韌性剪切帶和蝕變巖體對(duì)坡體卸荷特征影響分析

丁軍浩 鄧 輝 王勁翔 涂國(guó)祥

(1.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)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059；2.成都市勘察測(cè)繪研究院， 成都 610081)

1 工程背景

巖質(zhì)高邊坡卸荷是坡表一定深度范圍內(nèi)巖體質(zhì)量劣化的主要外動(dòng)力之一，不少學(xué)者已對(duì)高邊坡的自然卸荷或人工卸荷特征作了深入研究，黃潤(rùn)秋等[1]認(rèn)為邊坡開(kāi)挖或河谷下切過(guò)程中，邊坡二次應(yīng)力場(chǎng)呈“駝峰應(yīng)力分布”；文獻(xiàn)[2]—文獻(xiàn)[5]認(rèn)為坡體的卸荷特征主要受坡體的外形特征、坡體巖體巖性特征、坡體巖體結(jié)構(gòu)特征、坡體地應(yīng)力環(huán)境以及坡體所處的地質(zhì)環(huán)境等方面的影響；而用裂隙率、張開(kāi)裂隙率與“隙寬和”3個(gè)量化指標(biāo)進(jìn)行卸荷帶的劃分也被鄭達(dá)和黃潤(rùn)秋[6]提出。

通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)高程3 000 m和3 100 m處出現(xiàn)了明顯的卸荷異常，而研究區(qū)無(wú)大的區(qū)域斷層通過(guò)，僅有一定寬度的韌性剪切帶和蝕變巖體出露，其是否是造成坡體卸荷異常的原因?qū)⒂写M(jìn)一步研究。

2 工程概況

某大壩的壩址區(qū)位于青藏高原東部，三江地區(qū)北段，河段枯期河水位高程2 892 m，水庫(kù)正常蓄水位3 054 m。研究區(qū)為壩址右岸岸坡，岸坡自然地形坡度一般為30°～45°，局部較陡，巖性單一，為英安巖，局部緩坡一帶分布?xì)埰路e塊碎石夾土，厚度較薄。經(jīng)地質(zhì)測(cè)繪，研究區(qū)雖無(wú)Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，但Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，其優(yōu)勢(shì)方向主要有2組：①中-陡傾坡內(nèi)N55°～80°W/SW∠60°～85°；②緩傾坡外N30°～50°W/NE∠15°～25°。坡體卸荷強(qiáng)烈，表層巖體破碎，呈散體-碎裂結(jié)構(gòu)。

此外，研究區(qū)發(fā)育3條韌性剪切帶，帶內(nèi)淺表層發(fā)育多條蝕變帶，主要表現(xiàn)為高嶺土化和絹云母化。壩軸線處工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 壩軸線工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Profile along the axis of dam

3 韌性剪切帶及蝕變帶發(fā)育特征

3.1 韌性剪切帶發(fā)育特征

研究區(qū)發(fā)育3條韌性剪切帶，由英安質(zhì)糜棱巖組成，為長(zhǎng)英質(zhì)巖石，具有典型的糜棱結(jié)構(gòu)，碎斑主要為石英，少量為斜長(zhǎng)石，碎基為霏細(xì)結(jié)構(gòu)，局部為顯微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。肉眼可直接辨別，呈條帶狀分布，糜棱面理發(fā)育，風(fēng)化后呈薄片狀平行排列，如圖2(a)所示。局部糜棱面理揉皺強(qiáng)烈，如圖2(b)所示。

圖2 糜棱面理的風(fēng)化后照片及揉皺現(xiàn)象Fig.2 Mylonite foliation after weathering and crumple of mylonite foliation

韌性剪切帶為斷層深構(gòu)造層次的產(chǎn)物，形成于地殼深部的高溫、高壓環(huán)境，巖石為韌性，在地殼活動(dòng)擠壓力或剪切力的作用下產(chǎn)生韌性形變，形成糜棱面理及糜棱巖，不存在破裂面，但在近地表處，受風(fēng)化營(yíng)力作用和卸荷作用影響，表層英安質(zhì)糜棱巖巖體破碎，裂隙發(fā)育，傾倒折斷現(xiàn)象明顯

韌性剪切帶及蝕變帶總體產(chǎn)狀N60°～83°W/SW∠75°，發(fā)育寬50～130 m，其中2條在壩址壩線上游約20 m交匯合并成一條，在壩軸線下游350 m河道拐角處，剪切帶產(chǎn)狀發(fā)生變化，總體產(chǎn)狀由N68°W/SW∠75°變?yōu)镹24°W/SW∠78°，并向下游延伸，其平面分布如圖3所示。

圖3 韌性剪切帶及蝕變帶平面分布圖Fig.3 Distribution of ductile shear zone and alteration zone

3.2 蝕變巖體發(fā)育特征

通過(guò)對(duì)平硐及地表研究觀察，研究區(qū)巖體蝕變現(xiàn)象局部較強(qiáng)，呈帶狀和點(diǎn)狀分布，主要發(fā)育3條強(qiáng)蝕變帶，分布位于高程2 900～3 200 m的韌性剪切帶中，而局部小斷層構(gòu)造帶或僅平硐揭示的局部蝕變，發(fā)育規(guī)模不大。

圖4 糜棱巖化英安巖 顯微鏡下照片F(xiàn)ig.4 Microscopic photographs of mylonitized dacite

調(diào)查顯示，研究區(qū)蝕變主要表現(xiàn)為絹云母化和高嶺土化，發(fā)生了變形作用，加之后期風(fēng)化營(yíng)力的作用，形成大量的黏土類礦物，質(zhì)軟，遇水極易崩解。韌性剪切帶帶內(nèi)巖石大多為糜棱巖化英安巖，均為斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，基質(zhì)為霏細(xì)結(jié)構(gòu)。斑晶主要為石英和斜長(zhǎng)石，其中石英斑晶較多，含量可達(dá)5%，多為渾圓狀或溶蝕港灣狀，大小0.5～1 mm，長(zhǎng)軸具有定向分布特征，部分石英形成眼球狀碎斑；而斜長(zhǎng)石斑晶大多發(fā)生了明顯的高嶺土化蝕變，僅保留斜長(zhǎng)石晶體假象，含量約5%左右，大多為半自形板狀晶體，大小約石英斑晶相似。巖石發(fā)生明顯的變形定向，基質(zhì)和假象斜長(zhǎng)石斑晶發(fā)生了定向排列現(xiàn)象，基質(zhì)可見(jiàn)大量的細(xì)長(zhǎng)條狀片狀礦物絹云母，且絹云母的分布具有定向性，在斑晶周圍的絹云母都繞著斑晶礦物分布，其顯微鏡下照片如圖4所示。

4 研究區(qū)巖體卸荷特征及韌性剪切帶和蝕變巖體對(duì)卸荷特征的影響

4.1 研究區(qū)卸荷特征

通過(guò)研究區(qū)各勘探平硐調(diào)查及結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)得到的岸坡卸荷深度如表1所示。

表1 研究區(qū)各平硐卸荷深度Table 1 Unloading depth of footrills in the study area

研究區(qū)邊坡卸荷深度隨高程變化曲線，如圖5所示，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，坡體卸荷深度總體應(yīng)呈隨高程升高而增加的趨勢(shì)，黃潤(rùn)秋等[1]認(rèn)為邊坡開(kāi)挖或河谷下切過(guò)程中，邊坡二次應(yīng)力場(chǎng)呈“駝峰應(yīng)力分布”，即坡體二次應(yīng)力由坡表向里依次分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，其中對(duì)巖體工程地質(zhì)性質(zhì)影響最為顯著的為應(yīng)力降低區(qū)，一般認(rèn)為其最大發(fā)育深度為邊坡高度的0.5倍左右，而邊坡卸荷裂隙主要分布于應(yīng)力降低區(qū)的一定范圍內(nèi)。但根據(jù)平硐調(diào)查顯示坡體實(shí)測(cè)卸荷深度均高于正常巖體的坡體卸荷深度，且在高程3 000 m處PDS08強(qiáng)卸荷深度異常增大，而高程3 100 m處PDS06弱卸荷深度異常增大。

圖5 研究區(qū)邊坡卸荷深度隨高程變化曲線Fig.5 Curves of slope unloading depth vs. elevation

綜合研究區(qū)各平硐的卸荷特征可得研究區(qū)邊坡的總體卸荷特征主要有以下3個(gè)特點(diǎn)：

(1)研究區(qū)岸坡巖體卸荷強(qiáng)烈，強(qiáng)卸荷和弱卸荷均較發(fā)育。在水平方向上，岸坡巖體卸荷由表及里逐漸減弱；在垂直方向上，卸荷帶寬度由高到低逐漸變薄，但在高程3 000 m和3 100 m左右部位卸荷深度出現(xiàn)異常急劇增高的現(xiàn)象。

(2)河床低高程部位，由于應(yīng)力集中明顯，幾乎無(wú)強(qiáng)卸荷巖體分布。

(3)受地形特征影響，負(fù)地形部位卸荷略淺。

研究區(qū)位于青藏高原東部，三江地區(qū)北段，屬高地應(yīng)力區(qū)，坡度較陡，為深切峽谷地區(qū)。巖性主要為英安巖，巖體強(qiáng)度和剛度較大，巖體儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能較高，河谷下切后，坡體卸荷回彈強(qiáng)烈，使得坡體整體卸荷深度較大，但對(duì)于高程3 000 m(PDS08)處出現(xiàn)強(qiáng)卸荷異?，F(xiàn)象和3 100 m(PDS06)處出現(xiàn)弱卸荷異?，F(xiàn)象。綜合考慮研究區(qū)的工程地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)無(wú)區(qū)域大斷層和斷裂類結(jié)構(gòu)面發(fā)育，小斷層或局部擠壓帶雖多有發(fā)育，但幾乎陡傾坡內(nèi)且發(fā)育規(guī)模很小，對(duì)坡體卸荷影響較小，因此，認(rèn)為研究區(qū)的強(qiáng)烈卸荷和異常卸荷與研究區(qū)出露的韌性剪切帶和局部蝕變巖體有關(guān)。

4.2 基于UDEC的韌性剪切帶和蝕變巖體對(duì)坡體卸荷特征影響分析

4.2.1 模型建立

離散單元法程序(Universal Distinct Element Code，UDEC)是一種分析不連續(xù)介質(zhì)變形和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的有力工具，可用于模擬非連續(xù)介質(zhì)(如巖體中的節(jié)理裂隙等)承受靜載或動(dòng)載作用下的響應(yīng)。非連續(xù)介質(zhì)是通過(guò)離散的塊體集合體加以表示。不連續(xù)面處理為塊體間的邊界面，允許塊體沿不連續(xù)面發(fā)生較大位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，由于UDEC在計(jì)算過(guò)程中，能自動(dòng)識(shí)別新的接觸面，這就使得程序能更合理地模擬出河谷多次下切過(guò)程中裂隙發(fā)育情況，也不會(huì)將計(jì)算模型限制在事先已知的相互作用的有限塊體數(shù)之中。如此，將能更好揭露坡體隨河谷下切的卸荷機(jī)理，也可以很好地模擬節(jié)理化巖體、碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡的變形和破壞過(guò)程，而這都是有限元方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

據(jù)資料收集顯示，研究區(qū)主要有5級(jí)階地發(fā)育，如表2所示。

表2 區(qū)內(nèi)瀾滄江主要發(fā)育階地特征Table 2 Characteristics of developed terraces in Lancang River in the study area

表3 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physico-mechanical parameters of rock mass

數(shù)值模擬計(jì)算了河谷從寬谷期一直到峽谷期5次下切過(guò)程，通過(guò)是否考慮韌性剪切帶和蝕變帶的河谷5次下切后岸坡位移場(chǎng)和塑性區(qū)的累積變化特征，來(lái)分析韌性剪切帶和蝕變帶對(duì)坡體卸荷的影響大小。研究區(qū)英安巖溢流面總體緩傾左岸，柱狀節(jié)理發(fā)育陡傾右岸；區(qū)內(nèi)發(fā)育2條韌性剪切帶和2條蝕變帶；根據(jù)5級(jí)階地的不同拔河高度確定瀾滄江5次下切的深度，構(gòu)建離散元模型如圖6所示，并在據(jù)現(xiàn)今地形坡表向內(nèi)50 m處設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以觀察河谷下切過(guò)程中的位移變化情況。

圖6 壩址離散元模型Fig.6 Discrete element model of dam site

模型范圍：x方向跨度1 600 m；y方向跨度約900 m，高程在2 700～3 600 m范圍內(nèi)；其中層節(jié)理產(chǎn)狀為N30°～50°W/NE∠20°緩傾左岸，柱節(jié)理陡傾右岸，傾角為80°。

4.2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算過(guò)程中巖土體的物理力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)某設(shè)計(jì)院試驗(yàn)并考慮現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和類似工程將抗剪參數(shù)以連通率折減綜合選取，具體如表3所示。節(jié)理裂隙力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 節(jié)理裂隙力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of joint fissures

4.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

河谷下切后，坡體應(yīng)力將發(fā)生重新分布，據(jù)坡體表面一定范圍內(nèi)的巖體發(fā)生卸荷回彈，產(chǎn)生變形，并伴隨一定范圍的塑性破壞，其破壞范圍大小可認(rèn)為是強(qiáng)卸荷巖體分布范圍大小，圖7和圖8分別為考慮韌性剪切帶和蝕變帶、僅考慮韌性剪切帶和不考慮韌性剪切帶和蝕變帶3種情況下河谷5次下切后的塑性區(qū)分布圖和x方向的位移云圖。

圖7 不同工況下現(xiàn)階段河谷塑性區(qū)分布Fig.7 Plastic zone of the valley at present stage under different working conditions

圖8 不同工況下現(xiàn)階段河谷x方向累積位移云圖Fig.8 Contours of cumulative displacement in x direction at present stage under different working conditions

從圖7和圖8中可以看出：

(1)3種情況下的塑性區(qū)分布趨勢(shì)幾乎一致，在不考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下發(fā)育范圍略小，總體上均呈隨高程增加而厚度變厚的趨勢(shì)，蝕變帶內(nèi)巖體發(fā)生明顯屈服，僅表層一定范圍內(nèi)發(fā)生拉張破壞。

(2)河谷經(jīng)5次下切后x方向累計(jì)位移較大值主要位于3 200～3 440 m高程處，水平深度隨高程增加而增加，且累計(jì)位移最大值在考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下為最大，達(dá)50 m，僅考慮韌性剪切帶情況下次之，達(dá)35 m，在不考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下最小，達(dá)30 m。

(3)3種情況下坡表巖體變形的主要形式為表層柱狀節(jié)理巖體，在自身重力場(chǎng)及上部坡體的重壓下，朝臨空方向發(fā)生彎曲傾倒。隨著斜坡中下部巖體由下至上發(fā)生彎曲-拉裂，不斷為緊鄰中上部巖體提供新的變形空間或臨空條件，使得傾倒變形逐漸向坡頂方向發(fā)展。巖體傾倒變形的產(chǎn)狀累積轉(zhuǎn)動(dòng)角，在考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下由較低高程的16°～18°發(fā)展到較高高程的26°～27°，部分巖體發(fā)生明顯的墜覆現(xiàn)象，在僅考慮韌性剪切帶的情況下由較低高程的13°～14°發(fā)展到較高高程的20°～21°，在不考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下由較低高程的12°～13°發(fā)展到較高高程的17°～18°。

(4)3種情況下，由于邊坡高陡、坡內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育分布較為連續(xù)，因而坡體中下部巖體發(fā)生較小的變形，也將導(dǎo)致上部巖體產(chǎn)生較大的位移，即類似于多米諾骨牌的連鎖放大效應(yīng)。

圖9為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在x和y方向上的累積位移隨高程變化關(guān)系曲線。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移總體上呈現(xiàn)隨高程增加而不斷增加的趨勢(shì)。在高程3 000 m處，僅考慮韌性剪切帶和既考慮韌性剪切帶又考慮蝕變帶的x方向和y方向累積位移接近，但又與不考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下的累積位移相差不大。

圖9 河谷5次下切后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同方向累積位移 隨高程變化曲線Fig.9 Curves of cumulative displacement in different directions at monitoring points vs. elevation after five times of valley incision

分析認(rèn)為其原因?yàn)轫g性剪切帶在3 000 m高程以下出露，且出露位置位于河谷及低高程處，河谷下切后應(yīng)力重分布，但河谷及部分低高程巖體處于應(yīng)力集中帶中，說(shuō)明在3 000 m高程處強(qiáng)卸荷深度明顯增大與韌性剪切帶的出露有關(guān)，但又受其出露高程影響；在3 030～3 170 m高程處，3種情況下的x方向位移均出現(xiàn)突增現(xiàn)象，且累積位移均較為接近，考慮此處無(wú)其他大的斷層等構(gòu)造出露，認(rèn)為此高程段，沿緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面(溢流面)剪脹變形明顯，表現(xiàn)為順溢流面的剪切和拉張，形成廣義的卸荷裂隙[7]，使得拉張后的巖體順緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面(溢流面)發(fā)生了差異剪切錯(cuò)動(dòng)，而使得強(qiáng)卸荷深度加深；同時(shí)y方向位移在僅考慮韌性剪切帶和考慮韌性剪切帶和蝕變帶兩種情況下較為接近，而與不考慮韌性剪切帶和蝕變帶的情況下相差較大。

此外，低高程韌性剪切帶糜棱巖巖體相對(duì)周圍附近正常巖體質(zhì)軟，易于壓縮變形，雖變形不大，但上部巖體由于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在3 030 m高程以上，由于變形過(guò)大，超過(guò)巖體抗拉強(qiáng)度，形成傾倒-拉裂～折斷，與母巖分離，在重力作用下發(fā)生不同程度的局部墜覆現(xiàn)象，此過(guò)程，在不考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下則將推移到3 100 m高程以上發(fā)生，而蝕變帶則起到明顯的放大作用。

巖體在傾倒-折斷后，部分失去原巖結(jié)構(gòu)，構(gòu)成密集的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為風(fēng)化營(yíng)力等的深入提供通道，不斷弱化內(nèi)部巖體，而韌性剪切帶的抗風(fēng)化能力弱于周圍正常巖體，這也是高程3 100 m處平硐揭露弱卸荷深度異常加大的原因。

4.3 韌性剪切帶和蝕變帶對(duì)坡體卸荷特征影響分析

通過(guò)以上對(duì)3種情況下數(shù)值模擬結(jié)果的分析，可以得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)由于坡體緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面(溢流面)產(chǎn)生剪脹變形，造成坡體淺表層一定范圍內(nèi)巖體產(chǎn)生差異剪切錯(cuò)動(dòng)，而韌性剪切帶和蝕變帶相對(duì)于周圍正常巖體質(zhì)軟，強(qiáng)度低，并在較低高程和中等高程均有出露，形成軟硬相間的坡體結(jié)構(gòu)，較大程度放大了這種差異剪切錯(cuò)動(dòng)，且在軟硬巖體接觸面一定范圍內(nèi)表現(xiàn)最為明顯，造成此處坡體強(qiáng)卸荷深度異常加深。

(2)低高程韌性剪切帶由于質(zhì)軟，形成軟弱基座，加劇基座上部巖體的傾倒變形，于3 030 m高程以上發(fā)生折斷或局部墜覆，使原有巖體結(jié)構(gòu)破壞，形成密集的新的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為風(fēng)化營(yíng)力的的不斷深入提供通道，加劇坡體的卸荷程度，而蝕變帶的發(fā)育對(duì)此過(guò)程有一定的放大作用。

(3)中高程坡體淺表部巖體已發(fā)生傾倒-折斷，此處發(fā)育韌性剪切帶(高程3 100 m處)軟弱基座效應(yīng)不明顯，但其抗風(fēng)化能力相對(duì)較弱，長(zhǎng)期風(fēng)化作用使得其巖體質(zhì)量進(jìn)一步降低，儲(chǔ)存的部分應(yīng)力得到釋放，卸荷回彈，而弱卸荷深度明顯加深，且隨距坡表距離增加，上述過(guò)程呈不斷減弱趨勢(shì)，而蝕變帶的發(fā)育對(duì)此過(guò)程有一定的放大作用。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)淺表層傾倒-拉裂明顯，局部巖體發(fā)生墜覆。

(2)韌性剪切帶和蝕變帶的發(fā)育使坡體形成軟弱相間的結(jié)構(gòu)，放大了坡體差異剪切錯(cuò)動(dòng)效果，特別是軟硬巖體接觸面一定范圍內(nèi)，使坡體局部強(qiáng)卸荷深度異常。

(3)韌性剪切帶和蝕變帶質(zhì)軟，抗風(fēng)化能力弱，較周圍正常巖更易于體卸荷回彈，使得坡體局部弱卸荷深度異常。