水電工程傾倒變形體發(fā)育特征及分布規(guī)律研究

趙 小 平， 張 世 殊， 冉 從 彥， 胡 金 山， 許 源

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

從20世紀70年代以來，傾倒變形體已得到了巖土工程界的高度重視，并取得了較為成熟的成果。 國外學(xué)者如Frietas和Watters[1]在1973年明確將傾倒變形作為一種特殊的邊坡變形類型；Goodman和Bray[2-4](1976)將傾倒破壞形式分成了三大類，即彎曲式傾倒、巖塊式傾倒、巖塊彎曲復(fù)合式傾倒，并基于極限平衡理論最早提出了傾倒穩(wěn)定分析方法(簡稱G-B法)；之后，由Caner Zanbak，Aydan，Bobet等[5-9]人建立了基于靜力平衡方法的傾倒變形破壞問題的分析方法；Cruden和Hu[10]在Alberta(1994)發(fā)現(xiàn)了貫通性不連續(xù)面傾向與坡向一致，但傾角比坡腳陡的邊坡存在大量的傾倒變形現(xiàn)象，即順層傾倒，并將其分為塊狀彎曲傾倒(Block flexure topple)、多重塊體傾倒(Multiple block topple)和人字型傾倒(Chevron topple)三種基本類型。國內(nèi)對傾倒變形的研究起步較晚，國內(nèi)諸多學(xué)者在傾倒變形體變形機制及規(guī)律研究方面的成果大致從巖體結(jié)構(gòu)的控制作用，地應(yīng)力的作用與釋放，或風(fēng)化作用等不同因素探討了反傾巖體變形破壞的機理。王蘭生、張倬元等[11]詳細討論了傾倒變形發(fā)育的坡體結(jié)構(gòu)條件及演化發(fā)展過程，闡述了其啟動機制并建立了相應(yīng)的失穩(wěn)判據(jù)。韓貝傳、王思敬[12](1999)把傾倒變形的影響因素歸納為：初始應(yīng)力場、邊坡初始坡型、邊坡開挖深度與角度、巖體與層面力學(xué)參數(shù)、層面幾何特性即層面間距與傾角、開挖后地下水位變化、巖體對歷史上應(yīng)力與變形的記憶功能等。但隨著工程建設(shè)需求的增長，礦山開采、水電開發(fā)等工程活動日益頻繁，傾倒變形現(xiàn)象在黃河小浪底、紅水河龍灘、岷江紫坪鋪、雅礱江錦屏、瀾滄江小灣、大渡河金川、金沙江虎跳峽、白龍江苗家壩等水利水電工程中具有此類地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的邊坡被大量發(fā)現(xiàn)和揭露，并引起了眾多國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，諸多學(xué)者充分運用傾倒變形體的主要研究方法，如物理模擬方法、運動學(xué)分析法、極限平衡分析法及數(shù)值模擬法，在傾倒變形體變形破壞特征及形成機理等方面取得了更加深刻的認識。如黃潤秋[13](2004)在對中國高邊坡的系統(tǒng)性總結(jié)中，明確將壓縮—傾倒納入傾倒變形的范疇，并依據(jù)邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同及相應(yīng)變形表現(xiàn)形式的差異，進一步將其劃分為壓縮-傾倒-拉裂型和壓縮-傾倒-剪脹型兩類；陳孝兵等[14]用底摩擦試驗?zāi)M分析瀾滄江某水電站壩肩反傾邊坡的傾倒變形巖體進一步發(fā)展演變過程及特征；蔡國軍等[15]采用不同材料配比進行試驗，在不同開挖坡比的條件下，研究分析錦屏一級水電站壩址左岸反傾邊坡的變形破裂響應(yīng)。

盡管目前針對傾倒變形體的分類、變形演化及穩(wěn)定性分析評價等方面均有重要的研究成果，但對于傾倒變形體的系統(tǒng)性的分布規(guī)律及發(fā)育特征等尚未有報道。本文主要依托多年來水電工程實踐過程中所遇到的傾倒變形問題，基于21個反向坡傾倒變形體及10個順向坡傾倒變形體的發(fā)育特征及分布規(guī)律統(tǒng)計,對其發(fā)育位置、發(fā)育條件、空間分布及巖性組合等方面進行系統(tǒng)性的分析總結(jié)，為傾倒變形體的初步判識、勘察評價及危害防治等提供分析基礎(chǔ)。

2 水電工程傾倒變形體的發(fā)育特征

與其他類型的斜坡變形破壞一樣，傾倒變形體有其特定的發(fā)育環(huán)境，并非在各種條件下均能發(fā)生傾倒變形現(xiàn)象。一般來說，斜坡的變形破壞形式受控于其所處的地質(zhì)環(huán)境特征。地質(zhì)環(huán)境是地質(zhì)體所處的環(huán)境，包括地形地貌特征、巖性特征等條件。本文通過搜集國內(nèi)近幾十年來較為典型的傾倒變形體，分析其坡體發(fā)育的空間分布特征、坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性組合、微地貌特征以及變形破壞特征等，進而得出傾倒變形體發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境條件，為分析傾倒變形體影響因素提供依據(jù)。

2.1 水電工程傾倒變形體發(fā)育特征統(tǒng)計

(1)反向坡傾倒變形發(fā)育特征統(tǒng)計。早期從事巖石力學(xué)與工程地質(zhì)的學(xué)者和工程師認為反傾層狀巖質(zhì)邊坡由于沒有變形空間，一般是自穩(wěn)邊坡，通常不會發(fā)生大規(guī)模的變形破壞，而是一些小規(guī)模的崩塌落石。隨著工程實踐經(jīng)驗的豐富和認識的不斷深入，人們逐漸認識到在各類反傾巖質(zhì)邊坡中可以發(fā)生變形破壞，甚至是大型深層的滑動破壞。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，并非所有反傾巖質(zhì)邊坡均會發(fā)生傾倒變形現(xiàn)象，正如并非所有的坡體都會發(fā)生滑坡一樣，發(fā)生該變形破壞事件在眾多的反傾巖質(zhì)斜坡中只是少數(shù)。因此，通過對傾倒體進行統(tǒng)計分析，得出發(fā)生傾倒變形的坡體發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境特征，有助于獲取影響坡體發(fā)生傾倒變形的因素，有利于傾倒變形體的早期判識。近年來國內(nèi)較為典型的反向坡傾倒變形體的變形破壞特征統(tǒng)計情況(表1)。

基于上述傾倒變形體的發(fā)育特征統(tǒng)計，筆者將從順向坡及反向坡兩種情況分別闡述傾倒變形體在發(fā)育地貌特征及巖性組合上的差異及規(guī)律。

2.2 水電工程傾倒變形發(fā)育地貌特征

(1)反向坡傾倒變形發(fā)育地貌特征。反向坡傾倒變形發(fā)育坡角一般大于30°，以40°～50°最為多。坡體相對高差以100～200 m和300～400 m居多，相對高差在500 m以上的坡體僅占1/4(圖1)。

(2)順向坡傾倒變形發(fā)育特征統(tǒng)計。作為一類近期才被認識的邊坡變形失穩(wěn)形式，順向坡傾倒變形應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。在這類邊坡中，由于巖層沒有滑移邊界和空間，故其變形失穩(wěn)的邊界需要一個較長的時間來形成。在這個時間段內(nèi)，巖體可以發(fā)生充分的表生改造和時效變形，巖體質(zhì)量充分劣化，容易形成大規(guī)模的滑坡。對部分典型的順層巖質(zhì)邊坡傾倒變形體的變形發(fā)育特征統(tǒng)計(見表2)。

表1 反向坡傾倒變形體發(fā)育基本特征

編號位置變形破壞特征微地貌18糯扎渡水電站傾倒變形體開挖揭露坡面張裂裂隙,較陡的裂隙多張開,充填巖屑,剖面可見彎曲現(xiàn)象,坡腳有墜覆巖塊。巖層間錯動,巖塊呈脆性折斷,下部斷層帶壓縮變形凸形坡,坡面總體較平順19如美水電站傾倒變形體坡表拉裂,傾倒程度強烈,局部巖體架空,巖層彎折,層間錯動形成反坡臺坎。坡表松動架空,層內(nèi)拉裂,根部張剪,切層破壞,呈脆性破壞微凸形坡,河流拐彎,坡表沖溝發(fā)育20獅子坪水電站二古溪傾倒變形體坡體中后部出現(xiàn)多處拉裂縫,坡體前緣公路隧道襯砌受擠壓開裂掉塊,洞壁內(nèi)斂,路面隆起、開裂。邊坡噴砼開裂,橋梁受推擠移位。前緣坡體發(fā)生局部垮塌。巖層發(fā)生彎曲變形,坡表巖體松弛、墜覆,近坡表巖體破碎,傾角較小,向坡內(nèi)逐漸增加,巖體完整性逐漸變好凸形坡,中部呈脊狀,坡體前緣較陡21黃河班多水電站1號傾倒體傾角隨深度的增大有增大的趨勢,由于巖層彎曲變形,導(dǎo)致巖層沿板理或?qū)娱g軟弱帶產(chǎn)生拉張錯動,形成楔形張裂縫,局部有巖體的折斷現(xiàn)象。由于板巖為薄層～極薄層構(gòu)造,巖質(zhì)軟弱,易風(fēng)化,總體呈現(xiàn)連續(xù)變形現(xiàn)象坡面不平順,完整性較差

表2 順向坡傾倒變形體發(fā)育基本特征

斜坡在縱斷面上多為凸起形，凸起部位多位于坡體中下部，其斜下方?jīng)]有阻擋，臨空條件相對較好，容易發(fā)生變形。多數(shù)斜坡坡表沖溝發(fā)育，坡面完整性較差，在平切面上呈弧形凸出，上下游側(cè)約束作用較弱，應(yīng)力釋放充分，坡體松弛。部分坡體處于河流凸岸，或位于兩河交匯的單薄山體處，處于三面臨空狀態(tài)，變形空間較充足。

圖1 反向坡傾倒變形發(fā)育地貌特征

(2)順向坡傾倒變形發(fā)育地貌特征。順向坡傾倒變形發(fā)育坡度一般在30°以上，多發(fā)育在30°～60°的斜坡中(圖2)，坡體前緣陡立，臨空條件好。平面位置上多發(fā)生在河流凸岸或山脊部位，其兩側(cè)沖溝發(fā)育，側(cè)面約束條件較差，臨空條件好，坡體松弛卸荷強烈。如碧口水電站青崖嶺順向傾倒變形體位于白龍江左側(cè)凸岸的山嘴上，且兩側(cè)有沖溝發(fā)育；孟家干溝順向傾倒變形體兩側(cè)沖溝切割較深，坡體呈脊狀，前緣較陡；怒江俄米電站1號傾倒變形體位于“Z”字形河段，上游側(cè)被F7斷裂及沖溝切割，下游側(cè)為河流拐彎處，坡體位于孤立的山體上，三面臨空。傾倒斜坡坡高常大于100 m，多發(fā)育在坡高400 m及以上的坡體中。

圖1、2的地貌特征統(tǒng)計反向坡及順向坡的傾倒變形發(fā)育地貌特征。對于反向坡體，其坡度相對較大，以40°～50°最為發(fā)育；而對于順向坡，由于巖層傾向坡外，坡面陡立時容易發(fā)生順層滑移使坡度減小，故其坡度一般較小，以30°～50°較為發(fā)育。此外，由于發(fā)育傾倒變形的順向坡巖性較軟弱，容易遭受風(fēng)化剝蝕，也難以形成陡立斜坡。傾倒變形體坡高數(shù)百米，在縱剖面上多為凸形坡，坡面完整性差。傾倒變形受微地貌影響顯著，兩側(cè)沖溝發(fā)育的孤立脊狀山體、河流凸岸和兩河流交匯的單薄山脊處均容易發(fā)生傾倒變形(圖3)。

圖2 順向坡傾倒變形發(fā)育地貌特征

圖3 傾倒變形體發(fā)育的微地貌特征

另外，在斜坡坡度上，順向坡的坡度主要分布于41°～50°，反向坡的坡度主要分布于31°～40°；在坡體高度上，兩者在100～700 m及以上都有發(fā)育，但順向坡發(fā)育最多的坡體高度主要在300～400 m，反向坡則主要集中于400～500 m。

2.3 水電工程傾倒變形巖性組合特征

(1)反向坡傾倒變形巖性組合特征。反向坡傾倒變形多發(fā)育在變質(zhì)巖或板裂化的堅硬巖石中，傾倒體中常見巖性為板巖、千枚巖、片巖、變質(zhì)(粉)砂巖、泥巖、泥灰?guī)r等，在構(gòu)造作用或淺表生改造作用下形成的板裂化花崗巖、英安巖、片麻巖、凝灰?guī)r等坡體中也可見傾倒變形，且通常規(guī)模較大。傾倒變形體在軟巖、似層狀脆性巖、軟硬互層狀或上硬下軟的坡體中均有發(fā)育，以軟硬巖夾層或互層最為常見，這是由其巖性和組合決定的。單一的軟弱變質(zhì)巖容易遭受剝蝕而難以形成高陡坡體，而堅硬的砂巖通常橫切結(jié)構(gòu)面發(fā)育，難以形成長柱。常見規(guī)模較小的傾倒式崩塌，當(dāng)軟硬巖組合時，硬巖可以抵抗風(fēng)化剝蝕作用而保持坡體高陡，軟巖可以防止坡體中快速形成貫通結(jié)構(gòu)面，從而容易形成大型傾倒變形體。

(2)順向坡傾倒變形巖性組合特征。順向坡傾倒變形多發(fā)育在力學(xué)性質(zhì)較差的變質(zhì)巖體中，以板巖、千枚狀板巖、炭質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖及粉砂巖、砂板巖互層、片巖、千枚巖等居多。這類坡體幾乎全部由軟質(zhì)巖或軟硬互層組成，硬巖占比較小，巖體風(fēng)化卸荷嚴重，巖體質(zhì)量較差。

綜上所述，傾倒變形可發(fā)育在層狀軟質(zhì)巖系或板裂化的堅硬巖石中，常見巖性為各類板巖、片巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖(粉砂巖)、泥巖等，在風(fēng)化卸荷和長期時效變形條件下的板裂化花崗巖、英安巖、片麻巖等坡體中也可見大規(guī)模傾倒變形現(xiàn)象。傾倒變形體在軟巖、似層狀硬巖、軟硬互層或上硬下軟的層狀坡體中均有發(fā)育，且都可發(fā)展為較大規(guī)模的變形體。反向坡與順向坡傾倒變形體的巖性組成有一些區(qū)別，反向坡體可包含的巖性較為廣泛，常以變質(zhì)軟巖夾較堅硬巖的組合出現(xiàn)，也能夠發(fā)育在節(jié)理發(fā)育的脆性巖體中；順向坡傾倒變形坡體的巖性主要是容易發(fā)生變形破壞的板巖、千枚巖、片巖、泥巖等軟質(zhì)巖，且坡表風(fēng)化卸荷較強烈。

3 水電工程傾倒變形體的分布規(guī)律

筆者對大量傾倒變形坡體特征進行總結(jié)與分析，傾倒變形體發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境基本特征主要有以下幾點：

(1)傾倒變形體主要沿西部高山峽谷發(fā)育。

通過對傾倒變形體分布特征的研究，發(fā)現(xiàn)大型傾倒變形體多沿西部地區(qū)江河流域分布，主要發(fā)育于黃河中上游河段、雅礱江流域、瀾滄江以及白龍江等具有高山峽谷地貌景觀的部位(圖4)。傾倒變形體沿河流岸坡分布的一個重要原因是這些部位斜坡高陡，卸荷強烈，為傾倒變形提供了良好的臨空條件和變形動力。據(jù)統(tǒng)計，大型傾倒變形體常發(fā)育在西部地區(qū)具有高山峽谷地貌景觀的各江河流域，以黃河、瀾滄江、雅礱江等河流的岸坡最為發(fā)育。大型傾倒變形體沿這些江河流域，以瀾滄江最為發(fā)育。對于其他遠離水系的傾倒變形體，其規(guī)模一般較小。

圖4 傾倒變形體沿水系分布

(2)傾倒變形體主要分布在大陸坡度陡降帶。

坡體變形需要一定的應(yīng)力條件和臨空條件，傾倒變形體廣泛發(fā)育的大陸坡度陡降帶主要分布于環(huán)青藏高原東側(cè)附近(圖5)，該區(qū)域斜坡高陡，為巖體的傾倒變形創(chuàng)造了很好的臨空條件。此外，受印度板塊和歐亞板塊的擠壓，區(qū)域地應(yīng)力量級高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域地殼抬升導(dǎo)致河流疾速下切，岸坡強烈卸荷松弛，為傾倒變形創(chuàng)造了良好條件。

圖5 傾倒變形體沿大陸坡降帶分布

(3)傾倒變形體主要發(fā)育在高程1 500～3 000 m的中山地貌中。傾倒變形體多發(fā)育在中山地貌中，前緣高程一般在1 500～2 000 m以上，其發(fā)育范圍一般在1 500～3 000 m(圖6)。該山體經(jīng)歷了構(gòu)造剝蝕作用，巖體完整性遭到破壞，容易發(fā)生變形失穩(wěn)。

圖6 傾倒變形體高程分布

基于已有工程實例及參考文獻，對各大型傾倒變形體的前后緣高程進行了統(tǒng)計，由于各流域分布高程不同，沿岸的傾倒變形體前緣高程也各不相同。但總體來說，反傾坡傾倒變形體都發(fā)育在1 500 m以上，高程范圍一般以1 500～3 000 m居多，屬構(gòu)造剝蝕中山地貌。順傾斜坡傾倒變形體實例統(tǒng)計顯示，變形體前緣高程位置主要集中在2 000 m及以上，變形體高差從一百米到數(shù)百米均有發(fā)育，其地貌類型屬構(gòu)造剝蝕中山。

4 結(jié) 語

筆者主要基于21個反向坡傾倒變形體及10個順向坡傾倒變形體的發(fā)育特征及分布規(guī)律統(tǒng)計，從傾倒變形體的發(fā)育特征、巖性組合及分布規(guī)律等方面開展了研究，其主要研究結(jié)論如下：

(1)對于反向坡體，以40°～50°最為發(fā)育；而對于順向坡，以30°～50°較為發(fā)育。在斜坡坡度上，順向坡的坡度主要分布于41°～50°，反向坡的坡度主要分布于31°～40°；在坡體高度上，兩者在100～700 m及以上都有發(fā)育，但順向坡發(fā)育最多的坡體高度主要在300～400 m，反向坡則主要集中于400～500 m。

(2)傾倒變形可發(fā)育在層狀軟質(zhì)巖系或板裂化的堅硬巖石中，常見巖性為各類板巖、片巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖(粉砂巖)、泥巖等。但對反向坡體可包含的巖性較為廣泛，常以變質(zhì)軟巖夾較堅硬巖的組合出現(xiàn)；順向坡傾倒變形坡體的巖性主要是容易發(fā)生變形破壞的板巖、千枚巖、片巖、泥巖等軟質(zhì)巖，且坡表風(fēng)化卸荷較強烈。

(3)大型傾倒變形體常發(fā)育在西部地區(qū)具有高山峽谷地貌景觀的各江河流域，以黃河、瀾滄江、雅礱江等河流的岸坡最為發(fā)育。大型傾倒變形體沿這些江河流域，以瀾滄江最為發(fā)育。對于其他遠離水系的傾倒變形體，其規(guī)模一般較小。

(4)坡體變形需要一定的應(yīng)力條件和臨空條件，傾倒變形體廣泛發(fā)育的大陸坡度陡降帶主要分布于環(huán)青藏高原東側(cè)附近。

(5)傾倒變形體多發(fā)育在中山地貌中，前緣高程一般在1 500～2 000 m以上，其發(fā)育范圍一般在1 500～3 000 m。對反向坡，高程范圍一般以1 500～3 000 m居多；對順向坡，變形體前緣高程位置主要集中在2 000 m及以上。