库水波动带岸坡原位声波测试及劣化特性研究*

库水波动带岸坡原位声波测试及劣化特性研究*

刘广宁 齐 信 黄波林 王世昌

(中国地质调查局武汉地质调查中心 武汉 430205)

摘 要：为了揭示库水波动带内岩体在库水位周期性升降，干-湿循环条件下，其物理力学性质变化特征，掌握不同岩性的劣化改造过程和差异性。选择消落带内变形破坏强烈的侏罗系库岸斜坡，在宏观调查的基础上，运用单孔、跨孔声波测试方法进行原位试验测试，同时进行原位样品试件采集，运用干湿循环、力学测试、耐崩解等手段进行室内试验测试。原位单孔声波测试KV值为0.2～0.51，跨声波测试KV值为0.46～0.91，表明岩体横向完整性差，纵向完整性相对较好，并且消落带内岩体随着高程的降低，其岩体完整性呈下降趋势； 试件力学测试结果表明， 20次干-湿循环后其强度平均下降30%～45%，且摩擦系数和黏聚力参数均呈逐渐降低趋势；耐崩解性试验表明，干-湿循环条件下，岩石耐崩解性逐渐降低， 5次干-湿循环后，试件耐崩解性指数降低量达3.1%～20.2%。试验结果均证实了消落带内岩体受库水影响强烈，岩体长期在干-湿循条件下，其物理力学性质呈降低趋势，不同岩性劣化程度不同，岩体总体向破碎、解体的趋势发展，并且具有渐进性和累积性。

关键词：三峡库区 消落带 声波测试 干湿循环 岩体劣化

0 引 言

图1 研究区地形地貌特征
Fig. 1 Landform characteristics in the study area

长江是三峡库区的重要组成部分，无论其作用或功能，与国内外其他大型水库相比有明显的差异性，首先其作为“黄金水道”是我国重要的交通干线，有水上高速公路之称。三峡库区蓄水以来，由于库水位周期性波动，形成约30m垂直落差的涨落变动带——消落带(周彬等， 2007)。长江干流航运繁忙，三峡周期性调水，水位变幅大，因此消落带在库水的浸泡、水流的冲刷、船浪淘蚀、日光的曝晒等等长期作用下，其地形地貌特征势必发生强烈的变化，如淘蚀浪坎、库岸垮塌，甚至诱发消落带上部斜坡整体的稳定性。如三峡库区巫山县水泥厂滑坡(刘广宁等， 2015)，青石滑坡、箭穿洞危岩体的变形、破坏均因消落带岩体的劣化所诱发。其中导致巨大经济损失和造成人员伤亡的典型事件要属2008年11月23日发生的巫峡龚家方崩塌，产生高达32m的涌浪(Huang et al.，2012)； 2015年6月24日大宁河口对岸发生的红岩子崩滑，产生5～6m的涌浪。因此，库水不仅仅改变其波动范围内的地形地貌特征，消落带岸坡结构及岩体力学特性也随之发生改变。本文选择西陵峡归州河口-泄滩河口消落带改造强烈、变形破坏迹象明显的库岸段，进行现场声波测试，以掌握消落带岩体结构特征，同时采集原位岩石、水样进行室内相关试验测试，进而对其劣化特性进行分析。

1 研究区概况

研究区位于三峡库区西陵峡长江左岸归州河口-泄滩河口库岸段 (图1)，该库岸段总长度7.3km，发生岸坡改造长度有4km，约为岸坡总长度的54.8%，其中岩质改造岸坡长度为1.57km。该区域属于中低山峡谷地貌，多发于近南北向“V”型冲沟，切割深度15～100m。该段岸坡主要出露地层岩性为侏罗系地层，其包括侏罗系桐竹园组(J1t)、聂家山组(J1n)、沙溪庙组(J2s)、遂宁组(J3s)，岩性主要为紫红色、灰绿、黄褐色薄-中层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩以及其互层结构，岩层产状 25°～65°∠35°～55°，为斜向结构岸坡。根据该段岸坡消落带改造程度，选取宏观改造强烈、变形迹象最为明显的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩进行原位及室内岩体发声试验测试。工作区位于上扬子台坪之秭归台褶束东缘，属于秭归盆地NW翼，应力作用微弱，构造较为简单。

2 原位声波测试

为了分析不同岩性消落带斜坡内部岩体结构及完整程度状况，以及其随着库水位周期性变动其内部岩体结构及完整性变化状况，运用ZBL-U520非金属超声检测仪进行了现场声波数据采集，完成斜坡钻孔声波测试 (图2)。本次主要进行了单孔和跨孔声波两种测试方法(孙国清， 2006)。

图2 浅层钻探取样及现场声波测试
Fig. 2 Shallow drilling sampling and sonic wave testing

2.1 单孔声波测试

单孔一发双收声波测井是利用沿钻孔井壁传播的超声波来检测不同深度井壁的声速和信号衰减情况，进而对钻孔的不同深度处介质的特性及是否存在缺陷进行检测(陈益杰等， 2012)。

图3 单孔测试“一发双收”探头组成及其工作原理图
Fig. 3 Single-hole sonic testing principle diagram

本次测试工作所用仪器为ZBL-U520非金属超声检测仪，探头为“一发双收”式。探头装置组成及其工作原理(图3)。进行声波测试时，把探头放入钻孔中的测试位置，仪器的发射机通过发射换能器T发射超声波，经水的耦合，到达孔壁沿孔壁折射传到两接收换能器R1和R2(所以可称其为折射波法)，其初至时间分别为t1(μs)，和t2(μs)，根据两接收探头的距离ΔL，按(1)和式(2)算出测试点处的波速Vp。

计算公式为：

(1)

(2)

式中，t1为T传播到R1的声波传播时间； t2为T传播到R2的声波传播时间； Vp为孔壁介质的声速。

现场测试时由孔底向孔口提拉电缆探头，每次提升25cm，即每25cm测读一次。测试前应对钻孔进行清洗，清楚孔内岩粉和泥水。

2.2 跨孔声波测试

跨孔声波(超声透射法)测试基岩结构完整性是利用一对相邻且相互平行的钻孔，然后往钻孔内注满清水，将换能器分别放入钻孔中并使之保持在同一高度(平测法)，超声脉冲从一个钻孔中的换能器发射出去，另一个钻孔中的换能器接收信号 (图4)，超声仪测定相关声学参数并记录储存，换能器在孔内同时按一定距离逐点测试，遍及整个测段，通过对跨孔超声深度一声速曲线的分析即可得出测试段岩体的相对完整性，根据所测试岩体波速的经验值及钻探资料则可对岩体内不良地质情况发育的位置及规模作出判断。本次测试工作所用仪器为ZBL-U520非金属超声检测仪。

现场测试时由孔底向孔口同步提拉两电缆探头，每次提升20cm。

通过现场试验测试获得大量单孔声波测试和跨孔声波测试数据，测试结果(表1)。

表1 声波测试结果统计分析表

Table1 Statistical analysis of acoustic test result

测试方法岩性测孔孔口高程/m现场岩体波速室内岩块波速均值/km·s-1岩体完整性指数KV1均值最小均值/km·s-1最大均值/km·s-1平均值/km·s-11801.2532.6611.8742.6190.511701.4092.8872.0213.0790.44单孔声波测试砂岩1601.5492.1851.7913.0790.341551.3902.5411.9083.3690.331452.0033.5622.6674.7160.321801.5982.7731.9923.3590.361701.6992.7492.0813.7080.32泥质粉砂岩1601.7343.0832.2084.2280.281551.3792.7342.0343.8530.281451.4423.0041.9463.9580.241801.2604.0322.4064.0790.351701.5223.4602.4814.6750.28粉砂质泥岩1601.5903.8512.5565.0720.251551.6522.7142.0324.1410.241451.4892.8862.1964.9570.20跨孔声波测试1801.9783.4892.6482.7830.911701.8443.5503.0633.5960.73砂岩1601.9493.3692.7253.1980.731551.9763.1612.3553.1710.561452.2544.8743.6954.9860.551802.3564.0623.5973.8050.891701.7644.3633.0993.5700.75泥质粉砂岩1602.0713.7693.1953.9510.651552.2773.8233.2064.2430.571452.2064.1553.2684.8050.461802.1364.5293.4854.1410.711702.4284.2523.6574.6890.61粉砂质泥岩1602.3254.6473.7885.0970.551552.1654.4923.6395.0220.531451.7923.7272.9694.1810.50

依据相关规范标准，按照下列式(1)计算测试岩体的完整性指数。

(1)

式中，KV为岩体完整性指数，精确至0.01； Vpm为岩体纵波速度(km·s-1)； Vpr为岩块纵波速度(km·s-1)。

从现场岩体和室内岩块声波测试统计成果分析，并依据表2中KV值与定性划分的岩体完整程度的对应关系，对岸坡改造强烈的砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩库岸段岩体结构类型及完整程度进行判断。

表2 KV值与岩体完整性关系表

Table2 KV value relationship with rock mass integrity

KV值>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<>

2.3 试验成果分析

通过单孔声波测试数据结果分析可知：岸坡改造强烈岸坡内砂岩岩体KV1 值为0.32～0.51，为破碎-较破碎岩体； 泥质粉砂岩岩体KV1 值为0.24～0.36，为破碎-较破碎岩体； 粉砂质泥岩岩体KV1 值为0.20～0.35，为破碎-较破碎岩体。通过跨孔声波测试数据结果分析可知：岸坡改造强烈的岸坡内砂岩岩体KV1 值为0.55～0.91，不同高程段岩体主要呈较完整、完整性特征； 泥质粉砂岩岩体KV1 值为0.46～0.89，不同高程段岩体呈较破碎、较完整和完整特征； 粉砂质泥岩岩体KV1 值为0.5～0.71，不同高程段岩体呈较破碎和较完整特征。

对两种声波测试方法的规律进行了总结：改造强烈岸坡消落带内岩体横向(水平层面向)为破碎-较破碎岩体，表明横向(水平层面向)节理、裂隙较发育，完整性较差。纵向(铅垂向)上在不同高程呈现出不同完整性特征，表明纵向(铅垂向)节理、裂隙发育较少，完整性相对较好。此外现场钻孔取芯时，为了便于钻机的安装，钻孔位置的选择均布置在相对较好的基岩部位，岸坡其他位置的岩体内部实际破碎情况可能更差。

通过单一岩性斜坡从自上而下钻孔声波测试结果发现，岩体的完整性随着高程的变化也呈现一定的趋势性。声波测试(180～145m)随着高程的降低，其岩体完整性逐步呈下降趋势。说明该斜坡岩体自上而下岩体的劣化程度是增强的，这和自上而下受库水浸泡时间由短渐长的三峡水库实际调水情况是一致的。

图4 跨孔声波测试孔位布设及断面示意图
Fig. 4 Sonic test hole section schematic and layout of cross hole

3 试样烘干-饱和循环试验

烘干试验方法：将室温试样放入烘箱中，在105～107℃的恒温下烘24h，然后将试样取出放入干燥器内冷却至室温 (图5)。

图5 干燥箱烘干
Fig. 5 Drying by drying-oven

图6 岩石样品浸泡饱和
Fig. 6 Soak saturated of rock samples

饱和试验方法：将烘干冷却后的试样放入自由吸水箱中，自由吸水48h后取出放入真空泵中进行“抽气-吸水浸泡-再抽气”过程，真空压力表读数约为-100kPa，抽气时间约4h； 抽气结束后，在大气压下试样在水中静置4h(图6)，然后将试样取出擦干，备做试验或下一步的烘干试验流程。以上将试样烘干后进行饱和的一系列过程，称为1个“干-湿”循环。

需多个循环时，重复上述过程，以模拟改造岸坡岩体在库水周期性波动状况下岩体浸泡-暴晒的交替状态(Dyke et al.， 1991； Chang et al.， 2007； 邓华锋等， 2012a， 2012b)。

4 力学试验测试

分别在改造强烈的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩岸坡180m处采集钻孔岩芯试件，按照规范要求，在试验室内进行反复浸泡饱和-烘干循环试验，对不同循环次数的样品试件进行力学性质试验(朱敏等， 2012)(图7)。

图7 RMT-150岩石伺服试验系统
Fig. 7 RMT-150 rock servo test system

(1)单轴抗压试验：相同条件下分别对3种岩性试件进行“0次”、“5次”、“10次”、“15次”和“20次”饱和-烘干循环操作，并对其进行单轴抗压强度测试以获取其变形参数。单轴压缩试验在RMT-150型岩石力学伺服系统上完成 (图7)，其试验成果如(表3)。

表3 干湿循环状况下试件力学试验参数统计表

Table3 Mechanics test’s parameter statistics under the condition of dry-wet circulation

岩性干湿循环次数/次抗压强度均值/MPa变形模量均值/GPa弹性模量均值GPa备注粉砂质泥岩032.3(9)5.74(9)8.93(9)17组(51块)520.3(12)3.79(12)5.38(12)1014.6(12)2.37(12)3.64(12)1510.5(12)1.88(12)2.70(12)207.32(6)1.13(6)1.84(6)泥质粉砂岩059.0(15)9.16(15)13.8(15)30组(90块)551.8(15)8.16(15)11.3(15)1044.2(18)6.96(18)9.70(18)1533.9(21)5.69(21)8.08(21)2021.9(21)3.80(21)5.51(21)砂岩0114(21)23.7(21)30.4(21)33组(99块)596.1(24)19.7(24)25.4(24)1087.5(18)17.0(18)23.4(18)1581.2(15)15.9(15)20.6(15)2061.6(21)12.3(21)16.9(21)

试验结果表明：相同干-湿循环次数条件下，3种岩性的试样，其强度砂岩>泥质粉砂岩>粉砂质泥岩 (图8)。岩石样品在20次干-湿循环作用后，3种岩性试样的单轴压缩强度均值都呈现了较明显的降低趋势，其强度平均下降30%～45%，随着干-湿循环次数的增加，变形模量和弹性模量也有相同变化趋势。由图8 可以看出，3种岩性的抗压强度受干-湿循环次数的影响强烈，且存在较好的线性拟合曲线，曲线相关系数R2均高达0.92以上，表明岸坡岩石抗压强度与干-湿循环次数有较好的线性关系，这也是对斜坡变形破坏受库水位变动显著影响的有利验证。

图8 干-湿循环次数与单轴强度关系曲线
Fig. 8 Relationship curve between dry-wet cycles and compressive strength

(2)直剪试验：依据测试技术方案，仅针对第0次、第10次、第20次干-湿循环后的试样进行岩块剪切强度试验，每种干-湿循环、岩性做3组，每个岩性共9组(54块试样)，3类岩性总计27组。岩块直剪强度成果综合统计(表4)。

表4 岩块直剪强度试验成果统计表

Table4 Results of direct shear tests for rock

岩性干-湿循环次数/次直剪强度参数抗剪断(均值)摩擦/抗剪(均值)f'φ'/(°)C'/MPafφ/(°)C/MPa02.0964.49.310.9742.25.55砂岩101.9863.28.200.9547.94.77201.9262.57.520.9143.44.7701.7560.37.450.9342.84.09泥质粉砂岩101.7159.69.010.8741.15.10201.5857.78.860.8640.83.7801.2952.34.050.9041.93.24粉砂质泥岩101.1649.35.600.8038.43.07201.0947.35.290.7637.33.30

试验结果表明：相同干-湿循环条件下直剪强度参数，砂岩>泥质粉砂岩>粉砂质泥岩，随着干-湿循环次数的增加，各类岩性的抗剪断试验和摩擦试验，两者摩擦系数均值都表现为逐渐降低趋势，黏聚力参数C′和C也呈降低趋势。对比分析试样单轴压缩和抗剪断试验成果可以发现：具有较高单轴压缩强度的岩石试样，其对应岸坡位置的岩性试样抗剪断摩擦系数f′值也较大。该试验说明库水对岩体力学性质有明显的劣化作用。

图10 不同岩性试件耐崩解试验前后对比
Fig. 10 Contrast before and after specimens collapse resistance test for different lithology

5 耐崩解试验

依据试验方案，制备了3组试样，相同条件下进行“0次”、“5次”、“10次”、“15次”和“20次”饱和-烘干循环操作，随后对不同循环次数的试件运用耐崩解仪进行耐崩解试验(柴肇云等， 2015)(图9)。

图9 耐崩解仪
Fig. 9 Instrument of disintegration resistance

通过对多组粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩样品试件的耐崩解试验，其中粉砂质泥岩形态变化最为显著，试件经过5次干-湿循环试验后极其破碎，大多块状样品崩解呈碎屑、颗粒状 (图10a)； 泥质粉砂岩试件形态变化次之，近半数块状样品崩解成为碎屑、颗粒状 (图10b)； 砂岩试件经过5次干-湿循环试验后形态变化最为微弱，只有极少部分块状样品崩解成为相对较大的碎块和颗粒 (图10c)。

通过对粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩样品试件的多组试验综合统计分析，试验成果(表5，图11)。

表5 岩石耐崩解性试验成果综合统计表

Table5 Results of collapse resistance tests for rock

岩性耐崩解性指数Id/%第0次循环后第1次循环后第2次循环后第3次循环后第4次循环后第5次循环后砂岩100.099.398.798.097.396.9泥质粉砂岩100.098.695.691.989.586.6粉砂质泥岩100.097.192.887.983.979.8

图11 干湿循环次数与耐崩解性关系曲线
Fig. 11 Relationship curve between dry-wet cycles and collapse resistance

从表5和图11 中可以看出：相同干-湿循环次数的岩石样品，粉砂质泥岩的耐崩解性最低，泥质粉砂岩次之，砂岩的耐崩解性最高。依据甘布尔耐久性分类， 5次干-湿循环后，砂岩的崩解性指数均值为96.9%，说明砂岩具有中等高耐久性； 泥质粉砂岩的崩解性指数均值为86.6%，说明泥质粉砂岩具有中等耐久性； 粉砂质泥岩的崩解性指数均值为79.8%，说明粉砂质泥岩具有低耐久性。随着崩解循环次数的增加，几类岩性的岩石质量损失量逐渐增加，即耐崩解性指数逐渐降低，降低量达3.1%～20.2%。岩石耐崩解性指数与崩解循环次数之间存在很好的线性关系，砂岩：Id=-0.63N+99.95； 泥质粉砂岩：Id=-2.80N+100.70； 粉砂质泥岩：Id=-4.17N+100.66； 且线性相关系数R2均在0.99以上。在以上原位、室内各项试验成果分析的基础上，总结出岩体劣化、改造是消落带岩体在物理、化学和力学共同作用下，长期产生的劣化效应(Griffiths et al.， 1999； 许强， 2012)，具有渐进性和累积性，随着岩体劣化、改造的持续发展，势必导致宏观岸坡结构的破坏甚至灾害事故的发生。

首先，消落带岩体自身结构的特殊性，针对本文的研究对象而言大部分的样品试件内部发育有孔隙、微裂隙，为下一步水对其劣化作用提供了空间，同时浸泡对岩体的软化崩解作用极为明显，图10 不同岩性在干-湿循环后崩解变化状况也反映了岩石试件的不同物理性质，此外岩体内部的矿物颗粒之间初始胶结紧密，在进行数次浸泡之后，孔隙、微裂隙中由于水的内渗，溶蚀、溶解了矿物颗粒间的胶结物，使矿物骨架得到了润滑和软化。其次，首先消落带由于库水浸泡，其水解作用使得一部分易溶物质溶解、解体、流失，难溶物质残留下来，岩石内部空隙度增加，逐渐形成架空状态，进而使得岩体逐渐变得松散、脆弱，此外通过早期的试验研究可知试件和浸泡试件的溶液化学成分有明显的变化(刘广宁等， 2012)，说明岩样经过浸泡，其内部一些物质和水之间发生化学反应，甚至发生离子交换等化学作用过程，其成分的改变势必影响到其物理、力学特性，直接影响到库水对其改造程度。再次，库水位周期性升降，势必导致水压力的升、降变化，岩体在库水浸泡过程中，由于水压力的变化，孔隙、微裂隙中入渗的水体会在裂隙尖端处产生的应力集中极易导致裂隙的拓展和延伸，此外，库水的浸泡使得岩体内部的黏聚力和摩擦力也大大降低，岩体力学性质逐渐呈下降趋势，由于泥质遇水还具有膨胀性，其对周边岩体同样存在力的作用，加之岩体自身的重力作用，岩体的微观结构势必逐步改变。

6 结 论

(1)通过原位声波测试数据结果分析表明：消落带内岩体横向完整性差，纵向完整性相对较好，并且消落带内岩体随着高程的降低，其岩体完整性呈下降趋势，且不同岩性有明显的差异性，这与自上而下受库水浸泡时间由短渐长的三峡水库实际调水情况是一致的。

(2)通过对试件干-湿循环条件下的力学试验表明：岩体力学强度随着干-湿循环次数的增加其强度呈明显的下降趋势， 20次干-湿循环后其强度平均下降30%～45%，且摩擦系数和黏聚力参数均呈逐渐降低趋势，证实库水波动对消落带岩体力学性质有显著的影响。

(3)耐崩解性试验表明，干-湿循环条件下，岩石耐崩解性逐渐降低， 5次干-湿循环后，试件耐崩解性指数降低量达3.1%～20.2%，且不同岩性有明显的差异性，证实了库水波动对消落带岩体具有不同程度的崩解作用。

(4)通过原位及室内试验测试，证明消落带岩体的劣化和改造是干-湿循环条件下的长期过程，具有渐进性和累积性，消落带岩体在物理、化学和力学共同作用下的微观改造机制及长期劣化效应仍需进一步深入研究。

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SONIC WAVE TEST AND DEGRADATION CHARACTERISTICS OF RESERVOIR BANK SLOPE WITHIN WATER FLUCTUATION BELT

LIU Guangning QI Xin HUANG Bolin WANG Shichang

(Wuhan Centre of China Geological Survey， Wuhan 430205)

Abstract：This paper attempts to reveal the variation of physical and mechanical properties of the rock mass in the reservoir water level under the condition of periodic fluctuation of the water level in the reservoir. It tries to master the process and the difference of the deterioration of the rock mass. It chooses the Jurassic slope with deformation and destruction seriously in water level-fluctuating zone. On the basis of macroscopic investigation， single hole and cross hole sonic wave testing method is used for in-situ test. Meanwhile， the samples are collected and tested by dry-wet circulation， mechanical and disintegration tests. In-situ single-hole acoustic wave testKV value is 0.2～0.51 and its cross-hole value is 0.46～0.91. It shows that the integrity of rock mass is poor in transverse and better in the longitudinal. The integrity of the rock mass decreases with the decrease of elevation. Mechanical test results show that the specimen strength decreases 30%～45%on average after 20 times dry-wet circulation. The coefficient of friction and cohesion parameters is gradually decreased. The disintegration resistance test shows that under the condition of dry wet cycle， the disintegration resistance of the rock decreases gradually， after 5 cycles of dry-wet cycles， the index of disintegration resistance decreases by 3.1%～20.2%.The experimental results show that the rock mass is affected by reservoir water strongly in water level-fluctuating zone. The physical and mechanical properties of rock mass are decreased under the condition of dry-wet cycle for a long time. Different lithology deterioration degree is different. The trend of rock mass develops to break and disintegration， which has progressive and cumulative features．

Key words：Three gorges reservoir area， Water level-fluctuating zone， Sonic wave test， Dry-wet circulation， Degradation of rock mass

DOI：10.13544/j.cnki.jeg.2017.02.014

* 收稿日期：2016-04-20;

收到修改稿日期：2016-09-15.

基金项目：国家自然科学基金(41372321)， 中国地质调查局灾害预警项目(12120114079301)， 水工环调查项目(121201009000150023)资助.

第一作者简介：刘广宁(1980-)，男，硕士生，高级工程师，主要从事水工环地质灾害调查研究. Email: [e-mail]

中图分类号：P642.22

文献标识码：A