三峡库区近水平厚层斜坡滑动稳定性研究——以重庆巫山箭穿洞危岩为例

王文沛，李 滨，黄波林，张 楠，韩 笑

(1.中国地质环境监测院，北京 100083；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；3.中国地质调查局武汉中心，武汉 430223)



三峡库区近水平厚层斜坡滑动稳定性研究
——以重庆巫山箭穿洞危岩为例

王文沛1，李 滨2，黄波林3，张 楠1，韩 笑1

(1.中国地质环境监测院，北京 100083；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；3.中国地质调查局武汉中心，武汉 430223)

以重庆巫山箭穿洞近水平巨厚层危岩体为例，通过地质环境条件、基座位移及应力监测数据等分析，总结归纳了危岩体目前的变形和受力状态，发现危岩体的强度仍在持续降低。同时，运用FLAC2D模拟手段，设置了初始天然、初始饱和、临滑、失稳4种模拟工况，研究了危岩基座岩体及泥质条带灰岩层面对危岩体阻滑规律。研究结果表明，基座泥质条带灰岩层强度的持续降低将会使得危岩体处于临滑乃至失稳状态。该稳定性分析也为进一步的防治设计提供了依据。

三峡库区；近水平厚层斜坡；箭穿洞危岩体；安全系数

1 厚层危岩稳定性分析方法研究现状

厚层危岩广泛分布西陵峡、巫峡和瞿塘峡。不少学者从岩体强度特征的角度对厚层状岩体进行过稳定性评价研究，如：Terzaghi[1]在研究高陡岩质边坡稳定性时发现，岩体中普遍存在的断续节理之间形成若干岩桥，从而提出滑面有效粘聚力概念，滑坡失稳过程实际上是岩桥连续接替发生破坏，破裂面的贯通最终导致滑坡整体失稳；Goodman等[2]提出了层状岩质边坡倾倒崩塌稳定性计算公式，公式中将条块分为稳定、倾倒、滑动破坏3种状态，通过比较条块间推力大小确定条块状态；陈祖煜[3]改进了Goodman-Bray方法[2]，考虑了条块底滑面上岩桥的作用，同时考虑了条块的抗弯能力，在折减剪切强度指标C和tanφ值时，也对抗拉强度进行折减；Hungr等[4]在研究高陡岩质滑坡失稳模式分类时，根据岩体强度上限值定义“应力稳定数”Ns，当Ns>0.25时，滑坡更易发生缓慢的塑性滑移崩塌；殷跃平等[5]在重庆武隆鸡尾山厚层岩质滑坡滑动机制分析中，强调关键块体对整个滑坡的阻滑作用，提出了侧向阻滑下滑坡平面稳定性的强度折减法；黄波林等[6]认为三峡库区周期性的水位涨落会使得岩体承受反复荷载作用，致使岩体裂隙率上升，含水量提高，进而提出了箭穿洞危岩基座岩体进一步劣化的可能。虽然以上研究中考虑到岩体强度变化会影响近水平层状巨厚层危岩稳定性，但究竟如何影响危岩体的稳定性尚未深入研究。因此，本文在该危岩体的现场调查、地质分析及监测数据分析基础上，通过FLAC2D强度折减法数值模拟近水平层状巨厚层危岩滑动稳定性，强调库水变动对基座层间软弱带的淘蚀、对基座岩体进一步劈裂使得危岩体处于临滑乃至滑动失稳状态，从而为此类危岩体的治理提供科学依据。

2 地质条件及水位变动

重庆巫山箭穿洞危岩体位于长江左岸，地处神女峰背斜核部(见图1)。2012年6月调查发现，箭穿洞危岩下方基座已经被压得支离破碎，严重威胁三峡航道和沿岸人民生命财产安全。特别是神女峰、神女溪旅游景区和青石居民集聚区附近，涌浪灾害风险较大。殷跃平等[7]通过固-液耦合流体动力学计算分析，认为箭穿洞危岩滑落入水形成的涌浪最大高度将达到17.3 m，若以倾倒模式入江，涌浪最大高度甚至可达47.1 m。

图1 箭穿洞危岩平面卫星图(引自Google Earth)Fig.1 RS images showing border of Jianchuandong rockmass

近水平层状巨厚层危岩多指岩层倾角小于10°，主要由厚层状碎屑岩、碳酸盐岩以及黏土岩组成，具有典型的软硬相间或上硬下软的“二元结构”特征[8]，箭穿洞危岩体即具有以上特征(见图2)。

图2 箭穿洞危岩立面图Fig.2 Vertical view of the Jianchuandong rockmass at the water level of 145 m and 160 m

箭穿洞危岩体后缘高程为278～305 m，基座高程为155 m，高差为123～150 m，平均高差135 m，危岩平均横宽约50 m，平均长度约55 m，体积约35.75×104m3[9]。

危岩体上部及后缘高程280 m以上，由下三叠统嘉陵江组第一段(T1j1)组成，岩性为薄—中厚层状白云岩，层厚约15 m；中风化岩体较完整，表层风化强烈，强风化层厚度1.0～1.5 m；其上为浅灰色中厚层状泥质灰岩，岩体较完整，锤击声脆，强度高，强风化层缺失。

危岩体主要由下三叠统大冶组第四段(T1d4)组成，分布高程155～280 m；岩性主要为灰色、肉红色中—厚层状泥质灰岩、灰岩，层厚约115 m；顶部见波痕，岩体较完整，锤击声脆，强度高，强风化层缺失。

基座为灰白色泥质条带状灰岩，呈薄层—中厚层状，层厚约10 m。岩体较破碎，存在大量的劈裂状高倾角裂隙，锤击易碎，强度较低，强风化层缺失。

基座以下为下三叠统大冶组第三段(T1d3)，岩性为浅灰色泥质灰岩，中厚层状构造，岩体较完整，锤击声脆，强度高，强风化层缺失。

箭穿洞危岩位于神女峰背斜轴部—南东翼的转折段，区内无断层及活动性断裂。轴部岩层产状为NE255°—265°∠5°—7°，南东翼岩层倾向为NE150°—160°∠10°—24°。

经勘查，箭穿洞危岩体北西、南东两侧和北东后缘边界裂缝清晰，已全部贯通，仅靠底部泥质条带状灰岩支撑，平面形态呈不规则的长条状(见图2、图3)。

图3 箭穿洞危岩A-A1工程地质剖面图(剖面位置见图1)Fig.3 A-A1 engineering geological section of the Jianchuandong rockmass

除3条主要构造裂缝外，岩体顶部表层发育多条竖向卸荷裂缝。危岩体边界由 3 条主要构造裂缝构成：①北西侧边界以陡崖冲沟为界(NE325°—335°∠85°—88°)；②南东侧边界裂缝在临江陡崖面上清晰可见(NE300°—315°∠78°—85°)，上宽下窄，局部充填碎石土，并向下逐渐收敛至153 m高程尖灭；③北东后缘边界发育在距离陡崖临空面约50～60 m处，发育标高约305 m，后缘卸荷裂缝(NE255°—265°∠70°—80°)，走向约340°，裂隙张开度最大达到3.15 m，裂隙在高程286 m以下底部均被碎石所填充。

从箭穿洞危岩的地形条件和空间形态来看，后缘及两侧边界裂缝贯通性好，地形坡度陡，向长江的排泄条件好，暴雨时在后缘裂隙充水、形成较高水头的可能性小，形成后缘裂隙水压力致使危岩体倾倒破坏的可能性小。

此外，抗日战争时期在157 m高程开挖了3个平硐(用作峡江防守掩体)，自长江上游编号分别为1#、2#和3#，延伸长度分别为8.2 m、13.7 m和11.0 m，硐室截面尺寸为2 m×2 m，从而破坏了底部岩体的完整性。目前，在上部岩体荷载作用下，基座岩体已形成劈裂状。三峡水库175 m蓄水后，基座岩体中存在的平硐和张性裂缝有利于库水的贯入、冲刷、淘蚀和软化基座的泥质条带灰岩，进一步降低了基座岩体的强度(见图2、图3)。2013年和2014年调查发现：1#平硐顶部和上游侧，坡面岩体均发生了不同程度崩塌，规模1～5 m3。根据近年来175 m水位蓄水对基座岩体的影响分析，层间泥质条带被淘蚀和侵蚀高度达1～15 cm，横向和纵向上的延伸长度达2.9 m。

3 危岩体位移及应力监测

3.1 位移监测

图2显示了箭穿洞危岩位移监测点的位置，由上至下分别为S1、S2和S3，监测频率为每周1次。位移监测曲线[9](见图4)表明：①危岩体整体竖向变形曲线平缓，处于缓慢沉降过程，2012年10月至2014年6月间，累计沉降位移量最大约-20.0 mm，并且竖向变形与水位变动之间并无明显相关性；②2012年10月至2013年12月间，危岩体整体水平位移在缓慢增加，累计水平位移最大为25 mm，发生在坡顶监测点S1；然而，2013年12月至2014年6月，随着水位的下降，监测点S1累计水平位移开始减少，至2014年6月已经减少到5～10 mm，而S2和S3累计水平位移仍然在缓慢增加，最大增加到30.9 mm(S2)。也就是说水位变动已可能造成危岩体顶部表面出现新的局部张拉裂缝。结合巡查监测情况分析，危岩整体处于基本稳定状态。

图4 箭穿洞危岩位移监测曲线Fig.4 Displacement monitoring curves of the Jianchuandong rockmass

3.2 基座应力监测

基座的3个平硐内(高程约157 m)均布置自动压力监测(见图2)，因篇幅限制，仅介绍危岩体正下方基座内1#平硐监测点[9]。1#平硐含4个监测点(a0、a1、b0、b1)，监测频率为每天1次，应力监测曲线(见图5)表明，应力受水位变动影响较大，水位上升时，压应力从1.5～2.0 MPa迅速下降，甚至降到0；水位下降时，压应力迅速恢复上升，局部甚至达到约3.0 MPa。结合2013年和2014年调查1#平硐顶板发生垮塌的现状，可以判断箭穿洞危岩的破坏主要在下方基座处。

图5 箭穿洞危岩基座1#平垌压应力监测曲线Fig.5 Pressure stress curves of 1# adit in the Jianchuandong rockmass

4 库水位上升时危岩体稳定性

强度折减方法是指不断降低岩土体材料的抗剪强度，从而获得斜坡的稳定系数[10]。本文将采用FLAC2D软件进行流固耦合模拟分析。由于箭穿洞危岩后缘及两侧边界裂缝贯通性好，地形坡度陡，向长江的排泄条件好，故水位变动不易在危岩体及基座内产生较大的水头差。根据箭穿洞危岩现场勘察结果，结合工程类比和反演分析法，建议采用的物理力学参数见表1。其中，危岩体整体视为均值弹性体，基座采用Mohr-Coulomb准则的弹塑性模型；同时，基座岩体考虑层面被侵蚀、软化的影响，引入遍布节理本构模型，节理参数设置同岩层结构面。倾角7°。抗剪强度指标：天然粘聚力C=60 kPa，内摩擦角φ=22°；饱和粘聚力C=50 kPa，内摩擦角φ=18°。运用强度折减法时，节理抗剪强度同时进行折减。

表1 箭穿洞危岩数值计算参数建议表

本文设置4种模拟工况稳定系数，反映了箭穿洞危岩基座岩体及泥质条带灰岩层面对危岩体阻滑规律(见图6，表2)。

图6 箭穿洞危岩阻滑模拟剪切应变增量结果Fig.6 Stimulation results of Jianchuandong rock slide shear strain increment

工况抗剪强度内摩擦角/(°)粘聚力/kPa稳定系数备注初始天然状态基座岩体32522基座层面2260137峰值天然强度(145m水位)初始饱和状态基座岩体32522基座层面1850120峰值饱和强度(175m水位)临滑状态基座岩体32522基座层面1440105层面2/3强度失稳状态基座岩体21350基座层面14400852/3强度

4种工况稳定系数反映了危岩基座岩体及泥质条带灰岩层对上部危岩体阻滑规律，特别是泥质条带灰岩层受长江江水的淘蚀形成层间裂缝，若层面强度降至初始饱和状态层面强度的2/3，危岩体已处于临滑状态。若在库水变动外荷载和坡体应力作用下，岩体进一步劈裂状恶化，强度同样降为初始饱和状态岩体强度的2/3时，危岩滑动失稳。

5 结论与建议

箭穿洞近水平厚层危岩被北西、南东两侧和北东后缘竖向构造裂缝切割，仅靠底部泥质条带状灰岩基座支撑。危岩体整体性较好，但基座中岩体已形成劈裂状，在三峡水库175 m蓄水后，基座岩体中存在的平硐(1#、2#和3#)和张性裂缝有利于库水贯入、冲刷、淘蚀和软化基座的泥质条带灰岩，进一步降低了基座岩体的强度。

危岩体整体虽然处于基本稳定状态，但水平向和竖向沉降变形一直在缓慢增加，危岩体顶部表层可能出现新的局部裂缝；同时平垌内应力监测反映库水变动对于危岩体应力变化影响很明显，这种反复荷载作用下易降低基座岩体强度。

FLAC2D模拟表明，基座泥质条带灰岩层强度的持续降低将会使得危岩体处于临滑状态。若同时考虑库水变动外荷载和坡体应力作用，基座岩体进一步劈裂状恶化，危岩将处于滑动失稳状态。

致谢 本文得到高杨、赵瑞欣等同志的帮助和指导，监测数据由重庆市地质灾害防治工程勘查设计院无偿提供，在此一并表示感谢！

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STABILITY ANALYSIS OF SUB-HORIZONTAL THICK-BEDDED SLOPE IN THREE GORGES RESERVIOR AREA:A CASE STUDY OF JIANCHUANDONG DANGEROUS ROCKMASS IN WUSHAN, CHONGQING

WANG Wen-pei1, LI Bin2, HUANG Bo-lin3, ZHANG Nan1, HAN Xiao1

(1.China Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100083, China；2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China；3.WuhanCentreofChinaGeologicalSurvey,Wuhan430223,China)

Taking Jianchuandong dangerous rockmass in Wushan for an example, based on analyzsis of geological conditions, displacement of base and stress monitoring data, we summarized the present deformation and stress state of the dangerous rockmass, then found that the strength of it remaining reduce. Meanwhile, using FLAC2Dwe set up four simulation conditions, including Initial natural, Initial saturation, critical sliding and destabilizing to research the rule of rock base and shale strip limestone when facing up rock slide. The results show that decreasing of base strength of argillaceous limestone will make dangerous rockmass in a state of critical sliding. Stability analysis of the above also provides a basis for further control of the design.

Three Gorges Reservoir; sub-horizontal thick-bedding slope; Jianchuandong dangerous rockmass; factor of safety

1006-6616(2016)03-0725-08

2016-06-25

国家自然科学基金“库水变动下堆积层滑坡渗透失稳机理研究”(41502305)

王文沛(1985-)，男，高工，主要从事地质灾害与防治研究，E-mail：wangwenpei1985@163.com

李 滨(1981-)，男，副研究员，主要从事工程地质与地质灾害研究，E-mail：libin1102@163.com

P642. 22

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