殷躍平，閆國強(qiáng)，黃波林，代貞偉，秦 臻

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002；4.中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205）

1 研究背景

自2008年三峽工程175 m 高程設(shè)計(jì)水位試驗(yàn)性運(yùn)行以來，在高程145～175 m之間形成了高差達(dá)30 m 的水庫消落帶[1]（圖1）。庫水位循環(huán)消落導(dǎo)致巖土體損傷劣化，并引發(fā)了滑坡、崩塌和次生涌浪災(zāi)害[2-3]。不少學(xué)者從干濕循環(huán)的角度對此類問題進(jìn)行了廣泛深入的討論，基于室內(nèi)巖樣開展了系列工況下的物理化學(xué)劣化實(shí)驗(yàn)[4-7]。文獻(xiàn)[8-11]對三峽庫區(qū)巫峽陡坡地段龔家坊滑坡、青石箭穿洞危巖體的研究表明，消落帶岸坡巖體的損傷劣化，不僅與干濕循環(huán)交替相關(guān)，而且還受如下因素的影響：（1）蓄水位及其升降速率和變幅所產(chǎn)生的水壓力差異；（2）巖體裸露和淹沒時(shí)間差異；（3）地下水化學(xué)潛蝕和機(jī)械潛蝕[12]。此外，巖體中分布的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面和裂隙在劣化過程中起到了催化、加速損傷劣化的作用[11]。目前，對這些問題的研究大多還是采用在室內(nèi)環(huán)境對標(biāo)準(zhǔn)巖芯開展[4-7]，揭示的規(guī)律與三峽庫區(qū)實(shí)際的水位消落帶巖體劣化速率和程度差異明顯[11，13]。

為了更好地揭示三峽庫區(qū)消落帶岸坡巖體損傷劣化特征和失穩(wěn)規(guī)律，本文以三峽庫區(qū)巫峽石灰?guī)r地段為試驗(yàn)區(qū)，開展水庫實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的原位測試研究，采用原位跨孔聲波測試和井下電視方法獲取了不同深度下巖體物理力學(xué)參數(shù)。將引入時(shí)間變量的概念，研究隨水位長期消落變化下斜坡巖體地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)的變化特征，同時(shí)，還將研究隨時(shí)間變化的巖體強(qiáng)度指標(biāo)GSI（Geological Strength Index）與廣義H-B準(zhǔn)則應(yīng)用，為評價(jià)巖體損傷劣化及岸坡穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)。

圖1 三峽庫區(qū)巫峽段消落帶巖體劣化導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低

2 基于原位跨孔波速的消落帶巖體GSI量化

2.1 廣義H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則Hoek[14]和Brown[15]在分析Griffith強(qiáng)度理論和修正的Griffith 強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)[16-18]上，通過大量三軸實(shí)驗(yàn)提出了完整巖石的經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度公式即為狹義的H-B 強(qiáng)度準(zhǔn)則[19-20]：

式中：σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；σci為無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度；mi為完整巖石的材料常數(shù)。

而后，Hoek 等[21-22]引入可以將實(shí)際工程地質(zhì)條件與狹義的H-B準(zhǔn)則統(tǒng)一到一起的地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)GSI 并形成如今的廣義H-B準(zhǔn)則：

式中：mb、s、a可通過GSI 指數(shù)求取，具體見下式：

Ramsey 等[23]以及Bobich[24]進(jìn)行大量張拉實(shí)驗(yàn)，將廣義H-B準(zhǔn)則曲線推廣至拉應(yīng)力（負(fù)值），引入材料參數(shù)mi給出了一個(gè)近似拉壓比經(jīng)驗(yàn)公式：

Hoek 等[25]根據(jù)中國大量工程實(shí)例通過GSI以及完整巖石的變形模量Ei得出巖體變形模量Erm的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

同時(shí)Hoek 等[25]指出當(dāng)無法進(jìn)行有效的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取完整巖石的變形模量Ei時(shí)，可以根據(jù)Deere[26]提出的巖石折減系數(shù)進(jìn)行等效替換，并得出經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下：

對于完整巖體材料參數(shù)有mi，s=1，a=0.5，且對于完整巖體來講GSI=100，此時(shí)式（2）變形為式（1），即狹義的H-B準(zhǔn)則是廣義H-B準(zhǔn)則的一種特殊情況。式中D為擾動(dòng)因子，根據(jù)巖體爆炸破壞和應(yīng)力松弛的擾動(dòng)程度而定0 ＜D＜1，對于無明顯人為擾動(dòng)可取D=0。

Schwartz[27]根據(jù)印度石灰?guī)r三軸實(shí)驗(yàn)得出該準(zhǔn)則的適用范圍是從剪切破壞到延性破壞的轉(zhuǎn)折點(diǎn)σ1=4σ3之前，該準(zhǔn)則被最新版H-B準(zhǔn)則[28]所采納（圖2）；Mogi[29]則指出該剪切破壞到延性破壞的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是σ1=3.4σ3?？梢奌-B準(zhǔn)則的適用范圍更多僅適用于剪張脆性破壞，對于高圍壓狀態(tài)下的深埋硐室與礦山邊坡強(qiáng)度估算是不合理的[30]，不能隨意擴(kuò)大H-B準(zhǔn)則的適用外延。

圖2 H-B準(zhǔn)則的適用范圍

2.2 改進(jìn)的GSI定量評價(jià)方法GSI值需要通過地質(zhì)工程師現(xiàn)場調(diào)查確定，其可靠性取決于專家的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，GSI值主要用于分區(qū)分段評價(jià)巖體當(dāng)前的工程地質(zhì)特性，具有靜態(tài)屬性。三峽庫區(qū)消落帶的巖體是從初始階段的漸進(jìn)持續(xù)劣化到后期階段的快速碎裂滑移失穩(wěn)的演化過程，具有時(shí)效性，很難用單一時(shí)刻的GSI進(jìn)行刻畫。采用在消落帶現(xiàn)場獲取的多時(shí)段原位跨孔聲波測試數(shù)據(jù)，根據(jù)原位波速比時(shí)效曲線可構(gòu)建與GSI之間的取值關(guān)系。根據(jù)已有BQ 分級與國際RMR 分級之間的經(jīng)驗(yàn)公式，將RMR與GSI進(jìn)行等價(jià)互換，這樣就建立了從聲波波速比KV、國標(biāo)BQ 分級、RMR 至GSI系統(tǒng)（H-B準(zhǔn)則）之間的技術(shù)路線。根據(jù)國標(biāo)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50218-2014》有：

根據(jù)文獻(xiàn)[31]研究，BQ與RMR之間關(guān)系有：

而當(dāng)RMR≥23 時(shí)有[32]：

式中：RC為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度；KV表征現(xiàn)場巖體完整性指數(shù)，與節(jié)理切割、巖石塊度相關(guān)，可以通過現(xiàn)場跨孔聲波測量，具體公式有：為巖體彈性縱波速度（km/s），Vpr為巖石彈性縱波速度（km/s）；RMR為1989年版本的RMR系統(tǒng)取值。

不難看出，上述式（9）—（11）中主要與KV這唯一的變量取值有關(guān)，其他數(shù)據(jù)皆為定值，而KV的取值僅與巖體的彈性縱波速度有關(guān)。這樣通過跨孔聲波測試將原位巖體的GSI取值科學(xué)有效的定量化了，避免了GSI取值因人而異的弊端。借鑒損傷變量概念并結(jié)合波速比KV采用連續(xù)介質(zhì)的方式對巖體劣化進(jìn)行定義：很明顯有0 ≤De≤1?？缈茁暡y試可以進(jìn)行由表及里的連續(xù)量測，可獲得岸坡二維巖體劣化的時(shí)空演化信息，通過后續(xù)多個(gè)鉆孔的聲波數(shù)據(jù)有望進(jìn)一步形成巖體岸坡的真三維巖體劣化信息。

聯(lián)立式（9）—（11）可得到：

引入損傷劣化變量De則式（13）進(jìn)一步變形為：

通過式（13）、式（14）即可建立原位跨孔聲波波速比KV以及損傷劣化變量De與GSI取值之間的量化關(guān)系，然后將式（13）計(jì)算所得值代入廣義H-B準(zhǔn)則即式（2）—（8）中，即可得到巖體劣化各參數(shù)時(shí)效曲線。

3 考慮時(shí)間效應(yīng)的GSI（t）與Hoek-Brown 準(zhǔn)則應(yīng)用研究

3.1 水位循環(huán)消落的斜坡跨孔聲波測試2008—2019年間對三峽庫區(qū)巫峽段巖溶岸坡進(jìn)行了長期跟蹤調(diào)查。巖溶岸坡的主要地層層位為二疊系和三疊系，其中以三疊系大冶組和嘉陵江組石灰?guī)r最為發(fā)育。為了深入定量化研究巫峽岸坡巖體劣化結(jié)構(gòu)特征，2017—2019年在青石6號斜坡175～145 m消落帶附近6 對12個(gè)豎直深孔中進(jìn)行了水位循環(huán)消落的斜坡跨孔聲波測速。6 對鉆孔沿著高程145～175 m 消落帶分散布置，具體如圖3所示。

圖3 三峽庫區(qū)青石6號斜坡鉆孔布置

以典型鉆孔ZK05 A/B為例進(jìn)行分析，ZK05位于三峽庫岸消落帶中部，鉆孔高程166.06 m（圖3），ZK05 經(jīng)受了多次庫水位變動(dòng)引起的物理化學(xué)劣化作用，對其進(jìn)行水位循環(huán)消落的跨孔聲波測試，其結(jié)果可以表征庫岸巖體的劣化過程。對比ZK05 首期聲波速度圖與井下電視圖發(fā)現(xiàn)，聲波速度與巖體結(jié)構(gòu)面有較好的一致對應(yīng)性（圖4（a））。結(jié)構(gòu)面分布密集的位置，聲波速度較小。巖體表層較深部巖層結(jié)構(gòu)面發(fā)育，呈現(xiàn)出由表及里劣化程度趨弱的大趨勢。進(jìn)一步對比ZK05 鉆孔水位循環(huán)消落的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（圖4（b）），結(jié)構(gòu)面、裂隙密集分布的位置，聲波波速持續(xù)出現(xiàn)較為明顯的下降。而原來結(jié)構(gòu)面、裂隙較為稀疏的高波速區(qū)域，聲波波速比下降不明顯，可見結(jié)構(gòu)面的存在對巖體質(zhì)量起到一種控制性作用。取8個(gè)結(jié)構(gòu)面密集分布的特征深度6.2、8.4、12.6、14.2、17.6、23.2、27和30.8 m 提取水位循環(huán)消落的聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行深入對比（表1）。發(fā)現(xiàn)即使是結(jié)構(gòu)面波速下降率最小的位置（深12.6 m）也高達(dá)14.1%，遠(yuǎn)超同期完整巖體下降率2%左右。由井下電視可知，淺層巖體較為破碎、裂隙分布密集，聲波波速下降率高達(dá)44.8%～67.1%，可見單從聲波波速劣化下降的角度看，結(jié)構(gòu)面密集分布可能導(dǎo)致巖體劣化加速高達(dá)約7～45倍，結(jié)構(gòu)面、裂隙等缺陷的存在是岸坡巖體劣化的主要因素。同時(shí)結(jié)構(gòu)面處聲波波速下降并不均一，與巖體結(jié)構(gòu)面的分布、巖層埋深密切相關(guān)，呈現(xiàn)出巖體劣化的不均一性。

圖4 ZK05 井下電視與水位循環(huán)消落跨孔聲波測試

表1 ZK05 巖體典型結(jié)構(gòu)面跨孔聲波數(shù)據(jù)

由ZK05 跨孔聲波深度數(shù)據(jù)結(jié)合式（9）、式（13）可得到ZK05 的BQ、劣化變量De、GSI深度數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)課題組前期室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)知[10-11]，完整石灰?guī)r巖樣單軸抗壓強(qiáng)度RC=78.75MPa，Vpr=7.616 km/s，mi=7；觀察水位循環(huán)消落BQ、De、GSI深度曲線圖可知，BQ與GSI均呈現(xiàn)不等速劣化下降趨勢，劣化變量De則呈現(xiàn)不等速增長。在結(jié)構(gòu)面密集分布位置處BQ與GSI下降明顯，下降率分別高達(dá)32.1 %、43.6 %，對應(yīng)位置處損傷劣化變量De增長量達(dá)0.655（圖5）。而在巖體較為完整的區(qū)段，巖體損傷劣化不明顯，同時(shí)結(jié)構(gòu)面劣化并非是等速的，有淺表層劣化快、深層劣化較慢的規(guī)律（表1、表2）。整體來看BQ、De、GSI值與跨孔聲波深度曲線數(shù)據(jù)（圖4（b））規(guī)律呈現(xiàn)一致，都受巖體中結(jié)構(gòu)面、裂隙的控制。

圖5 ZK05 水位循環(huán)消落BQ、劣化變量De、GSI 深度曲線

表2 ZK05 巖體典型結(jié)構(gòu)面GSI

3.2 GSI量化取值與應(yīng)用由表2可知結(jié)構(gòu)面處GSI值下降明顯，由表及里劣化趨弱。以深度6.2 m處結(jié)構(gòu)面GSI值為例結(jié)合廣義H-B準(zhǔn)則，繪制強(qiáng)度方程及其包絡(luò)線如圖6所示。由于GSI=36.2 與36.0兩強(qiáng)度包線無限接近，為了更直觀的研究劣化趨勢僅取GSI=36.0 進(jìn)行分析。由強(qiáng)度包線發(fā)現(xiàn)隨著GSI值的下降，強(qiáng)度包絡(luò)線逐漸平緩內(nèi)縮，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度劣化趨勢。特別當(dāng)圍壓σ3=0時(shí)，式（2）變形為σ1=σci sa。此時(shí)最大主應(yīng)力σ1相當(dāng)于單軸抗壓強(qiáng)度，可分別得到GSI=63.8、56.7、46.1、36.0 對應(yīng)的σ1=10.4642、6.9736、3.7602、2.0190 MPa（圖7）。對于特定工程而言，圍壓σ3通常通過現(xiàn)場地應(yīng)力測試或者數(shù)值分析獲取，在缺乏現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的條件下，可根據(jù)公式σ3=γH大致估計(jì)。當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力大于垂直應(yīng)力則該式可由水平構(gòu)造應(yīng)力取代。此式雖非圍壓的精準(zhǔn)估計(jì)，但可相對精確快速估算出不同GSI值對應(yīng)H-B準(zhǔn)則的適用范圍[30]。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面深度為6.2 m（石灰?guī)r重度最高近似取30 kN/m3），估算出結(jié)構(gòu)面處σ3=0.186 MPa，則可得到GSI=63.8、56.7、46.1、36.0 對應(yīng)的σ1=11.9043、8.5461、5.4843、3.7808 MPa（圖7）。同時(shí)考慮到脆-延轉(zhuǎn)換線σ1=4σ3的限制與4條強(qiáng)度包線相交于4 點(diǎn)，明顯看到隨著巖體逐漸劣化GSI值降低，H-B準(zhǔn)則的適用范圍越來越小。當(dāng)GSI降至36.0時(shí)，H-B準(zhǔn)則的適用范圍為0 ＜σ3＜5.7882 MPa。當(dāng)σ3=5.7882 MPa時(shí)，則可得到GSI=63.8、56.7、46.1、36.0 對應(yīng)的σ1= 37.0973、32.5890、27.2858、23.1528 MPa（圖7）。根據(jù)公式σ3=γH可大致估計(jì)5.7882 MPa 對應(yīng)巖體埋深約為193 m，遠(yuǎn)大于該處結(jié)構(gòu)面埋深6.2 m，證明改進(jìn)GSI系統(tǒng)與廣義H-B準(zhǔn)則適用。此處也側(cè)面反映出即使巖體劣化至GSI=36.0，廣義H-B準(zhǔn)則的適用范圍仍是較為寬泛的。

觀察圖6、圖7發(fā)現(xiàn)隨著GSI值的降低，在圍壓σ3一定的情況下，最大主應(yīng)力σ1逐漸減小。對于σ3=0時(shí)，結(jié)構(gòu)面處單軸抗壓強(qiáng)度σ1下降率高達(dá)80.71%（GSI從63.8 降至36.0）。對于σ3=0.186 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)面處近似真實(shí)最大主應(yīng)力σ1下降率高達(dá)68.24%（GSI從63.8降至36.0）。對于σ3=5.7882 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)面處最大主應(yīng)力σ1下降率達(dá)37.59%（GSI從63.8 降至36.0）。在GSI為一定值的情況下，隨著圍壓增大最大主應(yīng)力σ1逐漸增大。且同等范圍的GSI下降，對應(yīng)的最大主應(yīng)力σ1下降幅度，高圍壓狀態(tài)要小于低圍壓狀態(tài)。這表明巖體三軸受壓應(yīng)力狀態(tài)對巖體的強(qiáng)度提高有促進(jìn)作用，同時(shí)高圍壓狀態(tài)可有效抑制巖體劣化的程度，這與原位跨孔聲波測試及井下電視觀察是一致的。

圖6 考慮GSI 時(shí)空劣化的H-B準(zhǔn)則強(qiáng)度包線（結(jié)構(gòu)面深度6.2m）

圖7 不同GSI、圍壓σ3 對應(yīng)的最大主應(yīng)力強(qiáng)度σ1（結(jié)構(gòu)面深度6.2m）

3.3 考慮時(shí)間效應(yīng)的GSI（t）函數(shù)為了表達(dá)巖體連續(xù)劣化過程建立GSI（t）劣化時(shí)效方程，研究通過GSI實(shí)測數(shù)值進(jìn)行擬合回歸獲得GSI（t）時(shí)效曲線。以首次測量日2017/9/16為第0 天，則不難解算多期測量日對應(yīng)的序數(shù)（表2、圖8）。根據(jù)前期巖體干濕循環(huán)等劣化實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9-11]，灰?guī)r巖樣經(jīng)受30～50次干濕循環(huán)后，飽和（干燥）單軸抗壓強(qiáng)度累計(jì)下降率為27.0 %～33.9 %（21.4 %～28.5 %），平均每周期下降率約0.7 %～0.9 %（0.6 %～0.7 %），參數(shù)劣化遵循指數(shù)下降規(guī)律，且采用指數(shù)回歸具備相應(yīng)的物理含義和較高的擬合度[6，11]。選取y=aebx作為回歸母式進(jìn)行巖體劣化時(shí)效曲線GSI（t）分析。根據(jù)此式對結(jié)構(gòu)面6.2 m 處GSI實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸R2=0.8681，同時(shí)對結(jié)構(gòu)面8.4、23.2和27 m 進(jìn)行擬合回歸，相關(guān)度R2最高達(dá)0.9145（圖8（c）），證明采用y=aebx進(jìn)行回歸較為合理。以結(jié)構(gòu)面6.2 m 處的GSI（t）進(jìn)行求解展示：

將式（15）代入到式（2）—（5）中即可得到結(jié)構(gòu)面6.2 m 處的強(qiáng)度劣化方程為：

式中有：

則聯(lián)立式（15）—（19）可得結(jié)構(gòu)面6.2 m 處的三維強(qiáng)度劣化方程如下：

同樣的不難得出結(jié)構(gòu)面8.4、23.2、27 m 處的三維強(qiáng)度劣化方程f=(σ1，σ3，t)分別如下：

圖8 不同特征深度結(jié)構(gòu)面GSI（t）擬合曲線以及與實(shí)測值之間的誤差分布

圖9 不同特征深度結(jié)構(gòu)面二維與三維強(qiáng)度劣化包線

3.4 考慮劣化過程的H-B準(zhǔn)則應(yīng)用及適用范圍通過考慮劣化效應(yīng)的時(shí)效函數(shù)GSI（t）結(jié)合廣義H-B準(zhǔn)則獲得了巖體各個(gè)時(shí)刻連續(xù)的巖體強(qiáng)度包線。根據(jù)式（20）—（23）通過Matlab 繪制其對應(yīng)特征深度結(jié)構(gòu)面的二維強(qiáng)度屈服帶和三維強(qiáng)度劣化包線如圖9。由圖9可以看到二維強(qiáng)度劣化屈服帶由淺層6.2 m 到深層27 m 逐漸變窄，表征巖體由淺層到深層其劣化敏感性趨弱，換言之，深層巖體較表層不易劣化，結(jié)構(gòu)面劣化相對緩慢。這與表2、圖8揭示的各個(gè)結(jié)構(gòu)面處參數(shù)總下降率由表層到深層趨弱的規(guī)律是一致的。

同時(shí)根據(jù)脆延轉(zhuǎn)換線σ1=4σ3得到與二維強(qiáng)度劣化屈服帶的交點(diǎn)，獲得巖體廣義H-B準(zhǔn)則的適用范圍。不同特征深度結(jié)構(gòu)面都表現(xiàn)出隨著巖體劣化的逐漸進(jìn)行（從第0～600 d）適用范圍逐漸縮小，且不同深度結(jié)構(gòu)面H-B準(zhǔn)則適用范圍的縮小程度也是不同的。通過適用范圍圍壓σ3的下降率進(jìn)行量化，結(jié)構(gòu)面6.2、8.4、23.2、27 m 的下降率分別是73.79 %、57.36 %、34.79 %、31.34 %。對比相同劣化時(shí)間（0～600 d）不同特征深度結(jié)構(gòu)面圍壓σ3的下降率發(fā)現(xiàn)，在鉆孔縱向深度上，表層巖體廣義H-B準(zhǔn)則適用范圍縮小的更快，隨著巖體劣化進(jìn)展，更容易向塑性破壞發(fā)展。同時(shí)也側(cè)面反映出，表層巖體結(jié)構(gòu)面較深層巖體更容易發(fā)生劣化。由表層結(jié)構(gòu)面6.2 m 處二維強(qiáng)度劣化包線可知，劣化至第600 天對應(yīng)的適用圍壓值σ3=4.6524 MPa。根據(jù)公式σ3=γH可大致估計(jì)4.6524MPa 對應(yīng)巖體埋深約為155 m 遠(yuǎn)大于該處結(jié)構(gòu)面埋深6.2 m，表明廣義H-B準(zhǔn)則與GSI（t）系統(tǒng)是適用的。

3.5 考慮劣化過程的Erm（t）時(shí)效函數(shù)同樣由表2中特征深度的GSI值結(jié)合式（8）可得到不同深度部位結(jié)構(gòu)面處變形模量Erm（圖10）。隨著時(shí)間的演化，結(jié)構(gòu)面處劣化程度增加，變形模量Erm逐漸減小，與結(jié)構(gòu)面處GSI值呈現(xiàn)一致規(guī)律：同樣的由表層向巖體深部，變形模量Erm受劣化影響趨弱。類比GSI（t）系統(tǒng)對Erm實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸建立Erm（t）系統(tǒng)如圖11，相關(guān)度R2最高為0.93表明通過指數(shù)回歸建立的Erm（t）系統(tǒng)是可行的。且明顯看到隨著時(shí)間演化，Erm劣化速率趨緩。鉆孔前巖體輕微劣化或者不劣化。而在鉆孔揭露巖體結(jié)構(gòu)面后，打通了地下水-庫水的聯(lián)系，在一定程度上加速了巖體劣化。值得注意的是，鉆孔只是加劇了不完整巖體特別是結(jié)構(gòu)面處的劣化趨勢，對完整部位的巖體劣化相對仍不明顯。根據(jù)H-B準(zhǔn)則可知劣化不僅導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低，同時(shí)變形模量Erm也逐步降低，雙重劣化作用可能會(huì)導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定性下降，蠕滑變形逐漸增大。

圖10 ZK05 四個(gè)特征深度結(jié)構(gòu)面處變形模量Erm對比

圖11 不同特征深度結(jié)構(gòu)面Erm（t）擬合曲線以及與實(shí)測值之間的誤差分布

4 討論

由于跨孔聲波測速是多期連續(xù)測量，通過GSI（t）以及H-B準(zhǔn)則計(jì)算的相關(guān)參數(shù)也是與時(shí)間、空間相關(guān)的，可以較好表征岸坡劣化的時(shí)空信息。同時(shí)根據(jù)持續(xù)的實(shí)測數(shù)據(jù)可不斷優(yōu)化調(diào)整GSI（t）系統(tǒng)以及二維、三維巖體強(qiáng)度劣化包線。在后續(xù)岸坡巖體穩(wěn)定性模擬評價(jià)中，將構(gòu)建的三維巖體強(qiáng)度包線賦值于特定的結(jié)構(gòu)面中，理論上只要有對應(yīng)結(jié)構(gòu)面處連續(xù)跨孔實(shí)測數(shù)據(jù)，即可建立其對應(yīng)的三維強(qiáng)度包線并一一賦值在結(jié)構(gòu)面中。這樣岸坡穩(wěn)定性模擬可以通過結(jié)構(gòu)面處的GSI（t）劣化準(zhǔn)則構(gòu)建，而完整的巖體部位則可通過傳統(tǒng)完整巖石的干濕循環(huán)建立其強(qiáng)度損傷劣化本構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)面處的快速劣化聯(lián)合完整巖石部位的極緩慢劣化，即可較好的構(gòu)建岸坡二元劣化結(jié)構(gòu)，符合岸坡巖體劣化工程實(shí)際。具體技術(shù)路線如下。

圖12 GSI（t）與H-B準(zhǔn)則計(jì)算流程

巖體穩(wěn)定性受控于結(jié)構(gòu)面及軟弱層，結(jié)構(gòu)面劣化一定會(huì)影響斜坡穩(wěn)定性，但劣化結(jié)構(gòu)面并不一定是控制性結(jié)構(gòu)面，局部巖體的劣化破壞也許會(huì)影響整體岸坡穩(wěn)定，但不一定能決定岸坡是否破壞，這與結(jié)構(gòu)面以及軟弱破碎帶的空間展布息息相關(guān)[28]。三峽庫區(qū)岸坡受到循環(huán)波動(dòng)水位的侵蝕，巖體密集分布的結(jié)構(gòu)面及軟弱層是巖體快速劣化的重要區(qū)域[11]。通過建立波速與GSI之間的關(guān)系，將GSI指標(biāo)量化取值并考慮長期劣化的時(shí)間效應(yīng)，建立GSI（t）時(shí)效函數(shù)。結(jié)合廣義H-B準(zhǔn)則即可獲得結(jié)構(gòu)面深度方向上的時(shí)—空劣化規(guī)律：二維、三維強(qiáng)度包線、Erm（t）曲線（圖9，圖11）。為研究巖體劣化過程中時(shí)間t以及深度h對于結(jié)構(gòu)面處GSI指標(biāo)劣化的影響可聯(lián)立多個(gè)層面甚至多個(gè)鉆孔的GSI（t）曲線，形成岸坡結(jié)構(gòu)面的三維劣化信息GSI（t，h）。以典型鉆孔ZK05表2中數(shù)據(jù)為例，通過多項(xiàng)式三維擬合生成GSI（t，h）圖（圖13）及函數(shù)如下：

不難看出擬合函數(shù)t，h的階數(shù)一致且都為3，表征在結(jié)構(gòu)面劣化過程中劣化時(shí)間t以及劣化深度h對于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度GSI劣化的影響權(quán)重是相近的。擬合相關(guān)度R2為0.876，表明GSI（t，h）函數(shù)可以較好的表征結(jié)構(gòu)面處三維時(shí)空劣化信息。當(dāng)獲取后續(xù)長期水位循環(huán)消落原位監(jiān)測數(shù)據(jù)后，可以進(jìn)一步優(yōu)化完善GSI（t，h）函數(shù)以及三維結(jié)構(gòu)面劣化信息，為進(jìn)一步的穩(wěn)定性模擬及劣化評估奠定基礎(chǔ)。

圖13 ZK05 三維結(jié)構(gòu)面劣化GSI（t，h）分布

5 結(jié)論與建議

本文開展了水庫實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的原位測試研究，采用原位跨孔聲波測試和井下電視獲取了不同深度下巖體物理力學(xué)參數(shù)，改進(jìn)了GSI系統(tǒng)對岸坡劣化帶巖體的描述，拓展了廣義Hoek-Brown（H-B）準(zhǔn)則在劣化帶巖體強(qiáng)度動(dòng)態(tài)評價(jià)中的應(yīng)用，得出主要結(jié)論如下：（1）廣義H-B準(zhǔn)則可以估算、描述原位岸坡巖體強(qiáng)度。結(jié)合水位循環(huán)消落原位跨孔聲波測速，借助于BQ、RMR 構(gòu)建了GSI量化取值方法。（2）GSI 結(jié)合廣義H-B準(zhǔn)則，得到特征深度的強(qiáng)度包線，結(jié)果表明，三軸受壓應(yīng)力狀態(tài)可以提高巖體強(qiáng)度，且可明顯抑制巖體劣化；脆-延轉(zhuǎn)換線σ1=4σ3計(jì)算的H-B準(zhǔn)則適用范圍表明GSI系統(tǒng)對巖體劣化評價(jià)有寬泛的適用性，且隨著GSI下降適用范圍明顯下降。（3）通過指數(shù)回歸構(gòu)建了考慮劣化過程的GSI（t）、Erm（t）時(shí)效曲線，并基于GSI（t）解得不同深度結(jié)構(gòu)面處二維強(qiáng)度劣化屈服帶、三維強(qiáng)度劣化屈服面；強(qiáng)度劣化包線顯示表層結(jié)構(gòu)面的劣化敏感性高于深層，且表層受劣化影響H-B準(zhǔn)則適用范圍下降最為明顯。（4）結(jié)合多層面GSI（t）曲線可得三維結(jié)構(gòu)面GSI（t，h）時(shí)空函數(shù)。建議在后續(xù)研究中進(jìn)一步加強(qiáng)原位跨孔聲波監(jiān)測，不斷優(yōu)化GSI（t）時(shí)效函數(shù)以及二維、三維巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度劣化包線，為下一步研究損傷劣化至蠕滑變形的岸坡穩(wěn)定性分析提供研究基礎(chǔ)。