某電站壩區(qū)左岸深部裂縫特征及成因機(jī)理淺析

王 瑜，趙其華

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059）

某電站壩區(qū)左岸深部裂縫特征及成因機(jī)理淺析

王 瑜，趙其華

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059）

水電工程常建在高山峽谷地帶，這樣的地勢條件決定了常遇到深部拉裂問題。深部裂縫是指在微新巖體中發(fā)育的張性破裂或破裂帶。擬建水電站壩區(qū)左岸存在大量的深部拉裂縫，通過對其發(fā)育分布、變形特征的考察，提出了左岸深部裂縫是在特定較高地應(yīng)力環(huán)境和巖性條件下，伴隨河谷快速下切，岸坡巖體中積存的應(yīng)變能強(qiáng)烈釋放，使原先較高的地應(yīng)力得到釋放，并由于岸坡特有的巖體特征產(chǎn)生差異回彈，坡體內(nèi)原有的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面淺表生改造的產(chǎn)物。

深部裂縫；卸荷；成因機(jī)理；淺表生改造

擬建水電站規(guī)模較大，工程地質(zhì)條件總體較好。但左岸有較為明顯的深部裂縫，其發(fā)育深度上超出工程經(jīng)驗(yàn)中邊坡巖體卸荷帶范圍。

1 邊坡地質(zhì)概況

壩區(qū)屬中山峽谷地貌，地勢北高南低，向東側(cè)傾斜。左岸山峰高程2 600m，整體上呈向河方向傾斜的斜坡地形；右岸山峰高程3 000 m以上，主要為陡坡與緩坡相間的地形。邊坡結(jié)構(gòu)屬似層狀結(jié)構(gòu)，巖流層產(chǎn)狀N40°-50°E，SE∠15°～20°，左岸屬于視順向坡，右岸視逆向坡。壩區(qū)主要出露二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，無區(qū)域性斷裂通過，褶皺構(gòu)造也不發(fā)育，主要構(gòu)造類型為斷層、層間錯(cuò)動(dòng)帶、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶和大量的裂隙和節(jié)理，構(gòu)造組合與構(gòu)造變形形式相對簡單。錯(cuò)動(dòng)帶的產(chǎn)狀大多與巖流層產(chǎn)狀相同。

2 深部裂縫的特征

經(jīng)過野外考察，發(fā)現(xiàn)壩區(qū)左岸的深部拉裂較為明顯，共71條，呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

2.1 深部裂縫的發(fā)育分布規(guī)律

（1）根據(jù)深部裂縫在平硐中揭露的情況來看，其兩側(cè)的巖性以角礫熔巖、柱狀節(jié)理玄武巖、杏仁玄武巖為主，此3種巖性占到總體的2／3左右，而角礫熔巖占28%。

（2）從深拉裂出現(xiàn)的勘探線來看，勘Ⅰ4，Ⅰ5線的深部裂縫占整個(gè)壩區(qū)左岸總數(shù)的一半以上，見圖1、圖2。

圖1 壩區(qū)左岸深部裂縫分布圖Fig.1 Distribution of deep fractures in the left bank

圖2 各勘探線深部裂縫分布情況統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Distribution of deep fractures in different exp loration lines

（3）從圖3可以看出，就高程而言，深部裂縫主要集中在750～800 m和700～750 m高程，即中高高程。

圖3 各高程深部裂縫分布情況統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Distribution of deep fractures in different elevations

（5）深裂縫均沿早先的構(gòu)造裂隙改造而成。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，壩區(qū)左岸的深部裂縫主要集中在走向N35°W傾向SW傾角86°和近SN向陡傾角。前者為同坡向斜交裂隙，后者與坡向大體平行，而壩區(qū)左岸的基體裂隙優(yōu)勢方位為走向N40°W傾向，SW傾角83°，兩者的優(yōu)勢產(chǎn)狀基本一致，見圖4、圖5。深拉裂顯著的方向性表明它們與卸荷臨空方位以及最大主應(yīng)力場的方位有關(guān)。

圖4 壩區(qū)左岸深部裂縫優(yōu)勢方位圖Fig.4 Superiority orientation diagram of deep fractures in the left bank of dam area

圖5 壩區(qū)左岸基體裂隙優(yōu)勢方位圖Fig.5 Superiority orientation diagram of structural fissures in the left bank of dam area

（6）深部裂縫的發(fā)育分布受層面、層間錯(cuò)動(dòng)帶限制，一般發(fā)育于錯(cuò)動(dòng)帶之間，而未穿過錯(cuò)動(dòng)帶。如經(jīng)調(diào)查，壩區(qū)規(guī)模最大的深拉裂J110（見圖6）上部受到層間錯(cuò)動(dòng)帶C3-1，下部受到層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS337限制。

（7）離岸坡深度的規(guī)律：深拉裂主要分布在離岸坡80～140 m處，其中80～100 m處最多，占總數(shù)的21.1%，其次是100～120 m，占19.7%。而壩區(qū)所有的陡傾角裂隙，共378條，在離岸坡80～100 m處發(fā)育最多，在60～140 m普遍發(fā)育。可見，深拉裂和陡傾裂隙分布的區(qū)域基本一致，兩者有明顯的相關(guān)性，進(jìn)一步證明了深裂縫是沿早先的構(gòu)造裂隙改造而成的。

圖6 PD142-2入口處J110（PD指平硐，下同）Fig.6 J110at entrance PD142-2

2.2 深部裂縫的變形破壞特征

（1）經(jīng)統(tǒng)計(jì)，深部拉張裂縫中充填次生泥的占40%，無次生泥（充填巖塊、架空）占60%。充填次生泥的深部拉張裂縫分布于四個(gè)亞層，其中以最為發(fā)育，占62.50%。中又以柱狀節(jié)理玄武巖中最為發(fā)育。無次生泥的深部拉張裂縫分布于五個(gè)亞層，其中以最為發(fā)育，占50%，中又以角礫熔巖、杏仁狀玄武巖中最為發(fā)育。

（2）深部裂縫大部分呈現(xiàn)出上小下大的特征。如PD159中發(fā)育的J119，上游壁張開7～10 cm，下游壁局部張開3～5 cm，硐頂局部張開約1 cm。

（3）深部拉裂面粗糙，兩側(cè)的巖體較為新鮮，比較少見到有銹染現(xiàn)象，且主要表現(xiàn)出簡單向河谷臨空方向的張開特征，兩側(cè)巖層基本未見有錯(cuò)位現(xiàn)象。充填的方解石、鈣膜、晶芽也大部分未見進(jìn)一步的變形破裂。

（4）經(jīng)統(tǒng)計(jì)，壩區(qū)左岸的深部裂縫張開度在1～5 m最多，約占1／3左右，其次是0.2～0.5 m、小于0.2 cm，分別占19.7%，16.9%。

3 深部裂縫的成因機(jī)理

3.1 淺表生改造的基本理論

處于地殼淺表生圈層的巖層，在地貌形成演化過程中，經(jīng)歷了進(jìn)一步的改造，這種改造過程與地貌形成演化過程相聯(lián)系，稱之為淺表生改造。而挽近期以來，由于區(qū)域性剝蝕或盆地側(cè)向擴(kuò)張引起應(yīng)力應(yīng)變場環(huán)境變化，在地殼淺表圈層巖土體中形成的時(shí)效變形破裂跡象稱之為淺生時(shí)效結(jié)構(gòu)。

3.2 深部裂縫的發(fā)生條件

就河谷演化歷史而言，研究區(qū)河谷發(fā)育經(jīng)歷了寬谷期和峽谷期2個(gè)階段，自Q1以來，經(jīng)過了5次較快速度下切，詳見表1。

表1 研究區(qū)河谷演化階段表Table1 Valley evolution phase in study area

現(xiàn)場實(shí)測及數(shù)值模擬結(jié)果表明：整個(gè)壩區(qū)以構(gòu)造應(yīng)力為主的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E向，傾角近水平；在15～18 MPa之間，最小主應(yīng)力方向NW；在6±1 MPa之間，構(gòu)造應(yīng)力水平較高。

而壩區(qū)的邊坡結(jié)構(gòu)與巖性相關(guān)，壩區(qū)的玄武巖在形成過程中，有噴發(fā)間斷，再加上后期的錯(cuò)動(dòng)，形成層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶。此外，壩區(qū)左岸的基體裂隙優(yōu)勢方位為走向N40°、W傾向、SW傾角83°，與深部裂縫優(yōu)勢方位基本一致，可見深部裂縫的發(fā)展對原有結(jié)構(gòu)面發(fā)育的具有明顯的繼承性。

3.3 深部裂縫的成因機(jī)理研究

壩區(qū)深部裂縫的主要力學(xué)類型為張裂型，這種拉張破壞形成的深部裂縫是在河谷下切過程中，由于巖體內(nèi)部的差異回彈而產(chǎn)生深部裂縫。

巖體中緊密相連而材料性質(zhì)不同的體系，見圖7，如果在加荷過程中，在彈性強(qiáng)的單元中引起純彈性應(yīng)變，而在彈性弱的單元中彈性應(yīng)變后引起塑性變形。卸荷回彈時(shí)，兩者的膨脹度不一，于是分別在單元1和單元2內(nèi)分別產(chǎn)生了殘余的壓應(yīng)力和殘余的拉應(yīng)力。一旦殘余拉應(yīng)力達(dá)到了材料的抗拉強(qiáng)度，即產(chǎn)生了拉裂面。

由于深拉裂集中發(fā)育區(qū)的最大值應(yīng)力為NE向，沿NE向卸荷，產(chǎn)生與NE向垂直的NW向構(gòu)造裂隙。河谷的下切促使了較高地應(yīng)力的釋放，驅(qū)動(dòng)坡體產(chǎn)生向臨空面方向的側(cè)向卸荷，產(chǎn)生回彈，而地應(yīng)力越高則卸荷回彈將越嚴(yán)重。由于壩區(qū)的玄武巖相對堅(jiān)硬、模量高，對應(yīng)力釋放過程中邊坡變形的適應(yīng)能力較差，通常表現(xiàn)為脆性破裂的方式；而層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶在經(jīng)歷了地質(zhì)歷史上一系列改造過程后，性狀嚴(yán)重劣化，它們在邊坡應(yīng)力釋放過程中更多地表現(xiàn)為塑性變形，其物理力學(xué)性質(zhì)與完整巖體之間存在明顯的差異性，這也會形成卸荷過程中的差異回彈，并且這種差異回彈模式在壩區(qū)是具有普遍性的。由于回彈的不均勻，從而在這些坡體內(nèi)部一些相對弱面部位，形成殘余的拉應(yīng)力環(huán)境，導(dǎo)致邊坡內(nèi)部原有的NW向陡傾角構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的拉張；這時(shí)若河谷再次下切，處于微張狀態(tài)的結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步延伸、張開度增大，并和附近的結(jié)構(gòu)面貫通，最終形成規(guī)模較大的深部裂縫。

圖7 不同性質(zhì)巖體變形破壞圖Fig.7 Deformation and failure of rocks with different properties

4 結(jié) 論

綜上所述，壩區(qū)左岸深部裂縫是在特定較高的應(yīng)力環(huán)境和巖性條件下，伴隨著河谷的下切，邊坡應(yīng)力的強(qiáng)烈釋放，在原有構(gòu)造結(jié)構(gòu)面基礎(chǔ)上由于巖體淺表生改造過程而形成的淺生改造產(chǎn)物，即快速大幅度卸荷作用形成的淺生結(jié)構(gòu)。

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（編輯：劉運(yùn)飛）

Features and Formation M echanism of Deep Fracture in Left Bank Slope of Some Hydropower Station Dam Site

WANG Yu，ZHAO Qi-hua
（College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Hydropower project is usually built on high mountain canyoned river reaches，then this terrain condition causes deep factures.And the deep fracturemeans the sheeted fracture or fracture zone in fresh rock mass.There are a lot of deep factures in the left bank of the proposed hydropower station dam site.This paper analyzes distribution characteristics and deformation behaviors.It is concluded that the deep fracture is the product of epigenetic reformation of structural plane of original constitution in rock masswhich is caused by high ground stress，lithology and quick valley cutting，then strain energy in rock loosens strongly and high ground stress releases，and specific rock characteristics have different restoring origins.

deep fracture；unloading；formation mechanism；epigenetic reformation

TV221.2

A

1001-5485（2010）04-0049-04

2009-05-30

王 瑜（1985-），女，陜西西安人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)工程專業(yè)研究，（電話）15882201804（電子信箱）wykaidzxd＠163.com。