支流侵蝕對瀾滄江上游亞貢傾倒體的影響

尚 琪,涂國祥,羅新平

(成都理工大學(xué),四川 成都 610059)

0 引言

傾倒變形是一種較常見的巖質(zhì)邊坡破壞模式。研究表明，在陡傾層狀巖質(zhì)斜坡中，河谷的下切作用形成臨空面，巖層水平方向應(yīng)力不斷釋放并導(dǎo)致巖體卸荷松弛。當(dāng)水平方向應(yīng)力釋放完畢時，豎直方向的重力成為主控應(yīng)力，在重力作用的影響下，層狀巖體從頂部開始逐漸出現(xiàn)“點(diǎn)頭哈腰”現(xiàn)象，最終造成巖體變形破壞。早在1976年，GOODMAN[1]已經(jīng)提出了彎曲傾倒、塊狀傾倒、彎曲-塊狀傾倒的概念；1992年AYDAN與KAWAMATO[2]提出了傾倒變形破壞的逐步分析法。隨后，眾多學(xué)者對于巖質(zhì)層狀邊坡整體穩(wěn)定性及其控制因素做出分析研究[3-4]。MARC-ANDER[5]基于離散元分析法對巖層傾倒方向與巖層傾倒過程中形成的節(jié)理方向兩者之間關(guān)系做了深入分析；ADHIKARY[6]等利用離心機(jī)試驗方法，發(fā)現(xiàn)傾倒變形破壞面與巖層法線存在夾角。我國對邊坡傾倒變形研究起步較晚，在上世紀(jì)90年代時許多專家學(xué)者對邊坡形成機(jī)制提出新的認(rèn)識[7-9]，進(jìn)入21世紀(jì)后許多專家學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究傾倒變形并取得巨大成功。黃潤秋等[10]通過對錦屏水電站水文站壩址調(diào)查分析，提出傾倒變形的深度可達(dá)幾百米；任光明等[11]通過對黃河羊曲水電站典型傾倒變形體分析，得出傾倒變形的形成機(jī)理。隨著研究的不斷深入，越來越多的專家學(xué)者在傾倒變形的形成機(jī)理、演化過程、傾倒深度等方面均取得巨大成就[12-14]。

亞貢邊坡受到瀾滄江和木水河兩個不同時期的侵蝕，導(dǎo)致該傾倒變形體向兩個不同的方向發(fā)生卸荷、傾倒。通過對亞貢復(fù)雜傾倒變形體傾倒的調(diào)查研究，得出支流對傾倒變形體變形破壞的影響，為該河段類似傾倒變形體的研究提出依據(jù)。

1 亞貢傾倒變形體特征

1.1 地質(zhì)背景

亞貢傾倒變形體位于云南省迪慶州德欽縣佛山鄉(xiāng)溜筒江村瀾滄江上游約5 km處南西側(cè)，地理坐標(biāo)：東經(jīng)98.753°，北緯28.58°。傾倒變形體分別以亞貢沖溝、木水河作為左右邊界，前緣沿河谷最大寬度約1 131 m，最大順坡向長度約1 562 m，面積約1.63×106m2。傾倒變形體前緣直指河谷，高程約2 200 m，后緣直達(dá)山脊頂部，高程約3 000 m，相對高差約900 m。坡體較緩，平均坡度約38°。

邊坡以Ⅰ級斷層(F1)紅山-古水?dāng)嗔褳榻绯雎秲啥螏r層：靠近河谷處為P1j的玄武質(zhì)板巖及砂板巖；邊坡后緣為T3hn的砂質(zhì)板巖。同時，發(fā)育有一條延伸約數(shù)百米右旋走滑斷層F105斜切F1斷層。該斷層發(fā)育使得邊坡木水河側(cè)玄武巖巖層變薄并造成巖層走向與坡面方向大致平行(圖1)。木水河兩側(cè)巖層產(chǎn)狀有明顯的不同：左岸巖體走向斜交于河谷且?guī)r體向木水河方向傾倒，巖體傾角較緩(約15°～45°)；右岸巖體走向垂直于河谷且沒有向木水河傾倒的現(xiàn)象，巖體傾角較陡(約60°～80°)(圖1)。

圖1 亞貢傾倒變形體工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Dumping engineering geological plane of Yagong

1.2 平硐調(diào)查

通過對亞貢傾倒變形體A-A′剖面上的平硐(PD221、PD222)進(jìn)行調(diào)查，進(jìn)一步了解傾倒變形體內(nèi)部形態(tài)特征(圖2、圖3)。

圖2 PD221主要結(jié)構(gòu)面特征展示圖Fig.2 Main structural plane feature display map of PD221 dump rock mass

圖3 PD222主要結(jié)構(gòu)面特征展示圖Fig.3 Main structural plane feature display mapof PD222 dump rock mass

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，巖層面產(chǎn)狀傾角變化和傾向分布如圖4所示。從圖中可得知，PD221的巖層傾角隨著洞深的增加，發(fā)生緩-陡-緩的變化：洞口至60 m處傾角極緩(10°～40°)；60～165 m巖層傾角逐漸變陡(40°～60°)；165 m之后巖層傾角趨近于原巖層(80°以上)。PD222的巖層傾角現(xiàn)象較復(fù)雜：洞口至65 m處巖層發(fā)生折斷現(xiàn)象，故傾角變化幅度大(10°～68°)；65～125 m時，巖層整體呈緩傾角(5°～30°)；該平硐并為貫通至弱傾倒巖體。根據(jù)上述分析，A-A′剖面上的平硐巖層傾角遠(yuǎn)小于原巖層且發(fā)育深度較大。折斷帶兩側(cè)有明顯的巖層傾角發(fā)生劇烈變化現(xiàn)象。除上述巖層傾角變化外，巖層傾向也有明顯的變化：PD221、PD222內(nèi)巖層傾向大致分為沿木水河方向的北東向(NE)和沿瀾滄江方向的北西向(NW)。

根據(jù)對平硐內(nèi)部卸荷裂隙的統(tǒng)計調(diào)查，巖體卸荷裂隙的走向與深度如圖5所示。木水河側(cè)巖體強(qiáng)卸荷裂隙的走向為北西和北東兩個方向，NW向的卸荷裂隙發(fā)育程度要略高于NE方向。并且，該區(qū)域內(nèi)強(qiáng)卸荷的發(fā)育深度可達(dá)約160 m，卸荷裂隙張開達(dá)20～30 cm。

圖4 巖層傾角、傾向變化分布圖Fig.4 Formation of dip and dip distribution changes

圖6 亞貢傾倒變形體木水河側(cè)A-A′剖面圖Fig.6 Section A-A′ of the side of Mushui River,Yagong dumping deformation body

圖5 巖體卸荷裂隙走向示意圖Fig.5 Diagram of unloading fracture strike of rock mass

通過對木水河側(cè)巖體和卸荷裂隙產(chǎn)狀的分析，證實該區(qū)域巖層產(chǎn)狀走向方向和巖層內(nèi)強(qiáng)卸荷裂隙走向方向?qū)?yīng)，均有兩個方向且均為NW、NE。據(jù)已有資料推測，該區(qū)域正常巖層走向為NW向，因走滑斷層F105的產(chǎn)生，使得正常巖層走向沿瀾滄江方向NW向逐漸偏向沿木水河方向NE向，造成了現(xiàn)今存在兩個不同走向的現(xiàn)象，為亞貢傾倒變形體向木水河側(cè)發(fā)生強(qiáng)烈的傾倒提供內(nèi)在條件。

1.3 傾倒變形體分區(qū)

通過上文的分析與描述，根據(jù)黃潤秋[15]提出的將巖層傾角(α)、層內(nèi)最大拉張量(mm)、層內(nèi)單位拉張量(mm/m)、巖體卸荷程度、巖體風(fēng)化程度、巖體波速指標(biāo)作為傾倒變形程度的分區(qū)指標(biāo)?，F(xiàn)將傾角變化和巖體卸荷、風(fēng)化程度作為劃分傾倒程度的標(biāo)準(zhǔn)，具體分級如下表1，大致將木水河側(cè)巖體分為極強(qiáng)傾倒、強(qiáng)傾倒、弱傾倒(圖6)。

根據(jù)PD221、PD222揭示的強(qiáng)傾倒區(qū)顯示，強(qiáng)傾倒區(qū)位于堆積區(qū)下部，不同位置強(qiáng)傾倒區(qū)深度也不同，一般可延伸160～200 m，巖層傾角平緩。強(qiáng)傾倒區(qū)與強(qiáng)卸荷區(qū)相匹配，區(qū)域內(nèi)可見數(shù)十條張開度大于2 mm的強(qiáng)卸荷裂隙。在強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷的共同作用下，巖體拉張性裂隙發(fā)育明顯，可見明顯的架空、塌陷現(xiàn)象，局部貫通性較好。巖體整體性較差，破碎程度較大，呈碎塊狀，塊體穩(wěn)定性較差。

根據(jù)PD223所揭示的弱傾倒區(qū)表示，弱傾倒區(qū)位于強(qiáng)傾倒區(qū)和正常巖層區(qū)之間。該區(qū)域巖層傾角平緩程度較弱于強(qiáng)傾倒區(qū)，呈中-緩傾角。發(fā)育深度約40～60 m。弱傾倒區(qū)與弱卸荷區(qū)對應(yīng)，巖體結(jié)構(gòu)相對較緊密，未見明顯折斷現(xiàn)象，張開度和貫通性較差。

表1 巖層傾角變化表

表2 巖層卸荷、風(fēng)化程度表

2 木水河下切對亞貢傾倒變形體的影響

2.1 影響傾倒變形體的主要因素

亞貢傾倒變形體主要是由內(nèi)外兩方面因素在長期的演化過程中共同造成的。主要控制因素有：地形地貌、巖性組合、地質(zhì)構(gòu)造，河谷下切作用的演化4個方面造成。(1)亞貢傾倒變形體屬于典型的高山峽谷地貌，河谷狹長，斜坡陡峭。瀾滄江和木水河共同切割下形成脊?fàn)钌襟w，為巖體的深度卸荷和傾倒變形提供良好的地形地貌。(2)邊坡頂部砂質(zhì)板巖與底部玄武巖力學(xué)性質(zhì)有較大差異，板巖玄武巖軟硬巖性組合也是斜坡差異卸荷的物質(zhì)前提，在卸荷過程中會出現(xiàn)差異性卸荷回彈現(xiàn)象造成巖層錯動，促進(jìn)傾倒變形的發(fā)生。(3)邊坡內(nèi)紅山-古水?dāng)嗔?F1)、F105走滑斷層的影響，使得巖層走向沿瀾滄江、木水河河谷方向發(fā)育，有利于巖層向河谷方向發(fā)生卸荷，傾倒。同時，由于陡傾層狀斜坡的結(jié)構(gòu)屬于易傾倒結(jié)構(gòu)，也為斜坡傾倒提供結(jié)構(gòu)條件。除上述所說因素，瀾滄江和木水河的快速侵蝕對邊坡巖體的傾倒變形同樣起重要作用。

2.2 木水河的侵蝕下切作用對亞貢傾倒變形體的影響

亞貢傾倒變形體的形成是內(nèi)、外因素共同作用下產(chǎn)生的。內(nèi)在因素包括：巖性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、巖體物理力學(xué)性質(zhì)等；外在因素包括：地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動、新構(gòu)造運(yùn)動引起的河谷下切等。本文主要從瀾滄江和木水河兩條河流的形成與下切的對亞貢傾倒變形體造成的影響進(jìn)行論述。

亞貢傾倒變形體所在區(qū)域的河谷下切過程可大致分為兩個階段：瀾滄江侵蝕傾倒變形階段、木水河侵蝕傾倒變形階段。本章節(jié)通過運(yùn)用Rhino三維建模軟件構(gòu)建現(xiàn)今亞貢傾倒變形體的三維模型(圖7)。將研究區(qū)劃分為受木水河影響為主的區(qū)Ⅰ，和受瀾滄江影響的為主的區(qū)Ⅱ，并沿巖體傾倒方向切出區(qū)Ⅰ剖面B-B′和區(qū)Ⅱ剖面A-A′，分析不同的下切時期對傾倒變形體的影響。

瀾滄江快速下切時期，區(qū)Ⅱ內(nèi)巖體水平方向最大主應(yīng)力逐漸向臨空方向釋放并伴隨卸荷作用，使得陡傾面巖體在拉張作用下形成拉張卸荷裂隙。當(dāng)水平方向最大主應(yīng)力釋放完成后，巖體內(nèi)部應(yīng)力變?yōu)橐载Q直方向的重力作用為主，巖體前緣在自重作用下，逐漸發(fā)生彎曲-變形(圖7A-A′)。隨著河谷不斷下切，前緣臨空面坡度變陡，后緣巖體拉裂面不斷加深，傾倒變形不斷加劇。在彎曲-變形作用下，后緣脆性巖體從根部拉張裂隙處折斷，瀾滄江側(cè)傾倒變形過程結(jié)束。

圖7B-B′所示，由于區(qū)Ⅰ內(nèi)F105走滑斷層的影響，造成巖體走向發(fā)生改變，使得巖層沿木水河河谷發(fā)育。隨著木水河的形成并在短短數(shù)萬年內(nèi)下切形成次級深切河谷，也為研究區(qū)Ⅰ內(nèi)巖體提供了新的臨空面，使得靠近木水河側(cè)的區(qū)域Ⅰ內(nèi)巖體水平方向應(yīng)力得到釋放并形成大量強(qiáng)卸荷裂隙，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破碎松散，為巖體發(fā)生卸荷提供條件。隨后，伴隨著水平主應(yīng)力的釋放完畢，豎直方向的重力逐漸起主導(dǎo)作用，使得巖層逐漸向木水河側(cè)形成傾倒彎曲(圖7B-B′所示)，形成現(xiàn)階段亞貢傾倒變形體向兩個方向發(fā)生傾倒變形的復(fù)雜現(xiàn)象。

圖7 亞貢傾倒變形體演化過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the evolution process of Yagong dumping deformation body

3 結(jié)論

本文通過對亞貢傾倒變形體木水河側(cè)的現(xiàn)場調(diào)查，分析瀾滄江支流-木水河對亞貢傾倒變形體的影響得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)內(nèi)走滑斷層使得巖層產(chǎn)狀及巖層組成均發(fā)生變化，為邊坡發(fā)生傾倒變形提供內(nèi)在條件。

(2)支流的形成及下切作用，造成區(qū)內(nèi)巖層發(fā)生強(qiáng)烈卸荷作用并導(dǎo)致巖體破碎，為邊坡發(fā)生傾倒變形提供可能。

(3)由于木水河的快速下切作用，造成邊坡靠近木水河側(cè)發(fā)生嚴(yán)重的傾倒破壞現(xiàn)象，形成現(xiàn)今亞貢傾倒變形體的雙向傾倒的復(fù)雜現(xiàn)象。