三峽水庫(kù)消落帶斜坡巖體劣化過(guò)程地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)研究

殷躍平，閆國(guó)強(qiáng)，黃波林，代貞偉，秦 臻

（1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002；4.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）

1 研究背景

自2008年三峽工程175 m 高程設(shè)計(jì)水位試驗(yàn)性運(yùn)行以來(lái)，在高程145～175 m之間形成了高差達(dá)30 m 的水庫(kù)消落帶[1]（圖1）。庫(kù)水位循環(huán)消落導(dǎo)致巖土體損傷劣化，并引發(fā)了滑坡、崩塌和次生涌浪災(zāi)害[2-3]。不少學(xué)者從干濕循環(huán)的角度對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行了廣泛深入的討論，基于室內(nèi)巖樣開(kāi)展了系列工況下的物理化學(xué)劣化實(shí)驗(yàn)[4-7]。文獻(xiàn)[8-11]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)巫峽陡坡地段龔家坊滑坡、青石箭穿洞危巖體的研究表明，消落帶岸坡巖體的損傷劣化，不僅與干濕循環(huán)交替相關(guān)，而且還受如下因素的影響：（1）蓄水位及其升降速率和變幅所產(chǎn)生的水壓力差異；（2）巖體裸露和淹沒(méi)時(shí)間差異；（3）地下水化學(xué)潛蝕和機(jī)械潛蝕[12]。此外，巖體中分布的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面和裂隙在劣化過(guò)程中起到了催化、加速損傷劣化的作用[11]。目前，對(duì)這些問(wèn)題的研究大多還是采用在室內(nèi)環(huán)境對(duì)標(biāo)準(zhǔn)巖芯開(kāi)展[4-7]，揭示的規(guī)律與三峽庫(kù)區(qū)實(shí)際的水位消落帶巖體劣化速率和程度差異明顯[11，13]。

為了更好地揭示三峽庫(kù)區(qū)消落帶岸坡巖體損傷劣化特征和失穩(wěn)規(guī)律，本文以三峽庫(kù)區(qū)巫峽石灰?guī)r地段為試驗(yàn)區(qū)，開(kāi)展水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的原位測(cè)試研究，采用原位跨孔聲波測(cè)試和井下電視方法獲取了不同深度下巖體物理力學(xué)參數(shù)。將引入時(shí)間變量的概念，研究隨水位長(zhǎng)期消落變化下斜坡巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)的變化特征，同時(shí)，還將研究隨時(shí)間變化的巖體強(qiáng)度指標(biāo)GSI（Geological Strength Index）與廣義H-B準(zhǔn)則應(yīng)用，為評(píng)價(jià)巖體損傷劣化及岸坡穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)。

圖1 三峽庫(kù)區(qū)巫峽段消落帶巖體劣化導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低

2 基于原位跨孔波速的消落帶巖體GSI量化

2.1 廣義H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則Hoek[14]和Brown[15]在分析Griffith強(qiáng)度理論和修正的Griffith 強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)[16-18]上，通過(guò)大量三軸實(shí)驗(yàn)提出了完整巖石的經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度公式即為狹義的H-B 強(qiáng)度準(zhǔn)則[19-20]：

式中：σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；σci為無(wú)側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度；mi為完整巖石的材料常數(shù)。

而后，Hoek 等[21-22]引入可以將實(shí)際工程地質(zhì)條件與狹義的H-B準(zhǔn)則統(tǒng)一到一起的地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)GSI 并形成如今的廣義H-B準(zhǔn)則：

式中：mb、s、a可通過(guò)GSI 指數(shù)求取，具體見(jiàn)下式：

Ramsey 等[23]以及Bobich[24]進(jìn)行大量張拉實(shí)驗(yàn)，將廣義H-B準(zhǔn)則曲線推廣至拉應(yīng)力（負(fù)值），引入材料參數(shù)mi給出了一個(gè)近似拉壓比經(jīng)驗(yàn)公式：

Hoek 等[25]根據(jù)中國(guó)大量工程實(shí)例通過(guò)GSI以及完整巖石的變形模量Ei得出巖體變形模量Erm的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

同時(shí)Hoek 等[25]指出當(dāng)無(wú)法進(jìn)行有效的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取完整巖石的變形模量Ei時(shí)，可以根據(jù)Deere[26]提出的巖石折減系數(shù)進(jìn)行等效替換，并得出經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下：

對(duì)于完整巖體材料參數(shù)有mi，s=1，a=0.5，且對(duì)于完整巖體來(lái)講GSI=100，此時(shí)式（2）變形為式（1），即狹義的H-B準(zhǔn)則是廣義H-B準(zhǔn)則的一種特殊情況。式中D為擾動(dòng)因子，根據(jù)巖體爆炸破壞和應(yīng)力松弛的擾動(dòng)程度而定0 ＜D＜1，對(duì)于無(wú)明顯人為擾動(dòng)可取D=0。

Schwartz[27]根據(jù)印度石灰?guī)r三軸實(shí)驗(yàn)得出該準(zhǔn)則的適用范圍是從剪切破壞到延性破壞的轉(zhuǎn)折點(diǎn)σ1=4σ3之前，該準(zhǔn)則被最新版H-B準(zhǔn)則[28]所采納（圖2）；Mogi[29]則指出該剪切破壞到延性破壞的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是σ1=3.4σ3?？梢?jiàn)H-B準(zhǔn)則的適用范圍更多僅適用于剪張脆性破壞，對(duì)于高圍壓狀態(tài)下的深埋硐室與礦山邊坡強(qiáng)度估算是不合理的[30]，不能隨意擴(kuò)大H-B準(zhǔn)則的適用外延。

圖2 H-B準(zhǔn)則的適用范圍

2.2 改進(jìn)的GSI定量評(píng)價(jià)方法GSI值需要通過(guò)地質(zhì)工程師現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定，其可靠性取決于專家的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，GSI值主要用于分區(qū)分段評(píng)價(jià)巖體當(dāng)前的工程地質(zhì)特性，具有靜態(tài)屬性。三峽庫(kù)區(qū)消落帶的巖體是從初始階段的漸進(jìn)持續(xù)劣化到后期階段的快速碎裂滑移失穩(wěn)的演化過(guò)程，具有時(shí)效性，很難用單一時(shí)刻的GSI進(jìn)行刻畫(huà)。采用在消落帶現(xiàn)場(chǎng)獲取的多時(shí)段原位跨孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)原位波速比時(shí)效曲線可構(gòu)建與GSI之間的取值關(guān)系。根據(jù)已有BQ 分級(jí)與國(guó)際RMR 分級(jí)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，將RMR與GSI進(jìn)行等價(jià)互換，這樣就建立了從聲波波速比KV、國(guó)標(biāo)BQ 分級(jí)、RMR 至GSI系統(tǒng)（H-B準(zhǔn)則）之間的技術(shù)路線。根據(jù)國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50218-2014》有：

根據(jù)文獻(xiàn)[31]研究，BQ與RMR之間關(guān)系有：

而當(dāng)RMR≥23 時(shí)有[32]：

式中：RC為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度；KV表征現(xiàn)場(chǎng)巖體完整性指數(shù)，與節(jié)理切割、巖石塊度相關(guān)，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跨孔聲波測(cè)量，具體公式有：為巖體彈性縱波速度（km/s），Vpr為巖石彈性縱波速度（km/s）；RMR為1989年版本的RMR系統(tǒng)取值。

不難看出，上述式（9）—（11）中主要與KV這唯一的變量取值有關(guān)，其他數(shù)據(jù)皆為定值，而KV的取值僅與巖體的彈性縱波速度有關(guān)。這樣通過(guò)跨孔聲波測(cè)試將原位巖體的GSI取值科學(xué)有效的定量化了，避免了GSI取值因人而異的弊端。借鑒損傷變量概念并結(jié)合波速比KV采用連續(xù)介質(zhì)的方式對(duì)巖體劣化進(jìn)行定義：很明顯有0 ≤De≤1。跨孔聲波測(cè)試可以進(jìn)行由表及里的連續(xù)量測(cè)，可獲得岸坡二維巖體劣化的時(shí)空演化信息，通過(guò)后續(xù)多個(gè)鉆孔的聲波數(shù)據(jù)有望進(jìn)一步形成巖體岸坡的真三維巖體劣化信息。

聯(lián)立式（9）—（11）可得到：

引入損傷劣化變量De則式（13）進(jìn)一步變形為：

通過(guò)式（13）、式（14）即可建立原位跨孔聲波波速比KV以及損傷劣化變量De與GSI取值之間的量化關(guān)系，然后將式（13）計(jì)算所得值代入廣義H-B準(zhǔn)則即式（2）—（8）中，即可得到巖體劣化各參數(shù)時(shí)效曲線。

3 考慮時(shí)間效應(yīng)的GSI（t）與Hoek-Brown 準(zhǔn)則應(yīng)用研究

3.1 水位循環(huán)消落的斜坡跨孔聲波測(cè)試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，其中以三疊系大冶組和嘉陵江組石灰?guī)r最為發(fā)育。為了深入定量化研究巫峽岸坡巖體劣化結(jié)構(gòu)特征，2017—2019年在青石6號(hào)斜坡175～145 m消落帶附近6 對(duì)12個(gè)豎直深孔中進(jìn)行了水位循環(huán)消落的斜坡跨孔聲波測(cè)速。6 對(duì)鉆孔沿著高程145～175 m 消落帶分散布置，具體如圖3所示。

圖3 三峽庫(kù)區(qū)青石6號(hào)斜坡鉆孔布置

以典型鉆孔ZK05 A/B為例進(jìn)行分析，ZK05位于三峽庫(kù)岸消落帶中部，鉆孔高程166.06 m（圖3），ZK05 經(jīng)受了多次庫(kù)水位變動(dòng)引起的物理化學(xué)劣化作用，對(duì)其進(jìn)行水位循環(huán)消落的跨孔聲波測(cè)試，其結(jié)果可以表征庫(kù)岸巖體的劣化過(guò)程。對(duì)比ZK05 首期聲波速度圖與井下電視圖發(fā)現(xiàn)，聲波速度與巖體結(jié)構(gòu)面有較好的一致對(duì)應(yīng)性（圖4（a））。結(jié)構(gòu)面分布密集的位置，聲波速度較小。巖體表層較深部巖層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，呈現(xiàn)出由表及里劣化程度趨弱的大趨勢(shì)。進(jìn)一步對(duì)比ZK05 鉆孔水位循環(huán)消落的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（圖4（b）），結(jié)構(gòu)面、裂隙密集分布的位置，聲波波速持續(xù)出現(xiàn)較為明顯的下降。而原來(lái)結(jié)構(gòu)面、裂隙較為稀疏的高波速區(qū)域，聲波波速比下降不明顯，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)面的存在對(duì)巖體質(zhì)量起到一種控制性作用。取8個(gè)結(jié)構(gòu)面密集分布的特征深度6.2、8.4、12.6、14.2、17.6、23.2、27和30.8 m 提取水位循環(huán)消落的聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行深入對(duì)比（表1）。發(fā)現(xiàn)即使是結(jié)構(gòu)面波速下降率最小的位置（深12.6 m）也高達(dá)14.1%，遠(yuǎn)超同期完整巖體下降率2%左右。由井下電視可知，淺層巖體較為破碎、裂隙分布密集，聲波波速下降率高達(dá)44.8%～67.1%，可見(jiàn)單從聲波波速劣化下降的角度看，結(jié)構(gòu)面密集分布可能導(dǎo)致巖體劣化加速高達(dá)約7～45倍，結(jié)構(gòu)面、裂隙等缺陷的存在是岸坡巖體劣化的主要因素。同時(shí)結(jié)構(gòu)面處聲波波速下降并不均一，與巖體結(jié)構(gòu)面的分布、巖層埋深密切相關(guān)，呈現(xiàn)出巖體劣化的不均一性。

圖4 ZK05 井下電視與水位循環(huán)消落跨孔聲波測(cè)試

表1 ZK05 巖體典型結(jié)構(gòu)面跨孔聲波數(shù)據(jù)

由ZK05 跨孔聲波深度數(shù)據(jù)結(jié)合式（9）、式（13）可得到ZK05 的BQ、劣化變量De、GSI深度數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)課題組前期室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)知[10-11]，完整石灰?guī)r巖樣單軸抗壓強(qiáng)度RC=78.75MPa，Vpr=7.616 km/s，mi=7；觀察水位循環(huán)消落BQ、De、GSI深度曲線圖可知，BQ與GSI均呈現(xiàn)不等速劣化下降趨勢(shì)，劣化變量De則呈現(xiàn)不等速增長(zhǎng)。在結(jié)構(gòu)面密集分布位置處BQ與GSI下降明顯，下降率分別高達(dá)32.1 %、43.6 %，對(duì)應(yīng)位置處損傷劣化變量De增長(zhǎng)量達(dá)0.655（圖5）。而在巖體較為完整的區(qū)段，巖體損傷劣化不明顯，同時(shí)結(jié)構(gòu)面劣化并非是等速的，有淺表層劣化快、深層劣化較慢的規(guī)律（表1、表2）。整體來(lái)看BQ、De、GSI值與跨孔聲波深度曲線數(shù)據(jù)（圖4（b））規(guī)律呈現(xiàn)一致，都受巖體中結(jié)構(gòu)面、裂隙的控制。

圖5 ZK05 水位循環(huán)消落BQ、劣化變量De、GSI 深度曲線

表2 ZK05 巖體典型結(jié)構(gòu)面GSI

3.2 GSI量化取值與應(yīng)用由表2可知結(jié)構(gòu)面處GSI值下降明顯，由表及里劣化趨弱。以深度6.2 m處結(jié)構(gòu)面GSI值為例結(jié)合廣義H-B準(zhǔn)則，繪制強(qiáng)度方程及其包絡(luò)線如圖6所示。由于GSI=36.2 與36.0兩強(qiáng)度包線無(wú)限接近，為了更直觀的研究劣化趨勢(shì)僅取GSI=36.0 進(jìn)行分析。由強(qiáng)度包線發(fā)現(xiàn)隨著GSI值的下降，強(qiáng)度包絡(luò)線逐漸平緩內(nèi)縮，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度劣化趨勢(shì)。特別當(dāng)圍壓σ3=0時(shí)，式（2）變形為σ1=σci sa。此時(shí)最大主應(yīng)力σ1相當(dāng)于單軸抗壓強(qiáng)度，可分別得到GSI=63.8、56.7、46.1、36.0 對(duì)應(yīng)的σ1=10.4642、6.9736、3.7602、2.0190 MPa（圖7）。對(duì)于特定工程而言，圍壓σ3通常通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試或者數(shù)值分析獲取，在缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下，可根據(jù)公式σ3=γH大致估計(jì)。當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力大于垂直應(yīng)力則該式可由水平構(gòu)造應(yīng)力取代。此式雖非圍壓的精準(zhǔn)估計(jì)，但可相對(duì)精確快速估算出不同GSI值對(duì)應(yīng)H-B準(zhǔn)則的適用范圍[30]。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面深度為6.2 m（石灰?guī)r重度最高近似取30 kN/m3），估算出結(jié)構(gòu)面處σ3=0.186 MPa，則可得到GSI=63.8、56.7、46.1、36.0 對(duì)應(yīng)的σ1=11.9043、8.5461、5.4843、3.7808 MPa（圖7）。同時(shí)考慮到脆-延轉(zhuǎn)換線σ1=4σ3的限制與4條強(qiáng)度包線相交于4 點(diǎn)，明顯看到隨著巖體逐漸劣化GSI值降低，H-B準(zhǔn)則的適用范圍越來(lái)越小。當(dāng)GSI降至36.0時(shí)，H-B準(zhǔn)則的適用范圍為0 ＜σ3＜5.7882 MPa。當(dāng)σ3=5.7882 MPa時(shí)，則可得到GSI=63.8、56.7、46.1、36.0 對(duì)應(yīng)的σ1= 37.0973、32.5890、27.2858、23.1528 MPa（圖7）。根據(jù)公式σ3=γH可大致估計(jì)5.7882 MPa 對(duì)應(yīng)巖體埋深約為193 m，遠(yuǎn)大于該處結(jié)構(gòu)面埋深6.2 m，證明改進(jìn)GSI系統(tǒng)與廣義H-B準(zhǔn)則適用。此處也側(cè)面反映出即使巖體劣化至GSI=36.0，廣義H-B準(zhǔn)則的適用范圍仍是較為寬泛的。

觀察圖6、圖7發(fā)現(xiàn)隨著GSI值的降低，在圍壓σ3一定的情況下，最大主應(yīng)力σ1逐漸減小。對(duì)于σ3=0時(shí)，結(jié)構(gòu)面處單軸抗壓強(qiáng)度σ1下降率高達(dá)80.71%（GSI從63.8 降至36.0）。對(duì)于σ3=0.186 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)面處近似真實(shí)最大主應(yīng)力σ1下降率高達(dá)68.24%（GSI從63.8降至36.0）。對(duì)于σ3=5.7882 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)面處最大主應(yīng)力σ1下降率達(dá)37.59%（GSI從63.8 降至36.0）。在GSI為一定值的情況下，隨著圍壓增大最大主應(yīng)力σ1逐漸增大。且同等范圍的GSI下降，對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力σ1下降幅度，高圍壓狀態(tài)要小于低圍壓狀態(tài)。這表明巖體三軸受壓應(yīng)力狀態(tài)對(duì)巖體的強(qiáng)度提高有促進(jìn)作用，同時(shí)高圍壓狀態(tài)可有效抑制巖體劣化的程度，這與原位跨孔聲波測(cè)試及井下電視觀察是一致的。

圖6 考慮GSI 時(shí)空劣化的H-B準(zhǔn)則強(qiáng)度包線（結(jié)構(gòu)面深度6.2m）

圖7 不同GSI、圍壓σ3 對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力強(qiáng)度σ1（結(jié)構(gòu)面深度6.2m）

3.3 考慮時(shí)間效應(yīng)的GSI（t）函數(shù)為了表達(dá)巖體連續(xù)劣化過(guò)程建立GSI（t）劣化時(shí)效方程，研究通過(guò)GSI實(shí)測(cè)數(shù)值進(jìn)行擬合回歸獲得GSI（t）時(shí)效曲線。以首次測(cè)量日2017/9/16為第0 天，則不難解算多期測(cè)量日對(duì)應(yīng)的序數(shù)（表2、圖8）。根據(jù)前期巖體干濕循環(huán)等劣化實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9-11]，灰?guī)r巖樣經(jīng)受30～50次干濕循環(huán)后，飽和（干燥）單軸抗壓強(qiáng)度累計(jì)下降率為27.0 %～33.9 %（21.4 %～28.5 %），平均每周期下降率約0.7 %～0.9 %（0.6 %～0.7 %），參數(shù)劣化遵循指數(shù)下降規(guī)律，且采用指數(shù)回歸具備相應(yīng)的物理含義和較高的擬合度[6，11]。選取y=aebx作為回歸母式進(jìn)行巖體劣化時(shí)效曲線GSI（t）分析。根據(jù)此式對(duì)結(jié)構(gòu)面6.2 m 處GSI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸R2=0.8681，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)面8.4、23.2和27 m 進(jìn)行擬合回歸，相關(guān)度R2最高達(dá)0.9145（圖8（c）），證明采用y=aebx進(jìn)行回歸較為合理。以結(jié)構(gòu)面6.2 m 處的GSI（t）進(jìn)行求解展示：

將式（15）代入到式（2）—（5）中即可得到結(jié)構(gòu)面6.2 m 處的強(qiáng)度劣化方程為：

式中有：

則聯(lián)立式（15）—（19）可得結(jié)構(gòu)面6.2 m 處的三維強(qiáng)度劣化方程如下：

同樣的不難得出結(jié)構(gòu)面8.4、23.2、27 m 處的三維強(qiáng)度劣化方程f=(σ1，σ3，t)分別如下：

圖8 不同特征深度結(jié)構(gòu)面GSI（t）擬合曲線以及與實(shí)測(cè)值之間的誤差分布

圖9 不同特征深度結(jié)構(gòu)面二維與三維強(qiáng)度劣化包線

3.4 考慮劣化過(guò)程的H-B準(zhǔn)則應(yīng)用及適用范圍通過(guò)考慮劣化效應(yīng)的時(shí)效函數(shù)GSI（t）結(jié)合廣義H-B準(zhǔn)則獲得了巖體各個(gè)時(shí)刻連續(xù)的巖體強(qiáng)度包線。根據(jù)式（20）—（23）通過(guò)Matlab 繪制其對(duì)應(yīng)特征深度結(jié)構(gòu)面的二維強(qiáng)度屈服帶和三維強(qiáng)度劣化包線如圖9。由圖9可以看到二維強(qiáng)度劣化屈服帶由淺層6.2 m 到深層27 m 逐漸變窄，表征巖體由淺層到深層其劣化敏感性趨弱，換言之，深層巖體較表層不易劣化，結(jié)構(gòu)面劣化相對(duì)緩慢。這與表2、圖8揭示的各個(gè)結(jié)構(gòu)面處參數(shù)總下降率由表層到深層趨弱的規(guī)律是一致的。

同時(shí)根據(jù)脆延轉(zhuǎn)換線σ1=4σ3得到與二維強(qiáng)度劣化屈服帶的交點(diǎn)，獲得巖體廣義H-B準(zhǔn)則的適用范圍。不同特征深度結(jié)構(gòu)面都表現(xiàn)出隨著巖體劣化的逐漸進(jìn)行（從第0～600 d）適用范圍逐漸縮小，且不同深度結(jié)構(gòu)面H-B準(zhǔn)則適用范圍的縮小程度也是不同的。通過(guò)適用范圍圍壓σ3的下降率進(jìn)行量化，結(jié)構(gòu)面6.2、8.4、23.2、27 m 的下降率分別是73.79 %、57.36 %、34.79 %、31.34 %。對(duì)比相同劣化時(shí)間（0～600 d）不同特征深度結(jié)構(gòu)面圍壓σ3的下降率發(fā)現(xiàn)，在鉆孔縱向深度上，表層巖體廣義H-B準(zhǔn)則適用范圍縮小的更快，隨著巖體劣化進(jìn)展，更容易向塑性破壞發(fā)展。同時(shí)也側(cè)面反映出，表層巖體結(jié)構(gòu)面較深層巖體更容易發(fā)生劣化。由表層結(jié)構(gòu)面6.2 m 處二維強(qiáng)度劣化包線可知，劣化至第600 天對(duì)應(yīng)的適用圍壓值σ3=4.6524 MPa。根據(jù)公式σ3=γH可大致估計(jì)4.6524MPa 對(duì)應(yīng)巖體埋深約為155 m 遠(yuǎn)大于該處結(jié)構(gòu)面埋深6.2 m，表明廣義H-B準(zhǔn)則與GSI（t）系統(tǒng)是適用的。

3.5 考慮劣化過(guò)程的Erm（t）時(shí)效函數(shù)同樣由表2中特征深度的GSI值結(jié)合式（8）可得到不同深度部位結(jié)構(gòu)面處變形模量Erm（圖10）。隨著時(shí)間的演化，結(jié)構(gòu)面處劣化程度增加，變形模量Erm逐漸減小，與結(jié)構(gòu)面處GSI值呈現(xiàn)一致規(guī)律：同樣的由表層向巖體深部，變形模量Erm受劣化影響趨弱。類比GSI（t）系統(tǒng)對(duì)Erm實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸建立Erm（t）系統(tǒng)如圖11，相關(guān)度R2最高為0.93表明通過(guò)指數(shù)回歸建立的Erm（t）系統(tǒng)是可行的。且明顯看到隨著時(shí)間演化，Erm劣化速率趨緩。鉆孔前巖體輕微劣化或者不劣化。而在鉆孔揭露巖體結(jié)構(gòu)面后，打通了地下水-庫(kù)水的聯(lián)系，在一定程度上加速了巖體劣化。值得注意的是，鉆孔只是加劇了不完整巖體特別是結(jié)構(gòu)面處的劣化趨勢(shì)，對(duì)完整部位的巖體劣化相對(duì)仍不明顯。根據(jù)H-B準(zhǔn)則可知劣化不僅導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，同時(shí)變形模量Erm也逐步降低，雙重劣化作用可能會(huì)導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定性下降，蠕滑變形逐漸增大。

圖10 ZK05 四個(gè)特征深度結(jié)構(gòu)面處變形模量Erm對(duì)比

圖11 不同特征深度結(jié)構(gòu)面Erm（t）擬合曲線以及與實(shí)測(cè)值之間的誤差分布

4 討論

由于跨孔聲波測(cè)速是多期連續(xù)測(cè)量，通過(guò)GSI（t）以及H-B準(zhǔn)則計(jì)算的相關(guān)參數(shù)也是與時(shí)間、空間相關(guān)的，可以較好表征岸坡劣化的時(shí)空信息。同時(shí)根據(jù)持續(xù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可不斷優(yōu)化調(diào)整GSI（t）系統(tǒng)以及二維、三維巖體強(qiáng)度劣化包線。在后續(xù)岸坡巖體穩(wěn)定性模擬評(píng)價(jià)中，將構(gòu)建的三維巖體強(qiáng)度包線賦值于特定的結(jié)構(gòu)面中，理論上只要有對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)面處連續(xù)跨孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，即可建立其對(duì)應(yīng)的三維強(qiáng)度包線并一一賦值在結(jié)構(gòu)面中。這樣岸坡穩(wěn)定性模擬可以通過(guò)結(jié)構(gòu)面處的GSI（t）劣化準(zhǔn)則構(gòu)建，而完整的巖體部位則可通過(guò)傳統(tǒng)完整巖石的干濕循環(huán)建立其強(qiáng)度損傷劣化本構(gòu)。通過(guò)結(jié)構(gòu)面處的快速劣化聯(lián)合完整巖石部位的極緩慢劣化，即可較好的構(gòu)建岸坡二元劣化結(jié)構(gòu)，符合岸坡巖體劣化工程實(shí)際。具體技術(shù)路線如下。

圖12 GSI（t）與H-B準(zhǔn)則計(jì)算流程

巖體穩(wěn)定性受控于結(jié)構(gòu)面及軟弱層，結(jié)構(gòu)面劣化一定會(huì)影響斜坡穩(wěn)定性，但劣化結(jié)構(gòu)面并不一定是控制性結(jié)構(gòu)面，局部巖體的劣化破壞也許會(huì)影響整體岸坡穩(wěn)定，但不一定能決定岸坡是否破壞，這與結(jié)構(gòu)面以及軟弱破碎帶的空間展布息息相關(guān)[28]。三峽庫(kù)區(qū)岸坡受到循環(huán)波動(dòng)水位的侵蝕，巖體密集分布的結(jié)構(gòu)面及軟弱層是巖體快速劣化的重要區(qū)域[11]。通過(guò)建立波速與GSI之間的關(guān)系，將GSI指標(biāo)量化取值并考慮長(zhǎng)期劣化的時(shí)間效應(yīng)，建立GSI（t）時(shí)效函數(shù)。結(jié)合廣義H-B準(zhǔn)則即可獲得結(jié)構(gòu)面深度方向上的時(shí)—空劣化規(guī)律：二維、三維強(qiáng)度包線、Erm（t）曲線（圖9，圖11）。為研究巖體劣化過(guò)程中時(shí)間t以及深度h對(duì)于結(jié)構(gòu)面處GSI指標(biāo)劣化的影響可聯(lián)立多個(gè)層面甚至多個(gè)鉆孔的GSI（t）曲線，形成岸坡結(jié)構(gòu)面的三維劣化信息GSI（t，h）。以典型鉆孔ZK05表2中數(shù)據(jù)為例，通過(guò)多項(xiàng)式三維擬合生成GSI（t，h）圖（圖13）及函數(shù)如下：

不難看出擬合函數(shù)t，h的階數(shù)一致且都為3，表征在結(jié)構(gòu)面劣化過(guò)程中劣化時(shí)間t以及劣化深度h對(duì)于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度GSI劣化的影響權(quán)重是相近的。擬合相關(guān)度R2為0.876，表明GSI（t，h）函數(shù)可以較好的表征結(jié)構(gòu)面處三維時(shí)空劣化信息。當(dāng)獲取后續(xù)長(zhǎng)期水位循環(huán)消落原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，可以進(jìn)一步優(yōu)化完善GSI（t，h）函數(shù)以及三維結(jié)構(gòu)面劣化信息，為進(jìn)一步的穩(wěn)定性模擬及劣化評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

圖13 ZK05 三維結(jié)構(gòu)面劣化GSI（t，h）分布

5 結(jié)論與建議

本文開(kāi)展了水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的原位測(cè)試研究，采用原位跨孔聲波測(cè)試和井下電視獲取了不同深度下巖體物理力學(xué)參數(shù)，改進(jìn)了GSI系統(tǒng)對(duì)岸坡劣化帶巖體的描述，拓展了廣義Hoek-Brown（H-B）準(zhǔn)則在劣化帶巖體強(qiáng)度動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，得出主要結(jié)論如下：（1）廣義H-B準(zhǔn)則可以估算、描述原位岸坡巖體強(qiáng)度。結(jié)合水位循環(huán)消落原位跨孔聲波測(cè)速，借助于BQ、RMR 構(gòu)建了GSI量化取值方法。（2）GSI 結(jié)合廣義H-B準(zhǔn)則，得到特征深度的強(qiáng)度包線，結(jié)果表明，三軸受壓應(yīng)力狀態(tài)可以提高巖體強(qiáng)度，且可明顯抑制巖體劣化；脆-延轉(zhuǎn)換線σ1=4σ3計(jì)算的H-B準(zhǔn)則適用范圍表明GSI系統(tǒng)對(duì)巖體劣化評(píng)價(jià)有寬泛的適用性，且隨著GSI下降適用范圍明顯下降。（3）通過(guò)指數(shù)回歸構(gòu)建了考慮劣化過(guò)程的GSI（t）、Erm（t）時(shí)效曲線，并基于GSI（t）解得不同深度結(jié)構(gòu)面處二維強(qiáng)度劣化屈服帶、三維強(qiáng)度劣化屈服面；強(qiáng)度劣化包線顯示表層結(jié)構(gòu)面的劣化敏感性高于深層，且表層受劣化影響H-B準(zhǔn)則適用范圍下降最為明顯。（4）結(jié)合多層面GSI（t）曲線可得三維結(jié)構(gòu)面GSI（t，h）時(shí)空函數(shù)。建議在后續(xù)研究中進(jìn)一步加強(qiáng)原位跨孔聲波監(jiān)測(cè)，不斷優(yōu)化GSI（t）時(shí)效函數(shù)以及二維、三維巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度劣化包線，為下一步研究損傷劣化至蠕滑變形的岸坡穩(wěn)定性分析提供研究基礎(chǔ)。