库岸边坡消落带水-岩作用研究进展与展望

邓华锋 骆祚森 张景昱 周美玲 李建林

(1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学), 湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002;3.三峡大学 水利与环境学院, 湖北 宜昌 443002)

继三峡工程之后,我国西南地区的大渡河、雅砻江、金沙江、怒江、澜沧江等河流上陆续建成或在建一大批大型水利水电工程.这些工程建设为推动国家经济社会发展提供了重要的绿色能源支撑.然而,这些高坝大库蓄水运行后,库水位一般会抬升数十米甚至数百米,而且按照水库运行、调度等要求,库水位往往需要在一定高程范围反复升降,进而在水位变化区域形成库岸消落带.例如,三峡工程蓄水运行之后,按照“冬蓄夏洪”的调度计划,库水在145 m 的防洪水位和175 m 的蓄水发电水位之间或缓慢或快速地升降,形成30 m 的消落带,如图1所示,影响范围包括湖北省4个县和重庆市16个县(区),干支流库段总长807.8 km,库岸总长度达5 300 km 以上.库水位的大幅度变化,一方面,在短期内改变了库岸边坡岩体的应力状态,打破了库区多年来自然形成的应力、地质、环境等平衡状态,直接引发一系列新的地质灾害问题;另一方面,库水沿着裂隙面运移并与岩体发生复杂的水-岩作用,库岸边坡消落带成为地表水和地下水极为活跃的区域,水-岩作用改造节理面微细观结构,并弱化岩石强度,导致消落带岩体物理力学性质劣化,很可能使前期稳定的岸坡向不稳定方向发展[1-2],研究显示,在水压力作用下,水-岩作用损伤效应更为强烈.

图1 三峡库区蓄水影响范围

现场调查发现,自2008年三峡库区175 m 试验性蓄水以来,库岸边坡消落带岩体劣化逐渐明显,节理裂隙逐渐发育(图2是一组三峡库区典型岸坡消落带照片),而且部分库岸段消落带岩体发生了局部的崩塌、垮塌、弯曲变形等变形破坏现象,这说明消落带岩体的损伤劣化与库水位周期性升降变化密切相关.近年来三峡库区先后发生了杉树槽滑坡(2014)、红岩子滑坡(2015)、盐关滑坡(2017)、卡门子湾滑坡(2019)等滑坡与地质灾害险情.消落带岩体的持续损伤劣化,已成为诱发岸坡地质灾害的主要原因之一[3],受到了相关领域专家学者的重点关注.

图2 典型库岸边坡消落带岩体损伤劣化

三峡工程蓄水运行后,为了研究库岸边坡消落带岩体的损伤劣化机制,众多学者针对消落带岩体受到的库水、应力等赋存环境影响,开展了不同水-岩作用下的室内试验、数值模拟以及现场测试,为库岸边坡消落带水-岩作用研究奠定了良好基础.基于此,本文重点从库岸边坡水-岩作用试验方法和设备、库岸边坡水-岩作用劣化机理、库岸边坡消落带岩体劣化现场测试和消落带岩体劣化诱发岸坡失稳致灾等4个方面对库岸边坡消落带水-岩作用相关的研究进展进行总结分析,并展望消落带水-岩作用试验将来的发展方向.

1 库岸边坡水-岩作用试验方法和设备

1.1 干湿循环水-岩作用试验方法和设备

水-岩作用是由前苏联学者А.М.Овчинников于20世纪50年代提出的,是一个典型多学科交叉发展的结果,在不同领域有不同的理解和研究目的,其中,在库岸边坡消落带,主要关注水-岩作用带来的岩土体物理力学性能损伤劣化.针对三峡库区消落带水-岩作用,刘新荣等[4]采用“饱水-风干”循环模拟了消落带岩石的干湿循环过程;陈宾等[5]采用自然浸泡吸水和强制烘干的方法模拟库岸边坡消落带的干湿循环过程;王子娟[6]采用强制烘干和抽真空强制饱水的方法模拟库岸边坡消落带干湿交替作用过程;Prick[7]采用自然浸水和自然风干的方法开展了水-岩作用试验;Hu Ming等[8]通过使用加热板加热样品并通过使用自上而下的钻孔来维持供水和排水从而实现干湿循环的测试;梁越等[9]采用自主设计的渗透仪,实现了干湿循环和渗流耦合的模拟;刘星等[10]采用自制的仪器,实现了一定温度条件下的干湿循环试验模拟.应该说,干湿循环试验为库岸边坡消落带的水-岩作用研究开创了很好的思路.

1.2 考虑库水压力影响的水-岩作用试验方法和设备

在干湿循环水-岩作用试验的基础上,许多学者逐渐认识到水压力的影响,并结合一些多场耦合试验设备进行了试验研究,姚华彦等[11]基于自主研制的细观力学试验系统,开展了化学溶液和水压作用下单裂纹灰岩破裂的细观试验;唐浩等[12]、简文星等[13]利用MTS815刚性试验机分别开展了砂岩、泥质粉砂岩在不同水压力条件下的水-力耦合试验,为深入了解砂岩在水力作用下的微裂纹扩容及损伤破裂等细观力学行为和破坏机理奠定了基础.

有的学者结合库岸边坡消落带岩体的复杂赋存条件,研制了相关专用水-岩作用设备;刘镇等[14]模拟软岩水环境下流变损伤过程,研制了水-力耦合流变损伤多尺度试验系统;张振华等[15]先后研制了模拟库水位周期性升降变化环境的渗透仪和模拟水压力和“湿干”交替共同作用的岩石抗拉强度测试系统.李建林教授团队在库岸边坡水-岩作用研究的过程中,先后研制了多套库岸边坡水-岩作用专用试验设备,其中,YRK-1岩石溶解试验仪,实现了岩石浸泡过程中库水压力的施加.YRK-2 岩石浸泡-风干试验仪,实现了浸泡水压力升降变化过程以及温控风干过程的模拟.HYS-4-2型单裂隙水岩耦合仪,实现裂隙岩体渗流和水-岩作用过程的模拟,并在此基础上开展了大量的岸坡消落带水-岩作用试验研究[16-17].

1.3 应力和水-岩耦合作用试验方法和设备

对工程岩体来说,水力环境和应力环境往往是耦合在一起,在分析水-岩作用的基础上,逐渐关注应力对水-岩作用的影响.冯夏庭等[18]为了模拟应力-水流-化学耦合作用过程,研制了岩石破裂全过程细观加载系统.汤艳春等[19]在此基础上进行了单轴压缩条件下岩盐应力-溶解耦合效应的细观力学试验,研究了岩石应力-溶解耦合作用机制.张培森等[20]为研究不同围压不同损伤程度红砂岩渗流特性,结合Rock Top多场耦合试验仪,开展了红砂岩水-力耦合作用试验.为了模拟应力-渗流-化学耦合作用试验过程,中科院武汉岩土力学研究所与法国里尔科技大学联合制了岩石三轴流变仪[21],重点考虑了水压加载系统.盛金昌等[22]在以往应力-渗流耦合作用试验仪器基础上,研发了可模拟应力、渗流、温度和化学环境耦合作用的岩石渗透特性试验系统.邬爱清等[23]模拟裂隙岩体的水压力环境条件,研制了裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统.李建林教授团队研制了YRQ-1000型岩石浸泡-风干循环荷载流变仪(图3),该设备可以较好地模拟库岸边坡岩体在上覆岩层应力作用下的库水位反复升降变化过程,可进行单轴压缩与水-岩耦合作用试验,而且考虑水压力作用的砂岩蠕变试验研究发现,库水压力对岩石的微细观裂纹发育影响显著,进而影响其蠕变变形及破坏特征[24].

图3 YRQ-1000型岩石浸泡-风干循环荷载流变仪

综合目前研究现状分析可知,对库岸边坡岩体赋存的水力环境认识逐渐深化和深刻,在消落带水-岩作用模拟方案和试验设备方面,逐步从模拟浸泡-风干循环(干湿循环),发展到考虑水压力升降变化、应力等因素耦合作用,相关模拟库水环境条件及水力、应力等多场耦合的水-岩作用试验仪器设备也得到了较快的研制,相关研究成果为消落带岩体水-岩作用劣化效应及库岸边坡的长期变形稳定分析提供了较好的基础数据.

2 库岸边坡水-岩作用劣化效应及机理

20世纪60年代以来,逐渐有学者开始注意到水对岩石物理力学性能的影响,分析认为不仅要从有效应力原理方面进行考虑,而且还要系统考虑复杂的应力腐蚀过程[25].此后,水-岩作用劣化效应相关的试验和理论研究逐步发展,研究内容从单纯考虑水-岩作用下岩石的强度劣化规律逐渐发展到水-岩作用下岩石物理、力学、水力等性能劣化的作用机理,再由机理的探索进一步深入到理论层面的研究,进而构建了不同类型的描述水-岩作用劣化效应的损伤劣化模型.

2.1 水-岩作用下岩石劣化规律研究

20世纪70年代,Atkinson[26]在研究中发现液态水促进了石英的开裂;常春等[27]研究分析了水环境对岩石屈服强度影响规律;Hale[28]考虑气候条件变化,进行了6种不同砂岩的干湿循环试验,获得了各种砂岩的强度劣化规律.针对库岸边坡的水-岩作用研究起步相对较晚,刘新荣等[4]2008年通过“饱水-风干”循环模拟消落带岩石的干湿循环过程,发现水-岩作用下岩石抗剪性能劣化趋势明显;在此基础上,傅晏、崔凯等学者[29-33]针对砂岩、板岩、大理岩、泥岩和灰岩等开展了水-岩作用试验研究,发现水-岩作用对各类岩石的物理力学特性均造成了不可逆转的渐进性损伤,而且泥岩的劣化趋势更为显著.

在各类完整岩石水-岩作用试验研究的基础上,节理、裂隙在水-岩作用的损伤劣化也逐渐受到关注,Feucht等[34]通过含预制裂纹的砂岩试样三轴试验,系统分析了水-岩作用对裂纹面摩擦性能的影响规律;宋维胜等[35]基于能量原理用初始损伤张量和裂纹扩展附加损伤张量描述裂隙岩体在水-岩作用下的损伤演化过程;韩铁林[36]在试验研究的基础上,分析建立了干湿循环作用下裂隙岩体损伤演化方程;王瑞红等[37]研究发现在考虑水压力作用下,裂隙岩体的水软化效应更加明显;邓华锋等[38-39]设计开展了节理岩体干湿循环水-岩作用试验,分析得到了干湿循环作用下节理岩体抗剪性能劣化规律;张景昱等[40]开展了热湿循环作用下节理岩样的重复剪切试验,发现温度放大了水-岩作用对节理岩体的劣化效应.综合这些成果可见,不同岩石在干湿循环水-岩作用下的损伤劣化趋势存在明显差别,而且结构面的劣化趋势更为显著.与此同时,部分学者也在试验进程中注意到水-岩作用对岩石结构特征的影响,如汪亦显[41]发现水对软岩断裂力学性质的弱化作用直接影响试样的预制裂纹扩展及贯通方式,且岩石的强度损伤随裂隙空间展布和裂隙数量变化呈现出规律性变化.

总体而言,围绕岩石类型及岩体结构,水-岩作用劣化效应的研究逐渐向多方向、多维度发展,水-岩作用也逐渐从力学层面向内在机理深入.

2.2 水-岩作用下岩石劣化机理研究

水-岩作用下,岩石的物质成分和微细观结构逐渐发生变化,这是导致其宏观物理力学特性劣化的主要原因.周翠英等[42]研究发现水-岩作用下岩石的孔隙率逐渐增加,颗粒间连接变得松散;Liao等[43]对页岩在水-岩作用下的微观结构特征变化进行了研究.许多学者也将扫描电镜、CT 扫描、核磁共振等新的测试技术应用于水-岩作用试验分析,巫锡勇等[44]采用扫描电镜分析了黑色页岩水-岩化学作用前后的微观特征;杨成祥等[45]通过CT 扫描,分析获得了水-岩作用下泥岩内部的裂隙的发育规律;谢小帅等[46]采用X射线衍射对红层软岩遇水软化机制进行了探讨,发现黏土矿物与水反应产生的不均匀应力和大量微孔隙导致软岩内部结构破坏;刘科等[47]开展了不同水-岩作用下岸坡岩石力学特性劣化试验,发现岩样的力学特性和微细观结构劣化程度表现为热湿循环作用＞干湿循环作用＞长期浸泡作用.

同时,有的学者对水-岩作用下岩体表面、节理面的形貌变化特征也进行了统计分析.Clarke等[48]、周宏伟等[49]将分形理论引入岩石形貌特征的描述,并建立了分形维数与粗糙度系数的相关关系;冯夏庭等[18]通过CT 扫描技术开展了多种岩石水化学腐蚀试验,在宏细观尺度上分析了岩石破裂过程中的化学-应力耦合机理;为了分析水-岩作用对裂隙表面形貌特征的影响,Chen等[50]采用三维表面激光形貌仪在不同试验阶段进行测试分析.有的学者也通过岩石微细观结构的变化特征去分析解释水-岩作用的损伤劣化机制,SCISLEWSKI等[51]系统分析了水-岩作用过程中岩石表面积变化规律与活性矿物溶解率的相关关系;宋朝阳等[52]对不同受力方式和饱水条件下的剪切破坏断面形貌进行三维可视化处理和定量分析,发现胶结物质遇水软化是决定弱胶结砂岩剪切破坏断面形貌的关键因素;左小鹏等[53]通过单裂隙渗流试验获取裂隙渗流特性变化规律,并借助三维表面轮廓扫描技术,研究了裂隙面表面形貌变化规律.

在试验和测试的基础上,有的学者也采用数值模拟方法,对水-岩作用下岩石损伤劣化过程进行了模拟分析,张梁、胡训健等[54-55]基于水-岩作用的宏细观测试结果,利用PFC2D 进行模拟,发现水-岩作用促进了岩石内部裂纹拓展、改变了岩石颗粒间的接触网络及受力时的力链分布;Potyondy等[56-58]基于平行黏结模型提出岩石应力腐蚀模型(PSC),实现了岩石蠕变全过程的PFC 模拟,从细观层面研究了岩石蠕变的变形特征、裂纹特征及破裂特征;骆祚森等[59]基于PFC中的平行黏结模型(PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟.

随着水-岩作用劣化机理的研究逐渐丰富和完善,大量学者从不同角度总结了岩石力学、水力等性能的劣化规律,如Yasuhara等[60]分析了应力溶解机制,建立应力作用下岩石溶解及渗流特性的相关关系;Liang等[61]开展了不同含水率与分布的砂岩三轴压缩试验并建立了评估含水率、浸泡时间对砂岩力学行为影响的经验关系式.综合目前研究成果来看,简单的函数关系显然已经无法对水-岩作用的劣化效应进行准确的描述,水-岩作用劣化模型也逐渐成为研究的重点.

2.3 水-岩作用下岩石劣化模型研究

许多学者从岩石的微观损伤发育,细观结构演变和宏观物理、力学特性劣化等不同层面,对水-岩作用劣化模型进行了多角度的分析.

在微细观层面,根据岩石的溶解和扩散,部分学者在水膜扩散模型[62]和岛渠模型[63]的基础上进行改进,王建秀等[64]分析建立了拉剪应力作用下碳酸岩水化-水力耦合作用损伤演化模型;汤艳春等[19]建立了单轴压缩作用下岩盐的溶蚀模型;申林方等[65]通过综合化学热力学及动力学、过渡态理论和岩石力学等理论建立了应力作用下岩石的溶解动力学模型;胡玉等[66]从岩样破坏断面特征、颗粒及孔隙结构特征、断口形态和裂纹扩展特征3个层面分析了水-岩作用下砂岩损伤劣化机理,建立了水-岩作用下砂岩微细观劣化模型,如图4所示.

图4 水-岩作用下各阶段岩石微细观劣化模型[66]

宏观层面,曾铃等[67]采用预崩解炭质泥岩试样开展了裂隙演化原位试验和裂隙试样直剪试验,通过不同干湿循环次数下试样裂隙图像特征参数定量化描述了各阶段裂隙发育特征,建立了抗剪强度参数与裂隙参数关系模型;Fang等[68]研究了干湿循环过程对砂岩节理面的损伤劣化效应,建立了水-岩作用下节理表面的物理劣化模型,如图5所示;黄震等[69]通过干湿循环与应力共同作用下粉砂岩的三轴试验,阐明了循环次数与纵波波速、含水率的变化规律及其力学特性的劣化机制;朱寅斌等[70]采用3D 打印技术预制了不同粗糙度的砂岩裂隙样品,分析建立了惯性渗透率与平均开度和分形维数之间的经验定量化模型.

图5 干湿循环作用下节理表面劣化过程[70]

同时,在水-岩作用损伤劣化物理模型研究的基础上,相关考虑水-岩作用损伤效应的力学本构模型也得到了较大的发展.胡昕等[71]基于weibull分布函数建立了考虑水-岩作用损伤的单轴压缩损伤统计模型;许宝田等[72]、康亚明等[73]针对岩石内部缺陷的随机分布特征及岩石损伤变量与主应力差的双曲线变化关系,建立了三轴压缩条件下岩石的损伤统计本构模型;梁国喜等[74]建立了考虑累积损伤和能量耗散的损伤本构模型;邓华锋等[75]将水-岩作用损伤耦合到损伤统计本构模型中,分段建立了考虑水-岩作用损伤的本构方程,并重点考虑了压密段的影响;孙晓明等[76]在进行不同含水率砂岩蠕变试验时发现对岩石的峰值强度与长期强度存在明显软化效应,并基于新型黏壶原件建立了改进的西原模型.

总体来看,在库岸边坡消落带水-岩作用试验设备和方法发展的基础上,研究掌握了水-岩作用下多种岩石损伤劣化规律,同时,多种微细观的测试技术和方法也逐渐应用于水-岩作用损伤劣化分析,为从微细观角度揭示水-岩作用机制提供了有效途径,相关考虑水-岩作用损伤的物理、力学模型也逐渐完善.

3 库岸边坡消落带岩体劣化现场测试

水-岩作用室内试验研究为揭示库岸边坡消落带岩体劣化机理奠定了较好基础.然而,三峡水库蓄水运行过程中,消落带岩体的实际赋存环境较为复杂,在库水位周期性升降影响下,消落带岩体的损伤劣化还受到岸坡结构类型、地层岩性等因素影响[77].为此,在室内试验研究的基础上,部分学者针对消落带劣化岩体开展了现场原位测试与分析.

3.1 库岸边坡消落带岩体现场回弹测试

回弹仪具有野外易携带和无损探测的优点,常常用来进行岩体表层质量现场测试.黄波林等[33]对箭穿洞岩体和青石库岸岩体进行现场回弹测试,发现较完整岩体的劣化要远小于破碎岩体,且现场测试结果比实验室中测得的岩石强度的平均劣化幅度略大.杨何等[78]测试了巫山枣子树包滑坡右侧145-175m 消落带和175m 水位线之上泥质粉砂岩的回弹值,结果显示,经历了11个库水位升降周期后,相比175m 高水位之上的泥质粉砂岩,消落带区域岩体强度下降了28.33%.

3.2 库岸边坡消落带岩体原位声波测试

在不同时期,对同一钻孔深度位置岩体进行多次声波波速测量,可分析库水位周期性升降作用下岸坡内部岩体结构和完整性的变化规律.消落带岩体现场测试中,目前主要有单孔声波和跨孔声波两种原位声波测试方法[79].刘广宁等[80]对三峡库区归州河口-泄滩河口库岸段消落带岩体原位单孔和跨孔声波测试,得出单孔KV值为0.2～0.51,跨声波KV值为0.46～0.91,说明随着高程的降低,消落带岩体完整性明显下降,且水平方向的降低趋势更明显.黄波林等[33,81]对巫山县青石6号斜坡开展了多期跨孔声波对穿测试,结果显示结构面附近岩体劣化强烈,而岩体较完整段波速下降并不明显,在深度方向上岩体结构面是岩体质量下降的“主力军”.

3.3 库岸边坡消落带岩体现场探地雷达测试

探地雷达是近年兴起的一种用于地下探测的新技术,能较好地识别岩体内部的节理裂隙发育程度及空间位置分布.杨何等[78]对三峡库区泥质粉砂岩、泥灰岩、灰岩等几类损伤劣化迹象明显的分布区域开展了雷达扫描分析,测区布置如图6所示,发现消落带内测区上部岩体比下部岩体更破碎松散,层间劣化比层面劣化强;并根据波形分析发现泥质粉砂岩、泥灰岩、灰岩等具有不同劣化深度,分别为50～150 cm、30～50 cm 和10 cm.

图6 地质雷达测线布置

3.4 库岸边坡消落带岩体钻孔取芯和钻孔成像

通过现场钻孔取芯或者钻孔成像可以更加直观地了解到边坡内部岩体的完整性,然而在高陡岸坡上钻孔施工难度相当大,一般仅作辅助测试用.杨何等[78]对消落带岩体进行了现场钻孔取芯,结果显示,175m 高水位以上的岩芯较新鲜、完整,消落带的岩芯破碎松散,而且,高水位以上部位取得的岩芯波速较大,消落带部位的岩芯都是随着孔深的增加波速增大.闫国强[82]根据钻孔成像、岩芯样品和声波波速,综合判定浅层岩体较为破碎、裂隙分布密集,而且,结构面的存在,加速了水-岩作用损伤劣化进程.

总体来说,在库岸边坡消落带岩体损伤劣化现场测试方面进行了较好的探索,并取得了较好的成果,进一步丰富了消落带岩体劣化的研究内容,这也是未来库区岩体劣化研究的重要发展方向.

4 库岸边坡消落带岩体劣化诱发岸坡失稳致灾研究

三峡库区蓄水运行以来,岸坡变形稳定问题一直是社会各界关注的焦点,众多学者围绕三峡库区地质灾害的成灾机制展开了系统的研究,并取得了丰硕的研究成果,为保证三峡工程的安全提供了有力的技术保障.研究结果显示,三峡库区的地质灾害的诱发因素与蓄水进程密切相关,在2003之前,主要与自然因素、人类活动相关[83];2003—2008年,库水位大幅度提升成为一个新的主要因素,千将坪滑坡(2003)就是发生在蓄水至135 m 时的一个典型的滑坡,许多学者深入分析了库水位上升及其与暴雨等其他因素联合作用下库岸边坡的变形失稳机制[84-85];而后,库水位在145 m 和175 m 之间周期性升降变化,库水位上升、下降及其与暴雨联合作用下库岸边坡的变形失稳机制成为研究的重点[86],期间发生了一系列滑坡或者滑坡险情[87],例如杉树槽滑坡(2014)、红岩子滑坡(2015)、柏堡滑坡险情(2017)、卡门子湾滑坡(2019).同时,大量滑坡、危岩体存在持续变形迹象,典型的如木鱼包滑坡、大岭西南滑坡、箭穿洞危岩体、板壁岩危岩体、棺木岭危岩体、黄岩窝危岩体等.在部分滑坡和危岩体变形稳定影响因素中,消落带岩体的损伤劣化逐渐成为关键因素,典型的卡门子湾滑坡与水-岩作用导致的滑坡体中下部碎屑岩损伤劣化密切相关[88],箭穿洞危岩体、棺木岭危岩体的变形直接与基座岩体的水-岩作用损伤劣化直接相关[89].

库水位周期性升降作用下,消落带岩体损伤劣化是一个由表及里的动态演化过程,有的学者针对消落带岩体劣化影响下的岸坡变形演化机制也进行了探讨,殷坤龙等[90]针对龚家方2号斜坡,分析了库水作用下薄厚互层、软硬相间的反倾岩质边坡的变形破坏机制和判据;Huang等[91]分析了消落带岩体劣化对反倾岩质岸坡变形破坏的影响机制;余姝等[92]分析了三峡库区青石-抱龙段21个顺层灰岩岸坡在水-岩作用下的变形破坏机理.殷跃平、黄波林、陈小婷等[93-94]对三峡库区岩溶岸坡消落带岩体劣化问题进行较多的研究,并将岩溶劣化诱发的岸坡灾变模式划分为塔状危岩体崩塌、顺层岸坡滑移和逆向岸坡倾倒等3种类型.刘新荣等[95]针对巫山段消落带岩体劣化问题,归纳了5类易引发消落带变形破坏的致灾岩组.

综合目前研究成果来看,消落带岩体损伤劣化在岸坡变形破坏演化中逐渐成为一个不可忽视的重要因素,但水-岩作用下消落带岩体损伤劣化诱发岸坡局部或者整体变形失稳的临界条件、变形破坏模式、物质迁移路径等研究方面还不够完善.

5 结论与展望

大型水库蓄水运行后,库岸边坡消落带成为地表水和地下水极为活跃的区域,消落带的水-岩作用研究也取得了丰硕的研究成果,为库岸边坡长期变形稳定分析评价提供了较好的理论依据.随着库区地质灾害成因机制研究深度和广度的深入,对库岸边坡消落带水-岩作用相关试验和理论研究也提出了更高的要求,主要有下述几方面:

1)库岸边坡消落带岩体赋存环境条件复杂,一方面是水-岩作用(高水压力循环升降变化及浸泡-风干循环)的库水条件,另一方面是复杂的应力条件,除了水压力、地应力作用之外,还有地震作用和其他动力作用的影响,而且有些因素是反复循环、耦合与叠加作用的.相关模拟复杂应力条件和库水环境耦合作用的专用仪器设备和方法亟待进一步研究完善.

2)基于现有试验条件的库岸边坡消落带岩体损伤劣化机理及模型研究理论丰硕,但还无法很好解释库岸边坡消落带岩体损伤劣化的时空演化规律,复杂赋存条件下库岸边坡消落带岩体损伤劣化与地层岩性、坡体结构的相关关系,以及消落带岩体的损伤劣化机理及模型研究亟待完善.

3)库区存在明显损伤劣化迹象的库岸段较长,不同库岸段坡体结构、地层岩性不尽相同,对应的损伤劣化程度也不一样,受测试施工难度、成本等限制,仅在某些库岸点进行了声波、回弹和钻孔测试分析,缺乏原位的抗压、抗拉、抗剪力学性能试验,对消落带岩体物理力学性能的长期损伤演化过程把握不全面;同时,为了满足大范围、长周期的消落带岩体劣化现场监测要求,相关适用于消落带岩体的激光扫描技术、无人机近景摄影测量、基于物联网以及多源数据融合的监测方法等研究亟待完善.

4)许多学者已经将消落带岩体劣化作为影响岸坡长期变形破坏的影响因素之一,并重点对部分库岸段消落带的损伤劣化进行分析,但消落带岩体损伤劣化诱发岸坡局部或者整体变形失稳的临界条件、变形破坏模式分析还不够系统.同时,水库蓄水运行中,消落带岩体的劣化与地层岩性、坡体结构等密切相关,因此,在水-岩作用试验的基础上,不同结构类型消落带岩体损伤劣化时空演化规律及诱发岸坡变形失稳机制亟待进一步研究完善.