寧國抽水蓄能電站凝灰?guī)r倒轉(zhuǎn)破碎成因機制研究

胡 富 杭，李 任 杰，石 豫 川，賴 亞 光，閆 天

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014； 2.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)

0 引 言

巖體的傾倒及破碎為重要的變形破壞方式，嚴(yán)重影響工程安全和長期穩(wěn)定性[1]，對其成因機制進行研究就顯得尤為重要[2-4]。眾多學(xué)者研究了陡傾坡外巖層在重力作用下，巖層發(fā)生傾倒倒轉(zhuǎn)[2，5-6]的穩(wěn)定性及成因機制。除重力成因外，李忠權(quán)等[7]給出了較完整的巖層倒轉(zhuǎn)的構(gòu)造成因模式。黃桂芝等[8]對斷層附近牽引和反牽引現(xiàn)象進行了分析。針對巖體破碎的自然成因，大量的學(xué)者對碎裂破碎松動巖體采用野外調(diào)查分析和室內(nèi)物理模擬的方法驗證了巖體碎裂破碎松動成因。通過大量的工程研究，將巖體破碎的成因主要分為構(gòu)造成因[9-11]、地震成因[12]以及重力成因[13-16]。另外，多位學(xué)者也認(rèn)為巖體的碎裂破碎松動為綜合成因?qū)е耓17-18]。

本文針對安徽省寧國抽水蓄能電站上水庫庫尾破碎巖體區(qū)凝灰?guī)r似層面倒轉(zhuǎn)成因及巖體破碎成因進行野外調(diào)查，利用多種方法和手段對凝灰?guī)r似層面倒轉(zhuǎn)成因和巖體破碎成因機制進行了分析研究。

1 破碎巖體區(qū)基本地質(zhì)概況

破碎巖體區(qū)位于安徽省寧國抽水蓄能電站上水庫庫尾處，屬中低山構(gòu)造剝蝕地貌，整體為斜坡地形，地形坡度一般30°～40°，局部大于45°。區(qū)內(nèi)出露地層主要為雷公塢組(Z1l)，巖性為一套深灰、灰綠色絹云母化含礫凝灰?guī)r。破碎巖體區(qū)內(nèi)分布有不同規(guī)模的斷層及大量節(jié)理裂隙，其中NE向為主要斷層，NW向次之，斷層F1、F2為區(qū)域性斷層，f5為小規(guī)模斷層，其余主要為NW向小規(guī)模斷層。斷層F2為逆斷層，寬度1.2～2.0 m(局部3.0～5.0 m)，由碎裂巖、角礫巖及斷層泥組成，整體上產(chǎn)狀為N45°～60°E，NW∠75°～85°。f5與F2為同一期構(gòu)造。斷層f5為逆斷層，寬度0.8～1.2 m，由擠壓片巖、角礫巖、斷層泥組成，上盤接觸帶內(nèi)物質(zhì)擠壓而具膠結(jié)現(xiàn)象，強度差，上盤同產(chǎn)狀節(jié)理，下盤巖體破碎。斷層面見擦痕，在上庫地貌上形成連續(xù)陡崖，整體上產(chǎn)狀為N70°～75°E，NW∠80°～85°。通過節(jié)理裂隙的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面走向以NW向為主。另與研究區(qū)東側(cè)連接處有一小規(guī)模的向斜褶皺，地層巖性為藍(lán)田組(Z2l)中厚層灰?guī)r，青灰色薄層白云巖夾頁巖等，如圖1所示。

研究表明，在 0～10 cm 土層，秸稈還田能顯著提高夏玉米農(nóng)田土壤微生物生物量碳。而在 10～20 cm土層無顯著增加，土壤發(fā)生明顯的“上富下貧”現(xiàn)象。這與 Balota等[14]的研究結(jié)果一致。

2 研究區(qū)巖體傾倒成因分析

2.1 倒轉(zhuǎn)巖層空間形態(tài)特征

為對巖體傾倒的空間特征進行展示，簡化研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，以穿越法調(diào)查所得似層面產(chǎn)狀作為巖體倒轉(zhuǎn)的證據(jù)。圖2反映出青龍溝2號、4號、7號以及北東側(cè)無名溝、8號支溝中似層面產(chǎn)狀主要在F2和f5斷層周圍發(fā)生突變，似層面產(chǎn)狀由正常傾向坡外突變?yōu)閮A向坡內(nèi)。似層面產(chǎn)狀體現(xiàn)出傾倒在空間上具有明顯的規(guī)律性，巖層的傾倒主要分布于F2和f5斷層之間，F(xiàn)2斷層高程以下、f5斷層高程以上巖層產(chǎn)狀基本恢復(fù)正常產(chǎn)狀(傾向坡外)。

2.2 巖層倒轉(zhuǎn)地質(zhì)理論成因分析

結(jié)合上述巖層倒轉(zhuǎn)范圍和已有的滑移-彎曲理論和傾倒-拉裂理論[2]，發(fā)現(xiàn)這兩個理論并不能完整解釋巖層倒轉(zhuǎn)主要分布于邊坡中部的現(xiàn)象。因此，重力的觀點不能對上述的巖層倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行解釋。

對天然現(xiàn)象之“物”，我們還要做具體分析。何謂“天地”，何謂“萬物”？早期的中國哲學(xué)通常對概念缺乏嚴(yán)格定義，《老子》并沒有定義它們，先秦其他文獻中也很難找到詳細(xì)解釋?！疤斓亍焙汀叭f物”是怎樣一種關(guān)系？《老子》講“侯王”如何，“萬物”會如何，這里的“萬物”該怎樣理解？“侯王”是獨立于“萬物”之外的，還是屬于“萬物”的？如何理解同一句話在不同的版本中主語分別變成了“天地”“天下”“萬物”？筆者認(rèn)為，對于研究而言，相應(yīng)的解釋與界定是必要的。

加強高校預(yù)算管理，提高財政專項執(zhí)行進度，盤活存量資金、減少資金沉淀，關(guān)系到高校教育事業(yè)的健康發(fā)展，需要政府和高校共同努力，提高預(yù)算管理水平和資金使用效益。

2.3 板梁彎曲理論計算

(2) 傾角45°試驗結(jié)果分析。坡角45°、巖層傾角45°的底摩擦模型試驗出現(xiàn)兩種明顯不同的邊坡破壞結(jié)果。

研究區(qū)凝灰?guī)r似層面的正常產(chǎn)狀為傾向坡外，傾角中等，因此發(fā)生傾倒-彎曲模式的可能性不大。孫廣忠[19]和張倬元[2]等研究了巖層發(fā)生滑移-彎曲型變形破壞的臨界條件：

(3) 傾角60°試驗結(jié)果分析。坡角45°、巖層傾角60°的底摩擦試驗反映出，巖層傾角大于邊坡的坡度，巖層層面未在邊坡上暴露，不產(chǎn)生沿層面的滑動變形破壞。在重力作用下，巖層未出現(xiàn)明顯的變形破壞現(xiàn)象，僅為表部的碎屑物質(zhì)向坡腳運移堆積，同時表明此時的中等巖層傾角不能使得巖層產(chǎn)生彎曲甚至倒轉(zhuǎn)。

以上庫岸縱2剖面為例(實際位置見圖1)，對似層面倒轉(zhuǎn)進一步描繪，考慮影響破碎巖體區(qū)的較大規(guī)模斷層構(gòu)造，主要為F2和f5斷層。最終變形破壞圖見圖4。

《施工圖審查機構(gòu)工作信息化建設(shè)探析》中提出，對審圖模塊，可以通過同型項目意見一鍵復(fù)制、下拉菜單選擇、智能聯(lián)想、默認(rèn)選填等快速輸入手段，有效提高數(shù)據(jù)采集效率。

教師不要擔(dān)心被問倒，教師對某本課外書沒有全盤了解也不要擔(dān)心。艾登·錢伯斯說：“教師應(yīng)該建立這樣的觀念：不是只有自己知道答案的問題才能提出來討論。身為教師應(yīng)該坦然告訴孩子們自己并非全知全能，但絕對愿意和大家一起動腦筋，試著找出答案?！?/p>

圖3 牽引構(gòu)造導(dǎo)致地層倒轉(zhuǎn)模式Fig.3 Model of strata inversion caused by traction structure

圖4 牽引構(gòu)造造成巖層局部倒轉(zhuǎn)Fig.4 Local inversion of strata caused by traction structure

取似層面傾角α=50°，ρi=2.75 g/cm3，Ei=50 000 MPa，μi=0.25，取厚度hi為0.30，0.50，1.00，2.00，3.00，5.00 m，對不同巖層厚度hi下的屈曲的臨界長度Lcr進行分析?？紤]巖層的虛脫效應(yīng)，按照單板進行計算。不同厚度下屈曲的臨界長度Lcr見表1和圖5。

式中：α為板梁傾角；q為板梁自重；D為多層板梁綜合剛度；hi,ρi,Ei,μi和Di分別為第i層板梁的厚度、密度、彈性模量、泊松比和剛度。

首先，東博會的品牌發(fā)展還不是特別成熟。近十多年來，隨著南寧東博會的成功舉辦，南寧的會展業(yè)走上了一條高速發(fā)展的道路。但由于南寧經(jīng)濟底子薄，人才吸引力度薄弱，和其他省份相比，我們的會展業(yè)還不夠成熟。東博會相比周邊的廣交會等大型展覽會，實力相差較大，導(dǎo)致其吸引力不強，影響來參加展會的人員數(shù)量和質(zhì)量，在一定程度上也影響其會展旅游以及南寧的整體旅游。

表1 不同巖層厚度hi下屈曲的臨界長度LcrTab.1 Critical length Lcr of buckling under different rock thickness hi m

圖5 不同巖層厚度條件下屈曲的臨界長度LcrFig.5 Critical length Lcr of buckling under different rock thickness

由表1和圖5可知：隨著巖層厚度hi的不斷增加，巖層屈曲的臨界長度Lcr會逐漸增大。同時圖5反映出理論計算的臨界長度具有逐漸變緩的趨勢。根據(jù)這種變化趨勢，提出一種能用于描述這種變化趨勢的簡單函數(shù)式。通過對數(shù)函數(shù)y=aln(bx)(a，b為參數(shù)，均大于0)對所計算出的理論計算值進行擬合，最終得出理論計算值與模型擬合值之間的擬合度R2達到0.983 5，表明該函數(shù)能夠較好地對不同巖層厚度條件下的屈曲臨界長度Lcr進行描述。利用該公式能夠更加簡單地對不同巖層厚度條件下的屈曲的臨界長度Lcr進行預(yù)測。

簡化工程地質(zhì)剖面上的構(gòu)造形跡，僅保留F2和f5斷層，比較F2和f5斷層之間沿坡向的巖層(正常產(chǎn)狀為傾向坡外)實際長度與板梁屈曲臨界條件，分析巖層是否能發(fā)生屈曲失穩(wěn)，F(xiàn)2和f5斷層位置關(guān)系見圖4。通過實測，F(xiàn)2和f5斷層之間淺表巖層的最長長度為146.0 m，較于厚層(>0.5 m)含礫凝灰?guī)r巖層屈曲長度Lcr的理論結(jié)果202.7 m要小，即K>1，完整巖層發(fā)生屈曲的可能性甚微。因此，由于重力作用造成巖層的倒轉(zhuǎn)，甚至造成巖體破碎的條件不足。

PC機上還可以提供比智能手機豐富的控制功能和更人性化的人機界面，通過Internet訪問農(nóng)產(chǎn)品服務(wù)器上的視頻信息：一方面可以實時監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品長勢與營養(yǎng)需求，提供及時決策；另一方面可供農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)對自然災(zāi)害防御，農(nóng)作物病蟲害分析，農(nóng)產(chǎn)品后期可視化溯源提供依據(jù)。

2.4 底摩擦物理模擬試驗

為進一步驗證似層面的倒轉(zhuǎn)是由構(gòu)造作用還是重力作用形成，借助底摩擦試驗對似層面在重力作用下的發(fā)展特征進行研究。

研究區(qū)凝灰?guī)r似層面的正常產(chǎn)狀為順傾。底摩擦試驗擬對坡度45°、不同傾角下的變形破壞特征進行分析。研究區(qū)邊坡最大坡度為42°，將底摩擦試驗邊坡坡度設(shè)置為45°，分別研究巖層傾角30°，45°，60°，80°條件下的變形破壞模式。

為使底摩擦模擬的結(jié)果符合硬巖脆性折斷破壞模式，通過查閱文獻以及大量底摩擦物理模擬試驗探索，最終采用的材料及比例為重晶石粉∶石英砂∶石蠟油=10∶7∶1。

(1) 傾角30°試驗結(jié)果分析。坡角45°、巖層傾角30°的試驗成果反映出，在摩擦力(模擬重力)的作用下，原始邊坡表部的碎屑物質(zhì)開始沿著坡表向坡腳運移堆積。在持續(xù)的重力作用下，坡表開始出現(xiàn)較為明顯的拉張裂縫(見圖6②)，裂縫由表部向深部逐漸擴展延伸；裂縫擴展的同時，巖層向臨空方向逐漸擠出(見圖6③)；在持續(xù)的重力作用下，拉張裂縫逐漸加深(見圖6④)，拉張裂縫加深至一定程度時邊坡發(fā)生失穩(wěn)。該組試驗體現(xiàn)出當(dāng)巖層傾角小于邊坡坡度時，邊坡易出現(xiàn)明顯的滑移-拉裂現(xiàn)象。

圖6 傾角30°變形破壞模式Fig.6 Deformation failure mode at an inclination of 30°

為進一步研究巖層的倒轉(zhuǎn)是否由于重力作用造成，通過板梁彎曲定量計算進行驗證。

整個教學(xué)設(shè)計由導(dǎo)入、體驗和歸納三個階段組成。在導(dǎo)入階段，以一部學(xué)生已經(jīng)非常熟悉的電影展開回顧并提問，在這一過程中導(dǎo)入本課主題的概述；在體驗階段，教師將電影內(nèi)容分層次再現(xiàn)，并布置合理的學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生模仿完成練習(xí)并加以運用；在歸納階段，學(xué)生根據(jù)教師引導(dǎo)，對所學(xué)虛擬語氣的三個基本形態(tài)予以歸納總結(jié)，形成系統(tǒng)知識，進一步提高他們的自學(xué)能力。

第一種試驗結(jié)果(見圖7)反映出，巖層傾角等于邊坡的坡度，巖層層面在邊坡上表現(xiàn)為坡表，在重力的作用下，坡腳處開始出現(xiàn)微弱的滑移-彎曲現(xiàn)象(紅圈標(biāo)注)，但現(xiàn)象不甚明顯。

圖7 傾角45°變形破壞模式一Fig.7 Deformation failure mode 1 at an inclination of 45°

第二種試驗結(jié)果見圖8。在重力作用下，坡腳處巖體不能夠支撐上部巖層的重力，發(fā)生表部巖層向臨空方向的剪切破壞(見圖8②)。巖層之間具有一定的黏聚力和摩擦力，在試驗條件下邊坡并未發(fā)生大規(guī)模的巖層垮塌破壞，但試驗條件不能夠?qū)Φ扔诂F(xiàn)場的條件(含水等)，因此該類邊坡應(yīng)及時進行加固處理，防止更大的災(zāi)害發(fā)生。

圖8 傾角45°變形破壞模式二Fig.8 Deformation failure mode 2 at an inclination of 45°

式中：Lcr為斜坡板梁可能發(fā)生屈曲的臨界長度；L為實際長度。當(dāng)K≤1時，則有屈曲失穩(wěn)的可能。

與坡角45°、巖層傾角45°的邊坡模型相比，該模型巖層傾角增大，變形破壞反而減弱，究其原因，系代表重力大小的板梁長度相差較大。該模型淺表部板梁長度遠(yuǎn)小于上一個模型，重力大大減小，變形破壞減弱；板梁長度與上一個模型相近的巖層在坡腳埋藏較深，受上覆巖體壓力，彎曲變形的可能性大大降低。

(4) 傾角80°試驗結(jié)果分析。坡角45°、巖層傾角80°(陡傾)的底摩擦試驗反映出，巖層傾角遠(yuǎn)大于邊坡的坡度時，雖巖層層面在邊坡上無暴露，但產(chǎn)生一定的變形破壞。圖9反映出在重力的作用下，僅淺表產(chǎn)生一定的傾倒彎曲變形和破碎，淺表破碎的巖石在重力作用下逐漸運移至坡腳進行堆積，而深部的巖層未產(chǎn)生傾倒彎曲破壞，表明陡傾坡外硬巖巖層的傾倒變形破壞僅發(fā)生于淺表部。

圖9 傾角80°變形破壞模式Fig.9 Deformation failure mode at an inclination of 80°

綜上，研究區(qū)巖層傾角55°左右，為中等傾角，最大坡角為45°左右，層面未暴露至坡表，變形破壞方式介于巖層傾角45°～60°之間的變形破壞模式，更接近于巖層傾角60°模型的變形破壞模式。因此，最終確定邊坡由重力作用產(chǎn)生大規(guī)模傾倒變形或似層面倒轉(zhuǎn)的可能性甚微。

通過多種手段和方法對導(dǎo)致似層面發(fā)生倒轉(zhuǎn)的原因進行驗證，最終認(rèn)為構(gòu)造作用為主、重力為輔能夠較好地佐證似層面倒轉(zhuǎn)。

似層面倒轉(zhuǎn)主要分布于F2和f5之間，圖3為牽引構(gòu)造導(dǎo)致似層面倒轉(zhuǎn)的整個演化過程示意圖。在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下，已形成的水平地層發(fā)生傾倒，形成單斜地層(見圖3①)；在另一期地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下，單斜地層構(gòu)造中形成區(qū)域性斷層F2和小規(guī)模斷層f5(見圖3②)；在2條斷層的作用下，形成牽引構(gòu)造(見圖3③)，最終形成地層的倒轉(zhuǎn)(與正常產(chǎn)狀相反)。由于F2斷層的規(guī)模較f5斷層的規(guī)模大，因此F2斷層形成的牽引構(gòu)造較f5斷層形成的牽引構(gòu)造要大。通過分析，發(fā)現(xiàn)該成因模式與現(xiàn)場的似層面倒轉(zhuǎn)特征較為符合。

3 研究區(qū)巖體破碎成因分析

為對傾倒破碎巖體研究區(qū)的巖體破碎成因進行研究，采用地質(zhì)體發(fā)展演化歷史分析、地質(zhì)力學(xué)機制分析相結(jié)合的方法對巖體破碎成因進行分析。

4)通訊塔上布設(shè)的1套攝像儀，可以旋轉(zhuǎn)云臺、調(diào)焦查看礦區(qū)內(nèi)各局部的情況，獲取的影像信息用光纖接到塔上的中繼點，再傳輸至辦公樓頂中繼點。雨量計布設(shè)在辦公樓頂，監(jiān)測數(shù)據(jù)直接用光纖接到摟頂中繼點。

通過比較安徽省區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造[20]和研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造演化期次，得出研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造演化序列與區(qū)域上的地質(zhì)構(gòu)造演化序列是一致的，均為NE/NEE向斷層首先形成、NW向斷層后形成。

在NW向應(yīng)力作用下形成NE/NEE向斷層，同時也形成NW向張性裂縫，巖體產(chǎn)生一定的破碎，地質(zhì)構(gòu)造形成的簡化圖以及應(yīng)力橢球體如圖10所示。另外，在NW向應(yīng)力作用下，NE向斷層F1和f5之間斷塊產(chǎn)生一定的牽引構(gòu)造(見圖4)，牽引構(gòu)造形成的過程中，巖體產(chǎn)生一定的“X”共軛節(jié)理和橫縱裂縫(見圖11)，均對巖體的破碎具有一定的貢獻作用。

注：1為逆斷層； 2為正斷層； 3為裂縫； 4為向斜； 5為溝道。圖10 NE向斷層及NW向裂縫形成機制Fig.10 Formation mechanism of NE trending faults and NW trending fractures

圖11 牽引構(gòu)造造成巖體破碎Fig.11 Rock mass fragmentation caused by traction structure

注：1為逆斷層； 2為正斷層； 3為裂縫； 4為向斜； 5為溝道； 6中紅色+代表應(yīng)力集中，藍(lán)色代表應(yīng)力松弛； 7為斷層右旋標(biāo)志。圖12 現(xiàn)今地應(yīng)力場構(gòu)造形跡Fig.12 Tectonic features of the current in-situ stress field

此后，地應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)，形成現(xiàn)今地應(yīng)力格局(見圖12)。經(jīng)測試，現(xiàn)今的地應(yīng)力大致為11 MPa，方位NE 68°左右，與F1斷層大致平行，與F2斷層之間具一定的夾角，導(dǎo)致F2斷層發(fā)生“右旋”運動，F(xiàn)1和F2斷層之間楔形體端部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象(F1斷層不發(fā)生旋轉(zhuǎn))，相對應(yīng)的F2斷層的NW盤形成應(yīng)力松弛現(xiàn)象，最終在F2斷層NW盤形成構(gòu)造拉張的環(huán)境，造成巖體的破碎?，F(xiàn)場調(diào)查也發(fā)現(xiàn)較多的斷層“右旋”證據(jù)，如圖13所示，如地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用形成平面“X”節(jié)理、水平方向的擦痕、炭質(zhì)層的水平彎曲錯斷以及斷層周圍巖體發(fā)生拖曳現(xiàn)象。因此，斷層“右旋”導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生巖體的大范圍破碎。

報告指出，截至2017年，我國飲料年產(chǎn)量已超過1.8億噸，25年來增長440倍；主營業(yè)務(wù)收入6125億元，10年來增長2.3倍；利潤突破500億元，10年來增長2.7倍；行業(yè)總資產(chǎn)規(guī)模達4883億元，規(guī)模以上企業(yè)數(shù)達2161家，從業(yè)人員近50萬。在飲料行業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，一批中國本土品牌脫穎而出，逐漸成為全國、區(qū)域或細(xì)分市場的主力品牌，中國本土（含港澳臺）品牌產(chǎn)量約占行業(yè)總產(chǎn)量的76%。此外，中國傳統(tǒng)飲品或以中國傳統(tǒng)食材為主要原料的飲品越來越受到消費者的歡迎。

圖13 現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)造形跡Fig.13 Geological structure on site

巖體在后期重力作用下，原有裂縫在圖11的基礎(chǔ)上進一步擴展增多，巖體進一步破碎，形成現(xiàn)有的巖體破碎格局。

綜上，巖體的破碎成因為以構(gòu)造拉張為主，牽引構(gòu)造和重力作用為輔的綜合成因。

4 結(jié) 論

(1) 本文從構(gòu)造角度對似層面的倒轉(zhuǎn)和巖體破碎進行解釋，可為工程的勘察設(shè)計提供詳細(xì)的參考資料，同時也能夠為相關(guān)工程的類似地質(zhì)現(xiàn)象研究提供重要的借鑒。

(2) 借助多種手段和方法，證明安徽省寧國抽水蓄能電站上水庫庫尾含礫凝灰?guī)r似層面的成因主要為斷層之間的牽引構(gòu)造形成，后期在重力作用下進一步導(dǎo)致似層面的松散和倒轉(zhuǎn)。

(3) 含礫凝灰?guī)r巖體破碎成因主要為斷層“右旋”作用產(chǎn)生構(gòu)造拉張環(huán)境，導(dǎo)致巖體破碎，加之?dāng)鄬又g的牽引構(gòu)造也造成巖體破碎，后期的重力作用對含礫凝灰?guī)r的破碎也具有貢獻作用。

(4) 通過不同傾角下底摩擦試驗，得出坡度45°，傾角30°→45°→60°→80°下的變形破壞模式依次為滑移-拉裂→輕微滑移-彎曲/滑移-剪切→邊坡基本穩(wěn)定→淺表層彎曲傾倒。