岸坡傾倒變形體差異化發(fā)育機理研究

陸泌鋒，李安潤，郝浩，李萬才

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059)

近年來，隨著人類工程活動的范圍不斷擴大，反傾向斜坡穩(wěn)定性問題收到人們的廣泛關(guān)注，因為反傾向斜坡并不像以前人們認(rèn)為的那樣比較穩(wěn)定，不易形成貫通性的滑動面，而是會以傾倒變形的形式發(fā)生破壞，影響斜坡的穩(wěn)定。根據(jù)對中國近100例不穩(wěn)定斜坡的調(diào)查統(tǒng)計，有33%的滑坡或斜坡變形破壞是發(fā)生在反傾向斜坡中[1]?？梢?，反傾向斜坡的傾倒變形已經(jīng)是一個不容忽視的問題，對此類斜坡的變形破壞特征和發(fā)展演化規(guī)律進行研究具有十分重要的意義。目前，已有專家學(xué)者對斜坡的傾倒變形進行了一些研究，如陳孝兵等[2]采用底摩擦試驗?zāi)M分析了瀾滄江某水電站壩肩巖體傾倒變形的發(fā)展演變過程及特征；任光明等[3]研究了陡傾順層巖質(zhì)斜坡中傾倒變形的破壞特征；曾陽益等[4]通過數(shù)值模擬對瀾滄江上游典型傾倒—滑動組合型特征及形成機理進行了研究。本文將在這些研究的基礎(chǔ)上，對瀾滄江某水電站左右岸傾倒變形體的巨大差異化發(fā)育機理進行分析，查明形成差異化的原因，期望能為后期的穩(wěn)定性評價提供借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

瀾滄江某水電站位于西藏昌都地區(qū)察雅縣境和左貢縣境內(nèi)，是瀾滄江上游水電規(guī)劃推薦七級開發(fā)方案中的第四級，大壩最大壩高210 m，采用堤壩式開發(fā)。壩址區(qū)兩岸岸坡自然地形坡度一般為35°～50°，出露的地層巖性主要為三疊系中統(tǒng)竹卡組(T2z)堅硬、脆性英安巖，局部分布有花崗閃長斑巖和第四系沖積物。壩址區(qū)廣泛發(fā)育原生緩傾左岸的溢流面(似層面)和陡傾右岸的柱狀節(jié)理，溢流面和柱狀節(jié)理的產(chǎn)狀分別為N20°～50°W/NE∠8°～20°、N33°～52°W/SW∠72°～80°。此外，兩條韌性剪切帶發(fā)育于右岸不同高程，順著河谷右岸近平行展布，見圖1，剪切帶內(nèi)存在多條強蝕變帶，使得壩址區(qū)的地質(zhì)條件更加復(fù)雜化。經(jīng)過野外現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)壩址區(qū)有顯著的傾倒變形現(xiàn)象，左岸表現(xiàn)為斜坡淺表的塊狀傾倒，發(fā)育規(guī)模較小，一般僅數(shù)米變形破壞深度，具有明顯的傾倒折斷面。巖體折斷、裂解后，多已運移，墜覆、松散堆積于坡腳或沖溝內(nèi)；右岸也有淺表的塊狀傾倒，且分布范圍明顯較左岸大，從岸坡的低高程至高高程都可看見。另外通過平硐觀察到右岸坡體的韌性剪切帶和上覆英安巖的較深部位都普遍存在有傾倒變形現(xiàn)象，剪切帶內(nèi)的片理化巖體發(fā)生傾倒后，產(chǎn)狀發(fā)生明顯變化，由N60～83°W/SW∠75°變?yōu)镹60～83°W/SW∠32～62°，見圖2?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)了壩址區(qū)左右岸傾倒變形的發(fā)育程度明顯不同，本文將以韌性剪切帶和蝕變帶為重點，來探討其對傾倒變形的影響。下面先對剪切帶和蝕變進行簡要說明。

2 韌性剪切帶和蝕變巖體發(fā)育特征

2.1 韌性剪切帶發(fā)育特征

壩址區(qū)內(nèi)共存在2條韌性剪切帶，由糜棱化英安巖組成，肉眼可直接辨別，呈條帶狀分布。剪切帶總體產(chǎn)狀為180°～210°∠60°～80°，寬50～130 m，其中一條韌性剪切帶在壩址壩線上游約200 m處分成2條，剪切帶內(nèi)巖體片理化、糜棱化現(xiàn)象明顯，見圖3。

韌性剪切帶形成于地殼深部的高溫、高壓環(huán)境，在地殼活動擠壓力或剪切力的作用下產(chǎn)生韌性變形，形成糜棱巖及糜棱面理，本不存在破裂面，但由于后期地殼升降運動使剪切帶抬升至地表或近地表，使其遭受風(fēng)化和卸荷作用，最終剪切帶內(nèi)巖體性狀主要表現(xiàn)為：弱風(fēng)化及微風(fēng)化帶內(nèi)巖體，糜棱面理裂隙發(fā)育較少；強卸荷帶內(nèi)巖體糜棱面理裂隙較為發(fā)育，張開較明顯，巖體較為破碎，表現(xiàn)出明顯的黃白色破碎帶、片理化帶，且傾倒折斷現(xiàn)象明顯。

2.2 蝕變巖體發(fā)育特征

蝕變巖體的發(fā)育與構(gòu)造帶有關(guān)，具有一定的規(guī)模，主要呈條帶狀分布，形成蝕變帶。壩址區(qū)發(fā)育有多條強蝕變帶，主要分布于2 900～3 200 m高程段的韌性剪切帶中，延伸走向與韌性剪切帶近一致，見圖4。

蝕變主要表現(xiàn)為剪切帶內(nèi)糜棱化英安巖的絹云母化和高嶺土化，蝕變巖體發(fā)生了變形作用，在出露地表或近地表，受地表水和地下水的強烈影響，形成大量黏土類礦物，呈灰白色或淺黃色，強度較低，遇水易發(fā)生崩解。

3 岸坡傾倒變形離散元模擬

3.1 模型建立

根據(jù)資料收集顯示，壩址區(qū)的河谷階地發(fā)育有五級，見表1。為揭示壩址區(qū)右岸坡的傾倒變形比左岸坡更發(fā)育的原因，選取中壩址壩軸線右岸邊坡為研究對象，采用UDEC軟件建立2個二維離散元模型，即一個考慮韌性剪切和蝕變帶，另一個不考慮，并模擬河谷在5次下切過程中邊坡巖體的位移場變化特征，以定量地分析韌性剪切帶和蝕變帶對傾倒變形發(fā)育的影響。為了簡化模型，僅考慮對傾倒變形體的形成具有控制性的結(jié)構(gòu)面，即壩址區(qū)內(nèi)總體緩傾左岸的英安巖溢流面(似層面)和陡傾的柱狀節(jié)理，由于韌性剪切帶中片理化現(xiàn)象發(fā)育，因此對剪切帶和蝕變帶巖體的節(jié)理進行加密處理以更符合實際，見圖5。

表1 壩址區(qū)階地及其發(fā)育特征

3.2 力學(xué)參數(shù)選取

力學(xué)參數(shù)的正確選取是進行巖土體穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。根據(jù)某勘察設(shè)計研究院的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗結(jié)果及平硐調(diào)查的裂隙發(fā)育情況，參考GB 50287—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，將抗剪參數(shù)以連通率折減綜合確定各類巖體物理力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，具體見表2、3。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果分析

圖6—8分別為不考慮韌性剪切帶和蝕變帶條件下河谷5次下切后的塑性區(qū)分布、X位移云和各監(jiān)測點的累計位移，從圖中可以得出以下結(jié)論。

a) 2種情況下卸荷帶內(nèi)巖體均產(chǎn)生了明顯的塑性變形和不同程度的張拉破壞，且張拉破壞主要沿著柱狀節(jié)理分布。在考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下，2個帶內(nèi)巖體也發(fā)生了塑性變形，特別是蝕變帶的塑性變形較為明顯，在淺表層的蝕變巖體更是達(dá)到了屈服極限。分析認(rèn)為其原因是河谷下切過程中，應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，最大主應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕c坡表近平行，且最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，而韌性剪切帶和蝕變帶內(nèi)巖體相比與正常的英安巖體來說強度較低、節(jié)理裂隙更發(fā)育，因此在最大主應(yīng)力的擠壓下易發(fā)生壓縮蠕變，當(dāng)蠕變變形發(fā)展到一定程度就會引起巖體的塑性破壞。

b) 從X位移云圖中可以看出，2種情況下右岸坡體均產(chǎn)生了明顯的傾倒變形，說明壩址區(qū)存在的原生緩傾坡外的溢流面和陡傾坡內(nèi)的柱狀節(jié)理是產(chǎn)生傾倒變形的天然有利條件。具體表現(xiàn)為：低高程坡體淺表的柱狀節(jié)理巖體在上覆巖體的推擠和自重力矩作用下，使陡傾的柱狀節(jié)理張開拉裂，向臨空面發(fā)生彎曲傾倒，并逐漸向中高程發(fā)展，引發(fā)上部坡體更大的傾倒變形，從而在坡體后緣產(chǎn)生許多拉裂縫。在傾倒變形發(fā)展過程中，帶動了緩傾坡外的溢流面產(chǎn)生了剪脹變形，表現(xiàn)為沿溢流面的剪切和拉裂，從而形成了廣義的卸荷裂隙[5]。

c) 比較2種情況下的X位移云圖可知，雖然二者的X位移云圖相似，在卸荷帶內(nèi)都呈帶狀展布，但考慮韌性剪切帶和蝕變帶情況下傾倒變形普遍比不考慮時大12.5%左右，最大位移在不考慮2個帶時為40 m，考慮時為45 m。由于2個離散元模型除是否考慮韌性剪切帶和蝕變帶外，并無其他條件的不同，因此可以證明壩址區(qū)的剪切帶和蝕變帶對傾倒變形的形成有較大影響。

4 傾倒變形體不對稱發(fā)育機理

結(jié)合野外現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和數(shù)值模擬結(jié)果，分析壩址區(qū)左右兩岸傾倒變形的形成產(chǎn)生差異化的原因如下。

a) 壩址區(qū)廣泛發(fā)育原生的緩傾左岸的似層面和陡傾右岸的柱狀節(jié)理，這樣的結(jié)構(gòu)面組合，左岸坡體本不利于形成傾倒變形，但在河谷快速下切過程中，岸坡變得高陡，臨空面也逐漸增大，坡體發(fā)生強烈卸荷回彈產(chǎn)生一系列與坡表近平行的卸荷裂隙。此外，在側(cè)向卸載作用下導(dǎo)致應(yīng)力環(huán)境的變遷，使得岸坡巖體中的各類既有結(jié)構(gòu)面向臨空方向擴張，同時形成了一些近乎直立的重力裂隙。卸荷裂隙與重力裂隙組合為傾倒變形的發(fā)展提供了有利條件，在巖體自重力矩作用下，促使重力裂隙拉張裂開，并在卸荷裂隙的控制下，坡體前緣向臨空面發(fā)生塊狀傾倒。圖8為該類傾倒變形的變形破壞概念模式，岸坡受大量陡傾裂隙及淺表生卸荷裂隙切割后，碎裂狀、塊裂狀巖體在重力場為主的內(nèi)外營力作用下，朝臨空方向發(fā)生傾倒變形。

b) 相較于左岸坡體，右岸坡體在緩傾坡外和陡傾坡內(nèi)的原生結(jié)構(gòu)面組合之下為傾倒變形的發(fā)育提供了有利條件。隨著河谷的下切，陡傾的柱狀節(jié)理在重力彎矩作用下向臨空面張拉裂開，促使緩傾坡外的英安巖溢流面發(fā)生剪脹變形，表現(xiàn)為沿溢流面的剪切拉裂，與此同時，坡體內(nèi)最大主應(yīng)力在河谷演變過程中逐漸向與坡表近平行方向發(fā)展，在最大主應(yīng)力作用下，加上卸荷回彈的影響，易形成一系列與坡表近平行的拉裂縫，并追蹤溢流面裂隙形成追蹤型卸荷裂隙，見圖9，這一過程劣化了巖體結(jié)構(gòu)，在重力作用下向臨空面發(fā)生塊狀傾倒變形，其模式與左岸的傾倒變形相似，但天然的有利條件決定了右岸的塊狀傾倒變形體的規(guī)模比左岸大。

c) 右岸坡體發(fā)育兩條韌性剪切帶，剪切帶內(nèi)巖體強度較低且片理化嚴(yán)重，同時剪切帶內(nèi)發(fā)育多條強蝕變帶，蝕變巖體的強度更低，特別是在暴雨條件下強度劇烈下降并發(fā)生崩解。韌性剪切帶和蝕變帶構(gòu)成了坡體的軟弱基座，在上覆較堅硬英安巖體的擠壓下發(fā)生壓縮蠕變，上覆巖體將因為下伏軟巖的蠕變而發(fā)生傾倒，并沿陡傾的柱狀節(jié)理產(chǎn)生拉裂[6]。這一結(jié)果將使剪切帶和蝕變帶所承受的壓力增大，產(chǎn)生進一步的壓縮變形，當(dāng)變形超過帶內(nèi)片理化巖體的強度時將使脆性的片理化巖體發(fā)生傾倒折斷，同時又引起上覆英安巖更嚴(yán)重的傾倒變形。此外，發(fā)育的兩條韌性剪切帶分別位于坡體的低高程靠近坡腳部位和中高程部位，與所夾的英安巖形成了軟硬相間的巖體結(jié)構(gòu)，進一步放大了軟弱基座效應(yīng)，使壓縮-傾倒-拉裂變形相互疊加，在這樣特殊的坡體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜巖性的組合下，伴隨漫長的河谷下切過程，岸坡發(fā)生大范圍壓縮傾倒變形。

5 結(jié)論

a) 左岸坡體的傾倒變形主要受次生的卸荷裂隙控制，表現(xiàn)為塊狀傾倒，主要分布在坡體淺表層。

b) 右岸坡體也發(fā)育有塊狀傾倒，但右岸的傾倒變形主要受原生緩傾坡外的溢流面和陡傾坡內(nèi)的柱狀節(jié)理控制，天然的有利條件導(dǎo)致右岸的塊狀傾倒變形比左岸分布廣。

c) 在不同高程發(fā)育的韌性剪切帶和強蝕變帶與質(zhì)地堅硬的英安巖構(gòu)成了軟硬相間的巖體結(jié)構(gòu)，使右岸坡體大面積產(chǎn)生壓縮-傾倒-拉裂變形。復(fù)雜的地質(zhì)條件的巖性組合導(dǎo)致了左右岸傾倒變形的不對稱發(fā)育。