三峽庫區高陡岸坡變形失穩模式研究

山坡失穩破壞是相對常見的地質現象，也是當前地質過程的一種表現形式。巖質岸坡巖體中通常存在不同尺度、不同力學性質的節理、裂隙、斷層、剪切帶等結構面。這些結構面組合是基巖斜坡變形、破壞最根本的控制性因素,幾乎所有的自然巖質斜坡失穩都受到巖體結構面的控制。A.Varga和V.Gorbushina通過收集和分析全球350座水庫壩址區的不同類型基巖滑坡,發現有50%以上的岸坡失穩是因巖體結構的影響而引發的。三峽庫區岸坡陡峻、崩滑災害體廣布,僅三峽庫區巫峽上段25km沿岸就發育104處危險塊體和大型危巖體(群)。這些危巖體(群)和危險塊體的存在與巖體結構密切相關,它們的變形破壞實際上是結構性巖體(巖塊)的重新組合與排列。大量的文獻總結了不同巖體結構類型與變形破壞方式可能的對應關系,同時許多工程實踐也反映了同一斜坡可能包含多種變形模式或模式轉化。但對變形失穩模式是如何通過巖體結構的變化而轉化的研究較少。本文以三峽庫區高陡岸坡為主要研究對象,總結了3種主要的巖體結構及其對應的失穩模式,并通過實例分析和數值模擬研究了巖體結構變化導致的失穩模式轉化,確定了層面變化、塊體變化與斜坡巖體變形破壞模式轉化的關系。巖體結構對變形失穩模式的影響研究,為認識高陡岸坡復合變形模式和準確建立斜坡穩定性評價地質模型提供了科學支撐,為高陡岸坡的有效防治提供了科學依據。1密度型節理裂隙帶根據2006~2008年對三峽庫區奉節以下114個高陡危巖及崩滑體調查研究,高陡岸坡變形失穩主要表現為沿結構面滑動、傾倒、彎曲等3種形式,均為結構性破壞或失穩。這與峽谷段多為硬巖不易發生材料性破壞有關。中低傾角的順層巖質斜坡中若發育有順層軟弱夾層,則軟弱夾層之上的巖體在自身重力、揚壓力等作用力的影響下將發生順層滑動破壞。若坡體巖體內節理裂隙發育,則被其切割的巖石塊體將追蹤裂隙面發生滑動或沿密集的節理裂隙帶形成滑動帶而發生破壞。較為典型的是2003年發生的千將坪滑坡,該大斜坡上分布有多層層間剪切帶,造成該斜坡上分布有多個滑坡(圖1)。當平緩厚層狀坡體堅硬巖體被近于直立的結構面所切割,下伏軟弱夾層時,巖體結構易發生傾倒變形。該類型以廖家坪危巖體較為典型。橫石溪背斜的廖家坪危巖體地層近水平,其上部為泥盆系云臺觀組(D2y)的石英砂巖及志留系紗帽組(S1s)長石石英砂巖,被節理和頁巖泥巖所切割。斜坡由于逐級傾倒崩塌,形成了臺階狀懸崖地貌(圖2)。若層狀斜坡堅硬巖層傾角近直立,節理較少發育,則斜坡巖體也多表現為板裂結構。在縱剖面上,板裂結構巖體發生傾倒多從前緣臨空面開始,逐步向坡體后部發展。板裂破壞以梁板的彎折強度控制其破壞。孔明碑斜坡為三疊系嘉陵江組(T1j)灰巖白云巖,地層陡立,巖體結構表現為板裂傾倒破壞,形成了懸崖陡壁的地貌(圖3)。當坡體被正交結構面所切割,形成堅硬的單個小巖柱時,坡體就會產生彎曲變形。這種彎曲是一種似連續性的彎曲,是由于小巖塊連續性的傾倒或滑動或轉動造成的,并不是巖柱的連續彎曲造成的。彎曲程度一般從坡體外至坡體內逐漸減少,坡體前緣向坡體后緣逐漸減少;最終坡體這種彎曲變形量累積到一定程度以傾倒或滑動的形式發生破壞。在巫峽的龔家方至獨龍一帶及箭穿峽的部分區域分布著大冶組薄層灰巖、泥頁巖,節理發育,形成了巖層“點頭哈腰”的現象(圖4)。2失穩模式的改變毫無疑問,大型結構面的變化將強烈地改變大型危巖體或崩滑體。有些結構面的變化如力學性質等改變其穩定狀況,有些則改變其失穩模式。前者有大量的工程實踐和理論研究進行了驗證。關于后者,本文就大型結構面中的層面變化和小型結構面中的正交塊體間距變化引起的失穩模式轉化,分別進行實例和數值模擬研究,用以分析這些結構變化對失穩模式的影響。2.1神女峰—層面變化與失穩模式的關系大型結構面變化引起失穩模式變化的研究,通過大量野外調查發現,神女峰至剪刀峰一帶是一個很好的研究地點。神女峰位于距巫峽進口約13km處的河谷左岸,與孔明碑山體走向總體為近東西向,該2km長的岸坡陡峻,坡度在40°~85°之間。該庫岸段位于神女峰背斜的南翼,出露地層均為三疊系下統嘉陵江組(T1j),上部山頂均為嘉陵江組四段中至厚層白云巖、塊狀巖溶角礫巖夾灰質白云巖;沿江斜坡段為嘉陵江組三段中厚層白云質灰巖夾少量泥質白云巖、碎石條帶灰巖,質地堅硬。神女峰位于走向北東東向的神女峰背斜軸部,其背斜東西延伸約30km,兩翼寬約4~6km,系箱狀褶皺(圖5)。神女峰至孔明碑段發育主要有3組結構面:第一組是層面,傾角在40°~80°之間,從神女峰坡腳至孔明碑漸次變化;第二組與第三組為X共軛節理,300°~320°∠40°~50°,65°~80°∠40°~50°。在這組X共軛節理的作用下,地貌上出現大量V形谷和三角面山體。可見,神女峰至孔明碑2km長的高陡岸坡段地質背景一致,巖層傾角從神女峰至孔明碑逐漸變大至近直立。而當巖層傾角由緩變陡的過程中,其失穩模式也發生了變化。神女峰坡腳斜坡為巖塊順層面滑動,至今仍有滑動后留下的痕跡。至孔明碑,巖層陡立,巖層板裂沿X節理面傾倒破壞。剪刀峰處于剪刀峰與孔明碑之間,其層面傾角約65°~70°,也為層面坡。2007年7月分別發生兩次崩塌,崩塌體呈板狀,崩塌體沿X節理破壞。從剪刀峰的地貌特征上來看,以頂部后緣的巖層為基準,向下逐級覆蓋的巖層數變多,即頂部巖層剝落的最多;斜坡上游側也是巖層剝落的強烈區域。整個山體臨空面為三角形,其產狀與區域的節理優勢結構面一致。很明顯形成的V谷和三角面是塊體的滑動必不可少的。板裂結構有潰屈和傾倒變形特有的兩種破壞形式,當層面傾角較小時,巖層間沒有足夠的下滑力以產生順層蠕滑,不會產生潰屈;層面傾角超過45°時,巖層產生傾倒破壞。因此剪刀峰應該存在傾倒變形和沿結構面滑動兩種機制。因此,隨著巖層產狀的變化,岸坡的變形失穩模式也以滑動式→傾倒-滑動復合→板裂傾倒式進行變化。2.2巖質岸坡變形失穩模擬小型結構面通常被忽視,或者當岸坡為遍布節理時,被均一化處理成的弱化巖體介質。它的變化通常不引起人們的注意,但是在一些特殊情況下如累進性變形岸坡中它的變化不可忽視。根據野外調查分析,巫峽口附近由龔家方至獨龍一帶有多個斜坡處于累進性變形中,2008年11月23日發生的龔家方崩塌就是其中一個。因此,有必要對這些小型結構面的變化進行分析,以確定其對失穩模式的影響程度。由于在三峽其他背景相同,僅僅正交塊體間距變化且失穩模式有差異的巖質岸坡實例較少見,因此采用概化的離散元模擬進行研究。L.Shihai等的研究成果表明,盡管離散元計算的統一失穩彎曲滑面角度與物理相似試驗所得有所差異,但是它所顯示的失穩機理卻是一致的。當岸坡巖體為兩組連續相交結構面組成時,圖6(a)、(b)展示了塊體大小不一時的變形失穩模擬結果。圖6(a)為巖體由大塊體(10m×10m×10m)組成,圖6(b)為巖體由小塊體(0.5m×0.5m×0.5m)組成。離散元模擬結果顯示,塊體前緣運動量大于后緣,坡體表面運動量大于坡體內部,且運動方向上塊體后部與前部有方向差,造成塊體順時針旋轉,并在塊體間形成反坡陡坎。在巖體軸向上形成了彎曲變形,最終將產生傾倒破壞。大小塊體構成的計算模型表現的變形失穩模式一致。當岸坡巖體為兩組相錯相交結構面組成時,塊體大小不一時的變形失穩模擬結果,見圖7(a)、(b)。離散元模擬結果顯示,滑動塊體起始于坡面巖體,由于摩擦力的原因慢慢傳遞至坡體內部。滑動造成坡體內部張開,張開裂隙追蹤兩組節理,且張開裂隙不止一條。最終巖體發生滑出破壞。大小塊體構成的計算模型展示的變形模式也一致。因此,在累進性變形岸坡中,塊體大小不改變失穩模式,但是兩組結構面的組合方式能改變變形失穩模式。3結構面失穩模式對巖體結構的分析和失穩模式的判定是準確建立穩定性評價地質模型的基礎。本文通過大量的野外調查分析和室內數值模擬,對三峽庫區高陡岸坡巖體結構、失穩模式及其關系進行了初步分析,得到以下結論:(1)114個高陡危巖及崩滑體的調查分析表明,高陡岸坡變形失穩主要表現為沿結構面滑動、傾倒、彎曲等3種形式,均為結構性破壞或失穩。(2)一定的巖體結構對應著一定的失穩模式。滑動模式的巖體結構特點是存在順坡向軟弱滑動面或節理裂隙帶;傾倒模式的巖體結構特點是陡立巖體成板裂結構或平緩厚層巖體被陡立正交節理切割;彎曲變形的特點是巖體由小型結構面正交切割成遍布節理巖體并發生累進性變形。(3)一定的結構面變化可能引起失穩模式發生變化或者復合。神女峰至孔明碑一帶的庫岸岸坡結構和