三峽庫(kù)區(qū)巫峽段典型巖體劣化特征研究

閆國(guó)強(qiáng)，黃波林，代貞偉，秦 臻

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205)

三峽庫(kù)區(qū)存在大面積以碳酸鹽巖為主的可溶性巖石分布區(qū)。由于三峽工程的建設(shè)，形成了在高程145～175 m之間的水位消落帶。在庫(kù)水位升、降循環(huán)中，變幅帶巖土體處于一種浸泡-風(fēng)干交替狀態(tài)，這種干濕交替作用對(duì)巖土體來(lái)說(shuō)是一種“劣化損傷作用”[1-2]。因?yàn)閹r溶岸坡消落帶巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，疊加水位周期性變動(dòng)，庫(kù)水/地下水與碳酸巖岸坡的干-濕，浸泡-風(fēng)干交互作用活躍[3]，這加速了碳酸鹽巖岸坡變形破壞演化與巖體劣化進(jìn)程[4]。三峽庫(kù)區(qū)巫峽段廣泛分布順層灰?guī)r岸坡，順層岸坡本身作為極易誘發(fā)大型滑坡的結(jié)構(gòu)類型[5-7]，疊加碳酸鹽巖體劣化效應(yīng)，其潛在的威脅十分巨大。

前期國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)三峽庫(kù)區(qū)紅層軟巖，尤以侏羅系泥質(zhì)砂巖為典型代表的水敏性巖體研究甚多[8]。如王思敬等[9]，劉新榮等[10]，周翠英等[11]，鄧華鋒等[1]都對(duì)砂巖試樣進(jìn)行了干濕循環(huán)試驗(yàn)以及相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明干濕循環(huán)對(duì)砂巖造成了不可逆的漸進(jìn)性劣化損傷，砂巖的抗剪強(qiáng)度、彈性模量、抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等隨著“飽和-風(fēng)干”循環(huán)作用次數(shù)的增加而呈現(xiàn)不同程度的降低。

由于碳酸鹽巖的水巖相互作用一般比較緩慢[3]，峽谷區(qū)碳酸鹽巖岸坡一直被認(rèn)為是比較穩(wěn)定的區(qū)域，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有引起足夠重視，因此對(duì)碳酸鹽巖岸坡在庫(kù)水循環(huán)周期下的劣化損傷研究較少。Sandra Dochez[12]研究了不同pH值溶液對(duì)灰?guī)r的溶蝕作用，以及對(duì)灰?guī)r巖橋的改造；閻巖[13]、Liu Changwu[14]開展了水巖直接接觸的多級(jí)灰?guī)r蠕變損傷試驗(yàn)；M Mutluturk[15]開展了灰?guī)r的凍融、冷熱循環(huán)試驗(yàn)，并建立巖體的劣化強(qiáng)度控制方程；夏冬[16]開展了周期性飽水對(duì)灰?guī)r力學(xué)特性的損傷試驗(yàn)，建立了巖石損傷演化方程?？梢?jiàn)對(duì)于碳酸鹽巖的研究目前主要集中在比較極端工況下進(jìn)行巖體性質(zhì)的劣化損傷探討：如酸堿環(huán)境、凍融循環(huán)、冷熱循環(huán)、高水壓蠕變損傷等，但對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)這一特定工況下，無(wú)凍融無(wú)高壓的干濕循環(huán)下巖體劣化損傷研究較少。

本文基于對(duì)三峽庫(kù)區(qū)巫峽段灰?guī)r岸坡的野外調(diào)查，闡明劣化變形破壞模式，結(jié)合三維激光掃描對(duì)巖體表層宏-細(xì)觀劣化進(jìn)行定量研究；現(xiàn)場(chǎng)采取兩種典型灰?guī)r巖樣進(jìn)行室內(nèi)30～50次的飽和-風(fēng)干劣化試驗(yàn)，研究?jī)煞N典型巖樣力學(xué)性質(zhì)的衰減變化?；谑覂?nèi)試驗(yàn)，查明巖體強(qiáng)度劣化情況并建立基于核衰變的劣化控制方程。

1 灰?guī)r岸坡原位宏觀劣化研究

課題組于2008—2019年間對(duì)三峽庫(kù)區(qū)巫峽段巖溶岸坡進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤調(diào)查。巖溶岸坡的主要地層層位為二疊系和三疊系，其中又以三疊系大冶組和嘉陵江組最為發(fā)育。最初的巖體劣化現(xiàn)象在龔家坊—獨(dú)龍一帶發(fā)現(xiàn)[17]，爾后多樣化的巖體劣化在許多巖溶岸坡中發(fā)現(xiàn)，如箭穿洞—剪刀峰段順層灰?guī)r岸坡的劣化現(xiàn)象極為顯著(圖1)。

岸坡巖體在長(zhǎng)時(shí)間不斷干濕交替、化學(xué)溶蝕、浪蝕/沖蝕等物理化學(xué)作用下，巖體強(qiáng)度逐漸劣化。促使已有節(jié)理裂隙進(jìn)一步加寬變深，同時(shí)沿著裂縫尖端形成新生擴(kuò)展裂縫，這又進(jìn)一步加劇了巖體劣化。在巫山龔家坊4號(hào)斜坡、青石6號(hào)斜坡消落帶上都發(fā)現(xiàn)了大量側(cè)向侵蝕和坡面侵蝕現(xiàn)象。由于物理化學(xué)侵蝕，坡面上形成了大小不等的溶溝、溶洞，劣化嚴(yán)重者崩解成碎裂巖體(圖2a)。在巫峽箭穿洞—剪刀峰段順層灰?guī)r岸坡也發(fā)現(xiàn)了大量機(jī)械淘蝕、溶蝕/潛蝕和裂縫擴(kuò)展、崩塌掉塊現(xiàn)象，這些現(xiàn)象顯然是受巖溶、水力侵蝕影響劣化形成的。局部順層岸坡底部由于受侵蝕劣化脫空，形成良好臨空面，上部巖層出露，存在潛在的沿層面滑移-拉裂破壞的風(fēng)險(xiǎn)(圖2b)。

圖1 三峽庫(kù)區(qū)巖性分布圖及巫峽段巖體劣化重點(diǎn)調(diào)查區(qū)圖Fig.1 Lithological distribution map of the Three Gorges Reservoir area and the major investigation locations of rock mass deterioration in the Wuxia Gorge

圖2 龔家坊4#斜坡與箭穿洞—剪刀峰段順層灰?guī)r岸坡劣化現(xiàn)象Fig.2 Slope erosion deterioration of the Gongjiafang 4# slope and Jianchuandong—Jiandaofeng consequent bedding limestone reservoir slope

借助于新近發(fā)展的三維激光掃描和點(diǎn)云對(duì)比分析技術(shù)對(duì)選定的岸坡原位劣化區(qū)進(jìn)行了長(zhǎng)期定量化觀測(cè)。分別選取兩個(gè)典型原位測(cè)區(qū)(2 m×2 m)，對(duì)泥質(zhì)條帶掏蝕以及巖面溶蝕溝槽的形成進(jìn)行宏-細(xì)觀的定量化研究，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試更加具有說(shuō)服力和可靠性。由于庫(kù)水蓄水前并未進(jìn)行三維激光掃描，泥質(zhì)填充條帶是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)填充土進(jìn)行蓄水前狀態(tài)的還原，然后歷時(shí)兩個(gè)庫(kù)水循環(huán)后，再次進(jìn)行三維激光掃描，并利用兩期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到侵蝕的定量化數(shù)據(jù)。同時(shí)通過(guò)原位照片圖3(a)(b)也不難發(fā)現(xiàn)由于受庫(kù)水周期性的侵蝕、劣化作用，測(cè)區(qū)泥質(zhì)填充條帶發(fā)生了肉眼可見(jiàn)的變化，填充區(qū)變寬、加深。

圖3 巫峽青石6#斜坡測(cè)區(qū)(2 m×2 m)泥質(zhì)填充條帶侵蝕Fig.3 Erosion of argillaceous filling strips in the Qingshi 6# slope survey area (2 m×2 m) of the Wuxia Gorge

由圖3可以看出兩次庫(kù)水循環(huán)后人工回填的泥質(zhì)填充帶幾乎被掏蝕殆盡，通過(guò)兩期三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出泥質(zhì)條帶侵蝕量非常明顯，沿著泥質(zhì)填充條帶提取19個(gè)記錄點(diǎn)的信息(圖3c、d)，可以看出從上到下侵蝕量整體趨向變強(qiáng)，上部侵蝕量最小值為13.3 mm，下部記錄點(diǎn)19的侵蝕量明顯增大，達(dá)到83.84 mm。受中間節(jié)理、大開孔水巖接觸面影響，掏蝕、溶蝕作用非常強(qiáng)烈，形成一個(gè)局部的極深溶蝕孔洞，侵蝕深度高達(dá)156.46 mm。這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)(圖3a、b)一致，在重力作用下，周期循環(huán)的庫(kù)水位由上而下掏蝕作用漸趨增強(qiáng)，故泥質(zhì)填充條帶整體從上到下侵蝕深度增加，受到局部節(jié)理裂隙、孔洞接觸面的影響，會(huì)出現(xiàn)局部的侵蝕放大作用。同時(shí)觀察圖4(a)、(b)溶蝕溝槽原位圖與三維激光掃描點(diǎn)云圖，可以看出測(cè)區(qū)中下部出現(xiàn)明顯的刀砍紋現(xiàn)象?！暗犊臣y”狀溶蝕溝槽的形成與此處白云質(zhì)灰?guī)r的礦物組成密切相關(guān)，其中的方解石(主要成分為CaCO3)極易受巖溶作用形成溝槽，而殘留巖體的白云石(主要成分為CaMg(CO3)2)含量較高抗溶蝕性強(qiáng)形成了峰脊，這種“差異溶蝕”作用，導(dǎo)致白云質(zhì)灰?guī)r“刀砍紋”現(xiàn)象密布(圖4c)，現(xiàn)場(chǎng)的原位調(diào)查也證實(shí)了這一論斷，“刀砍紋”狀溶蝕溝槽的底部有大量明顯的方解石脈露頭(圖4c)。隨著“刀砍紋”狀溝槽溶蝕加深、變寬、劣化，巖體逐漸崩解碎裂，會(huì)大大削弱岸坡的穩(wěn)定性，尤其是對(duì)于巫峽區(qū)域廣泛分布的順層灰?guī)r岸坡尤為不利。

圖4 巫峽青石6#斜坡區(qū)溶蝕溝槽“刀砍紋”三維激光掃描點(diǎn)云與方解石脈露頭Fig.4 3D laser scanning point cloud and calcite outcrop of dissolution groove (knife cut pattern) in the Qingshi 6 # slope of the Wuxia Gorge

2 室內(nèi)灰?guī)r干濕循環(huán)試驗(yàn)及其劣化特征

為進(jìn)一步定量化研究灰?guī)r岸坡劣化規(guī)律，在箭穿洞—剪刀峰段分別選取劣化特征典型的三疊系大冶組(T1d)和嘉陵江組(T1j)灰?guī)r進(jìn)行室內(nèi)劣化試驗(yàn)(圖5)。將現(xiàn)場(chǎng)取回的T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r與T1j白云質(zhì)灰?guī)r巖樣，在室內(nèi)嚴(yán)格按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[18]精度要求加工成底面直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣。在初次干燥完成并冷卻至室溫后進(jìn)行巖樣縱波波速測(cè)試，篩選并剔除具有明顯缺陷及離散性較大的不合格試樣。試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的 RMT-150C巖石力學(xué)數(shù)字控制式電液伺服試驗(yàn)機(jī)(圖5)，該儀器可完成單(三)軸壓縮等多種巖石力學(xué)試驗(yàn)。儀器為全自動(dòng)試驗(yàn)儀器，它集電子、傳感、機(jī)械等技術(shù)于一身。儀器最大軸向靜出力1 000 kN，最大圍壓50 MPa，最大軸向行程為50 mm，測(cè)量精度滿足試驗(yàn)要求[19]。

通過(guò)“飽和-風(fēng)干”循環(huán)過(guò)程模擬庫(kù)岸消落帶巖體的實(shí)際賦存環(huán)境，按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程對(duì)經(jīng)歷不同“飽和-風(fēng)干”循環(huán)的T1d與T1j灰?guī)r開展單(三)軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、單軸壓縮變形試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，測(cè)定不同“飽和-風(fēng)干”循環(huán)下兩種灰?guī)r的單軸干燥(飽和)抗壓強(qiáng)度σcd(σcs)、變形模量Es、彈性模量E、泊松比μ等。對(duì)應(yīng)設(shè)定的每一循環(huán)工況，每種力學(xué)測(cè)試至少需要3塊試樣，取平均值為該組測(cè)試值。

具體單次飽和風(fēng)干循環(huán)過(guò)程如下：將室溫冷卻的巖石試樣放入吸水箱中自由吸水48 h后，放入真空泵中進(jìn)行真空飽和抽氣4 h，大氣壓下水中靜置4 h，此時(shí)巖體狀態(tài)為飽和狀態(tài)，可進(jìn)行巖體的飽和抗壓試驗(yàn)。然后將試樣取出擦干，放置在105～107 ℃的恒溫烘箱中烘24 h后室溫冷卻，此時(shí)巖體狀態(tài)為完全干燥狀態(tài)，可進(jìn)行巖體的干燥抗壓試驗(yàn)。將巖石樣品進(jìn)行上述多周期“飽和-風(fēng)干”循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)不同循環(huán)次數(shù)的試件進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)；T1d與T1j兩種巖樣的 “飽和-風(fēng)干”循環(huán)過(guò)程一樣，僅在于循環(huán)次數(shù)以及測(cè)試的力學(xué)屬性不同：利用150塊T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r樣品進(jìn)行了0，5，15，20，30次浸泡-風(fēng)干循環(huán)下的各種力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)(表1)。利用330塊T1j白云質(zhì)灰?guī)r樣品進(jìn)行了0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50次浸泡-風(fēng)干循環(huán)下的各種力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)(表2)。

表1 三疊系大冶組泥質(zhì)條帶灰?guī)r(T1d)樣品力學(xué)測(cè)試結(jié)果

表2 三疊系嘉陵江組白云質(zhì)灰?guī)r(T1j)樣品力學(xué)測(cè)試結(jié)果

由表1可知，經(jīng)過(guò)30次循環(huán)后T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r巖樣單軸抗壓強(qiáng)度σcd(σcs)和抗拉強(qiáng)度σt總體下降約21%～28%，平均每循環(huán)的下降率為0.7%～0.9%。巖樣黏聚力c隨著循環(huán)次數(shù)增加，下降率趨于減少，經(jīng)過(guò)30次循環(huán)后，總下降率約28.4%。巖樣的內(nèi)摩擦角φ經(jīng)過(guò)30次循環(huán)后下降約12.9%。變形參數(shù)在30次循環(huán)中劣化最為顯著，變形模量Es下降42.2%，彈性模量E下降41.2%，泊松比上升16.7%。盡管Es、E單次循環(huán)下降率較小，最大也僅1.4%，但近30個(gè)循環(huán)累計(jì)下降率高達(dá)42.2%，造成了巖體的強(qiáng)烈劣化。值得注意的是，30次循環(huán)中黏聚力c無(wú)論是累計(jì)下降率還是單次下降率都是內(nèi)摩擦角φ的2.2倍之多；說(shuō)明巖樣“飽和-風(fēng)干”對(duì)于黏聚力c劣化影響遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角φ，這與鄧華鋒[1]以及劉新榮[10,20]的研究相似，但數(shù)值明顯小于上述文獻(xiàn)的研究值，這與本文研究對(duì)象灰?guī)r的致密性遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)研究對(duì)象砂巖有關(guān)。c、φ下降的原因在于水對(duì)礦物顆粒接觸面或膠結(jié)物的溶解、潤(rùn)滑、劣化作用，導(dǎo)致凝聚力c明顯下降；其次由于巖體中溶解、擴(kuò)散等因素的影響，使得顆粒間接觸邊緣鋸齒狀或不規(guī)則狀趨向圓滑，從而使鋸齒部分的強(qiáng)度下降，進(jìn)而使內(nèi)摩擦角φ下降。

同樣的由表2不難看出與表1相似的劣化規(guī)律，經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后T1j白云質(zhì)灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度σcd(σcs)累計(jì)下降28.5%～33.9%，平均每次循環(huán)的下降率為0.6%～0.7%。變形模量Es與彈性模量E分別下降34.5%、33.3%，平均每次循環(huán)的下降率為0.7%。對(duì)比表1、表2單軸抗壓強(qiáng)度σcd(σcs)、變形模量Es與彈性模量E的單次循環(huán)平均下降率，不難看出：T1j白云質(zhì)灰?guī)r下降率明顯小于T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r，表征了T1j白云質(zhì)灰?guī)r相比T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r具有更高的抗劣化性能。原因在于T1j白云質(zhì)灰?guī)r含有大量白云石，其強(qiáng)度和耐劣化性能優(yōu)于灰?guī)r中的方解石；而現(xiàn)場(chǎng)宏-細(xì)觀調(diào)查研究也證實(shí)了這一設(shè)想，剪刀峰—青石附近岸坡T1j白云質(zhì)灰?guī)r巖面常形成縱橫交錯(cuò)的溶蝕溝槽，溶蝕溝槽底部明顯有方解石脈露頭，突出殘留的耐溶蝕“峰脊”常為白云石含量較高的灰?guī)r(圖4)。由此也可以推測(cè)順層T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r岸坡的劣化程度及潛在危險(xiǎn)要略高于順層T1j白云質(zhì)灰?guī)r岸坡。

3 基于核衰變的劣化控制方程

前期學(xué)者對(duì)于飽和-風(fēng)干循環(huán)下砂巖的力學(xué)性質(zhì)研究成果眾多[1-2,9-11,15,19-21]。已有砂巖巖樣測(cè)試成果中多數(shù)學(xué)者通過(guò)回歸擬合成為線性方程[21]、多項(xiàng)式[2]、指數(shù)或?qū)?shù)形式[1,10-11,15,20]，但利用碳酸鹽巖進(jìn)行浸泡-風(fēng)干循環(huán)下巖石劣化研究相對(duì)較少。單純的數(shù)學(xué)擬合沒(méi)有考慮巖體實(shí)際的物理力學(xué)屬性，容易淪為純粹的數(shù)學(xué)游戲?，F(xiàn)實(shí)中完整的巖體經(jīng)受物理化學(xué)溶蝕/侵蝕作用，即使完全碎裂甚至全風(fēng)化為土體仍保持一定的力學(xué)性能。這與物理學(xué)中核衰變方程的思想相近，即使歷經(jīng)無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間衰變?nèi)员Ｓ幸欢ǖ脑訑?shù)，故本文借鑒核衰變方程來(lái)描述巖體力學(xué)參數(shù)的衰減劣化過(guò)程。

核物理學(xué)中，對(duì)于某一放射性元素集合體，在dt時(shí)間內(nèi)衰變的原子數(shù)dN與此刻對(duì)應(yīng)母核數(shù)N和dt乘積成正比。相似的這里我們將其定義為對(duì)于某一指定巖體，在dt時(shí)間內(nèi)巖體物理力學(xué)參數(shù)劣化量dN與此刻對(duì)應(yīng)的參數(shù)值N和dt乘積成正比，如下：

dN=-λNdt

(1)

式(1)中負(fù)號(hào)表示隨時(shí)間/循環(huán)周期遞增，對(duì)應(yīng)物理力學(xué)參數(shù)呈負(fù)相關(guān)衰變。假設(shè)原始t0=0時(shí)刻，原始物理力學(xué)參數(shù)數(shù)值為N0，將其作為邊界條件代入式(1)積分可得：

N(t)=N0e-λt

(2)

式(2)即可作為巖體物理力學(xué)參數(shù)劣化的回歸算式。N0為初始物理力學(xué)參數(shù)，t為時(shí)間或者不同工況循環(huán)周期。借鑒核物理學(xué)中半衰期T1/2的含義描述核衰變快慢，這里引入半衰期描述巖體劣化的快慢。將t=T1/2代入式(2)，此時(shí)N(T1/2)=1/2N0，則由式(2)可得巖體劣化的半衰期為T1/2：

N(t)/N0=1/2=e-λt

(3)

T1/2=ln2/λ=0.693/λ

(4)

由式(4)不難看出，只需結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到λ即可得巖體劣化的半衰期T1/2。同樣由λ及式(3)可計(jì)算出任意劣化強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的循環(huán)周期，由λ及式(2)可知任意時(shí)刻的劣化強(qiáng)度。借鑒核衰變物理學(xué)，定義λ為巖體劣化的衰變常數(shù)或者劣化常數(shù)。為了論證該劣化控制方程的可行性，運(yùn)用表1、表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸驗(yàn)證(圖6～7)。其中泊松比隨循環(huán)周期增加而遞增，可見(jiàn)泊松比并非衡量巖體力學(xué)性能劣化的直接指標(biāo)。

由圖6～7知，采用基于核衰變方程的劣化控制式(2)進(jìn)行回歸，無(wú)論是T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r還是T1j白云質(zhì)灰?guī)r，各物理參數(shù)擬合度均較高，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.861 9～0.999 3，表明利用核衰變的劣化控制式(2)描述該區(qū)段的灰?guī)r劣化是可行的。根據(jù)求得的劣化控制方程及對(duì)應(yīng)的劣化常數(shù)，由式(4)進(jìn)一步解得巖體劣化的半衰期。

對(duì)比兩種巖樣單軸抗壓強(qiáng)度σcd、σcs、變形模量Es、彈性模量E等對(duì)應(yīng)的劣化常數(shù)λ、半衰期T1/2的數(shù)值(表3)，同一物理力學(xué)參數(shù)，T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r對(duì)應(yīng)的劣化常數(shù)大于T1j白云質(zhì)灰?guī)r，半衰期小于T1j白云質(zhì)灰?guī)r，可見(jiàn)T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r相比T1j白云質(zhì)灰?guī)r受干濕循環(huán)劣化作用更加明顯，與前文表1、表2呈現(xiàn)的規(guī)律一致。且由表3可知，T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)劣化常數(shù)以及半衰期大體可以分為4個(gè)分布簇(圖8)，間接反映出即使是同一巖體不同物理參數(shù)在相同的干濕循環(huán)下對(duì)應(yīng)的劣化量也并不同步。變形參數(shù)Es(E)劣化最快，劣化常數(shù)約0.018，半衰期約40次；內(nèi)摩擦角劣化最慢，劣化常數(shù)為0.004 5，半衰期高達(dá)154次；其他強(qiáng)度參數(shù)次之，劣化常數(shù)約0.008 1～0.011 4，半衰期約61～86次。其中飽和單軸抗壓強(qiáng)度相比干燥單軸抗壓強(qiáng)度劣化明顯較快，表明巖體含水量對(duì)干濕循環(huán)劣化作用影響顯著。

表3 兩類巖樣的劣化常數(shù)λ及其對(duì)應(yīng)的半衰期T1/2

圖6 T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r各物理參數(shù)劣化曲線及劣化控制方程Fig.6 Deterioration curve and deterioration control equation of physical parameters of the T1d argillaceous strip limestone

圖7 T1j白云質(zhì)灰?guī)r各物理參數(shù)劣化曲線及劣化控制方程Fig.7 Deterioration curve and deterioration control equation of physical parameters of the T1j dolomitic limestone

圖8 T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r各物理參數(shù)對(duì)應(yīng)劣化常數(shù)λ、半衰期T1/2分布簇Fig.8 Distribution clusters of deterioration constant λ and half-life T1/2 corresponding to physical parameters of theT1d argillaceous strip limestone

4 討論

基于巫峽段灰?guī)r岸坡現(xiàn)場(chǎng)宏-細(xì)觀定量化研究，本文現(xiàn)場(chǎng)采取兩種巖性的灰?guī)r進(jìn)行室內(nèi)“飽和-風(fēng)干”循環(huán)劣化還原試驗(yàn)。試驗(yàn)表明相同參數(shù)T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r劣化速率明顯快于T1j白云質(zhì)灰?guī)r，這與兩種巖性的礦物組成及孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，T1j白云質(zhì)灰?guī)r含有大量白云石(主要成分為CaMg(CO3)2)，其強(qiáng)度和耐劣化性能優(yōu)于灰?guī)r中的方解石(主要成分為CaCO3)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也證實(shí)了這一設(shè)想，剪刀峰—青石附近岸坡T1j白云質(zhì)灰?guī)r巖面常形成縱橫交錯(cuò)的溶蝕溝槽，溶蝕溝槽底部明顯有方解石脈露頭，突出殘留的耐溶蝕“峰脊”常為白云石條帶或白云石含量較高的灰?guī)r(圖4)。同時(shí)T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r含泥量較高，細(xì)小孔隙較多，微觀結(jié)構(gòu)較為疏松，力學(xué)性能差，也是造成其劣化速率明顯高于T1j白云質(zhì)灰?guī)r的原因。

根據(jù)灰?guī)r的劣化損傷特征，本文引入基于核衰變的劣化控制式：N(t)=N0e-λt，對(duì)兩種灰?guī)r的劣化損傷進(jìn)行回歸(圖6～7)。本式類比核衰變物理含義，引入劣化常數(shù)λ、半衰期T1/2對(duì)灰?guī)r的劣化速率以及相關(guān)性能進(jìn)行全面描述，為后期研究提供了一種新的思考視角。由于本文僅對(duì)兩種典型灰?guī)r進(jìn)行了“飽和-風(fēng)干”循環(huán)劣化試驗(yàn)，需要進(jìn)一步系統(tǒng)地對(duì)不同巖性灰?guī)r進(jìn)行干濕循環(huán)劣化試驗(yàn)，進(jìn)一步豐富確認(rèn)該灰?guī)r劣化控制方程式的可靠性。

基于劣化常數(shù)、半衰期對(duì)兩種巖性灰?guī)r進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)即使是同一巖性灰?guī)r，不同的物理參數(shù)對(duì)應(yīng)的劣化常數(shù)、半衰期是不相同的，呈現(xiàn)“簇狀”分布特征。這與室內(nèi)干濕循環(huán)劣化試驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)一致。即使同一巖性，對(duì)應(yīng)的不同物理參數(shù)，其劣化速率也是明顯不同的，呈現(xiàn)出相似力學(xué)參數(shù)，相似劣化現(xiàn)象的“簇狀”分布特征。其中變形參數(shù)Es(E)劣化最快，內(nèi)摩擦角劣化最慢，其他強(qiáng)度參數(shù)次之。飽和單軸抗壓強(qiáng)度相比干燥單軸抗壓強(qiáng)度劣化明顯較快，表明巖體含水量對(duì)干濕循環(huán)劣化作用顯著。這也側(cè)面反映出引入劣化常數(shù)、半衰期的劣化控制方程N(yùn)(t)=N0e-λt能較好地描述灰?guī)r劣化特征。

從現(xiàn)場(chǎng)宏-細(xì)觀劣化現(xiàn)象到室內(nèi)“飽和-風(fēng)干”循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)的劣化試驗(yàn)更多的是針對(duì)巖石這一較為純粹、均質(zhì)的對(duì)象，并沒(méi)有考慮薄弱結(jié)構(gòu)面的影響。但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查以及三維激光掃描點(diǎn)云分析可知，巖體被泥質(zhì)填充條帶以及溶蝕溝槽、層間膠結(jié)、節(jié)理裂隙等切割。由于這些薄弱層影響因素的存在導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)巖體的劣化速率要遠(yuǎn)大于室內(nèi)巖石劣化試驗(yàn)的速率。即野外巖體半衰期要遠(yuǎn)小于室內(nèi)的劣化試驗(yàn)，野外巖體對(duì)應(yīng)物理力學(xué)性能要比室內(nèi)所得劣化控制方程及參數(shù)“弱”得多。在運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)所得劣化控制方程來(lái)指導(dǎo)預(yù)估現(xiàn)場(chǎng)巖體的物理力學(xué)性能時(shí)，要充分考慮到各種軟弱結(jié)構(gòu)面 “加速劣化”的影響，否則極易發(fā)生“高估”現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)性能和岸坡穩(wěn)定性的情況，這些軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體劣化和岸坡穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性的作用。由于結(jié)構(gòu)面劣化研究難度較大，目前相關(guān)研究資料極少[22]，可以參考《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50218—2014)[23]中BQ分級(jí)以及GSI、Hoek-Brown準(zhǔn)則的思想根據(jù)巖體的完整、破碎程度，對(duì)岸坡巖體原位強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)估。

5 結(jié)論

(1)巫峽段灰?guī)r岸坡受庫(kù)水長(zhǎng)期的物理化學(xué)作用，宏觀劣化明顯，局部岸坡底部受侵蝕劣化脫空，形成巖層出露的臨空面，存在潛在滑移-拉裂破壞。三維激光掃描點(diǎn)云對(duì)比分析表明巖體劣化主要沿著泥質(zhì)填充條帶等薄弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)“刀砍紋”狀溶蝕溝槽的差異劣化與白云石和方解石抗溶蝕性能密切相關(guān)。

(2)室內(nèi)干濕循環(huán)劣化試驗(yàn)表明，T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r的劣化速率明顯高于T1j白云質(zhì)灰?guī)r，原因在于T1j白云質(zhì)灰?guī)r含有大量白云石，其強(qiáng)度和耐劣化性能優(yōu)于T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r中的方解石，與現(xiàn)場(chǎng)“刀砍紋”狀溶蝕溝槽現(xiàn)象吻合。同時(shí)T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r含泥量較高，力學(xué)性能差，也是造成T1d泥質(zhì)條帶灰?guī)r劣化速率明顯高于T1j白云質(zhì)灰?guī)r的原因。

(3)基于核衰變劣化控制方程進(jìn)行回歸，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.861 9～0.999 3。引入劣化常數(shù)λ、半衰期T1/2對(duì)兩種巖性劣化特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)同一巖性不同物理參數(shù)對(duì)應(yīng)的劣化常數(shù)、半衰期是不相同的，呈現(xiàn)“簇狀”分布，與室內(nèi)試驗(yàn)表現(xiàn)一致。即同一巖性，對(duì)應(yīng)的不同物理參數(shù)，其劣化速率明顯不同，且呈現(xiàn)出相似力學(xué)參數(shù)，相似劣化速率的“簇狀”分布特征。

(4)運(yùn)用室內(nèi)劣化試驗(yàn)所得劣化控制方程評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)性能和岸坡穩(wěn)定時(shí)，要考慮到現(xiàn)場(chǎng)巖體由于各種結(jié)構(gòu)面的存在，其劣化速率遠(yuǎn)大于室內(nèi)，對(duì)應(yīng)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)和半衰期遠(yuǎn)小于室內(nèi)。建議參考BQ、GSI分級(jí)思想根據(jù)巖體的完整、破碎程度對(duì)室內(nèi)所得劣化控制式和力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)折減和進(jìn)一步深入研究。