力学性质、赋存水环境、结构性等会发生改变,这种改变与岸坡结构类型、工程地质岩性组合、地层岩性具有明显的相关性.

1.1 块裂状和碎裂状劣化

块裂状劣化主要出现在中厚层状砂岩岸坡消落带中,岩石强度较高,岩性呈脆性,块体大小与岩层厚度、节理裂隙密度、倾角与倾向、层面等相关,如图1所示.

图1 中厚层状碎屑岩岸坡岩体劣化

碎裂状劣化主要出现在薄层或薄层软硬互层的粉砂岩、粉砂质泥岩岸坡中,岩体强度较低,岩体节理裂隙发育,受库水位浸泡和升降干湿循环作用影响,极易碎裂化,如图2所示.

图2 薄层状碎屑岩岸坡岩体劣化

1.2 凸凹型劣化

凸凹性劣化主要出现在厚层状软硬互层岩体组成的岸坡,硬层为砂岩或粉砂岩,软层为泥岩或粉砂质泥岩,表现为软岩不断劣化凹陷,硬岩相对凸出,硬岩劣化特性与沿层面或层理面分布有关,同时受到节理裂隙的切割,硬岩呈现出块裂状劣化特征,如图3所示.

图3 厚层互层状碎屑岩岸坡岩体劣化

1.3 褶皱型劣化

褶皱型劣化常出现在中厚层状砂岩和粉砂岩、薄层状炭质粉细砂岩与页岩和泥岩组成的复合型岸坡中,中厚层状砂岩和粉砂岩呈块裂状,薄层状炭质粉细砂岩与页岩和泥岩呈泥粉状,岩体沿软弱层面发生反倾弯曲,褶皱型劣化常形成于后陡前缓的顺向碎屑岩岸坡中,如图4所示.

图4 中厚层状软硬互层岸坡岩体劣化

2 岸坡消落带岩体劣化模式

在库水位周期性升降水动力作用下,岸坡消落带岩体劣化与岸坡结构、工程地质岩组、岩性等密切相关.岸坡结构是岸坡岩体劣化的基本地质环境,工程地质岩组是岸坡结构的基本组成单元,不同类型的岩石干湿循环水岩作用效应是岩体劣化的外在呈现.通过对三峡库区秭归岸坡段的野外调查,结合岸坡岩体的劣化特征,基于岩体劣化的宏观表现,对岸坡消落带岩体劣化进行分类.由于消落带岩体劣化主要是库水位升降水动力作用的结果,本研究只考虑了库水位升降作用诱发的岩体劣化问题,表1为岸坡消落带岩体劣化模式分类.

表1 岸坡消落带岩体劣化模式分类

2.1 侵蚀型

软岩或软硬互层岩层建造的岸坡,长期受到库水位周期性升降作用,这为软弱岩层软化、泥化创造了条件,软弱岩层受水力冲蚀、降雨冲刷、波浪淘蚀等机械侵蚀作用,消落带岸坡形貌特征显著改变,如图5所示.软弱岩层的年侵蚀量或侵蚀速率可以表征库水对这类岸坡的侵蚀程度[2].软硬互层岸坡所形成的凸凹劣化特征就是软弱岩层侵蚀作用的结果(图3).

图5 泥岩岸坡岩体劣化

2.2 剥蚀型

剥蚀型岩体劣化主要是沿层面、层理面、节理裂隙面等劣化,这些部位水岩作用最为强烈,该类型的劣化常出现在中厚层砂岩和粉砂岩地层,各类岸坡结构中均会发生,如图6所示.岩体剥蚀垮落块体的大小与节理裂隙密度、岩体厚度、层面、层理面分布等因素有关.

图6 中厚层状碎屑岩岸坡劣化

2.3 复合型

复合型岩体劣化常出现在薄层-中厚层软硬互层的岩体结构中,薄层状软岩呈现软化泥化等侵蚀型劣化特征,硬岩沿节理裂隙结构面呈现块裂特征.同时,硬质岩层沿软弱层面滑移,在岸坡前缘岩层反翘表现为图4的劣化特征.图7为在库区岸坡劣化调查时,消落带岩体反翘弯曲现象.复合型岩体劣化是库水位周期性升降作用效应在岸坡岩体中的综合反映.

图7 不等厚软硬互层岸坡劣化

3 消落带岩体劣化成因机制

岸坡消落带岩体劣化的主要诱发因素是库水位升降水动力作用,劣化现象是水动力效应的宏观表现.岸坡消落带岩体劣化不断地改造岸坡,并对岸坡的稳定性产生不利影响.库水位升降水动力作用表现为岸坡消落带岩体长期处于干湿交替环境,诱发岩体结构性改变,包括节理裂隙的扩展和延伸、裂缝显化等.同时,岩体的破坏模式也会随干湿循环作用而改变,在宏观上改变岩体的形貌特征.

3.1 干湿循环作用对岩体劣化特性的影响

采取消落带与消落带以上岩体劣化特性的比对法,分析消落带岩体劣化成因机制.岸坡消落带以上岩体处于自然风化状态,未受库水位升降水动力作用影响,可与消落带岩体劣化进行比对分析.图8是处于不同赋存环境条件下碎屑岩岸坡岩体宏观劣化特性,处于自然风化区的岩体结构性较为完整(图8(a)),而处于消落带区域的岩体较为破碎(图8(b)).

图8 砂岩和粉砂岩及页岩不等厚互层岸坡

库水沿岩体裂隙结构面发生干湿交替水岩作用,裂隙结构面不断扩展、延伸和交错,不断切割岩体,造成消落区岩体逐渐破碎.对取自岸坡消落带与非消落带的碎屑岩开展强度测试和物性试验,部分数据来源于文献[12-24],以比较处于水下区、消落区和库水位以上区岩石的物理力学特性,结果如图9～10所示.从图9、10结果可以看出,处于消落区的岩石强度指标和物性指标总体上表现为劣化趋势.

图9 碎屑岩点荷载强度分布

图11试样为取自岸坡钻孔岩芯的粉砂岩,在室内开展干湿循环试验,在经历若干次干湿循环后,试样逐渐破碎,最终呈现为碎裂状,这与库岸调查发现的现象较为吻合(图2).岩体的劣化可以分为岩石的劣化和结构面的劣化两部分,岩体节理裂隙结构面的劣化速度远大于岩石的劣化速度,岩石内部微裂隙、微孔隙等缺陷对岩石破碎块体的大小具有控制作用,同时,岩石的矿物组成是劣化的物质基础.邓华锋等[5]通过节理砂岩力学试验研究,发现节理的倾角对岩石破坏特征具有显著影响.岩石干湿循环作用的试验结果表明,硬质碎屑岩沿节理裂隙面易发生崩解性剥蚀破坏[13-15].

图10 基本物理指标(中砂岩)

图11 粉砂岩干湿循环破坏演化过程

图12试样为取自岸坡钻孔岩芯的泥质岩,在室内开展干湿循环试验,泥质岩具有较强的水敏感性,遇水易出现软化泥化现象.对于软硬互层的消落带岸坡,软弱岩层长期受到库水侵泡和干湿循环水动力作用,同时,受到水力冲蚀、波浪淘蚀等机械侵蚀作用,由软弱岩体组成的岸坡消落带,其劣化程度往往比硬质岩劣化严重,这与库岸调查发现的现象较为吻合(图3、5).

图12 泥质岩干湿循环破坏演化过程

3.2 干湿循环作用对岩体变形特性的影响

干湿循环作用影响岩体变形的演化过程,对于复合型岸坡,岩体劣化诱发岩体变形,褶皱型劣化是岩体弯曲变形的直观表现(图4、7).对于软硬互层的顺向或斜顺向岸坡,层面、节理裂隙面是水动力作用最活跃的区域,一方面软化泥化软弱岩体;另一方面造成硬质岩体块裂化,演化为块裂状层状岸坡.对于软硬互层复合型岸坡,岩体在重力作用下发生蠕变变形,当受到前缘阻滑作用时,块裂状层状岩体会发生反翘弯曲变形,其形成过程如图13所示.

图13 岩体变形演化过程

4 结论

库水位升降水动力作用诱发岸坡消落带岩体劣化,岸坡消落带岩体劣化与岸坡结构类型、工程地质岩组、岩性、岩体赋存环境等具有相关性.通过对三峡库区秭归碎屑岩岸坡段的调查和试验研究,主要结论如下:

1)碎屑岩岸坡消落带岩体的劣化表现出不同的特征,可以划分为3类,分别为块裂型和碎裂型、凸凹型、褶皱型.

2)碎屑岩岸坡消落带岩体劣化模式可以划分3类,分别为侵蚀型、剥蚀型、复合型.

3)库水位升降作用产生的干湿交替循环作用环境是岸坡消落带岩体劣化的主要水动力条件.