红层坝基层间剪切带破坏特征及颗粒流模拟

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(中国地质大学(武汉) a.工程学院；b.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心， 武汉 430074)

1 研究背景

重庆长江小南海水电站坝址位于重庆市江津区珞璜镇下游约1.4 km，是国务院批准的《长江流域综合利用规划简要报告》推荐梯级开发方案的重要枢纽。建坝地层主要为侏罗系上统遂宁组(J3s)红层，坝基中所有的原生软弱夹层几乎都不同程度地经受了层间剪切作用，可能导致大坝抗滑稳定、沉陷变形、渗透变形等多种工程地质问题[1]。

随着葛洲坝、小浪底、大滕峡等大型水利枢纽的兴建，国内众多专家学者从宏观构造形式到微观结构，从岩石力学性质到物理化学性质对层间剪切带的问题进行了较详细的研究[2-6]。层间剪切带形成演化研究方面，徐瑞春等[2]认为剪切带是具有层状结构的岩体在水平应力的作用下，岩层屈曲导致的层间力偶作用的结果；A.W. Skempton[7]针对土体的剪切面形成过程做了室内试验研究；孙万和等[8]通过地质力学模型试验，探讨了软硬互层岩体在轴向加载时夹层的应力状态及层间剪切带发育的部位、类型及形成机理等问题。由于坝基中原生夹层众多，室内制模和试验完全模拟有困难，而颗粒流(particle flow code，简称PFC)方法可以通过细观颗粒接触本构模型的转换调用，模拟土体渐进式破坏。作为颗粒流理论实际应用的前期可行性研究，周健等[9-11]对砂土和黏性土室内平面应变试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟；蒋明镜等[12-14]、蔡正银等[15-16]采用PFC2D模拟了大量砂土剪切带形成机理及发展过程；张晓平等[17]、吴顺川等[18]对含软弱夹层类土质边坡变形破坏过程分析，并讨论了软弱夹层几何参数对试样力学行为的影响。因此，结合红层坝基软岩发育特征、层间剪切带形成条件及构造特征，通过PFC2D模拟研究坝基层间剪切带破坏过程可为坝基稳定等工程问题提供有益的指导。

2 小南海坝基软岩发育特征

研究区区域地貌属长江流域第二阶梯中部的四川盆地区[19]，处于龙泉山脉北东侧与大娄山脉北西侧之间，是最具代表性的近水平红层分布区。中坝址两岸地貌为构造剥蚀低山丘陵，相伴的地质构造主要有褶曲、断层破碎带、剪切带及裂隙等。建坝岩体主要为侏罗系上统遂宁组(J3s)地层，为一套强氧化条件下的河流湖泊相碎屑岩沉积，以洪泛平原亚相为主，岩相变化大，厚度不甚稳定。地层中多见紫红色、紫灰色的粉细砂岩与黏土岩不等厚状互层，局部沉积厚度较大的黏土岩。由于物理力学性质差异明显，在构造及地下水作用下，岩层间相互错动容易形成岩性、结构、厚度、延伸长度等性状不同的层间剪切带。

3 层间剪切带形成条件

3.1 物质基础

洪泛平原相沉积的细粒物质为剪切带的形成提供了充足的物质基础。粒度分析表明剪切带粉粒含量多大于黏粒含量，说明母岩多为黏土质粉砂岩或粉砂质黏土岩。矿物成分以伊利石(水云母)、绿泥石等黏土矿物为主，含量65%～85%，蒙脱石含量除试样编号为3S101的一条剪切带高达55%之外，其之多在5%～20%之间。与以蒙脱石为主要成分的剪切带相比，以伊利石为主要成分的剪切带比表面积较小，阳离子交换量小，天然湿度低，强度较高。

3.2 岩性组合条件

本文采用马尔科夫链方法[20]分析野外实测剖面，认为地层剖面沉积韵律主要分2种：一种为粉砂岩-厚层黏土质粉砂岩互层半韵律沉积，韵律层厚度大；另一种为黏土质粉砂岩-黏土岩薄互层半韵律沉积，韵律层厚度小。因此，强度较低的黏土类夹层与其上下硬岩所构成的刚柔相间的岩性组合条件，为泥化夹层的形成提供了基础。

3.3 构造应力作用

层间剪切带的发育受构造应力作用影响，如J3s1位于金鳌寺西翼掀斜端，岩层倾向65°～85°，倾角45°～70°，受F1断层影响夹层层间错动剧烈，断层交汇处剪切泥化程度明显较高，性状极差。另外，坝轴线中夹层发育强度低于金鳌寺向斜两翼，也说明褶皱两翼受掀斜作用影响了夹层受剪切作用的程度。

3.4 地下水泥化作用

层间错动为地下水在夹层中运动提供了通道，为地下水在劈理带黏土内的软化和泥化的发生创造了条件。薄片观察发现由于地下水的氧化作用带内多分布褐红色氧化铁侵染的条带，且由于地下水溶解的碳酸盐结晶充填作用，剪切带摩擦光面多附方解石薄膜。

4 层间剪切带构造特征

软弱岩层经过层间剪切作用和泥化作用后形成软弱夹层、软化夹层、泥化夹层或软弱层带，统称为层间剪切带[2]。坝址区左岸浅表层揭示的原生构造型软弱夹层受地表风化及水岩相互作用强烈，物理化学性质较坝基深部夹层变化较大，但岩性组合、夹层规模、裂隙、延伸范围及构造特征较为清晰。不同类型层间剪切带特征如下。

(1) 岩块岩屑型、岩屑夹泥型：此类剪切带沿较硬岩(如粉砂岩)和较软岩(如粉砂质黏土岩、黏土质粉砂岩)的接触带或在软岩内部发育，由于层间剪切作用，岩层中往往形成一条基本连续或断续的主剪裂面，主剪裂面起伏差为几毫米至几厘米，在起伏的拐点段充填泥夹碎屑，主剪裂面一侧或两侧同时具有节理带、劈理带和泥化光面等分带现象，夹层厚度5～20 cm，如图1(a)。

(2) 泥化夹层：泥化夹层是坝基工程性质最差、强度最弱的关键部位，主要形成于黏土质粉砂岩与黏土岩薄互层的半韵律沉积中，性状较差，厚1～5 cm，如图1(b)，鳞片状劈理密集发育，挤揉皱现象明显，呈泥包碎屑状，黏粒含量多大于30%，此类夹层经地下水及风化作用而软化、泥化，形成一定厚度、断续或连续的泥层。

图1 层间剪切带类型

5 层间剪切带PFD2D本构模型的建立

5.1 土体本构关系

颗粒流程序PFC2D是基于颗粒离散元理论，从散体介质的细观力学特性出发，采用显式差分算法，在计算循环中交替运用力-位移定律和牛顿运动定律，通过力-位移定律更新接触颗粒间的接触力及颗粒的位置，构成颗粒的新接触，从而模拟颗粒介质的运动及其相互作用过程[21]。颗粒之间通过不同的接触模型和接触关系模拟岩土体，层间剪切带PFC2D模拟运用到以下3种本构模型：

(1) 滑动模型。用摩擦因数fric定义，在一定的剪力范围内允许接触实体间相对滑动，能模拟材料间的摩擦行为。

(2) 线性接触刚度模型。用法向和切向刚度系数(kn，ks)定义接触力与相对位移间的关系。

(3) 黏结模型。分为接触黏结和平行黏结。接触黏结模型用接触点处法向与切向强度参数定义(n_bond，s_bond)，实现颗粒间黏聚力的模拟，常用于孔隙率相对较大的散体材料如分散性砂土、黏土、软弱层等；平行黏结模型由平行黏结强度等4个参数定义(pb_kn，pb_ks，pb_nstren，pb_sstren)，在颗粒接触处再现一种附加材料的作用，常用于孔隙率小、较密实的材料如致密的岩石等。

5.2 层间剪切带PFC2D模型建立

层间剪切带形成条件复杂，受岩性条件、地下水条件及多期地质构造的影响，其破坏形态差别很大。建模之前对软硬相间岩层中层间剪切带模型进行简化：不考虑地下水影响，假设模型上下两层等厚的相对硬质岩层(如细砂岩、粉砂岩)中间夹有一层相对较软岩层(黏土岩类层间剪切带)，软硬岩层中间没有相互切入的现象，装配颗粒后的试样及加载边界条件如图2所示。岩层受到水平应力和竖向应力作用，由于岩层厚度较小，假设上下岩层受到相同的竖向应力，用水平剪切速度产生的水平应力作用来加载。以程序中定义的墙(wall)来控制边界条件，其中下部Ⅴ,Ⅵ墙体组成下层硬岩边界，剪切加载过程中向右运动；Ⅲ,Ⅷ墙体组成上层岩体，剪切过程中向左运动；顶部加载并通过控制Ⅰ,Ⅱ墙体之间的位移伺服控制竖向应力至预设值。

图2 PFC2D模型及加载边界条件

考虑层间剪切带厚度及延伸状态的不同，建立了8组不同尺寸的二维计算模型，如表1所示。所有试样硬质岩层粒径为6.0～8.0 mm，服从均匀分布，颗粒集合孔隙率为0.14；中间软质岩层粒径为3.0～3.6 mm，服从均匀分布，颗粒集合孔隙率为0.10。

表1 PFC2D试样模型尺寸

为了使模型快速平衡，先用刚度接触模型装配颗粒，设定模型内部各向同性力，然后对模型中硬质岩层设定平行黏结接触，对软岩使用接触黏结模型。选取岩层粒子细观力学参数，如表2所示，软质岩层粒子细观力学参数如表3所示。

表2 硬质岩层粒子细观力学参数

表3 软岩粒子细观力学参数

6 计算结果及分析

6.1 剪切过程中裂纹扩展过程

为了使模型稳定加载，分10阶段，800步加载到限定速度0.3 m/s(此速度虽然很大，但是对PFC程序而言很小)。剪切开始后，设置裂隙追踪，即标记剪切过程中因黏结破坏产生裂纹的过程，软岩部分颗粒用白色表示，方便观察层间剪切带裂隙的发育形态和数量，比较不同剪切时步裂隙发育情况，可较为直观地反映剪切带的破坏过程。

为研究试样剪切带形成过程中孔隙比的变化及剪切裂隙发育宽度，在软岩部分均匀布置足够多的测量环，用来读取测量环圆形区域内的孔隙比。取测量环半径为10～20 mm，每个测量环内包含8～10个颗粒。以样品c-2为例，图3为剪切时步为40 000，90 000，200 000，25 000步时软岩内微裂纹扩展图。图4为相应时步软岩内孔隙比分布。

图3 样品c-2不同剪切时步剪切裂纹扩展

图4 样品c-2不同剪切时步孔隙比分布

由图3可知，剪切开始时(图3(a))，剪切微裂纹主要集中在剪切带左上、右下角与硬岩接触面处，其他少量微裂纹发生在剪切带中部；剪切时步90 000时(图3(b))，产生几组对生剪切破劈理，其中平行生成与层面呈近50°剪切破劈理5组，间距100～400 mm，与层面呈近-30°剪切破劈理2组，间距1 000 mm；剪切时步200 000时(图3(c))，微裂纹发展迅速，优势裂隙面较为明显，剪切裂隙进一步延伸至上下部硬介质，说明剪切带上、下部颗粒的速度产生的接触力传递到软硬介质的接触面，在一定的法向应力下，两种介质之间的整体黏结不可能很快破坏，由剪切带内剪切裂缝的产生来释放能量；剪切时步250 000时(图3(d))，剪切带主要沿两组与层面呈-30°优势裂隙面破坏，软硬接触面黏结全部破坏并与优势裂隙面贯通。

由图4可知，在形成优势裂隙面之前，孔隙比分布变化不明显，在0.11～0.19之间，剪切时步为250 000步时，2条与层面呈-30°裂隙的宽度分别为70 mm和90 mm，与之相交的1条与层面呈50°裂隙的宽度为45 mm，孔隙比最大达到0.25。

6.2 与A.W. Skempton黏性土剪切破坏过程对比

强度高的层状岩体在屈曲时所产生层间力偶的应力值远低于岩石的强度包线，不会导致岩层的错动和破坏；而具有不同强度的软硬相间的互层状岩体，才能在接触界面或软层内形成不同类型的剪切带。根据库伦-纳维叶准则，岩石内主应力满足式(1)条件即

(1)

岩石将产生剪切破坏。当上覆盖重很小，破坏的临界主应力主要取决于岩石的内摩擦角(ø)和凝聚力(C)。

20世纪60年代中期A.W. Skempton对土体的剪切面形成过程做了试验研究，他将剪切带的形成过程分为以下5个阶段：第1阶段为连续、均匀的压缩变形，属颗粒之间的剪损阶段，土体内尚无明显的裂隙；第2阶段，当剪应力达到或刚超过屈服剪应力时，形成“Riedel Shear”[22]，首先出现缓倾角的剪切破劈理，有时可见到对生的剪断，见图5(a)；第3阶段，继续剪切产生与剪切轴相平行或近似平行的断续的裂线，即所谓的“位移剪切阶段”，见图5(b)；第4阶段，位移继续发展，一些断续的剪切线连接起来，形成主位移剪切面(主滑面)，但该面在这一阶段还是起伏的，并非一个整齐的面，如图5(c)；第5阶段，滑动继续增大，主滑面显著的磨光磨平。

图5 黏性土剪切破坏发展阶段图

与连续介质中应力、应变概念不同，PFC2D模拟则采用力与位移关系模拟颗粒介质的运动破坏过程。剪切带采用接触黏结模型，由法向连接强度定义，当法向抗拉接触力大于或等于法向接触连接强度时，连接破坏并把法向、切向接触力赋值为0。当切向接触力大于或等于切向连接强度时，连接也发生破坏，但是接触力不发生变化，并假设切向力没有超过摩擦极限。

图3与图5相比，PFC2D模拟软硬相间岩层层间剪切带破坏过程与A.K. Skempton的理论一致，也分为4个阶段：第1阶段，剪切带内微裂纹不均匀分布，受剪切带尺寸的影响，厚度越薄、延伸越长的夹层，微裂纹越容易集中在左右两端；第2阶段，当颗粒接触力大于连结强度时出现几组平行、与层面呈一定夹角的微裂隙，有时可见V字形或X形裂隙，剪切带延伸长度越长，裂隙倾角越缓、间距越大；第3阶段，在上、下软硬接触面颗粒黏结破坏，并产生与层面近似平行的裂隙面；第4阶段，与层面呈一定夹角的几组裂隙与软硬接触部位的裂隙面贯通，形成优势裂隙面，层间剪切带由此滑动破坏。

6.3 不同尺寸试样剪切裂纹扩展对比

如图6所示，由于岩层沉积厚度不同，层间剪切带延伸长度不同，不同规模的层间剪切带破坏时裂隙的倾角和间距均不同。即使是同一条剪切带，不同的发育部位，其破坏形态及程度也不同。

图6 不同尺寸试样剪切带剪切破坏图

6.3.1 剪切带厚度及上下所夹硬岩尺寸一定，试样长度不同时裂隙扩展对比

比较试样a-1/b-1，a-2/b-2，a-3/b-3/c-1的裂隙扩展过程可知，当剪切带长度与厚度比值大于10时，试样长度越长，裂隙越容易集中在剪切带左右两端，并产生剪切破坏，剪切带中间部分产生V字形或X形裂隙；当剪切带长度与厚度比值小于10时，等间距地发育几组平行裂隙，裂隙逐渐往上、下软硬岩交界处延伸，最终与交界面黏结破坏产生的裂隙面贯通，形成贯通的剪切面。由表4可知，对生成的2个方向的裂隙倾角与层面夹角不同，与层面呈负角度相交的裂隙倾角更缓；试样长度越长，裂隙与层面夹角越小、裂隙间距越大。

表4 裂隙倾角与间距统计

6.3.2 试样长度和上下所夹硬岩厚度一定，剪切带厚度不同时裂隙扩展对比

比较试样a-1/a-2/a-3，b-1/b-2/b-3，c-1/c-2的裂隙扩展过程可知，夹层厚度越厚时，裂隙间距越大，越容易产生X形裂隙，产生优势裂隙面需要的时步越长，且裂隙面表现的越明显。试样长度和上下所夹硬岩厚度相同时，裂隙与层面的夹角相近，但剪切带厚度越大，裂隙间距越大。

7 结 语

(1) 层间剪切带的形成需具备物质条件、动力条件和环境条件。坝基沉积物多属洪泛平原沉积，厚度大，分布广泛，沉积物较细，黏粒含量及黏土矿物含量较高，为剪切带的形成提供了物质基础；地层以粉砂岩-黏土岩不等厚互层的岩性组合为主，在构造运动或岩层屈曲时，由于软硬岩层强度差异，剪切带发生剪切位移而引起结构破坏；在一定地下水条件下，水岩物理化学作用导致剪切带的矿物成分和结构连接特性发生变化，发生软化和泥化。

(2) 不同岩性组合、夹层规模、延伸范围的层间剪切带具有不同构造特征：岩块岩屑型多为剪切破碎带，具节理带、劈理带和泥化光面等分带现象；岩屑夹泥型实为岩块岩屑型进一步错动形成，细碎屑为主，夹层界面裂隙密；泥化夹层主要形成于黏土质粉砂岩与黏土岩薄互层的半韵律沉积中，工程性质最差、强度最弱，鳞片状劈理密集发育，挤揉皱现象明显，形成一定厚度、断续或连续的泥层。

(3) 建立软硬相间岩层层间剪切带简化PFC2D模型，用水平剪切速度产生的水平应力作用来加载，比较不同剪切时步裂剪切带孔隙比的变化、剪切裂隙发育位置、宽度、角度及间距，直观地反映剪切带的破坏过程，模拟结果与A.W. Skempton提出的黏土实验室试验剪切破坏发展理论一致。

(4) 建立不同试样尺寸的PFC2D模型，对比不同厚度及延伸长度的层间剪切带破坏特征：剪切带厚度及上下所夹硬岩尺寸一定时，试样长度越长，裂隙与层面夹角越小、裂隙间距越大，微裂隙越容易集中在剪切带左右两端；试样长度和上下所夹硬岩厚度相同时，裂隙与层面的夹角相近，但剪切带厚度越大，裂隙间距越大。模拟结果为解释红层坝基不同发育规模剪切带的剪切破坏特征提供依据，同时也为进一步采用颗粒流理论分析层间剪切带在复杂地质条件下的破坏研究及其在坝基稳定性分析方面的运用奠定了理论基础。

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