溶蚀作用对三峡库区巴东组泥灰质岩石力学特性的影响研究

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiang1978
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长江三峡水利工程是举世瞩目的水利枢纽工程,是跨世纪的宏伟工程,具有防洪、发电、航运、灌溉等效益显著的综合工程,也是长江治理、开发的关键工程。与世界上其他的大型水利水电工程一样,三峡工程在建成以后,对流域的国民经济发展起到了积极作用,但同时也产生了许多负面的问题,如生态问题、地质灾害、环境问题等。三峡工程移民中出现的工程地质问题被地质界广泛关注。三叠系巴东组在三峡库区广泛分布,有10余座城镇和大量的村寨坐落在巴东组的泥灰岩上。研究区内出露的大部分为三叠系地层,而出露的三叠系地层中又以巴东组为主。其中巫山、奉节、巴东三个县的县城也坐落在巴东组地层上,因此,对巴东组地层的研究是非常必要的。三峡地区泥灰质岩石是指三叠系巴东组泥质灰岩、泥灰岩和钙质泥岩等。由于巴东组泥灰质岩石性质较差,是介于灰岩与泥岩之间的过渡类型岩石,既具有灰岩特性,又具有泥岩特性,这两种特性的相互耦合使其中的地质问题变得异常复杂,一旦岩石发生变形破坏,将给人民的生命和财产带来重大的威胁,因此,对巴东组泥灰质岩石的研究显得尤为重要。   溶蚀作用是研究泥灰质岩石问题的关键,是泥灰质岩石宏观变形的重要问题。三峡地区泥灰质岩石在溶蚀过程中,随着岩石成份的不断变化,岩石的力学强度会逐渐降低,有的已属于较软岩范围。本文针对三峡库区泥灰质岩石的溶蚀问题进行研究,以巴东县铜盆溪高切坡为例,在现场调研、结构面测量、大量室内试验的基础上,采用取自巴东地区的巴东组泥灰质岩石样品,对岩块进行物理力学性质试验、单轴压缩试验和三轴压缩试验。   岩块的单轴压缩试验和三轴压缩试验固然能反映出岩体的力学参数,但是经验证实,在工程荷载的范围内,岩体的失稳破坏大部分都是沿结构面破坏的,结构面及其充填物的性质是控制岩体变形的主要因素,主要是因为岩体变形的主要部分就是结构面及其充填物的变形。同时结构面也是岩体中渗透水流的主要通道,在工程荷载的作用下,岩体的渗透性会因为结构面的变形发生改变。而滑坡的滑动也多是以结构面为滑动带发生的,因此,对于结构面的研究在研究岩体的稳定性以及计算边坡稳定性时尤为重要。因此本文对岩石结构面进行溶蚀试验,对不同溶蚀阶段的结构面进行剪切强度试验,得出在不同溶蚀状态下泥灰质岩石结构面的抗剪强度参数。采用参数估算法、经验公式法、经验参数法,利用实验数据,综合分析得出不同溶蚀程度下岩体的力学参数。根据分析得出的参数,利用巴东县铜盆溪边坡剖面建立模型,采用UDEC程序计算不同溶蚀程度下边坡的稳定性,得出溶蚀程度对边坡稳定性的影响。   通过以上研究主要取得以下研究成果:   (1)通过室内岩块物理性质试验获得泥质灰岩与泥灰岩的天然含水率、天然浓密度、干密度、饱和密度等指标;通过岩石的单轴与三轴压缩实验,得到了泥质灰岩与泥灰岩在天然状态下的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角等指标;通过声波测试得出泥灰质岩石的压缩波速度。这些参数的获得为岩体参数估算与稳定性评价奠定了坚实的基础:   (2)三峡库区大量分布泥灰质岩石,由于成份的多样性,导致巴东县地质情况也较为复杂。这些岩石不仅受到风化作用的影响强度降低,同时也受到溶蚀作用对岩体力学性质的影响。结构面溶蚀试验表明,泥灰质岩石的溶蚀率随溶蚀时间的变化逐渐增大,在溶蚀作用初期,反应速率较快,且溶蚀速度平稳增长,当溶蚀时间推进至5-7天时,溶蚀率出现明显的增加,这说明样品表面可能存在不溶物质,在实验过程中被水流冲刷,脱离样品表面,使得样品与水溶液的接触面积加大,溶液与岩石之间的反应速率增强。在溶蚀试验结束时,溶蚀率曲线并未达到平稳状态,说明泥灰质岩石中还存在着未被溶解的CaCO3。天然状态下的溶蚀作用不仅受到地下水和地表水条件的影响,同时也受到结构面的贯通性、水的流动速率以及CO2等因素的影响。结构面是地下水和地表水流动的良好通道,当贯通性的结构面存在时,大大的增加了溶液与岩石的接触面积,使溶蚀作用加强。水流速度快的情况下,岩石发生溶蚀作用附着在岩石表面上的生成物会被快速的水流冲刷掉,露出新鲜的岩石,同样加快溶蚀作用的反应速率。存在CO2,且CO2具有侵蚀性,也是加快溶蚀速率的重要因素。溶蚀试验针对结构面而设计,得对不同溶蚀状态的结构面进行直剪试验,得出不同溶蚀状态下结构面的抗剪强度参数。实验数据表明,结构面的C、ψ值逐渐降低,溶蚀率的变化趋势大致相同。说明结构面经溶蚀后力学性质逐渐降低。   (3)本文岩体力学参数的选取采用了多种方法,参数估算法、经验公式法、经验类比法。计算结果表明,RMR法估算求得的巴东组岩体的C值小于相同状态下由Hoek-Brown强度准则求得的C值,而用两种方法求得的ψ值则相差不大,相同状态下的ψ值相差约1-2°。用RMR法估算的岩体变形模量与GSI法估算得出的变形模量基本相同,两种方法估算的相同溶蚀阶段的变形模量上下浮动均小于2GPa。   (4)利用UDEC程序模拟得出的边坡提稳定性分别为1.43、1.41、1.40、1.38、1.35和1.31。由稳定性的变化可知,随着溶蚀作用的推进,岩体力学参数降低,坡体的水平位移、竖向位移与剪应变逐渐增大,坡体稳定性逐渐降低。
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