瀾滄江某水電站近壩庫(kù)岸巖體傾倒變形的成因機(jī)制

鮑杰，李渝生，曹廣鵬，王潔

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，成都 610059）

瀾滄江某水電站近壩庫(kù)岸巖體傾倒變形的成因機(jī)制

鮑杰，李渝生，曹廣鵬，王潔

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，成都 610059）

該傾倒變形的發(fā)育特征較復(fù)雜，其內(nèi)部、底界和后緣深部的變形破壞類型分別為“傾倒蠕變”、“傾倒滑移”和“傾倒彎折”。巖體傾倒變形的形成與演變經(jīng)歷了4個(gè)階段：卸荷回彈－傾倒蠕變，層內(nèi)拉張－切層張剪破裂，彎曲－折斷變形破裂和底部滑移－后緣深部折斷面貫通破壞。

傾倒變形；發(fā)育特征；成因機(jī)制；演化過(guò)程

1 引言

該傾倒變形體發(fā)育于瀾滄江上游某水電站壩址區(qū)上游側(cè)近壩庫(kù)岸，距離壩址約800m，變形體垂向分布范圍1 480～1 830m高程，寬度約400～500 m，水平發(fā)育深度約28～200m，總體積約1.18×107m3。地貌單元上屬瀾滄江上游中高山深切河谷地貌。河谷總體上呈NNE－SSW向，在壩址區(qū)河段局部轉(zhuǎn)為NEE－SWW向。

變形體地層主要為三疊系上統(tǒng)變質(zhì)火山角礫巖夾片理化變質(zhì)凝灰?guī)r（T3xd8）、侏羅系中統(tǒng)花開(kāi)左組板狀－千枚狀變質(zhì)泥質(zhì)板巖（J2h1）及第四系沉積，層狀巖體產(chǎn)生向坡外及沖溝等臨空面的傾倒變形。變形體巖層傾角總體約30°～45°，巖體破碎，裂隙普遍張開(kāi)，巖塊間架空不明顯，總體呈鑲嵌狀。鉆孔揭露變形體底部巖芯呈散體狀，巖層傾角由30°～40°突變?yōu)?0°～80°。傾倒變形體底部與下伏基巖之間的折斷面已基本貫通。傾倒變形體以上板巖（J2h）斜坡，普遍發(fā)生傾倒蠕變，地表巖層傾角約10°～40°，向坡體內(nèi)部逐漸變陡，節(jié)理裂隙張開(kāi)不明顯。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，蠕變巖體的發(fā)育深度相對(duì)較小，底界水平埋深一般約20～50m。

由于傾倒變形體地層及片理走向與坡面近于平行，傾向坡內(nèi)。這種陡傾角反向坡結(jié)構(gòu)，有利于斜坡巖體傾倒變形的發(fā)生與發(fā)展，將對(duì)壩址處的工程安全產(chǎn)生較大影響。

2 傾倒變形巖體的發(fā)育特征

傾倒變形體的變形破裂現(xiàn)象較為復(fù)雜，其內(nèi)部、底界及后緣深部等部位的變形特征不盡相同。歸納起來(lái)有“傾倒蠕變”、“傾倒－彎折”及“滑移－傾倒”等3種基本類型［1］（表1）。

2.1 變形巖體內(nèi)部的傾倒蠕變

變形體內(nèi)部的陡傾板、片狀巖體在重力彎矩作用下，坡體前緣向臨空方向發(fā)生重力傾倒，并逐漸向坡內(nèi)連續(xù)發(fā)展，巖體內(nèi)部沿早期構(gòu)造成因的片理面發(fā)生薄層之間的剪切蠕滑錯(cuò)動(dòng)［2］。由于傾倒受控于薄層間的相互位錯(cuò)變形，故表現(xiàn)為巖層依次連續(xù)傾倒，無(wú)傾角突變現(xiàn)象，其力學(xué)性質(zhì)應(yīng)屬塑性連續(xù)變形類型（圖2）。

表1 傾倒變形體的變形破裂類型Table 1 Deformation－rupture types for the toppling mass

圖1 傾倒變形體平面圖Fig.1 Plane view of the toppling mass

圖2 變形體內(nèi)部的傾倒蠕變（PD227勘硐73～99m）Fig.2 Toppling creep in the interior（prospecting adit PD227 73～99m）

這類變形發(fā)展到一定程度時(shí)，被限制在軟弱巖帶之間的相對(duì)硬質(zhì)巖板發(fā)生明顯的張性破裂（圖3（a）），這類變形張性破裂一般不切層發(fā)展。隨著傾倒蠕變的進(jìn)一步發(fā)展，巖體內(nèi)逐漸產(chǎn)生緩傾坡外的張性剪切破裂，并表現(xiàn)出顯著的切層發(fā)展特征（圖3（b））。

圖3 變形體內(nèi)部變形情況（PD207）Fig.3 Internal deformation of the deformation mass（PD207）

2.2 變形體底界“傾倒－滑移”變形

PD217平硐揭露了變形體底界受F217－3斷裂控制的“傾倒－滑移”變形發(fā)育情況（圖4）。硐深45～49m處作為變形體底部滑移邊界的F217－3斷裂，斷面傾向滑移擦痕清晰，破碎帶物質(zhì)松散呈軟塑狀、巖脈擠壓碎裂（圖5）。隨著斜坡下部巖體傾倒變形的加劇，巖體在重力彎矩作用下沿底部F217－3斷裂發(fā)生傾倒－滑移復(fù)合型變形［3］。

圖4 變形體底界F217－3斷裂（PD217，39～53m）Fig.4 Fracture F217－3at the base of the deformation mass（PD217，39～53m）

圖5 傾倒變形體下部滑移變形控制面（F217－3斷裂）Fig.5 Control surface of slipping deformation of the base of the toppling mass（Fracture F217－3）

圖6 傾倒變形體后緣深部?jī)A倒彎折帶Fig.6 Toppling bend belt at the deep back of the toppling mass

2.3 變形體后緣深部“傾倒－彎折”變形

在變形體后緣深部底界附近，陡傾薄層巖體在重力彎矩作用下，向臨空方向發(fā)生懸臂梁式彎曲變形。這類變形的巖層若未出現(xiàn)不連續(xù)破裂現(xiàn)象，則力學(xué)性質(zhì)仍屬塑性連續(xù)變形范疇。但若重力彎矩的作用強(qiáng)度較大或處于硬質(zhì)巖部位，彎曲部位局部出現(xiàn)張剪性破裂，形成斜切“梁板”、傾向坡外、斷續(xù)延展的張剪性破裂帶（圖6），力學(xué)屬性為不連續(xù)脆性破裂［4］。

3 巖體傾倒變形的形成機(jī)制與演化過(guò)程

3.1 巖體傾倒變形模式

上述研究成果表明，傾倒變形體具有較為獨(dú)特的復(fù)雜變形特征。變形體底部沿F217－3斷層帶發(fā)生傾倒－剪切滑移，上部巖體產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的傾倒－彎曲變形、或折斷破裂。變形的形成過(guò)程與發(fā)展程度，主要受控于底部F217－3斷層帶的剪切滑移狀況。

這種較為特殊的下部?jī)A倒－剪切滑移、上部?jī)A倒－彎曲（局部折斷）復(fù)合式傾倒變形，可定義為受底部滑移變形控制的“傾倒滑移－彎折”型變形模式［1，5，6］。

3.2 傾倒變形成因機(jī)制及發(fā)展演化過(guò)程

斜坡巖體傾倒破裂的形成與演變過(guò)程總體上經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段，各階段變形破裂有著不同的成因和特征變形現(xiàn)象。

（1）卸荷回彈－傾倒蠕變發(fā)展階段

在河谷下切、巖體卸荷－傾倒變形發(fā)展的初期，陡傾坡內(nèi)的薄層或板狀巖體在卸荷回彈和自重彎矩的共同作用下，開(kāi)始向臨空方向發(fā)生懸臂梁式傾倒，變形由坡體淺表部逐漸向深部發(fā)展（圖7（a））。

（2）層內(nèi)拉張、切層張剪破裂發(fā)展階段

隨著巖體傾倒變形的進(jìn)一步發(fā)展，底部滑移控制面F217－3開(kāi)始發(fā)生傾向剪切位移。受此影響，前期已經(jīng)發(fā)生傾倒變形的板狀巖體在重力彎矩和底部剪切滑移的共同作用下，“懸臂梁”式傾倒變形加速發(fā)展。同時(shí)層內(nèi)拉張效應(yīng)漸趨強(qiáng)烈，錯(cuò)動(dòng)面之間的巖板承受拉張應(yīng)力逐步累積增加，產(chǎn)生拉張破裂或沿已有結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉張變形（圖7（b、c））。

圖7 不同傾倒變形程度巖體的破裂形式及力學(xué)機(jī)制Fig.7 Rupture forms and mechanical mechanisms of varying degrees of toppling rock masses

（3）彎曲－折斷變形破裂發(fā)展階段

隨著巖體傾倒變形的持續(xù)發(fā)展，當(dāng)作用于巖板根部的力矩超過(guò)該部位的抗彎折強(qiáng)度時(shí)，沿最大彎折帶形成傾向坡外的斷續(xù)變形破裂帶（圖8）。該破裂面已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展成為控制坡體穩(wěn)定的張－剪應(yīng)力集中帶［6，7］。此階段層間巖板繼續(xù)承受拉張作用，剪切效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。破裂形式轉(zhuǎn)變?yōu)檠匾延械木弮A角節(jié)理發(fā)生張剪性破裂或傾滑剪切位移，持續(xù)發(fā)展必然切層。

圖8 彎曲－折斷變形破裂發(fā)展階段Fig.8 Stage of bend－fracture deformation rupture

（4）底部滑移－后緣深部折斷面貫通破壞階段

經(jīng)過(guò)傾倒－彎折變形發(fā)展階段后，傾倒變形已相當(dāng)強(qiáng)烈。巖板根部的折斷破裂面將持續(xù)發(fā)展并與后緣拉裂貫通（圖9），形成統(tǒng)一的張剪性破壞面。此階段，受這類傾向坡外的破裂面控制的持續(xù)傾倒變形，實(shí)際上已整體轉(zhuǎn)為“滑移－拉裂”型變形破壞［6，7］。

4 結(jié)論

電站工程區(qū)地處西南地區(qū)著名的“三江構(gòu)造帶”的中段，地質(zhì)構(gòu)造及近現(xiàn)代斷裂活動(dòng)情況較為復(fù)雜。西南地區(qū)工程建設(shè)中順層巖質(zhì)斜坡的板狀反傾巖體的傾倒變形問(wèn)題是一個(gè)極其重要的工程地質(zhì)問(wèn)題。這類變形破壞的發(fā)育規(guī)模通常受特殊的工程地質(zhì)——巖體力學(xué)邊界條件、順向河谷地形及陡傾坡內(nèi)的似層狀及板片狀巖體結(jié)構(gòu)等三方面因素控制，斜坡巖體的穩(wěn)定性較差，斜坡地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重發(fā)育，變形體對(duì)壩址區(qū)的工程建設(shè)將產(chǎn)生較大影響。因此對(duì)其成因控制條件、破壞形式及形成機(jī)制的研究具有重要的工程意義。

圖9 折斷面貫通破裂發(fā)展階段Fig.9 Stage of fracture surface joint failure

（1）變形體的傾倒變形破裂現(xiàn)象較為復(fù)雜。變形體內(nèi)部、底界及后緣深部的變形類型不盡相同。歸納起來(lái)斜坡巖體傾倒變形主要有巖體內(nèi)部的傾倒蠕變、變形體底界的“傾倒－滑移”變形及變形體后緣深部“傾倒－彎折”變形3種類型。

（2）傾倒變形體獨(dú)特的變形特征主要表現(xiàn)為底部沿F217－2斷裂面發(fā)生傾倒剪切滑移變形，斜坡巖體產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的傾倒彎、折變形或破裂。變形的形成過(guò)程與發(fā)展程度，受控于底部F217－1斷裂的剪切位移狀況。傾倒變形體的形成與演變過(guò)程經(jīng)歷了卸荷回彈－傾倒蠕變發(fā)展，層內(nèi)拉張、切層張剪破裂發(fā)展，彎曲、折斷變形破裂發(fā)展，底部滑移－后緣深部折斷面貫通破壞4個(gè)發(fā)展階段。

［1］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理（2版）［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

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GENETIC MECHANISM OF THE TOPPLING DEFORMATION NEAR THE DAM OF A HYDROPOWER STATION ON LANCANG RIVER

Bao Jie，Li Yu－sheng，Cao Guang－peng，Wang Jie
（State Key Laboratory of Geo－h(huán)azard Prevention and Geo－environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

The deformation presents complex development characteristics as the deformation types of its interior，base boundary and back edge are respectively“toppling－creep”，“slip－toppling”and“toppling－bend/fracture”.It passes four evolution stages like unloading rebound～toppling creep，extension within layers－strain－shear rupture，bend－fracture deformation rupture and bottom slip－joint failure of deep back edge fracture surface.

toppling deformation；development characteristics；genetic mechanism；evolution

P642；TU457

A

1006－4362（2011）03－0047－05

2011－05－17 改回日期：2011－07－28

鮑杰（1985－ ），男，（漢族），遼寧鞍山人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)工程研究。