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江三峡灰岩区危岩形成机理 及稳定性分析研究

第36卷第6期西南大学学报(自然科学版)2014年6月V o l.36 N o.6J o u r n a l o f S o u t h w e s tU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)J u n. 2014

D O I:10.13718/j.c n k i.x d z k.2014.06.026

长江三峡灰岩区危岩形成机理

及稳定性分析研究①

何潇1,2,陈洪凯1,唐红梅1,李清2

1.重庆交通大学岩土工程研究所,重庆400074;

2.西南大学地理科学学院,重庆400715

摘要:为研究三峡地区碳酸岩与泥岩二页岩组成的软硬互层结构的稳定性,将危岩划分为座滑破坏型和座倾破坏型,并基于极限平衡理论和岩体结构理论,建立了不同破坏模式下危岩稳定系数的力学表达式,将研究成果运用于望霞危岩稳定性计算,结果表明:①座滑破坏型W2危岩在天然状况下危岩稳定系数为1.19,属于基本稳定岩体,在饱和状态下,随后缘裂隙充水高度的增加其稳定系数递减;②座倾破坏型W1柱状危岩易在37.5m处折断,计算结果与实际情况大致相当.

关键词:危岩;软硬互层;破坏模式;稳定性计算方法;长江三峡

中图分类号:P642文献标志码:A文章编号:16739868(2014)6015506

我国三峡地区地质构造复杂,河流切割强烈,地势差异显著[1-2],是危岩崩滑多发区,也是危岩研究热点地区[3-8].除黄陵背斜的变质岩系和秭归盆地的沉积砂岩地层外,三峡地区地表以碳酸岩出露为主[9],在亚热带季风气候条件下地表水和地下水溶蚀作用强烈,岩体裂隙较为发育,在灰岩与页岩二泥岩组合的软硬互层结构之上发育形成的危岩较为典型.我国学者针对砂岩岩性危岩破坏机理研究较多,特别是在危岩分类和稳定性计算方面已有大量研究成果[10-13].三峡库区灰岩二泥岩近水平软硬互层结构危岩破坏模式有别于砂岩的单体破坏模式[14-16],本文在大量现场调查和测量的基础上,对长江三峡灰岩地区危岩的破坏模式和形成机理进行科学划分,探讨其稳定性分析方法,拟为科学探索灰岩地区危岩破坏机制提供参考.

1危岩形成机理

现场调查发现,长江三峡灰岩地区危岩破坏模式可归纳为两类,即座滑破坏型和座倾破坏型,其形成机理分析如下.

1.1座滑破坏型危岩形成机理

在陡崖软硬岩层的二元结构组合中,泥岩二页岩抗风化能力弱[17],由于越靠近临空面,风化作用越强烈[18],软弱岩体变形模量越小,易产生不均匀沉陷,造成上部硬质岩体自顶部产生拉张裂隙,或促使原有拉裂隙自上而下扩展,在危岩体自重作用下,后缘拉裂在跟踵形成应力集中带,其岩体较为破碎,围压和

①收稿日期:20130606

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50678182,11272185);西南大学基本科研业务费专项(X D J K2012C031).

作者简介:何潇(1981),男,重庆人,讲师,博士,主要从事地质灾害的研究.

强度降低,一旦进入剪断过程,将表现为剧冲型崩滑或板梁压碎带与软弱基座整体滑塌(图1).

图1 座滑破坏型危岩失稳模型图

1.2 座倾破坏型危岩

危岩体发育前期与座滑型危岩相同,在后期软弱基座发生塑流变形时,特别是在地下水软化作用下,由于软弱岩层由坡面向内部相应的压缩变形有减小的趋势,其上覆硬岩危岩体产生差异沉降,危岩体围绕坡脚点扰动,板梁外倾造成跟趾附近切向应力增加,联合跟踵附近拉应力作用导致板梁翻转二倾倒(图2).此类崩塌多发生于薄板梁或柱状危岩体,且在危岩发育过程中,多发生折断现象.

图2 座倾破坏型危岩失稳模型图

2 危岩稳定性分析方法

2.1 座滑破坏型危岩

(1

)基本假设 根据危岩体地质分类模型,在公式推导中作如下假定:第一,边坡岩体为刚塑性体;第二,定义软弱层均匀,且为潜在破坏面;第三,将危岩主控结构面未贯通段简化为两段直线,由上部弹性段和下部应变软化段两种介质组成;第四,潜在破坏面视为一系列的位移间断面,设各位移间断面之间的法向位移不变,切向位移按线性变化.

(2

)力学模型 座滑破坏型危岩所受荷载考虑危岩体自重二裂隙水静水压力和水平地震力,计算模型各参数,如图3所示,受力点集中移动至O 点,按单位长度考虑.

eF

x

=0 Q +P +N 2四s i n β-N 1-F 2四c o s β=0

(1)eF

y

=0 F 1+F 2四s i n β+N 2四c o s β-W =0

(2)eM o =0 F 1四B +P +()Q 四H 2+N 2四l 22-N 1四H -12l ?è???÷1-W 四B 2

=0(3)锁固硬岩段视为刚体,其未贯通结构面有:F 1=f 1四N 1

(4)考虑锁固段应力均匀分布,有:

τi =F i

l i ,σi =N i l i

i =1,2(5

)2西南大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b j

b .s w u .

c n 第36卷

上式中裂隙静水压力Q =12γw Z 2w ;水平地震力P =ξe 四W ;地震水平系数ξe 按6度计算,取ξe =0.05,联立式1,2,3,4,5方程组可解出σ1,τ1,σ2,τ2,得危岩体稳定系数为:K s i =m

i n τf i τi =m i n c i +σi 四t a n φi τi

i =1,2(6

)其中K s 取两结构面中较小值.

2.2 座倾破坏型危岩

(1

)基本假设 第一,危岩体为刚塑性体;第二,将危岩体视为悬臂梁结构;第三,此类危岩体结构面开度较大,降水难以储存,不考虑静水压力作用.

(2

)力学模型 视板梁剖面为直方柱,相关各参数如图4所示.图3 座滑破坏型危岩计算模型图4 座倾破坏型危岩计算模型

设板梁高度为H ,宽度为b ,后缘拉裂缝顶宽挠度δ,板梁表面垂向(Z )和水平方向(X )的切向应力分别为:跟趾:

σz 0

(m a x

)=π2E b μ8H (1-μ

2)四δ+γH (7)σ

x 0

(m a x

)=π2

E b 8H 2(1-μ

2)四δ+γH μ1-μ(8)跟踵:

σz 1

(m a x )=π2

E b 8H 2(1-μ

2

)四δ+γH (9)σx 1(m a x )=π2

E b μ8H 2(1-μ

2)四δ+γH μ1-μ(10

)将上述应力与岩体板梁根部岩体抗拉强度或抗剪强度进行比较,即可得知板梁是否稳定,当上述应力超过岩体强度时板梁则可能受跟踵拉裂二跟趾压裂作用导致失稳.但在实际情况中,危岩体受风化作用产生大量裂隙,使其整体强度大大降低,其周帮受压弯曲鼓折破坏现象十分普遍,且多发生于跟趾以上H 3

高度范

围内,若以弯折段以上板梁高度计算出σ0h

z (m a x

),则发生弯折的判据为:σ

0h

z (m a x

)?π2E b t 2

12(1-μ2)h

2

(11

)3

第6期 何 潇,等:长江三峡灰岩区危岩形成机理及稳定性分析研究

即柱状危岩跟趾压断的稳定系数为:

K s =σ0h

z (m a x

)π2E b t

2

12(1-μ2)h

2

(12)公式(15)二公式(16)中:h 为弯折段高度;t 为平行板梁表面裂隙间距.由上式可知,板梁根部平行于表面

的裂隙越发育,危岩体越容易失稳.

3 实例分析

3.1 望霞危岩破坏特征

望霞危岩体(109?59?40?E ,31?03?59?N )

位于重庆市巫山县巫峡上段北岸坡顶横石溪背斜轴部,岩层产状335?~340??3?~8?,属二叠系上统吴家坪组(P 2w ).其上部近直立危岩体由灰色二深灰色薄至中厚层状晶质灰岩二薄层泥灰岩构成,下部缓坡软弱基座由灰色炭质页岩二泥岩构成,是三峡地区典型的软二硬互层

组合.其中以W 1和W 2两大危岩体最为典型:W 1为独立柱状,高约65m ,长约8m ,宽约6m ,体积约3200m 3,属座倾破坏型危岩;W 2危岩体高约70m ,长约80m ,厚约10~15m ,体积约7?104

m 3,其顶

部后缘岩溶漏斗发育,主控结构面顺漏斗发育方向贯通,仅底部与基座相连,属座滑破坏型危岩

.

图5 望霞危岩破坏前概况图6 望霞危岩破坏后概况

3.2 望霞危岩稳定性分析

(1)W 2危岩体

地勘结果显示,望霞危岩上部燧石灰岩的天然容重26.3k N /m 3二饱和容重27.0k N /m 3二抗剪强度粘

结力700k P a 二内摩擦角45.38?,基座炭质页岩的天然容重22.5k N /m 3二饱和容重23.0k N /m 3二抗剪强度

粘结力200k P a 二内摩擦角29.9?.危岩体高度H =70m ,厚度B =10m ,灰岩段为贯通结构面长度l 1=

4m ,软弱基座潜在滑动面倾角β=30?,长度l 2=

B c o s β

=11.5m.运用本文基座倾滑型危岩模型方法,地震水平系数ξe 按6度计算,取P =ξe 四W =0.05W ,对W 2危岩单位长度面积在天然状态和后缘裂缝充水5m ,10m ,20m 进行稳定性计算,结果如表2.

表2 长江巫峡望霞W 2危岩体稳定性计算

裂隙充水高度/m

σ2

/105

P a σ2/105

P a τ1

/105

P a τ2

/105

P a τf

1/105

P a τf

2/105

P a K s m i n 天然状态1.168

13.43

0.70

8.17

8.184

9.723

1.195

1.36

13.370.8158.4168.3789.8951.18101.84513.561.1088.5018.870

9.7971.15203.785

12.90

2.45

8.843

10.84

9.418

1.07

由表2可知,天然状况下W 2危岩稳定系数为1.19,具有潜在破坏可能,且在饱和状态下,随后缘裂

隙充水高度的增加其稳定系数递减.2010年8月下旬巫峡地区发生强降水,W 2危岩体东段裂缝明显变形.

4西南大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b j

b .s w u .

c n 第36卷

10月21日,W 2危岩体突发整体下滑,其底部向外推挤10m 左右,整体下错斜靠在后部岩壁,计算结果

大致与实际情况相符.

(2)W 1危岩体

W 1燧石灰岩危岩体后缘已与母岩分离,为孤立石柱,根据地勘测量结果,其后缘裂缝挠度δ=20c m ,

H =65m ,b =6m ,天然容重26.3k N /m 3,E =2.8?1010

P a ,μ=0

.2,表面裂隙间距t =1.5m.运用本文柱状危岩体弯折判据,

令:

σ0h

z (m a x

)=π2E b μ8h (1-μ2)四δ+γh =π2E b t 2

12(1-μ2)h

2

(13

)代入求解得:h =37.5m ,可判断W 1柱状危岩易在37.5m 处折断.

2011年10月21日15点06时,望霞W 1孤立岩柱上部发生弯折垮塌,经后期测量,其弯折段约为36

m ,与本文计算结果大致相当,此计算方法可作为此类危岩体稳定性计算重要参考.

4 结 论

1

)三峡地区灰岩广泛出露,岩体裂隙较为发育,在灰岩与泥岩二页岩的软硬互层结构中,由于软弱岩体抗风化能力弱,容易向临空面塑性流动和不均匀沉降,本文按危岩形成二破坏机理将其归纳为座滑破坏型危岩和座倾破坏型危岩.

2

)根据灰岩区软硬互层危岩破坏模式,推导了两组结构面切应力二剪应力表达式,建立了座滑破坏型危岩稳定性分析的力学模型和座倾破坏型危岩弯折破坏判别公式.

3

)将本文方法应用到长江巫峡望霞危岩案例分析,将计算结果与实际危岩破坏情况比较,发现计算结果与实情相符.研究成果对于科学探索灰岩地区危岩破坏机制具有积极意义.参考文献:

[1]郭正吾,邓康龄.四川盆地形成与演化[M ].北京:地质出版社,1996.

[2] 杨达源.长江三峡的起源与演变[J ].南京大学学报:自然科学版,1988,4(3):466-472.

[3] 杨达源,李徐生.长江三峡库区崩塌滑块的初步研究[J ].地质力学学报,2002,8(2):173-178.

[4] 崇 婧,杨达源,姜洪涛,等.长江三峡地区坡地发育的初步研究[J ].长江流域资源与环境,2002,11(3):263-268.

[5] 张 彬,李亚玲,慎乃齐,等.三峡库区凤城危岩稳定性评价与防治对策研究[J ].地学前缘,2009,16(6):113-119.[6] 陈洪凯,唐红梅.三峡水库区危岩防治技术[J ].中国地质灾害与防治学报,2005,16(2):105-110.[7] 殷跃平.三峡库区边坡结构及失稳模式研究[J ].工程地质学报,2005,13(2):145-154.

[8] 祝介旺,和海芳,柏 松,等.三峡库区高切坡致灾因素及防护对策 以重庆市万州区为例[J ].中国地质灾害与防治学报,2008,19(2):7-11.

[9] 李愿军.长江三峡地区地壳形变特征及其构造意义[J ].地震地质,1991,13(3):249-257.

[10]陈洪凯,唐红梅,鲜学福.缓倾角层状岩体边坡链式演化规律[J ].兰州大学学报:自然科学版,2009,45(1):20-30.[11]陈洪凯,鲜学福,唐红梅,等.三峡库区危岩群发性机理与防治[J ].重庆大学学报:自然科学版,2008,31(10):1178-1184.

[12]陈洪凯,唐红梅.长江三峡水库区危岩分类及宏观判据研究[J ].中国地质灾害与防治学报,2005,16(4):53-57.

[13]陈洪凯,唐红梅,王 蓉.三峡库区危岩稳定性计算方法及应用[J ].岩石力学与工程学报,2004,23(4):614-619.

[14]董金玉,杨继红,伍法权,等.三峡库区软硬互层近水平地层高切坡崩塌研究[J ].岩土力学,2010,31(1):151-157.[15]陈小婷,黄波林,刘广宁,等.三峡库区平缓层状软硬相间斜坡变形模式变化分析[J ].地质灾害与环境保护,2009,20(2):57-61.

[16]任光明,宋彦辉,聂德新,等.软弱基座型斜坡变形破坏过程研究[J ].岩石力学与工程学报,2003,22(9)

:5

第6期 何 潇,等:长江三峡灰岩区危岩形成机理及稳定性分析研究

6西南大学学报(自然科学版)h t t p://x b b j b.s w u.c n第36卷1510-1513.

[17]MA R A N I N IE,B R I G N O L IM.C r e e p B e h a v i o u r o f aW e e kR o c k:E x p e r i m e n t a l C h a r a c t e r i z a t i o n[J].I n t JR o c k M e c h

M i n eS c i,1999,36(1):127-138.

[18]C H E N Q u,N I S H I D A K,I WAMO T O T,e t a l.C r e e p B e h a v i o r o f S e d i m e n t a r y S o f tR o c kU n d e rT r i a x i a lC o m p r e s s i o n

[J].C h i n e s e J o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g,2003,22(6):905-912.

R e s e a r c ho n t h eM e c h a n i s mo f t h eD e v e l o p m e n t o f

U n s t a b l eR o c k s i n t h eL i m e s t o n eA r e a i n t h eT h r e e

G o r g e s a n dS t a b i l i t y A n a l y s i s f o r t h eR o c k s

H E X i a o1,2, C H E N H o n g-k a i1, T A N G H o n g-m e i1, L I Q i n g2

1.I n s t i t u t eo f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y,C h o n g q i n g400074,C h i n a;

2.S c h o o l o f G e o g r a p h i c a l S c i e n c e s,S o u t h w e s t U n i v e r s i t y,C h o n g q i n g400715,C h i n a

A b s t r a c t:

B a s e do nf i e l d i n v e s t i g a t i o na n ds i t es u r v e y,w e f o u n dt h a t s l o p e so f s o f t-h a r da l t e r n a t es t r a t a

f o r m e db y t h e i n t e r b e d d i n

g o f c a r b o n a t i t ew i t

h s h a l e o rm u d s t o n e a r ew

i d e l y d i s t r i b u t e d i n t h eT h r e eG o r-

g e s a r e a.S u f f e r i n g f r o mt h e i n f l u e n c e o f g r a v i t y,w a t e r s o f t e n i n g a n d l o n g-t e r m w e a t h e r i n g,t h e s o f t f o u n-d a t i o n g e n e r a t e s ah o r i z o n t a l p l a s t i c f l o wt ot h e f r e es u r f a c eo ra s y mm e t r i cs e t t l e m e n t,t h u s t h et e n s i l e c r a c ko f t h e l i m e s t o n e e x p a n d s,w h i c h e v e n t u a l l y r e s u l t s i n u n s t a b l e r o c k s l i d e s.I n a s t u d y r e p o r t e d i n t h i s p a p e r,t h eu n s t a b l e r o c k sw e r ed i v i d e d i n t o t w o m o d e l s,i.e.t h eu n s t a b l es l i d i n g r o c ka n dt h eu n s t a b l e t o p p l i n g r o c k.A m e c h a n i c a lm o d e l f o r a n a l y z i n g t h e r o c k s t a b i l i t y w a s e s t a b l i s h e do n t h e b a s i s o f l i m i t e-q u i l i b r i u mt h e o r y a n d r o c ks t r u c t u r e t h e o r y.T h e n,t h i sm o d e lw a s a p p l i e d i n t h e a n a l y s i s o f t h e s t a b i l i t y o f u n s t a b l e r o c k s i n W a n g x i a.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s t a b i l i t y c o e f f i c i e n t o f u n s t a b l e s l i d i n g r o c k W2 w a s1.19u n d e r n a t u r a l c o n d i t i o n s a n d d i m i n i s h e dw i t h t h e r i s e o f t h ew a t e r h e a d i n t h e f i s s u r e s u n d e r s a t u-r a t e d c o n d i t i o n s a n d t h a t t h eu n s t a b l e t o p p l i n g r o c k W1w a s p r o n e t ob r e a ka t t h eh e i g h t o f37.5m.T h e c a l c u l a t i o n r e s u l tw a s c o n s i s t e n tw i t h t h e a c t u a l s i t u a t i o n.

K e y w o r d s:u n s t a b l e r o c k;s o f t-h a r d a l t e r n a t e s t r a t u m;f a i l u r em o d e;s t a b i l i t y c a l c u l a t i o n;t h eT h r e eG o r-

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责任编辑胡杨

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