三峡库区巫峡段典型岩体劣化特征研究

闫国强，黄波林，代贞伟，秦 臻

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.防灾减灾湖北省重点试验室(三峡大学)，湖北 宜昌 443002；3.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205)

三峡库区存在大面积以碳酸盐岩为主的可溶性岩石分布区。由于三峡工程的建设，形成了在高程145～175 m之间的水位消落带。在库水位升、降循环中，变幅带岩土体处于一种浸泡-风干交替状态，这种干湿交替作用对岩土体来说是一种“劣化损伤作用”[1-2]。因为岩溶岸坡消落带岩体节理裂隙发育，叠加水位周期性变动，库水/地下水与碳酸岩岸坡的干-湿，浸泡-风干交互作用活跃[3]，这加速了碳酸盐岩岸坡变形破坏演化与岩体劣化进程[4]。三峡库区巫峡段广泛分布顺层灰岩岸坡，顺层岸坡本身作为极易诱发大型滑坡的结构类型[5-7]，叠加碳酸盐岩体劣化效应，其潜在的威胁十分巨大。

前期国内学者对三峡库区红层软岩，尤以侏罗系泥质砂岩为典型代表的水敏性岩体研究甚多[8]。如王思敬等[9]，刘新荣等[10]，周翠英等[11]，邓华锋等[1]都对砂岩试样进行了干湿循环试验以及相关的微观结构分析，结果表明干湿循环对砂岩造成了不可逆的渐进性劣化损伤，砂岩的抗剪强度、弹性模量、抗压强度、黏聚力、内摩擦角等随着“饱和-风干”循环作用次数的增加而呈现不同程度的降低。

由于碳酸盐岩的水岩相互作用一般比较缓慢[3]，峡谷区碳酸盐岩岸坡一直被认为是比较稳定的区域，长期以来没有引起足够重视，因此对碳酸盐岩岸坡在库水循环周期下的劣化损伤研究较少。Sandra Dochez[12]研究了不同pH值溶液对灰岩的溶蚀作用，以及对灰岩岩桥的改造；阎岩[13]、Liu Changwu[14]开展了水岩直接接触的多级灰岩蠕变损伤试验；M Mutluturk[15]开展了灰岩的冻融、冷热循环试验，并建立岩体的劣化强度控制方程；夏冬[16]开展了周期性饱水对灰岩力学特性的损伤试验，建立了岩石损伤演化方程。可见对于碳酸盐岩的研究目前主要集中在比较极端工况下进行岩体性质的劣化损伤探讨：如酸碱环境、冻融循环、冷热循环、高水压蠕变损伤等，但对于三峡库区这一特定工况下，无冻融无高压的干湿循环下岩体劣化损伤研究较少。

本文基于对三峡库区巫峡段灰岩岸坡的野外调查，阐明劣化变形破坏模式，结合三维激光扫描对岩体表层宏-细观劣化进行定量研究；现场采取两种典型灰岩岩样进行室内30～50次的饱和-风干劣化试验，研究两种典型岩样力学性质的衰减变化。基于室内试验，查明岩体强度劣化情况并建立基于核衰变的劣化控制方程。

1 灰岩岸坡原位宏观劣化研究

课题组于2008—2019年间对三峡库区巫峡段岩溶岸坡进行了长期跟踪调查。岩溶岸坡的主要地层层位为二叠系和三叠系，其中又以三叠系大冶组和嘉陵江组最为发育。最初的岩体劣化现象在龚家坊—独龙一带发现[17]，尔后多样化的岩体劣化在许多岩溶岸坡中发现，如箭穿洞—剪刀峰段顺层灰岩岸坡的劣化现象极为显著(图1)。

岸坡岩体在长时间不断干湿交替、化学溶蚀、浪蚀/冲蚀等物理化学作用下，岩体强度逐渐劣化。促使已有节理裂隙进一步加宽变深，同时沿着裂缝尖端形成新生扩展裂缝，这又进一步加剧了岩体劣化。在巫山龚家坊4号斜坡、青石6号斜坡消落带上都发现了大量侧向侵蚀和坡面侵蚀现象。由于物理化学侵蚀，坡面上形成了大小不等的溶沟、溶洞，劣化严重者崩解成碎裂岩体(图2a)。在巫峡箭穿洞—剪刀峰段顺层灰岩岸坡也发现了大量机械淘蚀、溶蚀/潜蚀和裂缝扩展、崩塌掉块现象，这些现象显然是受岩溶、水力侵蚀影响劣化形成的。局部顺层岸坡底部由于受侵蚀劣化脱空，形成良好临空面，上部岩层出露，存在潜在的沿层面滑移-拉裂破坏的风险(图2b)。

图1 三峡库区岩性分布图及巫峡段岩体劣化重点调查区图Fig.1 Lithological distribution map of the Three Gorges Reservoir area and the major investigation locations of rock mass deterioration in the Wuxia Gorge

图2 龚家坊4#斜坡与箭穿洞—剪刀峰段顺层灰岩岸坡劣化现象Fig.2 Slope erosion deterioration of the Gongjiafang 4# slope and Jianchuandong—Jiandaofeng consequent bedding limestone reservoir slope

借助于新近发展的三维激光扫描和点云对比分析技术对选定的岸坡原位劣化区进行了长期定量化观测。分别选取两个典型原位测区(2 m×2 m)，对泥质条带掏蚀以及岩面溶蚀沟槽的形成进行宏-细观的定量化研究，现场原位测试更加具有说服力和可靠性。由于库水蓄水前并未进行三维激光扫描，泥质填充条带是通过现场填充土进行蓄水前状态的还原，然后历时两个库水循环后，再次进行三维激光扫描，并利用两期三维点云数据进行对比分析，从而得到侵蚀的定量化数据。同时通过原位照片图3(a)(b)也不难发现由于受库水周期性的侵蚀、劣化作用，测区泥质填充条带发生了肉眼可见的变化，填充区变宽、加深。

图3 巫峡青石6#斜坡测区(2 m×2 m)泥质填充条带侵蚀Fig.3 Erosion of argillaceous filling strips in the Qingshi 6# slope survey area (2 m×2 m) of the Wuxia Gorge

由图3可以看出两次库水循环后人工回填的泥质填充带几乎被掏蚀殆尽，通过两期三维激光扫描的点云数据进行对比分析，可以看出泥质条带侵蚀量非常明显，沿着泥质填充条带提取19个记录点的信息(图3c、d)，可以看出从上到下侵蚀量整体趋向变强，上部侵蚀量最小值为13.3 mm，下部记录点19的侵蚀量明显增大，达到83.84 mm。受中间节理、大开孔水岩接触面影响，掏蚀、溶蚀作用非常强烈，形成一个局部的极深溶蚀孔洞，侵蚀深度高达156.46 mm。这与现场观测(图3a、b)一致，在重力作用下，周期循环的库水位由上而下掏蚀作用渐趋增强，故泥质填充条带整体从上到下侵蚀深度增加，受到局部节理裂隙、孔洞接触面的影响，会出现局部的侵蚀放大作用。同时观察图4(a)、(b)溶蚀沟槽原位图与三维激光扫描点云图，可以看出测区中下部出现明显的刀砍纹现象。“刀砍纹”状溶蚀沟槽的形成与此处白云质灰岩的矿物组成密切相关，其中的方解石(主要成分为CaCO3)极易受岩溶作用形成沟槽，而残留岩体的白云石(主要成分为CaMg(CO3)2)含量较高抗溶蚀性强形成了峰脊，这种“差异溶蚀”作用，导致白云质灰岩“刀砍纹”现象密布(图4c)，现场的原位调查也证实了这一论断，“刀砍纹”状溶蚀沟槽的底部有大量明显的方解石脉露头(图4c)。随着“刀砍纹”状沟槽溶蚀加深、变宽、劣化，岩体逐渐崩解碎裂，会大大削弱岸坡的稳定性，尤其是对于巫峡区域广泛分布的顺层灰岩岸坡尤为不利。

图4 巫峡青石6#斜坡区溶蚀沟槽“刀砍纹”三维激光扫描点云与方解石脉露头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 室内灰岩干湿循环试验及其劣化特征

为进一步定量化研究灰岩岸坡劣化规律，在箭穿洞—剪刀峰段分别选取劣化特征典型的三叠系大冶组(T1d)和嘉陵江组(T1j)灰岩进行室内劣化试验(图5)。将现场取回的T1d泥质条带灰岩与T1j白云质灰岩岩样，在室内严格按照相关试验规程[18]精度要求加工成底面直径50 mm、高100 mm的标准圆柱体试样。在初次干燥完成并冷却至室温后进行岩样纵波波速测试，筛选并剔除具有明显缺陷及离散性较大的不合格试样。试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的 RMT-150C岩石力学数字控制式电液伺服试验机(图5)，该仪器可完成单(三)轴压缩等多种岩石力学试验。仪器为全自动试验仪器，它集电子、传感、机械等技术于一身。仪器最大轴向静出力1 000 kN，最大围压50 MPa，最大轴向行程为50 mm，测量精度满足试验要求[19]。

通过“饱和-风干”循环过程模拟库岸消落带岩体的实际赋存环境，按照相关试验规程对经历不同“饱和-风干”循环的T1d与T1j灰岩开展单(三)轴抗压强度试验、单轴压缩变形试验和直剪试验，测定不同“饱和-风干”循环下两种灰岩的单轴干燥(饱和)抗压强度σcd(σcs)、变形模量Es、弹性模量E、泊松比μ等。对应设定的每一循环工况，每种力学测试至少需要3块试样，取平均值为该组测试值。

具体单次饱和风干循环过程如下：将室温冷却的岩石试样放入吸水箱中自由吸水48 h后，放入真空泵中进行真空饱和抽气4 h，大气压下水中静置4 h，此时岩体状态为饱和状态，可进行岩体的饱和抗压试验。然后将试样取出擦干，放置在105～107 ℃的恒温烘箱中烘24 h后室温冷却，此时岩体状态为完全干燥状态，可进行岩体的干燥抗压试验。将岩石样品进行上述多周期“饱和-风干”循环试验，对不同循环次数的试件进行力学性质试验；T1d与T1j两种岩样的 “饱和-风干”循环过程一样，仅在于循环次数以及测试的力学属性不同：利用150块T1d泥质条带灰岩样品进行了0，5，15，20，30次浸泡-风干循环下的各种力学强度试验(表1)。利用330块T1j白云质灰岩样品进行了0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50次浸泡-风干循环下的各种力学强度试验(表2)。

表1 三叠系大冶组泥质条带灰岩(T1d)样品力学测试结果

表2 三叠系嘉陵江组白云质灰岩(T1j)样品力学测试结果

由表1可知，经过30次循环后T1d泥质条带灰岩岩样单轴抗压强度σcd(σcs)和抗拉强度σt总体下降约21%～28%，平均每循环的下降率为0.7%～0.9%。岩样黏聚力c随着循环次数增加，下降率趋于减少，经过30次循环后，总下降率约28.4%。岩样的内摩擦角φ经过30次循环后下降约12.9%。变形参数在30次循环中劣化最为显著，变形模量Es下降42.2%，弹性模量E下降41.2%，泊松比上升16.7%。尽管Es、E单次循环下降率较小，最大也仅1.4%，但近30个循环累计下降率高达42.2%，造成了岩体的强烈劣化。值得注意的是，30次循环中黏聚力c无论是累计下降率还是单次下降率都是内摩擦角φ的2.2倍之多；说明岩样“饱和-风干”对于黏聚力c劣化影响远大于内摩擦角φ，这与邓华锋[1]以及刘新荣[10,20]的研究相似，但数值明显小于上述文献的研究值，这与本文研究对象灰岩的致密性远大于文献研究对象砂岩有关。c、φ下降的原因在于水对矿物颗粒接触面或胶结物的溶解、润滑、劣化作用，导致凝聚力c明显下降；其次由于岩体中溶解、扩散等因素的影响，使得颗粒间接触边缘锯齿状或不规则状趋向圆滑，从而使锯齿部分的强度下降，进而使内摩擦角φ下降。

同样的由表2不难看出与表1相似的劣化规律，经过50次循环后T1j白云质灰岩单轴抗压强度σcd(σcs)累计下降28.5%～33.9%，平均每次循环的下降率为0.6%～0.7%。变形模量Es与弹性模量E分别下降34.5%、33.3%，平均每次循环的下降率为0.7%。对比表1、表2单轴抗压强度σcd(σcs)、变形模量Es与弹性模量E的单次循环平均下降率，不难看出：T1j白云质灰岩下降率明显小于T1d泥质条带灰岩，表征了T1j白云质灰岩相比T1d泥质条带灰岩具有更高的抗劣化性能。原因在于T1j白云质灰岩含有大量白云石，其强度和耐劣化性能优于灰岩中的方解石；而现场宏-细观调查研究也证实了这一设想，剪刀峰—青石附近岸坡T1j白云质灰岩岩面常形成纵横交错的溶蚀沟槽，溶蚀沟槽底部明显有方解石脉露头，突出残留的耐溶蚀“峰脊”常为白云石含量较高的灰岩(图4)。由此也可以推测顺层T1d泥质条带灰岩岸坡的劣化程度及潜在危险要略高于顺层T1j白云质灰岩岸坡。

3 基于核衰变的劣化控制方程

前期学者对于饱和-风干循环下砂岩的力学性质研究成果众多[1-2,9-11,15,19-21]。已有砂岩岩样测试成果中多数学者通过回归拟合成为线性方程[21]、多项式[2]、指数或对数形式[1,10-11,15,20]，但利用碳酸盐岩进行浸泡-风干循环下岩石劣化研究相对较少。单纯的数学拟合没有考虑岩体实际的物理力学属性，容易沦为纯粹的数学游戏。现实中完整的岩体经受物理化学溶蚀/侵蚀作用，即使完全碎裂甚至全风化为土体仍保持一定的力学性能。这与物理学中核衰变方程的思想相近，即使历经无限长时间衰变仍保有一定的原子数，故本文借鉴核衰变方程来描述岩体力学参数的衰减劣化过程。

核物理学中，对于某一放射性元素集合体，在dt时间内衰变的原子数dN与此刻对应母核数N和dt乘积成正比。相似的这里我们将其定义为对于某一指定岩体，在dt时间内岩体物理力学参数劣化量dN与此刻对应的参数值N和dt乘积成正比，如下：

dN=-λNdt

(1)

式(1)中负号表示随时间/循环周期递增，对应物理力学参数呈负相关衰变。假设原始t0=0时刻，原始物理力学参数数值为N0，将其作为边界条件代入式(1)积分可得：

N(t)=N0e-λt

(2)

式(2)即可作为岩体物理力学参数劣化的回归算式。N0为初始物理力学参数，t为时间或者不同工况循环周期。借鉴核物理学中半衰期T1/2的含义描述核衰变快慢，这里引入半衰期描述岩体劣化的快慢。将t=T1/2代入式(2)，此时N(T1/2)=1/2N0，则由式(2)可得岩体劣化的半衰期为T1/2：

N(t)/N0=1/2=e-λt

(3)

T1/2=ln2/λ=0.693/λ

(4)

由式(4)不难看出，只需结合试验数据回归得到λ即可得岩体劣化的半衰期T1/2。同样由λ及式(3)可计算出任意劣化强度对应的循环周期，由λ及式(2)可知任意时刻的劣化强度。借鉴核衰变物理学，定义λ为岩体劣化的衰变常数或者劣化常数。为了论证该劣化控制方程的可行性，运用表1、表2的试验数据进行回归验证(图6～7)。其中泊松比随循环周期增加而递增，可见泊松比并非衡量岩体力学性能劣化的直接指标。

由图6～7知，采用基于核衰变方程的劣化控制式(2)进行回归，无论是T1d泥质条带灰岩还是T1j白云质灰岩，各物理参数拟合度均较高，相关系数R2达0.861 9～0.999 3，表明利用核衰变的劣化控制式(2)描述该区段的灰岩劣化是可行的。根据求得的劣化控制方程及对应的劣化常数，由式(4)进一步解得岩体劣化的半衰期。

对比两种岩样单轴抗压强度σcd、σcs、变形模量Es、弹性模量E等对应的劣化常数λ、半衰期T1/2的数值(表3)，同一物理力学参数，T1d泥质条带灰岩对应的劣化常数大于T1j白云质灰岩，半衰期小于T1j白云质灰岩，可见T1d泥质条带灰岩相比T1j白云质灰岩受干湿循环劣化作用更加明显，与前文表1、表2呈现的规律一致。且由表3可知，T1d泥质条带灰岩物理力学参数对应劣化常数以及半衰期大体可以分为4个分布簇(图8)，间接反映出即使是同一岩体不同物理参数在相同的干湿循环下对应的劣化量也并不同步。变形参数Es(E)劣化最快，劣化常数约0.018，半衰期约40次；内摩擦角劣化最慢，劣化常数为0.004 5，半衰期高达154次；其他强度参数次之，劣化常数约0.008 1～0.011 4，半衰期约61～86次。其中饱和单轴抗压强度相比干燥单轴抗压强度劣化明显较快，表明岩体含水量对干湿循环劣化作用影响显著。

表3 两类岩样的劣化常数λ及其对应的半衰期T1/2

图6 T1d泥质条带灰岩各物理参数劣化曲线及劣化控制方程Fig.6 Deterioration curve and deterioration control equation of physical parameters of the T1d argillaceous strip limestone

图7 T1j白云质灰岩各物理参数劣化曲线及劣化控制方程Fig.7 Deterioration curve and deterioration control equation of physical parameters of the T1j dolomitic limestone

图8 T1d泥质条带灰岩各物理参数对应劣化常数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 讨论

基于巫峡段灰岩岸坡现场宏-细观定量化研究，本文现场采取两种岩性的灰岩进行室内“饱和-风干”循环劣化还原试验。试验表明相同参数T1d泥质条带灰岩劣化速率明显快于T1j白云质灰岩，这与两种岩性的矿物组成及孔隙结构密切相关，T1j白云质灰岩含有大量白云石(主要成分为CaMg(CO3)2)，其强度和耐劣化性能优于灰岩中的方解石(主要成分为CaCO3)。现场调查也证实了这一设想，剪刀峰—青石附近岸坡T1j白云质灰岩岩面常形成纵横交错的溶蚀沟槽，溶蚀沟槽底部明显有方解石脉露头，突出残留的耐溶蚀“峰脊”常为白云石条带或白云石含量较高的灰岩(图4)。同时T1d泥质条带灰岩含泥量较高，细小孔隙较多，微观结构较为疏松，力学性能差，也是造成其劣化速率明显高于T1j白云质灰岩的原因。

根据灰岩的劣化损伤特征，本文引入基于核衰变的劣化控制式：N(t)=N0e-λt，对两种灰岩的劣化损伤进行回归(图6～7)。本式类比核衰变物理含义，引入劣化常数λ、半衰期T1/2对灰岩的劣化速率以及相关性能进行全面描述，为后期研究提供了一种新的思考视角。由于本文仅对两种典型灰岩进行了“饱和-风干”循环劣化试验，需要进一步系统地对不同岩性灰岩进行干湿循环劣化试验，进一步丰富确认该灰岩劣化控制方程式的可靠性。

基于劣化常数、半衰期对两种岩性灰岩进行统计分析，发现即使是同一岩性灰岩，不同的物理参数对应的劣化常数、半衰期是不相同的，呈现“簇状”分布特征。这与室内干湿循环劣化试验数据表现一致。即使同一岩性，对应的不同物理参数，其劣化速率也是明显不同的，呈现出相似力学参数，相似劣化现象的“簇状”分布特征。其中变形参数Es(E)劣化最快，内摩擦角劣化最慢，其他强度参数次之。饱和单轴抗压强度相比干燥单轴抗压强度劣化明显较快，表明岩体含水量对干湿循环劣化作用显著。这也侧面反映出引入劣化常数、半衰期的劣化控制方程N(t)=N0e-λt能较好地描述灰岩劣化特征。

从现场宏-细观劣化现象到室内“饱和-风干”循环试验发现，室内的劣化试验更多的是针对岩石这一较为纯粹、均质的对象，并没有考虑薄弱结构面的影响。但是根据现场调查以及三维激光扫描点云分析可知，岩体被泥质填充条带以及溶蚀沟槽、层间胶结、节理裂隙等切割。由于这些薄弱层影响因素的存在导致现场岩体的劣化速率要远大于室内岩石劣化试验的速率。即野外岩体半衰期要远小于室内的劣化试验，野外岩体对应物理力学性能要比室内所得劣化控制方程及参数“弱”得多。在运用室内试验所得劣化控制方程来指导预估现场岩体的物理力学性能时，要充分考虑到各种软弱结构面 “加速劣化”的影响，否则极易发生“高估”现场岩体力学性能和岸坡稳定性的情况，这些软弱结构面对岩体劣化和岸坡稳定性起到关键性的作用。由于结构面劣化研究难度较大，目前相关研究资料极少[22]，可以参考《工程岩体分级标准》(GBT 50218—2014)[23]中BQ分级以及GSI、Hoek-Brown准则的思想根据岩体的完整、破碎程度，对岸坡岩体原位强度进行预估。

5 结论

(1)巫峡段灰岩岸坡受库水长期的物理化学作用，宏观劣化明显，局部岸坡底部受侵蚀劣化脱空，形成岩层出露的临空面，存在潜在滑移-拉裂破坏。三维激光扫描点云对比分析表明岩体劣化主要沿着泥质填充条带等薄弱结构面进行，同时现场发现“刀砍纹”状溶蚀沟槽的差异劣化与白云石和方解石抗溶蚀性能密切相关。

(2)室内干湿循环劣化试验表明，T1d泥质条带灰岩的劣化速率明显高于T1j白云质灰岩，原因在于T1j白云质灰岩含有大量白云石，其强度和耐劣化性能优于T1d泥质条带灰岩中的方解石，与现场“刀砍纹”状溶蚀沟槽现象吻合。同时T1d泥质条带灰岩含泥量较高，力学性能差，也是造成T1d泥质条带灰岩劣化速率明显高于T1j白云质灰岩的原因。

(3)基于核衰变劣化控制方程进行回归，相关系数R2达0.861 9～0.999 3。引入劣化常数λ、半衰期T1/2对两种岩性劣化特性进行分析，发现同一岩性不同物理参数对应的劣化常数、半衰期是不相同的，呈现“簇状”分布，与室内试验表现一致。即同一岩性，对应的不同物理参数，其劣化速率明显不同，且呈现出相似力学参数，相似劣化速率的“簇状”分布特征。

(4)运用室内劣化试验所得劣化控制方程评估现场岩体力学性能和岸坡稳定时，要考虑到现场岩体由于各种结构面的存在，其劣化速率远大于室内，对应岩体的物理力学性质和半衰期远小于室内。建议参考BQ、GSI分级思想根据岩体的完整、破碎程度对室内所得劣化控制式和力学强度进行相应折减和进一步深入研究。