陡傾巖層順向坡“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象成因分析

曾劍華,肖 麗,周小娟

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,湖北武漢 430010;2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北武漢 430034)

陡傾巖層順向坡“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象成因分析

曾劍華1,肖 麗1,周小娟2

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,湖北武漢 430010;2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北武漢 430034)

在自然界中“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象多發(fā)生在逆向坡地區(qū),對于順向坡“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象在教科書中亦未提及,實際工程中也很少會注意這種地質(zhì)現(xiàn)象帶來的工程地質(zhì)問題,對寺坪水電站庫區(qū)鑼鼓洞變形體“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象進行了深入分析,對陡傾巖層順向坡“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象的變形過程及力學(xué)成因進行了有益探討。

順向坡;變形;成因分析

0 引言

寺坪水電站位于湖北省保康縣肖家灣,漢江右岸一級支流南河上,是南河流域梯級開發(fā)中的控制性工程。大壩為面板堆石壩,壩頂高程318.5 m,正常蓄水位315 m,死水位294 m,總庫容2.47×108m3。在導(dǎo)流洞進出口邊坡開挖中發(fā)現(xiàn)陡傾砂質(zhì)頁巖順向坡“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象,當(dāng)時基于邊坡安全考慮對變形巖體進行了削除處理。2006年水庫蓄水至306 m水位,2007年1月對寺坪水電站庫區(qū)庫岸調(diào)查與復(fù)核,發(fā)現(xiàn)距壩址約3.1 km的右岸鑼鼓洞陡傾砂質(zhì)頁巖順向坡庫岸變形跡象明顯[1],本文結(jié)合該變形體勘察在闡述變形體變形特征的基礎(chǔ)上對變形體的變形過程和成因機制進行了分析。

1 基本地質(zhì)環(huán)境

工程區(qū)內(nèi)南河流向近NE,在鑼鼓洞河段形成一回頭灣,鑼鼓洞變形體發(fā)育于凹岸(南岸),學(xué)生溝與竹園溝所構(gòu)成的岸坡上,為碎屑巖構(gòu)造風(fēng)化剝蝕中低山地貌景觀,河谷相對開闊,多呈“U”型?？傮w地形西南高,北東低,海拔高程240～1 200 m,最大相對高差1 000 m,山脈走向近東西向,與區(qū)域構(gòu)造線方向一致滑體。

工程區(qū)內(nèi)基巖巖性主要為志留系下統(tǒng)羅惹坪組(S1lr)的頁巖、砂質(zhì)頁巖,巖體濕抗壓強度為15～25 MPa,為軟巖,巖層傾向0°～20°,傾角60°～78°。鑼鼓洞變形體位于寺坪斜歪倒轉(zhuǎn)向斜核部偏南,向斜軸向呈東西向延伸,兩翼地層均傾向N。

2 變形體的基本特征

2.1 空間形態(tài)

變形體處于竹園溝與學(xué)生溝構(gòu)成的斜坡上(如圖1),兩溝溝底及其變形體外圍均出露為頁巖、砂質(zhì)頁巖,巖層傾向NE為主,陡傾角,為順向坡。在變形體庫岸及斜坡局部出露有變形巖層,其產(chǎn)狀傾S及中緩傾角為主。變形體平面呈不規(guī)則的“四邊形”,變形體地形坡度較陡,地形平均坡度約30°,其中前部(高程430 m以下)地形較陡,坡角35°～40°,局部庫岸部位達45°以上或為陡崖;其后部(430 m以上)地形稍緩,平均坡角20°左右,局部為緩坡或平臺。變形體西起學(xué)生溝東至竹園溝,前緣位于庫水位下,推測高程275 m左右,后緣高程450～465 m,東西寬約300 m,南北長約350 m,面積10.5×104m2;平均厚度約30 m,最厚達42.4 m,體積約315×104m3。

2.2 物質(zhì)組成

變形體物質(zhì)組成自上(地表)而下可分三層,第一層:粉質(zhì)粘土夾碎石(dlQ),厚度3～6 m,零星分布于變形體表層;第二層:碎塊石夾土、碎石土夾塊石(col+dlQ、delQ),厚度5.2～36 m,廣布于變形體;第三層:變形巖層(S1lrdis),為灰綠—灰色砂質(zhì)頁巖、頁巖,巖層傾S為主,中緩傾角,厚2.2～34.4 m,廣布于變形區(qū)?；鶐r為志留系下統(tǒng)羅惹坪組(S1lr)的頁巖、砂質(zhì)頁巖。

2.3 變形特征

通過勘察揭示變形體具以下主要變形特征。

(1)變形體在空間分布上具不均勻性 從勘探點揭示變形體在空間分布上具不均勻性(見圖2),最厚

圖1 變形體平面地質(zhì)簡圖Fig.1 Geologicalmap of deformation

圖2 變形體2-2′剖面簡圖Fig.2 Profile of 2-2′defor mation

(2)變形體在空間變形上具不一致性 從各勘探點揭示變形巖層總體傾南,但產(chǎn)狀不一。變形體上部巖層傾角較下部傾角小,這說明上部巖層彎曲變形量較下部大,變形體變形方向總體傾向臨空面,在向南河臨空面變形的同時亦產(chǎn)生向竹園溝和學(xué)生溝臨空方向的變形,表現(xiàn)在勘探點揭示變形巖層的產(chǎn)狀不一(見表1)。

表1 豎井、平硐揭示變形巖層產(chǎn)狀變化表Table 1 Change table of deformation rock attitude revealed by vertical shaft and adit

在PD1平硐中揭示變形巖層是由緩傾向陡傾漸變?yōu)檎r層的一種變形方式,近庫岸部位變形巖層南傾,傾角緩,彎曲變形量大,巖體較破碎,向山體內(nèi)巖層傾角漸陡,彎曲變形量漸小,巖體變的亦較完整,變形巖層與正常巖層無明顯破裂面。

圖3 豎井變形巖體與基巖附近編錄圖Fig.3 Map of defor mation rock at vertical shaft and bedrock

(3)變形體在變形破壞程度上是不相同的 從各豎井勘探揭示(圖3):SJ1豎井變形巖層與基巖沒有明顯分界面,巖層呈漸變過渡,僅在東側(cè)壁巖層產(chǎn)狀轉(zhuǎn)換部位見破裂面,張開3～5 mm,向臨空面傾,產(chǎn)狀10°∠12°;SJ2豎井揭示變形巖層與下伏正常巖層產(chǎn)狀漸變,未見破裂面;SJ3豎井揭示變形巖層與下伏正常巖層分界面產(chǎn)狀在10°～16°∠40°～43°,變形巖層與正常巖層間破裂面已完全貫通,為一層厚10～20 cm的灰黃色礫碎質(zhì)粉質(zhì)粘土,并有蠕滑過的痕跡;SJ4豎井揭示上部變形巖層曾發(fā)生過滑移破壞,并形成了現(xiàn)變形體上的1號滑體。

由上述可知:變形體在分布上厚薄不勻、空間上變形不一致、變形破壞程度是不相同的,變形體與下伏正?；鶐r并未形成統(tǒng)一破裂面,僅局部存在貫通面或滑移破壞。

3 成因分析

成因分析可從兩方面說明。

(1)力學(xué)成因分析 陡傾巖層順向坡的這種變形取決于巖體強度、地形條件和外力作用等各種因素。對硬巖來說由于自身強度高,這種變形現(xiàn)象可能不存在,對于緩坡或地形上臨空面不足時這種變形現(xiàn)象亦可能不存在。結(jié)合鑼鼓洞變形體分析如下:①由于斜坡巖石以頁巖、砂質(zhì)頁巖為主的軟巖,巖體強度低,其自身強度的不足為巖體變形或破壞提供了內(nèi)因;②由于斜坡三面切割臨空,巖體應(yīng)力釋放,向臨空面的變形,加之為軟巖同時亦會產(chǎn)生巖石流變;③隨著斜坡后緣物質(zhì)不斷堆積于坡體,上覆壓力在巖層產(chǎn)生向臨空方向的剪應(yīng)力,使得巖層不斷向臨空面變形,巖體逐漸發(fā)生彎曲破裂,隨著上覆蓋層的不斷加厚,剪應(yīng)力亦不斷增加,巖體中的彎曲拉裂面逐漸貫通,巖體發(fā)生剪斷破壞,破裂面形成;④早期坡體局部的覆蓋層滑移破壞對下伏巖層的牽引作用亦是巖體彎曲拉裂的原因。

(2)變形過程分析 變形體的形成與南河的發(fā)育是密切相關(guān)的。變形體形成至今大致經(jīng)歷了以下四個階段(圖4)。

圖4 變形體形成演示圖Fig.4 Demonstration of the for m of deformation

第一階段:原始斜坡上堆積后緣來的崩坡積物質(zhì),南河初成,于斜坡北側(cè)下切,并伴隨斜坡東西兩側(cè)的竹園溝和學(xué)生溝兩溝發(fā)育。

第二階段:隨著南河及兩側(cè)沖溝的下切,河流回水灣形成,斜坡前緣沖刷加劇,斜坡前緣出現(xiàn)臨空,并伴隨有斜坡前緣巖體的卸荷變形,出現(xiàn)小規(guī)模的彎曲變形和堆積物的塌滑破壞。而后緣坡體崩坡積物質(zhì)的不斷堆積于斜坡上,斜坡出現(xiàn)變形跡象。

第三階段:南河及兩側(cè)沖溝的進一步下切,斜坡前緣臨空面加大,兩側(cè)沖溝的下切亦使得斜坡兩側(cè)失去支撐,巖層在上覆蓋層的壓重和卸荷作用向臨空方向變形。由于巖性較軟,巖石表現(xiàn)為長期流變現(xiàn)象,巖層整體表現(xiàn)為以柔性破壞為主的彎曲變形,變形體逐漸形成,其總體變形特征表現(xiàn)為變形上的差異性和不均勻性,如局部因為原始地形為正地形(巖?；蛏w層薄)而出現(xiàn)局部變形巖層較薄的現(xiàn)象(如SJ2豎井附近)。

第四階段:隨著南河及兩側(cè)沖溝的繼續(xù)下切,臨空的進一步加大,變形體進一步發(fā)展,局部變形面裂開貫通,變形體局部出現(xiàn)失穩(wěn),如變形體西側(cè)打谷場一帶的1號滑體;或沿沖溝和變形體內(nèi)斜坡堆積物出現(xiàn)一系列的小滑坡。隨著南河回水灣的下切及兩側(cè)沖溝的溯源侵蝕,變形體表部土體被水流帶走,下伏變形巖層出露,如現(xiàn)庫岸邊出露的一系列變形巖層。

可見變形體形成至今已經(jīng)歷一段地質(zhì)時期,近期的人類活動使得變形體出現(xiàn)系列的局部變形與破壞,變形體仍在發(fā)育中。

4 結(jié)語

對自然界中陡傾巖層順向坡“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象是如何產(chǎn)生和形成的,本文通過對寺坪水電站庫區(qū)鑼鼓洞變形體實例分析,對陡傾巖層順向坡“彎曲拉裂”地質(zhì)現(xiàn)象的變形過程及力學(xué)成因進行了有益探討,科學(xué)地解釋了這種自然地質(zhì)現(xiàn)象的成因機理。

[1] 曾劍華.寺坪水電站庫區(qū)鑼鼓洞變形體工程地質(zhì)勘察報告[R].武漢:長江巖土工程總公司,2007.

(責(zé)任編輯:潘 瀟)

Cause Analysis of Bending CrackGeological Phenomenon on the Steep Slope of Consequent Slope

ZENG Jianhua1,XIAO Li1,ZHOU Xiaojuan2
(1.Institute of Three Gorges Survey and Research,Wuhan,Hubei430010;2Hubei Institute of Geological Survey430034)

In the nature ofbending crackgeological phenomenon mostly occurs in reverse slope areas,the consequent slope for thebending crackgeological phenomenon has notmentioned in textbooks.Practical projects rarely pay attention to such geological phenomena engineering geological problems.In-depth analysis ofbending crackgeological phenomena ofLuogudong deformable body in Siping Hydropower Reservoir was conducted.Bending crackon the steep slope of consequent slope and mechanical deformation causes useful study.

consequent slope;defor mation;cause analysis

TU413.6+2

A

1671-1211(2010)05-0608-04

2010-07-01;改回日期:2010-09-06

曾劍華(1971-),男,高級工程師,工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專業(yè),從事工程地質(zhì)勘察與研究工作。E-mail:mrzjhua@163.com