叶巴滩水电站坝区深部变形破裂特征及成因分析

2016-09-28刘云鹏李崇标

水电站设计 2016年3期

关键词：坝区卸荷河谷

刘云鹏,李　华,李崇标,李　辉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072)

叶巴滩水电站坝区深部变形破裂特征及成因分析

刘云鹏,李华,李崇标,李辉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

岩体基本质量是决定水电工程岩体可利用性的主要因素，而一般非常见的、由于卸荷作用所导致的岸坡深部变形破裂对坝区岩体基本质量划分与区域范围的界定则有重要影响，直接影响周围岩体的工程地质特性及其评价。本文在叶巴滩水电站坝区岸坡岩体内的深部变形破裂详细调查的基础上，分析了影响岩体工程地质性质的深部变形破裂的主要特征，包括分布和优势方向、岩体紧密程度与完整性、破裂面张开宽度、风化状态、地下水状态、波速比、KV、RQD等指标，并分为轻微松弛、中等松弛和强烈松弛三种主要类型。通过分析形成深部变形破裂的地质环境，结合坝区的构造演化、河谷演化与地应力演化特征，揭示了叶巴滩水电站坝区深部变形破裂的成因机制：这是一种在河谷地貌形成演化过程中，伴随区域性剥蚀和河谷下切过程，早期岸坡岩体应力状态不断变化和调整，从而引起局部岸坡岩体内部储存的集中应变能强烈释放，导致边坡岩体向临空方向产生差异回弹而形成的张性破裂，局部具有剪胀特征。

水电工程；深部变形破裂；卸荷松弛；岩体质量；成因机制

0　前　　言

在叶巴滩水电站坝区两岸岸坡弱卸荷岩体以里的较深范围内，穿过一段相对完整的紧密岩带后(一般为数十米)，又发育有一系列规模不等的张开裂隙(缝)松弛岩带，这些深部变形破裂在坝基、防渗帷幕及抗力体、各建筑物和左右岸泄洪雾化区自然边坡均有分布[1]，发育水平埋深为低高程65～90 m、中高程75～110 m、高高程100～160 m，基本具有随高程增加水平埋深逐渐增大的趋势。由于发育的深部变形破裂直接关系到坝区岩体质量分类及工程地质评价[2-3]，在拱坝建基面选择的论证中必须考虑其影响。因此，有必要开展坝区岩体深部变形破裂发育特征及成因机制的分析研究，为坝区岩体结构特征及其工程适宜性研究提供依据。

本文根据调查结果，首先对坝区岸坡岩体内的深部变形破裂类型进行划分；然后基于深部变形破裂的空间分布、优势方向及变形破裂特征，分析了影响深部变形破裂的控制因素及与之有关的相应规律；同时，结合坝区岸坡岩体特性和深切河谷演化引起的应力场环境变化过程，分析了叶巴滩水电站坝区岸坡深部变形破裂的地质力学模式，探讨了其成因机制。

1　深部变形破裂基本特征

根据对坝区分布有深部变形破裂平洞的调查结果，发现深部变形破裂主要表现为：一段密集发育成微张状态的张开裂隙，或为充填砂糖状岩屑的破碎带，或为间隔发育的单条张开宽度较大的张性空缝，空缝之间形成相对完整的“板梁”岩体。由此可见，深部变形破裂并非由单独裂隙(缝)构成，而是由多条裂隙(缝)共同组成的一个松弛岩带，分布于紧密岩带和微新未卸荷岩体之间，个别裂隙(缝)长度不大，甚至被其他结构面所限制，受控于断层、长大裂隙或缓倾角错动带[1，4]。调查显示，这种变形破裂仅产生于岸坡一定深度的岩体内部，并未在地表出露；同时，据坝区平洞洞间CT测试结果，坝区岸坡岩体内的深部变形破裂带具有一定的连贯性，说明这种变形破裂的出现并非偶然，而是某段地质历史时期该河谷区域内普遍发育的一种浅表生改造现象。

1.1主要分类

通过目前统计分析，坝区深部变形破裂的松弛程度随高程和上下游的变化规律并不明显，甚至相邻平洞内的深部变形破裂也会出现显著差异，分析认为这与岸坡内部岩石本身的不均一性、结构面分布的随机性、应力集中范围与大小、浅表生改造程度密切相关。

根据勘探平洞中深部变形破裂面主要发育洞段调查情况，主要考虑裂隙(缝)规模、密集程度、破碎带物质、次生充填、岩体完整性及岩体松弛特性、风化状态、地下水状态等，采用破裂面张开宽度、波速比、KV、RQD等指标[1、4]，将坝区深部变形破裂划分为三个类型，分别为轻微松弛、中等松弛和强烈松弛(见表1)。

表1　深部变形破裂类型

1.2分布特征

根据对坝区左右两岸不同高程勘探平洞的现场调查，共计33个平洞发育深部变形破裂(见图1)，其中左岸16个，右岸17个，分布平洞数量两岸基本相当；但左右岸不同高程的调查分布情况并不相同(见图2)。这里的不同高程是指：底高程2 733～2 756 m、中高程2 800～2 843 m、高高程2 888～2 908 m，另外坝址枯水期河水位高程为2 721 m。

图1　坝区勘探平洞揭露的深部变形破裂

图2　深部变形破裂不同高程分布

坝区以轻微松弛型为主，共计19个平洞发育(左岸9个、右岸10个)，约占整个坝区总数的58%，在各个高程均有分布，除右岸中高程明显偏低以外，左右岸轻微松弛型的分布比例都可以达到所在高程分布总数的50%以上(见图3、4)，发育深度一般为90～110 m，高高程略深，可以达到130～160 m。

其次为中等松弛型，在两岸10个平洞可见(左岸6个、右岸5个)，约占整个坝区总数的30%，除右岸高高程以外，两岸其他高程平洞中均有发育，发育深度一般为80～120 m，个别平洞可以达到161～177 m。

在已有勘探平洞中，强烈松弛型仅有4个(左岸1个、右岸3个)，左岸仅在底高程分布，右岸低、中、高都有分布，发育深度既有80～105 m，也有120～140 m；尽管分布数量最少，仅占整个坝区总数的12%，但其松弛张开程度最强，对岩体质量的影响最大；其分布在整个坝区较为分散，通过竖向或横向相邻平洞的调查，没有发现同为强烈松弛型深部变形破裂的相邻平洞，说明其分布并不连续。

对比不同高程深部变形破裂水平埋深发现，总体而言，右岸深部变形破裂水平埋深底高程小于中高程，中高程又小于高高程；而左岸底高程与中高程基本相当，但浅于高高程,这说明深部变形破裂的水平埋深基本具有随高程增加逐渐增大的总体趋势。另外，对比左右岸深部变形破裂水平埋深，左岸中低高程比右岸深，高高程两岸基本相当，这应该与左右岸中低高程以下的地貌特征有关(左岸坡度一般45°～55°，局部为陡崖地貌，而右岸坡度一般40°～45°，比左岸稍缓)。

图3左岸不同类型深部变形破裂分布图4右岸不同类型深部变形破裂分布

1.3优势方向

统计表明，坝区深部变形破裂优势方向可分为四组：①N50°～70°E/NW∠75°～80°，②NNE/NW(SE)∠50°～60°，③N25°～55°W/NE∠50°～80°，④N80°W/SW∠55°～60°。破裂面倾角以中～陡倾为主，特别是强烈松弛型的走向与坝区NE向断层或边坡走向近于平行。左右岸不同、深部变形破裂类型不同，其具体优势方向又表现出不同的特点(见表2)。

表2　坝区深部变形破裂优势方向统计

1.4破裂特征

宏观整体而言，深部变形破裂松弛段与相对完整段相间出现，成带发育。深部变形破裂面一般为张性空缝，张开宽度几毫米到几十厘米不等，大多无充填，部分可见充填砂糖状岩屑，少数夹泥。局部与其他长大结构面交切部位，可见明显地下水活动痕迹，部分深部破裂出现轻度锈染现象。地下水状态通常表现为潮湿状态，局部渗水～滴水，仅在相对完整段干燥无水。一般微风化，在后期地下水作用下局部风化较强。

轻微松弛型深部变形破裂面：稀疏发育，破裂面结合紧密，张开宽度较小，张开宽度一般小于10 mm，结构面多无充填，结构面两侧1 m范围内多呈现轻度～重度锈染，沿长大结构面普遍张开；岩体较完整，集中松弛，呈弱下～弱上风化状态。带宽一般为3～22 m，平均10.6 m。

中等松弛型深部变形破碎带：以砂糖状碎粒岩(岩屑)、泥质条带为主，砂糖状碎粒岩断续或连续分布，于错动程度较剧烈处团块状富集，结合程度较松散，宽度一般为5～20 cm不等，极少部分宽度大于20 cm，有些表现为张开宽度大于1 cm的张性空缝，破碎带两侧岩体较破碎，表现为部分松弛、局部板裂化，呈弱下～微风化状态。带宽一般为9～24 m，平均16.4 m。

强烈松弛型深部变形破裂面：沿原有结构面局部张开或整体松弛，张开宽度1～10 cm，少数大于10 cm，两侧岩体基本未见有明显错位现象，主要表现出简单向河谷临空方向的张开特征。岩体呈体积式破坏，影响带宽达数米，部分张开裂面之间形成相对完整的岩体“板梁”，岩体较破碎～破碎、整体松弛，呈弱下～微风化状态。带宽一般为15～28 m，平均18.8 m。

2　深部变形破裂形成的地质环境分析

深部变形破裂形成的基本条件包括内在和外在两部分，其中内在条件也可以说物质基础，包括深部变形破裂所发育的岩性、岩体结构，而外在条件则主要由所赋存的高地应力环境、特殊的卸荷方式构成[5-11]。

2.1岸坡组成

岩体的破裂体系及破裂方式与岩体结构相关，特别是作为结构体的岩石，其软硬程度直接决定了结构塑性效应后的弹性变形。坝区共完成68组微新岩石物理力学性质试验(见表3)，弹性模量为38.5～48.8 GPa，泊松比0.21～0.23，湿抗压强度为80.3～113.7 MPa，属坚硬岩。由这类岩石组成的岩体更加接近于弹性岩体，储能能力强，这是应变能释放的根本前提。

在河谷早期下切卸荷的过程中，岸坡岩体变形破裂方式、程度及破裂体系将因所处的地质环境状态不同、岩体结构类型的差异而有所不同。这些变形破裂面多追踪甚至继承先成有利结构面而发生，尤其是当岩体中含有各种长大断层和各种原生或构造节理的岸坡[9-10]。一般会追踪与卸荷方向近于一致的结构面发生差异回弹变形(错动)，或追踪与卸荷方向近于垂直的结构面发生离面卸荷回弹。

表3　坝区微新岩石物理力学试验成果统计

2.2地质构造

坝区的主要构造类型以中陡倾角断层和随机分布的节理、裂隙为主，特别是陡倾斜的构造节理最为发育，其中走向近EW和走向NE、NW的陡倾节理尤其明显，其次为走向SN的陡倾节理。调查中发现，岸坡内部存在的部分大角度倾向河谷、近平行于岸坡的张开裂缝主要表现为沿构造节理发育的特点，这说明与岸坡基本平行或小角度斜交的、陡倾坡外的结构面在河谷下切过程中最有利于岸坡的卸荷和应力释放。

2.3高地应力

坝区地处青藏高原的东南部侵蚀高山山原区，位于金沙江断裂带内，一方面随着青藏高原的快速隆升并向东部扩展推移，使得坝区现今构造应力场为NWW-EW向主压应力场，另一方面坝区谷坡高陡，相对高差大于1 000 m，自重应力量值高，上述两种应力叠加造成坝区天然状态下初始地应力较高，这也必然导致在坝区会形成局部应力集中。坝区两岸低高程钻孔及河床共28个钻孔中出现的岩芯饼裂现象和平洞内(厂房勘探PD08)的片帮剥离现象就是充分证明。

根据坝区不同方法地应力实测资料分析[1](坝区两岸测点水平埋深40～360 m)，坝区地应力具有以下特征：坝区应力量级高，水平埋深150 m以里σ1大于15 MPa，水平埋深200 m以里则介于23.3～37.6 MPa，属高地应力区，河谷下切释放前应该更高；最大主应力方向较稳定，右岸介于262°～306°之间，平均为285°(N75°W)，左岸介于89°～126°之间，平均107°(S73°E)，与河流走向近于正交。由此可见，在河谷快速下切演化，高地应力作为广义“荷载”被卸载过程中，其差异回弹作用必然会更为强烈。

2.4河谷演化

叶巴滩水电站坝区河谷的形成演化主要经历了三次夷平作用和七次集中下切[4]。河谷初期应力场基本形成于第三次夷平剥蚀结束后；随后地壳上升河流快速下切，河谷初步形成，此时的宽谷形态处于Q1时期，河流的平均下切速率约为0.5 mm/a。Q2末到Q3早期，河流继续下切，河谷由宽谷向峡谷过渡；Q3早期至Q3末期，地壳上升速率较前期更快，河流下切形成两岸陡峻的石英闪长基岩岸坡；Q3末至Q4以来地壳短暂停留后抬升速率再次加快，河流在Ⅲ级阶地上快速下切至谷底，河谷平均下切速率为2.3 mm/a，最大下切速率达4.5 mm/a。

河谷的快速下切直接导致岸坡岩体应力集中所储存的应变能强烈释放，驱动岸坡岩体向临空方向发生卸荷回弹，此为形成深部变形破裂的基础。

2.5地貌特征

坝区微地貌特征对岸坡的岩体卸荷程度有一定影响，间接决定了深部变形破裂在空间的分布格局[4]。坝区左右岸微地貌差异表现在：左岸由上游至下游分布有3条大冲沟(分别位于勘Ⅶ线、勘Ⅷ线、勘Ⅴ线下游)及多条小冲沟，其中勘Ⅶ线与勘Ⅷ线冲沟的切割造成左岸坝肩部位岸坡三面临空，形成突出山脊，其结果是应力调整更容易在深部发生，而左岸的大部分勘探平洞位于该山脊部位。相对于左岸，右岸坡面较为平顺，仅发育1条与左岸类似的大冲沟(勘Ⅴ线)，另外发育多条小规模冲沟，切割深度均较浅，应力调整的范围也会相对于左岸浅。前述特征中，右岸中低高程深部变形破裂水平埋深比左岸浅，应是与左右岸微地貌差异关联性的具体体现。

3　深部变形破裂成因机制

下面根据深部变形破裂的基本特征，结合坝区岸坡岩体特性及河谷演化引起的应力场环境变化，进一步分析并探讨叶巴滩水电站坝区深部变形破裂的地质力学模式和成因机制。

3.1岩性结构

坝区岸坡岩体在经历了一系列的构造演化后，形成了一组EW/S和一对NE/NW或NE/SE共轭的结构面。对比构造节理与深部变形破裂产状优势方向(①N50°～70°E/NW∠75°～80°;②NNE/NW(SE)∠50°～60°;③N25°～55°W/NE∠50°～80°;④N80°W/SW∠55°～60°)。不难发现，深部变形破裂与构造结构面优势方向基本一致，破裂具有继承性。根据现场调查及已有工程实例中对岸坡浅表生改造力学机制的判断，应以张性为主、张剪性次之。

3.2卸荷方式

坝区河段为总体走向近于SN向的顺直河道，最大主应力方向约为N70°～80°W，与边坡走向近于正交，结合地应力测试结果及岩芯饼裂与片帮现象，坝区浅表岸坡地应力属中等以上，局部存在高地应力区(河谷下切释放前，整体应该属于高地应力以上)，这为深部变形破裂的形成提供了有利的储能条件。

在NWW向最大主应力以及河谷下切岸坡岩体卸荷回弹变形的共同作用下，原局部高地应力区岩体能量剧烈释放，除此之外，左右两岸所发育的冲沟也为应力释放提供了良好的卸荷空间，这种特殊的卸荷方式是深部变形破裂形成的驱动力[5]。在该种驱动力作用下，若存在有利于破裂追踪、扩展、错动的结构，如长大优势断层和节理裂隙等，其附近以及挟持部位岩体也将产生变形破裂和错动，就会形成一系列深部变形破裂。

3.3后期改造

水动力场的重大变化和强烈的地震，可以使具有残余应变能的岸坡卸荷岩体因能量的进一步释放或改变而产生新的变形与破裂。另外，在边坡形成演化过程中，若深部变形破裂进一步受后期改造作用，特别是地下水的溶蚀和潜蚀作用，将产生明显的风化加强现象。

3.4演化过程

由上述分析，可将深部变形破裂演化过程的理论基础阐述为：

(1)坝区坚硬的石英闪长岩为应变能存储提供了重要载体，河谷下切前的区域构造运动则提供了强大的构造应力，这两个条件是坝区岩体存储高应变能的根本前提；另外，其构造改造过程中形成的一系列构造节理系则为后期破裂提供了主要结构基础。在河谷下切形成临空面过程中，岸坡局部高应力环境下的岩体必然会通过能量释放的形式达到新的应力平衡，这是物质自适应的一种表现形式。

(2)挽近期以来，特别是Q2晚期至Q3晚期，伴随地壳快速抬升、河流快速下切，河谷进入峡谷期；由于岸坡侧向卸荷导致边坡岩体内存储的应变能强烈释放，并驱动岩体向临空方向产生差异回弹变形，加之河流走向与最大主应力方向近于正交，卸荷响应的程度会更加明显。在有利的组合结构(如断层、长大节理)附近以及挟持部位，岩体更易产生变形破裂甚至错动，从而形成一系列深部变形破裂。

(3)岸坡岩体内部的深部变形破裂是通过能量积累～释放而产生的，当岩体内部存储的残余应变能不足以达到破裂进一步扩展的阀值时，破裂发展将会停止，深部变形破裂处于相对稳定状态；只有经历一段能量的再积聚和累加，造成应力转移，才可能使其进一步发展。同时，伴随河谷地貌特征的改变，当岸坡一定高程和深度的应力约束被释放后，则会形成新的或更深部的岩体破裂。

(4)岸坡岩体内部的深部变形破裂出现以后主要受后期改造作用影响，特别是贯通性较好的深部变形破裂受到后期地下水作用时，风化加强特征会尤为显著；同时，随着岸坡应力场的进一步调整，变形破裂发育部位的应力环境则会由构造应力场逐渐转变为构造应力场和自重应力场相互叠加的复合应力场，破裂的发展变化更多取决于外力作用，如地震和水库蓄水等。

4　结　　论

通过以上分析可以得出：叶巴滩水电站岸坡深部变形破裂是在河谷地貌演化形成过程中，伴随区域性剥蚀和河谷下切过程，早期岸坡岩体应力状态不断变化，出现应力分异，从而引起岩体内部储存的

应变能在最短能量耗散路径下强烈释放，边坡岩体向临空方向产生差异回弹而形成的张性破裂，局部具有剪胀特征；若存在有利于破裂追踪、扩展、错动的结构，如长大优势断层和节理裂隙等，其附近以及所挟持部位的岩体也将产生明显变形破裂和错动，形成一系列深部变形破裂。这是一种高应力环境下早期岸坡岩体内部所发育的地质现象，就其经历的地质历史而言，是岸坡浅表生改造过程的具体体现。

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2016-03-07