奉节新县城库岸段岸坡变形破坏模式研究

奉节新县城库岸段岸坡变形破坏模式研究

1地形地貌复杂的变形破坏三峡凤栖县的新区位于长江南北两侧，沿河分布。江北片区东起宝塔坪谭家沟，经梅溪河，西至朱衣河，为全县的政治、经济、文化中心，江南为工业区。虽经多次选址，奉节新县城规划区多处仍分布在库岸带上，组成库岸的地层除巴东组灰岩、泥灰岩及泥质灰岩等基岩外，各类松散堆积体和松动破碎岩体也占有相当比重，斜坡稳定问题十分普遍。三峡水库在2003年6月蓄水达到139m水位后，随着水位的上升，多处库岸段出现了不同类型的变形破坏迹象。原因在于巴东组泥灰质岩石具有灰岩和泥岩的双重特性，在钙质成分被溶蚀的同时泥质成分遭受风化，岩石的力学强度不断降低，而岩溶、风化后形成的松散土又具有易滑性，易于发生变形破坏。巴东组二、四段(T2b2,T2b4)是以紫红色泥岩为主的地层，在三峡库区奉节等地分布广泛。该套地层在地形上形成缓坡，常常是三峡移民后靠安置迁建的场址，但是其岩(土)体工程地质力学性质差，或者在自然状态下岩体强度较高，但开挖后由于风化作用，出现显著的性状恶化，并沿坡面发生滑塌，是库区的“易滑地层”。需要特别关注的是2006年水库蓄水水位预计要达到156m，在有限时间内对新城区库岸岩体结构进行研究，进而对不同岩体结构库岸段的边坡变形破坏模式进行系统分析，提出有针对性的治理方案并立即付诸实施，对保护人民生命财产安全、提高工程治理效果和节约投资，以及维持奉节地区的长期稳定和经济持续发展都具有非常重要的意义。2边坡形式类型岩体结构类型是研究岸坡变形破坏模式的基础。库岸稳定状态主要受库岸边坡的内部结构、物质组成和外部形态特征等几个方面的影响，这些因素的组合也就构成了不同的库岸结构类型。在奉节新城区库岸段，从岩性来看，主要是基岩组成的岩质岸坡和各类成因的松散堆积体组成的土石岸坡。2.1边坡岩体结构对于岸坡岩体结构的研究，近年来已取得了一定的研究成果。D.F.Coates(1970年)将岩体分为块状岩体、完整岩体、粒状岩体三种类型；谷德振(1979年)将岩体结构划分为整体结构、层状结构、碎裂结构、散体结构四大类；孙玉科(1988年)、孙广忠(1988年)、王思敬(1990年)等从不同角度出发，也都对边坡岩体结构进行了划分。伍法权(2004年)对岩质边坡按照介质类型划分为层状、非层状两大类后，以地层岩性为基础，结合地层倾角，及倾向与岸坡走向间的组合关系等对层状边坡进行了详细的划分和命名。奉节地区的岩质岸坡主要由两类岩石组成：一类是碳酸盐岩，主要是三叠系中统巴东组第1,3段(T2b1,T2b3)的灰岩、泥质灰岩和泥灰岩等；另一类是碎屑岩，主要是三叠系中统巴东组第2,4段(T2b2,T2b4)的紫红色泥岩、钙质页岩、粉砂岩等。特别值得注意的是，两类岩体在奉节新城区均是以层状结构出现，而且多为缓倾角，在进行岸坡结构类型研究时，应给予足够的重视。2.2冲洪积物岸坡立地类型奉节新城区库岸段土石岸坡按照成因可分为崩滑堆积岸坡、冲洪积堆积岸坡、残坡积堆积岸坡和人工堆积岸坡等。就其规模来说，崩滑堆积体形成的库岸岸坡分布范围较广，其余3种类型规模都相对较小、呈局部点状分布。冲洪积物岸坡主要分布在各冲沟沟口，三峡水库最终蓄水水位175m高程以上的堆积体多为洪积物堆积；残坡积物的堆积层厚度一般较小，多呈土石叠置结构；人工堆积岸坡出露在李家大沟、孙家沟、大河沟等部分沟坡内，主要是人工弃土和建筑垃圾等。3岩质岸坡水岸坡坡面奉节新城区主要分布在江北的宝塔坪至头道河，沿175m高程等高线统计，库岸总长度约为21.7km，其中岩质岸坡约13.7km，土石岸坡约为8.0km。考虑到岩性的出露随高程的变化有所不同，进而会影响对岸坡岩体结构类型的划分，因此根据岩体结构对库岸进行分段时主要以高程为150～350m范围内的出露岩体为依据。3.1岩质岸坡岩质岸坡陆相分类通过众多学者的不懈努力，边坡岩体结构研究得到了长足进展，但事实上由于分类方案较多，分类的依据、标准不统一，给实际应用带来了一定的困难。由于奉节新城区库岸段岩质岸坡岩体主要以层状结构出现，对岩质岸坡进行详细划分时，采用伍法权的分类方案(表1)，即以边坡介质类型(岩性)+边坡控制性地质结构面倾角(α)+控制性地质结构面与边坡主临空面的倾向夹角(δ)三个要素来分类命名，如碳酸盐岩缓倾反向坡等。对于组成成分中土与碎石混杂而成的土石岸坡，则根据成因不同分为崩滑堆积岸坡、冲洪积岸坡、残坡积岸坡以及人工堆积岸坡等几种类型。3.2海岸的结构类型和分类以划分标准为基础，综合考虑多种因素和以往研究成果，奉节新县城江北片区库岸段可以划分为以下21段(表2)，平面分布见图1。4岩体破坏机制斜坡的变形和破坏本是2个不同的概念，有着本质的差别。斜坡变形一般可以分为卸荷回弹和斜坡蠕变2种方式。斜坡失稳破坏的基本模式包括崩落(塌)、滑落(坡)和(侧向)扩离。就岩体破坏机制而言，崩落(塌)以拉断破坏为主，滑落(坡)以剪切破坏为主，(侧向)扩离则是由塑性流动破坏为主。变形与破坏又是一个连续的发展过程，在具体的工程实践中很难把它们完全分割开来，往往是一部分岩体处于变形时另一部分已经破坏，尤其是在某些特殊工程中，边坡出现较大变形时就已经被视为破坏。因此，对奉节新城区库岸段边坡变形破坏模式进行研究时，不再明确区分变形和破坏，而是一并进行研究，就岩质岸坡和土石岸坡两大类从岩体结构的角度出发来分析讨论。4.1工程地质边坡破坏模式奉节新城区库岸段岩质岸坡主要呈层状产出，层状岩体结构是最常见也是比较容易发生变形破坏的一种岩体结构类型。许多学者也对层状结构岩体组成的边坡做了大量的研究工作。文对应于其划分的层状边坡结构类型，将边坡变形破坏基本模式也进行了归纳总结。文对层状岩体边坡从变形破坏的力学机制入手，提出了对层状岩质边坡的破坏类型进行判别的工程地质要点。从多位专家、学者对边坡的变形破坏的研究成果可以总结出一些规律性的模式。缓倾岩层边坡，易形成规模较大的深层弧形滑面切层滑坡；上硬下软的水平岩层或缓倾反向边坡，也易形成深层弧形滑动面。水平岩层或缓倾反向边坡，当坡高较大且边坡陡峻时，若存在陡倾坡外的节理切割，易产生表层下座式滑动破坏。水平岩层或缓倾同向坡，当坡高较大且边坡陡峻时，若存在陡倾坡内的节理切割，易产生倾倒破坏。陡倾岩层同向和反向坡，易发生弯曲倾倒变形。倾倒变形体表层变形严重的部分可能发生滑动破坏。综合以上各种边坡变形破坏模式，结合奉节新城区库岸段的地层组合及岩体结构特征，针对岩质岸坡建立以下4种岸坡变形破坏模式：弯曲–拉裂–倾倒型，剪切–滑移型，楔形体崩塌–滑动型，风化–剥落型，见图2。(1)破碎面发生倾覆一般发生在中、高倾角的反向边坡中。岩层在自重荷载的作用下，一方面表面浅层部位产生弯曲，由前缘开始向临空方向发生弯曲，并逐渐向坡内发展；另一方面随着荷载作用时间的增长，岩石强度有所降低，最终导致岩层倾倒，在弯曲、倒转最强烈的部位往往被折断成破裂结构面，最后沿破裂面发生倾倒。在奉节新城区库岸段，长期的地质变形过程中，随着临空面的应力释放、坡脚的冲刷掏蚀等，弯曲–拉裂–倾倒型破坏模式在碳酸盐岩中倾、缓倾反向坡结构的岸坡中比较发育。底部为碎屑岩上部为碳酸盐岩的中、缓倾反向坡，在碳酸盐岩层中也可发生弯曲–拉裂–倾倒型的破坏，同时由于碎屑岩的相对阻水，还可能伴随着沿碎屑岩表面的整体滑移。(2)滑动破坏的概念此种类型的破坏模式通常出现在近水平岩层及缓倾顺向边坡中。岩层在河谷下切至软弱层或软弱夹层的同时，上部岩体即开始产生向临空面的蠕动变形，同时在上部岩体的后缘出现拉裂缝，随着裂缝的扩大和加深，当拉裂缝贯通到软弱面，就会产生整体的滑动破坏。在奉节新城区库岸段，剪切–滑移型破坏模式主要发育在碳酸盐岩缓倾斜向坡结构的岸坡中，或岩层上硬下软以及有软弱夹层的缓倾斜向坡中，含有软弱夹层时，还可同时发生软弱夹层的挤出。(3)质构面偏差，导致结构面破坏一般发育在节理裂隙比较发育的中、高倾角的脆性岩层边坡中。由于受卸荷回弹、重力作用等的影响，一方面沿原有裂隙面进一步贯穿或产生新的结构面，另一方面使结构面切割成的块体根部折断或者压碎，发生破坏。楔形体崩塌–滑动在奉节新城区主要发育在结构面比较发育的碳酸盐岩中倾、缓倾侧向高陡岸坡中。一般薄层岩层更容易风化剥落，造成其上部厚层岩层架空，从而发生崩塌破坏。岩体发育的优势结构面如果能组合构成楔形体，当结构面短小不连续时，易发生楔形崩塌破坏，若结构面延伸有一定的距离和深度，则极易发生沿结构面的楔形滑动破坏。(4)基层组织发生种节理裸露地表的岩层都不可避免地遭受风化剥蚀，但是随岩性变化其最终的破坏形式有所不同。力学强度较低的碎屑岩类，易受昼夜温差、雨水等物理、化学风化的影响，在岩体表面产生较为密集的节理后最终成为碎块而剥落，高强度岩石抗风化能力相对较强。奉节新城区库岸段的碎屑岩岩层，一般在浅表层都出现有不同程度的风化–剥落破坏。尤其是当表层剥落堆积物随雨水等作用搬运走后，裸露的新鲜岩层很快会再次发生剥落破坏，风化深度可逐层向内部推进。碳酸盐岩在节理裂隙不甚发育时，风化较浅，出现剥落、掉块现象；当节理裂隙和溶蚀比较发育时，风化可沿溶蚀作用产生的裂隙到达岩体内部一定深度，此时不只出现表层的剥落还伴随有沿溶蚀裂隙发生的较大规模的掉块和滑落破坏。4.2作为似均质土坡土石岸坡变形破坏模式分析时，可将冲洪积堆积岸坡、残坡积堆积岸坡和人工堆积岸坡视为一类，这3类岸坡成分混杂、基本没有成层性，没有起控制作用的结构面，可统一作似均质土坡考虑。而对崩滑堆积岸坡则要从两方面入手，如果堆积体经过长距离的剧烈运动，原岩结构已经完全被破坏而松散堆积时，可作为似均匀土坡来考虑；如果崩滑堆积体主要由于卸荷松动岩体变形破坏、小范围的崩塌以及近距离的滑动堆积而成，在堆积体内尚能保留有一定的原岩结构和层面时，应对其中的弱层、节理面等特别考虑，可能沿这些地质界面发生类似于岩质岸坡的破坏。据此，土石岸坡可概括为2种变形破坏模式：弧形整体滑动型，局部剪切破坏或崩塌型，见图3。(1)坡体的组成将冲洪积堆积岸坡、残坡积堆积岸坡和人工堆积岸坡视为似均质土坡，主要原因在于坡体的组成成分松散，粘土碎石混杂，不具成层性。这类岸坡发生破坏时，小规模的表现为土溜，在一定深度范围内滑动破坏；也可能在降雨的条件下，以蠕动的形式向临空方向滑动，一定条件下可能形成连通的弧形滑动面，从而发生大范围的深层滑动。(2)结构面的控制这类岸坡的破坏模式主要受内部岩体所保留的原有结构面的控制。发生