庫水位變動條件下柱狀危巖體變形破壞機(jī)理

陳小婷,王 健,黃波林,譚建民

(1.三峽大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心,湖北 武漢 430205)

0 引言

三峽庫區(qū)175 m蓄水后，每年水位在高程145～175 m間波動，形成了高差30 m的水位變動帶。針對三峽水庫水位變動和危巖體，大量的前期研究集中在滲透壓力的變化和危巖體靜態(tài)穩(wěn)定性方面[1-3]。但是近期的調(diào)查研究顯示，多年的飽和浸泡—風(fēng)化曝曬造成了部分消落帶巖體劣化[4]。巖體劣化既造成了結(jié)構(gòu)面的顯現(xiàn)、延展和張開，也造成了巖石強(qiáng)度的下降[5]。同時，結(jié)構(gòu)面的明顯出露使得一批江邊的危巖體被發(fā)現(xiàn)或需要重新認(rèn)識。其中柱狀危巖體由于其基座巖體壓裂嚴(yán)重、變形破壞機(jī)理復(fù)雜、破壞動能大而受到廣泛關(guān)注。

HUNGR等[6]和HUANG等[5]建立了承載壓力和基座強(qiáng)度之間的經(jīng)驗不等式，用以判斷鈍性旋轉(zhuǎn)崩塌和壓潰崩塌失穩(wěn)模式。FENG等[7]經(jīng)過對中國西南灰?guī)r山區(qū)的調(diào)查認(rèn)為，柱狀危巖體的失穩(wěn)模式可分為滑移、旋轉(zhuǎn)崩塌和壓潰崩塌。ROHN等[8]基于SANDLING和RASCHBERG山脈危巖體的調(diào)查認(rèn)為不穩(wěn)定的柱狀危巖體最終會側(cè)向擴(kuò)展或傾倒崩塌，軟層的滑動和解體會導(dǎo)致巖體的崩塌。YIN等[9]分析了當(dāng)坡腳凹腔明顯時，大的長厚比柱狀巖體的傾倒機(jī)制，周期性調(diào)水后低高程區(qū)巖體劣化的發(fā)生，加速了岸坡失穩(wěn)演化進(jìn)程，導(dǎo)致柱狀危巖體變形破壞模式更為復(fù)雜。

柱狀危巖體低高程區(qū)巖體的劣化造成了低高程區(qū)裂隙明顯增多[5]，危巖體內(nèi)部裂隙和破壞區(qū)的拓展在危巖體變形破壞過程中起著關(guān)鍵作用。采用Extended Finite Element Method (XFEM)、Discrete Element Method (DEM)、Finite Element Method/Discrete Element Method (FEM/DEM)等方法，許多研究人員開展了大量巖體破壞擴(kuò)展和變形模式方面的研究。

XFEM采用了一種單元拆分法，容許在網(wǎng)格中獨立地模擬不連續(xù)面。ZHUANG等[10]開展了(包含裂縫或沒有裂縫)類巖樣的單軸壓縮試驗，利用XFEM探索了裂縫起始時間、起始位置和傳播行為。DEBASIS等[11]總結(jié)了3節(jié)點和6節(jié)點三角單位中不連續(xù)面的數(shù)學(xué)框架，也提供了利用XFEM開展單個和多個裂縫的一維、二維應(yīng)用案例。SHI等[12]基于XFEM發(fā)展了一種數(shù)值計算方法來模擬水力裂縫，數(shù)值分析表明裂縫傳播路徑依賴于巖體力學(xué)特性和原位應(yīng)力場。WANG等[13]利用ABAQUS中的XFEM研究了在滲流應(yīng)力耦合模型下裂縫的傳播和閉合。XFEM當(dāng)前主要還應(yīng)用在小變形的裂隙擴(kuò)展，在實際工程尺度上的裂隙擴(kuò)展和破壞分析應(yīng)用較少。

自從1989年Munjiza提出FEM/DEM耦合方法以來，OWEN等[14]，XIANG等[15]和LATHAM等[16]推動了在FEM/DEM模型框架中的裂隙擴(kuò)展算法。MORRIS等[17]開發(fā)了Livermore distinct element code來進(jìn)行地質(zhì)體變形破壞運(yùn)動全過程的數(shù)值模擬。EBERHARDT等[18]利用EFLFEN對1991年Swiss的Randa巖質(zhì)崩滑體進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了巖橋的破壞、崩滑體的運(yùn)動及堆積過程。MAHABADI等[19-20]使用FEM/DEM方法構(gòu)建了Y-GUI程序，并對動力條件下的巴西圓盤試驗進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗相吻合。LIU等[21]利用FEM/DEM耦合方法研究了直剪試驗中巖石粗糙節(jié)理的錯動過程，盡管這一方法被快速推廣應(yīng)用，但是方法的可操作性和實際工程適用性仍有待提高。

DEM被廣泛應(yīng)用在模擬脆性巖石中裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展和閉合等現(xiàn)象，它能夠解決從微觀破裂到宏觀破壞的物質(zhì)破壞問題。例如，MAXIMILIANO等[22]利用UDEC研究了含平行非連續(xù)節(jié)理的巖石力學(xué)行為，研究了因為已存裂縫的延展而導(dǎo)致的累進(jìn)性破壞。PAN等[23]集成TOUGH2和RDCA來耦合分析各向異性巖石中水力多相流和不連續(xù)面的力學(xué)性質(zhì)，其中RDCA用于模擬巖石非線性的不連續(xù)地質(zhì)力學(xué)行為。LAN等[24]實施了SP?柱穩(wěn)定性實驗，基于顆粒的離散元方法分析了巖體的破壞演進(jìn)。VALENTINGISCHIG等[25]展示了一個概念模型，提出重復(fù)的地震活動能通過創(chuàng)造和拓展裂縫來破壞相對堅固的巖石斜坡，直到巖體被充分削弱以引發(fā)災(zāi)難性的破壞。

顯然，盡管較少有人研究巖體劣化條件下柱狀危巖體裂縫及破壞區(qū)擴(kuò)展，但它確是柱狀危巖體演化過程的關(guān)鍵。因此，本文展示三峽庫區(qū)若干柱狀危巖體，分析柱狀危巖體及其基座巖體的工程地質(zhì)特征，并以棺木嶺危巖體為典型案例，采用UDEC的偽時間方法來開展水位變動條件下柱狀危巖體內(nèi)部破壞區(qū)擴(kuò)展力學(xué)分析，研究典型柱狀巖體裂縫和破壞區(qū)擴(kuò)展過程，揭示巖體劣化對柱狀巖體變形破壞機(jī)制影響。

1 三峽庫區(qū)典型柱狀危巖體及其基本特征

2008年175 m蓄水后，消落帶巖體劣化現(xiàn)象慢慢開始顯現(xiàn)。部分消落帶巖體出現(xiàn)了(長大)結(jié)構(gòu)面顯現(xiàn)或裂縫急劇變多，甚至局部破壞，而巖體結(jié)構(gòu)有些從中厚層狀變?yōu)橹斜訝?，甚至碎裂狀。這些現(xiàn)象引起了廣泛關(guān)注[4]，并開始對一些有(部分)邊界、低高程巖體劣化的危巖體進(jìn)行重新調(diào)查和重新認(rèn)識。這些危巖體中柱狀危巖體較為特殊，且發(fā)育占比較大，典型的如箭穿洞危巖體、曲子灘危巖體和棺木嶺危巖體，它們擁有一些共同的工程地質(zhì)特征。

1.1 若干典型柱狀危巖體

(1)箭穿洞危巖體

箭穿洞危巖體位于峽庫區(qū)重慶市巫山縣長江左岸，上距巫山縣城約15 km。箭穿洞斜坡在地貌上呈現(xiàn)陡崖與中緩坡交替的階梯狀三級臺階。第一級臺階下陡崖即為箭穿洞危巖體，其臺階面為大冶組四段T1d4。由于巖層位于背斜核部，地層較平緩，產(chǎn)狀為260°∠6°，斜坡總體為近水平層狀岸坡。

箭穿洞危巖體上游側(cè)邊以陡崖沖溝為界，下游側(cè)邊界裂縫交切在臨空陡崖面上，上寬下窄，上陡下緩，充填或局部充填碎石土，產(chǎn)狀325°∠45°～65°。危巖體后緣裂隙張開達(dá)到3.15 m，產(chǎn)狀276°～260°∠75°～85°。箭穿洞危巖體的三維切割邊界清楚，其幾何形態(tài)呈不規(guī)則的柱體。后緣高程為278～305 m，基座高程為155 m，平均高差為135 m，危巖體平均橫寬約55 m，平均厚度約50 m，危巖體體積約3.6×105m3，主崩方向為260°(圖1)。

箭穿洞危巖體基座巖體為泥質(zhì)灰?guī)r，其頂部高程為155 m，基座巖體壓裂破壞嚴(yán)重[5]。危巖體中部以下為“反坡”，即危巖體基座為相對凹腔處，且基座巖體存在3個抗戰(zhàn)時期修建的平硐。

(2)曲子灘危巖群

曲子灘危巖群位于三峽庫區(qū)巫山縣培石鄉(xiāng)長江右岸，上距巫山縣城21.5 km，下距巴東縣城27 km。曲子灘斜坡為臨江懸崖，陡崖坡面產(chǎn)狀為0°～10°∠83°～88°。危巖群巖性主要為二疊系嘉陵江組三段中厚層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，巖層層面產(chǎn)狀為98°∠10°。斜坡被兩組構(gòu)造裂隙切割，產(chǎn)狀分別為5°∠80°和85°∠85°。2組結(jié)構(gòu)面將崖面切割出四個柱狀危巖體，危巖群沿江長度約100 m，厚度5～10 m，高度115～135 m，危巖單體體積5 000～15 000 m3不等。

危巖體基座頂部高程約150 m左右，基座巖性為薄—中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r。水位變動帶內(nèi)基座巖體溶蝕和軟化作用明顯，表現(xiàn)為裂隙寬度大，溶蝕孔洞發(fā)育，且有局部壓扭變形現(xiàn)象。中下部巖體和基座巖體有局部掉塊現(xiàn)象，形成局部的負(fù)地形(圖2)。

圖1 箭穿洞危巖體照片F(xiàn)ig.1 The picture of Jianchuandong dangerous rock mass

圖2 曲子灘危巖群照片F(xiàn)ig.2 The picture of Quzitan dangerous rock mass

(3)棺木嶺危巖體

圖3 棺木嶺危巖體的全景照片F(xiàn)ig.3 The whole scene of Guanmuling dangerous rock mass注：箭頭所指為危巖體邊界；鏡像325°

圖4 棺木嶺危巖體剖面圖Fig.4 The section map of Guanmuling dangerous rock mass

危巖體的南側(cè)(后緣)裂隙在東側(cè)崖壁面上清晰可見，裂隙產(chǎn)狀355°∠85°。裂縫頂部巖體明顯拉裂破壞，裂縫延伸至底部薄層泥質(zhì)白云巖。危巖體的西側(cè)邊界裂隙產(chǎn)狀275°∠70°，與東臨空崖面和九畹溪近平行，上窄下寬，可見延伸高度約30 m。三維激光掃描測繪表明，在東側(cè)崖壁上危巖體后緣最高高程約為225 m，基座最低高程約為150 m。裂縫控制巖體高度為40～80 m，寬度約50 m，厚度為15～23 m，危巖體體積5×104m3。危巖體呈不規(guī)則板柱狀，主崩方向主要受后緣南側(cè)裂縫控制，可能失穩(wěn)方向355°。

危巖體基座巖體發(fā)育一套含泥質(zhì)條帶的薄層泥質(zhì)白云巖夾一層厚1.0 m的白云巖。基座沿層面形成高5～8 m的巖腔，長約60 m，最大深度達(dá)12 m。同時，危巖體基座巖體壓裂破碎嚴(yán)重，局部可見新鮮斷面，巖體向外鼓脹，這說明危巖體在近期處于變形之中。

1.2 共同的工程地質(zhì)特征

這些新發(fā)現(xiàn)的或需重新認(rèn)識的柱狀危巖體都有類似的工程地質(zhì)特征。首先，它們都發(fā)育在陡崖斜坡上，三維邊界較為清晰，呈板柱狀或柱狀，其重心投影都位于坡體內(nèi)部。其次，構(gòu)成危巖體(包括基座)的巖性構(gòu)成均為傳統(tǒng)認(rèn)識上的硬質(zhì)巖石—灰?guī)r、白云巖等，基座巖體只是相對軟的巖石—泥質(zhì)條帶白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r等。因此，柱狀危巖體巖性構(gòu)成了“硬-相對軟-硬”的硬巖巖性組合。這一巖性組合，決定了柱狀危巖體的變形破壞受坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面或基座巖體控制。在自然條件下，由于應(yīng)力腐蝕或風(fēng)化造成的基座巖體破壞和內(nèi)部控制性結(jié)構(gòu)面貫通是一個漫長的過程[26-27]。一些柱狀危巖體，例如神女峰上的“神女”常常聳立千年，穩(wěn)定性較好。如果沒有外界環(huán)境的急劇變化，這些柱狀危巖體的穩(wěn)定狀態(tài)也會長期保持。因此，本文所述新發(fā)現(xiàn)的或需重新認(rèn)識的柱狀危巖體還特指受水位變動影響的危巖體，它們的部分巖體或基座巖體處于水位變動帶上。一些危巖體位于較高高程的斜坡上，巖體質(zhì)量不受或較少受水位變動影響，不在本文研究范圍之類。

三峽水庫周期性的水位變動極大地改變了一些柱狀危巖體的外部地質(zhì)環(huán)境條件。周期性飽和浸泡—風(fēng)干曝曬循環(huán)加速了巖體劣化和力學(xué)強(qiáng)度的衰減[28-30]，壓裂變形加劇，加速了危巖體變形，同時浪蝕作用使基座破碎巖體逐步掏空，使上部巖體懸空度加大，增加了其崩塌的危險性。在多次周期性水下浸泡—露出曝曬條件下，開展了三峽庫區(qū)灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r的抗壓、抗剪、抗拉等物理力學(xué)性質(zhì)試驗，獲得了隨著不同循環(huán)周期次數(shù)的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。20次的水下浸泡—露出曝曬周期會造成巖體抗壓抗拉強(qiáng)度下降約15%～38%。20次循環(huán)荷載下，彈性模量下降約16%～35%[5，31]。亦即，多次水位波動后，基座巖體更易破壞，這將極大的加速危巖體變形破壞進(jìn)程。同時，從柱狀危巖體失穩(wěn)模式來看，柱狀危巖體邊界切割清晰，基座巖體處于類似單軸抗壓狀態(tài)(危巖體自重為壓力來源)，基座巖體處于受壓狀態(tài)。臨空基座巖體由于不受限，形成壓致破壞/擠出效應(yīng)(這也可能是基座凹腔或負(fù)地形的形成原因)?；鶐r體的部分?jǐn)D出或破壞后將造成基座處于不均勻受壓狀態(tài)，基座巖體的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加劇，基座巖體破壞也將更為嚴(yán)重?；钠扑閯t會造成危巖體力傳遞不均，使得危巖體縱向裂縫進(jìn)一步發(fā)展，有解體崩塌的可能性。由此可見，在水位變動條件下基座巖體可能會被壓潰，基座巖體的逐步壓裂破壞會造成危巖體縱向裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，基座巖體的壓裂和凹腔的進(jìn)一步擴(kuò)大，危巖體可能會呈復(fù)雜的滑移—傾倒—墜落的壓潰崩塌破壞[5，32]。

2 數(shù)值分析方法

巖體中裂縫從無到有，再到很多，裂縫拓展顯然是隨時間而變化的，具有明顯的時間效應(yīng)。巖體中含水量、濕度、溫度都可能影響應(yīng)力值，每個單元上應(yīng)力的改變都可能導(dǎo)致微小破裂產(chǎn)生[27]。在三峽水庫，消落帶巖體在冬季被水淹沒，而夏季被暴露出來，一直處在水下浸泡—露出曝曬的循環(huán)周期中。這些巖體的力學(xué)強(qiáng)度和變形模量由于這種周期性條件而劣化衰減[28-30]。在這種環(huán)境下，危巖體中的裂隙更容易發(fā)展，加速了危巖體的演化進(jìn)程。

本次研究采用UDEC軟件開展，以棺木嶺危巖體為研究對象進(jìn)行分析。在靜態(tài)分析模式中，UDEC建模時是不考慮時間相關(guān)性效應(yīng)的，但是近似的模擬材料的某種時間相關(guān)性效應(yīng)是可能的。UDEC中沒有能體現(xiàn)隨時間強(qiáng)度衰減的本構(gòu)模型，但是可以調(diào)整力學(xué)強(qiáng)度和模量值來模擬這種劣化影響。雖然時間不是顯式變量，但是可以用FISH變量通過改變與時間相關(guān)的特征值來代表時間線。這個“偽時間”每發(fā)生一個增量時，模型都求解平衡。在本次研究中，與時間相關(guān)的特征值主要是周期性水下浸泡—露出曝曬條件下巖體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

在水位周期變動條件下巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度也應(yīng)有一定的劣化。但巖體結(jié)構(gòu)面的劣化研究難度相當(dāng)大，室內(nèi)室外較難以取得衰減數(shù)據(jù)，因此本次研究沒有將巖體結(jié)構(gòu)面時間相關(guān)性效應(yīng)納入考慮。

利用水位周期造成的強(qiáng)度下降來定制“偽時間”，亦即一次水位周期為一年時間。在程序中，每一次偽時間增量(水位周期)進(jìn)行一次變量劣化調(diào)整，并求解平衡。如果在計算中單元已經(jīng)破壞，單元會被記錄，其抗拉強(qiáng)度和黏聚力自動設(shè)置為0。破壞單元可視為裂縫，而破壞單元的延展則為裂縫的延展。這樣，每次求解平衡的時步數(shù)可視為真實時間的一次時間跨度，計算時步也可與真實的時間跨度相對應(yīng)。

圖5 棺木嶺危巖體數(shù)值模型Fig.5 The numerical model of Guanmuling dangerous rock mass1—固定X速度；2—固定Y速度；3—泥質(zhì)白云巖；4—泥質(zhì)條帶白云巖；5—白云巖；6—已存裂隙。

圖5為構(gòu)建的數(shù)值計算模型，分別采用0.5 m、1 m、1.5 m和3 m進(jìn)行危巖體及夾層進(jìn)行單元劃分，中單位網(wǎng)格為5 612個。利用Elasto-plastic Strain-softening Mohr-Coulomb 連續(xù)模型來計算應(yīng)力分布。模型包含的裂隙除后緣的大裂隙外，在基座夾層還分布有10條。綜合物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果，它們在數(shù)值計算中取值為表1。本次研究將圖5的物理力學(xué)性質(zhì)劣化規(guī)律簡化為等時間衰減，亦即在數(shù)值計算中每次“偽時間”增量下，強(qiáng)度參數(shù)呈2%的均勻下降。本次研究計算了10個“偽時間”增量，亦利用10個周期將巖體強(qiáng)度衰減20%。如前所述，20次的水下浸泡—露出曝曬周期會造成巖體抗壓抗拉強(qiáng)度平均下降約20%[5，31]。這10個周期可視為20次干濕循環(huán)，約相當(dāng)于實際的20年左右。

表1 初始數(shù)值計算參數(shù)表Table 1 Parameters used in numerical model

3 變形破壞機(jī)理分析

沒有考慮水位周期性變化造成的劣化時，從位移圖上來看(圖6)，危巖體以水平運(yùn)動為主，垂直位移較少。水平位移上部大于下部，水平位移最大值處于危巖體頂部，向臨空面方向運(yùn)動。垂直位移以沉降為主，臨空面向坡內(nèi)遞減，最大值處于臨空側(cè)。同時，節(jié)點力方向有橫向分帶特點，造成縱向裂縫在水平方向上的不一致，會造成縱向裂縫的新生。主應(yīng)力差顯示應(yīng)力集中區(qū)分布在基座凹腔附近。主應(yīng)力跡線顯示最大主應(yīng)力在基座發(fā)生嚴(yán)重偏轉(zhuǎn)。這些區(qū)域?qū)⑹橇芽p新生區(qū)域。在沒有水位周期前，水平位移的大小約是垂直位移的5.3倍，意味著危巖體運(yùn)動方式總體表現(xiàn)為傾倒特征。水位周期發(fā)生后，水平位移的大小約是垂直位移的4.5～5倍。這似乎說明了水位周期帶來的巖體強(qiáng)度下降并沒有改變危巖體先前的破壞趨勢。但是，如果從水位周期帶來的危巖體裂縫擴(kuò)展和破壞區(qū)變化來看，則可能有不同結(jié)論。

圖6 節(jié)點力矢量及位移矢量圖Fig.6 The map of the vectors of gridpoints and the contour of displacement

圖7 主應(yīng)力跡線圖Fig.7 The map of principal stress and stress difference

沒有水位周期前，危巖體少量破壞單元集中分布在基座凹腔(圖7)，以拉破壞為主，拉破壞占總破壞區(qū)的71.4%。隨著水位周期的增加，巖體強(qiáng)度劣化逐步強(qiáng)烈，危巖體的破壞單元數(shù)也在不斷增加，拉張裂縫不斷延伸。從裂縫擴(kuò)展來看，新增加的破壞區(qū)首先出現(xiàn)在危巖體的腳踵部和凹腔頂部夾層。凹腔頂部夾層進(jìn)一步破壞，裂隙向內(nèi)和向下深入。兩個薄夾層中間的泥質(zhì)條帶白云巖由上而下出現(xiàn)了裂縫擴(kuò)展，有些直抵底部夾層。危巖體腳踵部的破壞區(qū)不斷向上、向下和向臨空面方向擴(kuò)展，形狀呈三角形。在第9個水位周期時，原來幾個獨立擴(kuò)展的破壞區(qū)(危巖體腳踵部的裂縫區(qū)和基座裂縫區(qū))開始相連。這一裂縫擴(kuò)展顯示，危巖體的基座和危巖體腳踵部等應(yīng)力集中區(qū)巖體易被壓致拉裂破壞。在多個水位周期中，拉破壞區(qū)占總破壞區(qū)比約為77.1%～88%(圖8)。

圖8 水位周期增加條件下破壞區(qū)演進(jìn)圖Fig.8 Failure zone evolution map of Guanmuling potential rockfall under the condition of increasing water level cycle注：青色為彈性狀態(tài)，淺藍(lán)色為拉張破壞，藍(lán)色為屈服過，紅色為屈服中。

從第10個水位周期計算結(jié)果來看，已有裂縫多發(fā)生張開，少量擠壓。在臨空側(cè)明顯可見垂直的裂縫拉張開，緩傾結(jié)構(gòu)面則由于錯動而局部張開，這二點與野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)的基座巖體張開現(xiàn)象一致(圖9、圖10)。

圖9 數(shù)值模型中已有裂隙的張開情況Fig.9 The openingpr-exist fractures in the numerical model

圖10 棺木嶺危巖體凹腔內(nèi)基座壓裂照片F(xiàn)ig.10 The picture of fractures in base mass of Guanmulingdangerous rock mass

值得注意的是，危巖體的基座和危巖體腳踵部拉裂區(qū)貫通后，危巖體的切割條件與計算前完全不一樣。這造成先前變形趨勢分析可能過于靜態(tài)，沒有考慮在水位周期下裂縫和破壞區(qū)的發(fā)展。如果考慮水位周期下破壞區(qū)的發(fā)展，危巖體可能沒有合適轉(zhuǎn)動點以支撐傾倒，因為轉(zhuǎn)動點都發(fā)生了破壞。水位變動條件下，巖體劣化發(fā)生后，基座巖體被壓裂和裂縫貫通，復(fù)雜的壓潰崩塌模式更可能成為現(xiàn)實。由于基座夾層破壞區(qū)的不均勻和沉降量的不均勻，危巖體會產(chǎn)生縱向裂縫，危巖體最終會解體崩塌破壞。這種壓潰崩塌破壞模式是基座壓潰后產(chǎn)生傾倒、滑移和墜落破壞的復(fù)合(混合)。

在沒有水位周期前，危巖體破壞區(qū)僅56個塊。隨著水位周期的增加，破壞區(qū)逐漸增加。破壞區(qū)增加幅度并不一致，在第2、6、10周期中破壞區(qū)增加較多。在第10個水位周期后，破壞區(qū)達(dá)到446個。從第6個周期開始，破壞區(qū)加速增加趨勢明顯。這說明多水位周期后，危巖體將開始進(jìn)入加速變形階段。采用初始模型不進(jìn)行水位周期的強(qiáng)度參數(shù)調(diào)整，計算11個水位周期相同的時步。發(fā)現(xiàn)在這一工況下破壞區(qū)數(shù)量為111個，是446個的24.9%。這111個破壞區(qū)以拉破壞為主，占比約80.2%。破壞區(qū)主要集中在凹腔附近基座兩夾層之間。這一分布類似于第1個水位周期后的破壞區(qū)分布。10次水位周期計算所得破壞區(qū)比相同時步、沒有劣化效應(yīng)時增加了近4倍。這充分說明了水位周期造成的巖體劣化效應(yīng)加速了危巖體演化進(jìn)程。集中破壞區(qū)發(fā)生位置的差異和破壞區(qū)的增加都表明，水位變動導(dǎo)致巖體劣化后，變形破壞模式也會發(fā)生轉(zhuǎn)化，由傾倒變形破壞模式轉(zhuǎn)為壓潰崩塌變形破壞模式(圖11、圖12)。

圖11 破壞區(qū)增長與水位周期增加的關(guān)系圖Fig.11 The mapshowing the relationship between failure zone increased and water level cycles

圖12 10次水位周期下原始模型的破壞區(qū)Fig.12 Failure zone of original model under ten water level cycles

4 討論

從水位周期條件下棺木嶺危巖體的數(shù)值分析可見，巖體的劣化不僅造成了材料的弱化，降低了危巖體的穩(wěn)定性，同時也影響了柱狀危巖體的失穩(wěn)模式。

自然條件下，一些柱狀危巖體的失穩(wěn)模式以結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)為主，例如滑移、傾倒等失穩(wěn)模式。這一種結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)模式的條件是存在控制性結(jié)構(gòu)面，如緩傾的滑移面或非常軟弱的基座。如果結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)的條件不存在時，危巖體的穩(wěn)定性將比較好。水位周期性變動造成柱狀危巖體低高程巖體快速劣化后，穩(wěn)定性下降。但值得注意的是，消落帶巖體強(qiáng)度的下降是材料的弱化，它會緩慢形成結(jié)構(gòu)上的弱化，即基座進(jìn)一步破壞或新生形成大型控制性結(jié)構(gòu)面。巖體強(qiáng)度的降低和結(jié)構(gòu)的弱化造成作用在剩余巖體上的力增加，基座裂隙逐步增加，巖體強(qiáng)度進(jìn)一步下降。材料弱化和結(jié)構(gòu)弱化二者互相促進(jìn)，最終會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)與材料的崩潰—危巖體的失穩(wěn)。

因此，柱狀危巖體的壓潰崩塌實際上是材料破壞引起的整體結(jié)構(gòu)破壞。這一分析需要進(jìn)一步進(jìn)行研究的是：

(1)數(shù)值計算中材料弱化帶來的破壞。這一問題表面上是材料弱化帶來的破壞怎么在后續(xù)計算中體現(xiàn)，實質(zhì)上是斜坡巖體破壞后強(qiáng)度問題。圍壓側(cè)限條件下，破壞巖體及其在水位周期變動下的表現(xiàn)值得深入研究。

(2)巖體劣化條件下壓潰崩塌的數(shù)值分析方法。本文采用偽時間的方式實現(xiàn)了時間相關(guān)的劣化效應(yīng)，但沒有開展壓潰崩塌的動態(tài)過程分析。巖體劣化條件下壓潰崩塌過程數(shù)值分析包括柱狀危巖體基座自由壓裂破碎—新生裂隙生長—巖體結(jié)構(gòu)解體—破壞過程，它涉及到了依賴時間的崩塌初始—啟動—運(yùn)動，相關(guān)數(shù)值方法值得探索和深入研究。

5 結(jié)論與建議

通過對三峽庫區(qū)柱狀危巖體野外調(diào)查和典型案例的室內(nèi)分析，得到了以下結(jié)論和建議：

(1)周期性水位變動造成了消落帶巖體劣化，大量柱狀危巖體被發(fā)現(xiàn)和重新認(rèn)識，包括箭穿洞危巖體、曲子灘危巖群和棺木嶺危巖體。它們發(fā)育于陡崖斜坡上，三維邊界較為清楚，呈柱狀或板柱狀，巖性構(gòu)成為“硬-相對軟-硬”的硬巖組合，體積5 000～360 000 m3不等。

(2)以棺木嶺危巖體為例開展了巖體劣化條件下柱狀危巖體變形破壞數(shù)值分析。危巖體初始破壞區(qū)主要集中在基座趾部巖體。隨著水位變動周期增多，裂縫和破壞區(qū)由危巖體踵部和趾部相對擴(kuò)展，破壞區(qū)主要集中在危巖體踵部。10次水位周期計算所得破壞區(qū)比相同時步、沒有劣化效應(yīng)時增加了近4倍。

(3)柱狀危巖體的穩(wěn)定性受控于基座巖體，巖體劣化使得危巖體穩(wěn)定性下降，也極大地影響了危巖體的失穩(wěn)模式。從數(shù)值分析來看，棺木嶺危巖體的變形破壞模式從原來的傾倒為主將轉(zhuǎn)為以壓潰崩塌為主。

(4)柱狀危巖體的壓潰崩塌實際上是材料破壞引起的整體結(jié)構(gòu)破壞，但在材料弱化帶來的破壞和時間相關(guān)的壓潰崩塌動態(tài)過程研究方面還需進(jìn)一步研究。

(5)由于水位變動后柱狀危巖體破壞區(qū)持續(xù)上升，建議柱狀危巖體的防治宜早，不宜等到出現(xiàn)大量宏觀破壞后進(jìn)行，這樣既可有效利用巖體自穩(wěn)能力又可減少投資。