溪洛渡庫區(qū)星光三組岸坡傾倒變形成因機制分析

周永健 馮文凱 吳卓林 易小宇 楊競 頓佳偉

摘要：

溪洛渡庫區(qū)星光三組岸坡發(fā)生了嚴(yán)重的傾倒變形破壞，由原本的順層斜坡變?yōu)榉磧A邊坡，像星光三組這類特殊的傾倒變形體由于其成因機制與常規(guī)的傾倒變形體不同而受到了許多學(xué)者的關(guān)注。詳細描述了星光三組變形體的工程地質(zhì)條件、變形破壞特征，并基于數(shù)值模擬對該傾倒變形體的成因機制進行了分析。結(jié)果表明：星光三組岸坡巖層呈現(xiàn)軟硬互層的薄層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為傾倒變形的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ);構(gòu)造作用與金沙江的快速下切分別為變形體的形成提供了高水平地應(yīng)力與地形條件;溪洛渡庫區(qū)星光三組岸直傾倒變形演化過程可劃分為卸荷變形、時效變形、災(zāi)變失穩(wěn)3個階段。

關(guān) 鍵 詞：

庫岸邊坡; 傾倒變形; 成因機制; 數(shù)值模擬; 溪洛渡水庫

中圖法分類號： P642.22

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.018

0 引 言

傾倒變形通常是指走向與坡面近似平行的層狀巖質(zhì)邊坡向坡外臨空面發(fā)生彎曲變形的現(xiàn)象。早期，人們普遍認(rèn)為傾倒變形通常僅發(fā)生于坡體淺部，變形深度在數(shù)十米范圍內(nèi)[1]，但近20 a來，中國不斷揭露出了上百余米高的彎曲傾倒變形邊坡，如龍灘水電站左岸邊坡[2]、瀾滄江黃登水電站右岸邊坡[3]、錦屏一級水電站左岸邊坡[4]、黃河拉西瓦近壩高邊坡[5]、獅子坪水電站庫區(qū)二古溪邊坡[6]等，這些大規(guī)模的傾倒變形體已成為亟待解決的重大工程地質(zhì)問題。

國內(nèi)外傾倒變形的研究歷史已有50多年，在傾倒變形的成因機制與模式分類方面都取得了一定的成果。Goodman將傾倒變形劃分為彎曲傾倒、塊狀傾倒以及塊狀彎曲傾倒3類[7]。黃潤秋在對大型傾倒變形體的總結(jié)中得出大型傾倒破壞與巖性強度、巖層厚度有關(guān)，并將傾倒變形分為淺層傾倒變形、深層傾倒變形和復(fù)合型傾倒變形3類[8-9]。其他學(xué)者通過數(shù)值模擬與模型試驗的研究，總結(jié)出影響傾倒變形的因素主要包括有初始岸坡結(jié)構(gòu)、巖性結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力、地下水、降雨、庫水、地震、風(fēng)化、河流下切速度以及人類工程活動等等[10-13]。

隨著研究的深入，一些學(xué)者注意到了陡傾順層巖質(zhì)坡也存在傾倒變形的情況，并對這類特殊的傾倒變形體進行了大量研究，總結(jié)出這類傾倒變形多發(fā)育在巖層軟硬互層、巖層傾角較陡、水平地應(yīng)力高的高陡斜坡中[14-16]。溪洛渡庫區(qū)星光三組變形體作為這類傾倒變形的典型例子，對于順層傾倒變形的研究具有一定意義。本文以該變形體為研究對象，對其變形破壞特征進行了調(diào)查統(tǒng)計分析，結(jié)合數(shù)值模擬對其成因機制進行了研究，并進一步探究了其傾倒變形的演化模式。

1 地理位置與地質(zhì)條件

星光三組變形體位于金沙江右岸，地處云南省永善縣星光三組，距溪洛渡水電站壩址約25 km。地貌所屬為中山地貌，微地貌為斜坡，河道呈狹窄的“V”字形，岸坡陡峻。如圖1的工程地質(zhì)平面圖所示，變形體兩側(cè)以沖溝為界，后緣以雙溝同源處為界，前緣為金沙江。變形體平面上呈“簸箕狀”，縱向長1 600 m，橫寬約980 m，高程范圍為420～1 400 m，高差達980 m。岸坡整體上呈折線型，中前部陡，后部緩，平均坡度約35°。

變形體巖性復(fù)雜，主要出露有奧陶系下統(tǒng)紅石崖組（O1h）的頁巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖和寒武系中統(tǒng)西王廟組（ε3e）的白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，巖性組合總體上為軟硬互層。巖層因為受到強烈的風(fēng)化作用與卸荷作用，為薄層結(jié)構(gòu)，巖層厚度一般為5～20 cm。

變形體內(nèi)部構(gòu)造并不發(fā)育，但變形體外圍東西兩側(cè)分別各發(fā)育有一條陡傾角斷層。西側(cè)300 m處為上田壩斷層，斷層產(chǎn)狀為276°∠80°;東側(cè)距硝灘斷層約1 500 m，斷層產(chǎn)狀為297°∠71°。變形體位于2個逆斷層之間，在受到兩側(cè)斷層的擠壓作用后，積聚了較高的水地應(yīng)力，使得岸坡在河流下切的過程中發(fā)生了強烈的卸荷作用。

2 岸坡傾倒變形特征

2.1 坡表變形特征

（1） 岸坡裂縫發(fā)育特征。

岸坡后緣885～1 255 m高程間發(fā)育有多條裂縫，裂縫延伸方向與巖層走向小角度相交，部分裂縫形成了巖層走向大致平行的溝槽（見圖2），表明地表變形可能是由于坡體內(nèi)部基巖的彎曲-拉裂所導(dǎo)致;而且從表1中列出的不斷新增的裂縫以及已有裂縫不斷變長擴寬可以推測：岸坡依舊處于變形當(dāng)中。

（2） 岸坡坡表及外圍基巖產(chǎn)狀特征。

通過現(xiàn)場調(diào)查，外圍山體如唐家灣、孟家灣、四方營等地巖層產(chǎn)狀為N5°～20°W/SW∠65°～85°，基本為順坡向（見圖3）。岸坡坡表巖層產(chǎn)狀基本保持在N5°～30°W/NE∠25°～70°之間，與外圍巖層傾向明顯相反，并在垂直于巖層走向的方向上傾角逐漸變緩。由圖4可以看出：岸坡下游紅巖溝左側(cè)基巖傾角為55°～70°，而上游桃耳坡溝右側(cè)基巖傾角減緩為25°～35°，并且此處巖層呈現(xiàn)出典型的“疊瓦式”的傾倒變形特征。

2.2 深部變形特征

通過進入平硐內(nèi)部進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)平硐內(nèi)部的巖體變形體大致可分為傾倒墜覆、傾倒彎曲、傾倒折斷3種類型。

（1） 傾倒墜覆。主要發(fā)育在坡體淺表部，巖體傾倒折斷現(xiàn)象明顯，內(nèi)部張裂變形強烈，出現(xiàn)張性破裂帶下伏巖體局部或整體脫離，局部可見明顯架空現(xiàn)象，其中充填部分碎塊石、巖屑（見圖5）。

（2） 傾倒彎曲。巖層發(fā)生柔性彎曲并伴隨有層間錯動，表現(xiàn)出彎曲變形但不發(fā)生連續(xù)破裂的特點，巖層傾角變化較大，但無不連續(xù)性突變現(xiàn)象（見圖5）。這類變形主要發(fā)育在泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等強度較軟的巖層中。

（3） 傾倒折斷。灰?guī)r、白云巖等較硬的巖層在重力彎矩作用下發(fā)生拉張破裂并產(chǎn)生橫切彎曲“梁板”的懸臂梁式折斷破裂，形成傾向坡外、斷續(xù)延展的張性或張剪性折斷帶，導(dǎo)致巖層傾角發(fā)生突變（見圖5）。

星光三組岸坡三面臨空的地貌條件、軟硬互層的巖層特性說明了具有發(fā)生傾倒變形的可能性;而岸坡表面裂縫的持續(xù)發(fā)展情況、岸坡內(nèi)外巖層產(chǎn)狀的差異以及平洞內(nèi)巖體不同變形破壞，都說明了岸坡在一定厚度內(nèi)發(fā)生了傾倒變形。

本文按照巖層的變形破壞特征、巖體結(jié)構(gòu)、傾角變化、風(fēng)化及卸荷程度將星光三組岸坡傾倒變形劃分為極強傾倒帶、強傾倒帶、弱傾倒帶、正常巖帶。以垂直于巖層產(chǎn)狀的方向（也是岸坡變形最大的方向）作為典型剖面（見圖1），繪制如圖6所示的星光三組變形體工程地質(zhì)剖面圖。

3 傾倒變形體成因機制分析

通過對星光三組變形體的實地調(diào)查，以及對變形體工程地質(zhì)條件的分析，作者認(rèn)為影響星光三組變形體形成的主要因素有金沙江的快速下切、較高的水平地應(yīng)力、地層巖性及結(jié)構(gòu)組合。本文將利用離散元軟件3DEC建立變形體典型剖面的地質(zhì)模型，對各影響因素進行分析。

3.1 模型建立與參數(shù)選取

為方便建模與計算，按照1-1′剖面（見圖1）簡化

后建立了如圖7所示的計算模型。簡化后模型的坡角α為35°，巖層傾角β為80°，巖層間距為10 m，坡高H為980 m。計算中的巖土體采用莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)面之間的滑動本構(gòu)采用庫侖滑動模型。巖體、結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗以及巖土體物理力學(xué)參數(shù)綜合類比對進行取值（見表2）。

3.2 成因機理數(shù)值模擬

3.2.1 河谷下切作用分析

根據(jù)歷史演變推測將星光三組岸坡還原至原始地平線，分5次下切，每次下切深度為196 m，由頂部高程1 400 m下切至高程420 m（見圖8）。以此模擬金沙江下切對岸坡變形的影響。計算結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，岸坡和位移量隨著下切不斷增大。在金沙江快速下切的過程中，岸坡巖層在卸荷回彈與重力的共同作用下不斷發(fā)生層間剪切錯動（見圖9），并對坡腳處巖體產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致坡腳巖體出現(xiàn)彎曲變形（見圖9）;當(dāng)下切至最大深度時，高陡岸坡形成，岸坡變形量和變形范圍達到最大值，最大達到76 m（見圖5），并且變形情況也發(fā)生了改變，即岸坡前部巖體出現(xiàn)明顯的傾倒彎曲，而岸坡后部巖體層內(nèi)剪切錯動現(xiàn)象減弱轉(zhuǎn)而發(fā)生彎曲變形?？傮w看來，受金沙江快速下切的影響，星光三組岸坡變形量和變形范圍逐漸變大，但變形主要集中在岸坡淺表部，岸坡深部巖體僅有小量變形。

3.2.2 構(gòu)造擠壓作用影響分析

根據(jù)前人對金沙江溪洛渡地區(qū)的地應(yīng)力研究的結(jié)果[17]，對模型施加新的應(yīng)力邊界，以模擬構(gòu)造應(yīng)力對星光三組岸坡的影響。經(jīng)過計算與修正得到坐標(biāo)應(yīng)力值為

式中：r為線性相關(guān)系數(shù);H為垂直深度。

計算結(jié)果（見圖10）與僅考慮金沙江下切（圖9（e））相比，施加構(gòu)造應(yīng)力場后，岸坡的變形范圍與變形深度顯著增大，由中前部巖體傾倒變形變?yōu)檎w傾倒變形。

3.2.3 巖性組合影響分析

為考慮巖性組合對星光三組變形體的影響，將岸坡模型分別設(shè)置成硬巖、軟巖、軟硬相間3種岸坡模型。硬巖以白云巖為代表，軟巖則選取泥巖，其具體參數(shù)如表2所列，計算結(jié)果如圖11所示。

從圖11（a）可以看出：當(dāng)巖體全為軟巖時，上覆巖體作用下坡體中下部地應(yīng)力集中程度加劇，中下部巖體首先發(fā)生屈服，整個岸坡呈現(xiàn)滑移-彎曲式變形。從圖11（b）可以看出：當(dāng)巖體全為硬巖時，在河流的下切過程中，由于巖體力學(xué)參數(shù)較高，巖體自穩(wěn)能力較強，僅在坡腳處巖層出現(xiàn)彎曲，岸坡整體主要以層內(nèi)剪切錯動變形為主。從圖11（c）可以看出：當(dāng)巖體為軟硬相間時，岸坡中前部巖體表現(xiàn)為懸臂梁式傾倒變形，后部巖體以層面剪切錯動為主。隨著金沙江逐漸下切，由于岸坡中硬巖限制了中下部軟巖的屈服變形，軟巖向臨空面發(fā)生彎曲傾倒，硬巖受到擠壓會在彎度最大的地方發(fā)生折斷，硬巖發(fā)生折斷后，局部應(yīng)力集中于軟巖，導(dǎo)致軟巖彎曲變形進一步加劇，以此循環(huán)，邊坡呈現(xiàn)出懸臂梁式傾倒變形。

3.3 成因機制及形成演化模式分析

星光三組岸坡中的硬巖可以抵抗風(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，為形成大型傾倒變形體提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。金沙江的快速下切，使得邊坡前緣臨空，與兩側(cè)深切的沖溝組合使得變形體整體呈現(xiàn)出三面臨空的孤立脊?fàn)钌襟w，為傾倒變形的發(fā)生提供了良好的地形條件。原本受到構(gòu)造擠壓而處于高地應(yīng)力狀態(tài)的岸坡因為河流的快速下切發(fā)生了卸荷回彈，導(dǎo)致了岸坡表面產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力（垂直于坡面），使得巖體在內(nèi)部產(chǎn)生大量卸荷裂隙并將巖體切割成了薄層。隨著時間的推移，原本順層的星光三組岸坡在各因素的共同作用下發(fā)生了深層的傾倒變形。

通過對星光三組岸坡成因機制的分析，將其演化形成過程劃分為卸荷變形階段、時效變形階段、災(zāi)變失穩(wěn)階段，各階段的變形機制如下。

（1） 卸荷變形階段。

金沙江下切過程中，巖體在卸荷回彈作用下形成大量的卸荷裂隙，使得巖層變?yōu)楸訝?，與此同時，還引發(fā)層面松弛進而導(dǎo)致層間抗剪強度降低。加上岸坡應(yīng)力由水平應(yīng)力轉(zhuǎn)為豎直應(yīng)力為主，巖層層面法向應(yīng)力（與層面垂直）的降低和切向應(yīng)力（與層面平行）的增加，最終使得岸坡巖體發(fā)生層內(nèi)剪切錯動變形（見圖12（a））。

（2） 時效變形階段。

隨著金沙江的不斷下切，層間錯動加劇，坡腳巖體在上覆巖體的強烈擠壓下，開始向臨空面彎曲變形，岸坡前緣傾倒變形為上部巖體提供變形空間，在平行于坡面的最大主應(yīng)力作用下，岸坡中性質(zhì)較軟的巖石（泥質(zhì)粉砂巖、頁巖等）開始發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)出柔性彎曲變形的現(xiàn)象，而岸坡中性質(zhì)較硬的巖石（白云巖、灰?guī)r等）由于沿層理面及軟弱巖帶的剪切作用逐漸加劇，導(dǎo)致層內(nèi)拉張效應(yīng)逐漸增強，當(dāng)錯動面間的巖板承受的拉張應(yīng)力超過其抗拉強度時，巖體發(fā)生脆性變形，產(chǎn)生層內(nèi)拉張破裂和切層張剪破裂（見圖12（b））。硬巖一旦發(fā)生變形破壞，會造成局部應(yīng)力集中于軟巖上，進一步使軟巖彎曲傾倒加劇，以此循環(huán)，岸坡發(fā)生累進式變形破壞。

（3） 災(zāi)變失穩(wěn)階段。

隨著岸坡變高變陡，岸坡的地貌條件變得有利于岸坡傾倒變形的進一步發(fā)展。岸坡內(nèi)軟巖的柔性彎曲變形不斷加劇，逐漸由塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈宰冃?，在最大彎折或原有結(jié)構(gòu)面部位產(chǎn)生層內(nèi)拉張破裂和切層張剪破裂;而硬巖的傾倒折斷變形也在不斷向深部和下部擴展（見圖12（c））。最終各層最大彎曲，彎折部位相互貫通，并形成傾向坡外的斷續(xù)拉裂面，深層傾倒變形體形成;在地震、降雨、庫水長期作用的誘發(fā)下，折斷面極可能貫通，導(dǎo)致岸坡發(fā)生整體的失穩(wěn)破壞。

4 結(jié) 論

（1） 根據(jù)對平硐內(nèi)部巖體變形特征的調(diào)查統(tǒng)計，考慮巖體本身物理力學(xué)性質(zhì)的差異性，將內(nèi)部巖體變形分為傾倒墜覆、傾倒彎曲、傾倒折斷3種類型。

（2） 綜合星光三組變形體的地質(zhì)條件與數(shù)值模擬的結(jié)果，總結(jié)出：① 斷層擠壓作用是岸坡整體發(fā)生明顯的彎曲傾倒變形，并由原本順向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)斜坡變?yōu)榉聪蛐逼碌年P(guān)鍵原因。② 岸坡巖性總體軟硬相間，巖體薄層狀結(jié)構(gòu)是星光三組岸坡發(fā)生傾倒變形的物質(zhì)基礎(chǔ)。③ 金沙江下切導(dǎo)致三面臨空的地形為傾倒變形提供了有利的幾何邊界條件。④ 強烈的卸荷回彈是星光三組岸坡中前部巖體變形的重要因素。

（3） 星光三組變形體的演化過程主要經(jīng)歷卸荷變形、時效變形以及災(zāi)變失穩(wěn)3個階段。① 卸荷變形階段岸坡巖層主要是岸坡上部發(fā)生層間錯動;② 時效變形階段為軟硬巖發(fā)生交替破壞，變形破壞加劇，岸坡發(fā)生累進式變形破壞;③ 而災(zāi)變失穩(wěn)階段為隨著傾倒變形的加劇，軟巖由塑性變形轉(zhuǎn)向為脆性變形，變形不斷向深部發(fā)展，最終形成深層傾倒變形體。

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（編輯：劉 媛）

引用本文：

周永健，馮文凱，吳卓林，等.

溪洛渡庫區(qū)星光三組岸坡傾倒變形成因機制分析

[J].人民長江，2021，52（7）：108-114.

Formation mechanism of Xingguangsanzu toppling deformation in Xiluodu Reservoir

ZHOU Yongjian，F(xiàn)ENG Wenkai，WU Zhuolin，YI Xiaoyu，YANG Jing，DUN Jiawei

（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：

The bank slope of the Xingguangsanzu in the Xiluodu Reservoir underwent severe toppling deformation，changed from the original inclined steep-dip bedding slope to the counter-tilt layered slope.Special toppling deformations such as Xingguangsanzu have attracted attention from many scholars because its formation mechanisms are different from the conventional toppling deformations.In this paper，the engineering geological conditions，deformation and failure characteristics of the Xingguangsanzu toppling deformation body are described in detail，and the formation mechanism of the toppling deformation body is analyzed based on numerical simulation.The results show that the thin layer structure of the Xingguangsanzu bank slope are soft-hard interbedded rock slopes，which provides the material basis for the toppling deformation;while the tectonic compression and the rapid incising of the Jinsha River provide high horizontal geo-stress and terrain conditions for the toppling deformation;the deformation evolution process of the Xingguangsanzu bank slope can be divided into three stages，unloading deformation stage，time-dependent deformation stage and destruction and unstability stage.

Key words：

reservoir bank slope;toppling deformation;formation mechanism;numerical simulation;Xiluodu Reservoir