岸坡倾倒变形体差异化发育机理研究

2019-07-30陆泌锋李安润郝浩李万才

人民珠江 2019年7期

陆泌锋，李安润，郝浩，李万才

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059)

近年来，随着人类工程活动的范围不断扩大，反倾向斜坡稳定性问题收到人们的广泛关注，因为反倾向斜坡并不像以前人们认为的那样比较稳定，不易形成贯通性的滑动面，而是会以倾倒变形的形式发生破坏，影响斜坡的稳定。根据对中国近100例不稳定斜坡的调查统计，有33%的滑坡或斜坡变形破坏是发生在反倾向斜坡中[1]。可见，反倾向斜坡的倾倒变形已经是一个不容忽视的问题，对此类斜坡的变形破坏特征和发展演化规律进行研究具有十分重要的意义。目前，已有专家学者对斜坡的倾倒变形进行了一些研究，如陈孝兵等[2]采用底摩擦试验模拟分析了澜沧江某水电站坝肩岩体倾倒变形的发展演变过程及特征；任光明等[3]研究了陡倾顺层岩质斜坡中倾倒变形的破坏特征；曾阳益等[4]通过数值模拟对澜沧江上游典型倾倒—滑动组合型特征及形成机理进行了研究。本文将在这些研究的基础上，对澜沧江某水电站左右岸倾倒变形体的巨大差异化发育机理进行分析，查明形成差异化的原因，期望能为后期的稳定性评价提供借鉴意义。

1 研究区概况

澜沧江某水电站位于西藏昌都地区察雅县境和左贡县境内，是澜沧江上游水电规划推荐七级开发方案中的第四级，大坝最大坝高210 m，采用堤坝式开发。坝址区两岸岸坡自然地形坡度一般为35°～50°，出露的地层岩性主要为三叠系中统竹卡组(T2z)坚硬、脆性英安岩，局部分布有花岗闪长斑岩和第四系冲积物。坝址区广泛发育原生缓倾左岸的溢流面(似层面)和陡倾右岸的柱状节理，溢流面和柱状节理的产状分别为N20°～50°W/NE∠8°～20°、N33°～52°W/SW∠72°～80°。此外，两条韧性剪切带发育于右岸不同高程，顺着河谷右岸近平行展布，见图1，剪切带内存在多条强蚀变带，使得坝址区的地质条件更加复杂化。经过野外现场调查，发现坝址区有显著的倾倒变形现象，左岸表现为斜坡浅表的块状倾倒，发育规模较小，一般仅数米变形破坏深度，具有明显的倾倒折断面。岩体折断、裂解后，多已运移，坠覆、松散堆积于坡脚或冲沟内；右岸也有浅表的块状倾倒，且分布范围明显较左岸大，从岸坡的低高程至高高程都可看见。另外通过平硐观察到右岸坡体的韧性剪切带和上覆英安岩的较深部位都普遍存在有倾倒变形现象，剪切带内的片理化岩体发生倾倒后，产状发生明显变化，由N60～83°W/SW∠75°变为N60～83°W/SW∠32～62°，见图2。现场调查发现了坝址区左右岸倾倒变形的发育程度明显不同，本文将以韧性剪切带和蚀变带为重点，来探讨其对倾倒变形的影响。下面先对剪切带和蚀变进行简要说明。

2 韧性剪切带和蚀变岩体发育特征

2.1 韧性剪切带发育特征

坝址区内共存在2条韧性剪切带，由糜棱化英安岩组成，肉眼可直接辨别，呈条带状分布。剪切带总体产状为180°～210°∠60°～80°，宽50～130 m，其中一条韧性剪切带在坝址坝线上游约200 m处分成2条，剪切带内岩体片理化、糜棱化现象明显，见图3。

韧性剪切带形成于地壳深部的高温、高压环境，在地壳活动挤压力或剪切力的作用下产生韧性变形，形成糜棱岩及糜棱面理，本不存在破裂面，但由于后期地壳升降运动使剪切带抬升至地表或近地表，使其遭受风化和卸荷作用，最终剪切带内岩体性状主要表现为：弱风化及微风化带内岩体，糜棱面理裂隙发育较少；强卸荷带内岩体糜棱面理裂隙较为发育，张开较明显，岩体较为破碎，表现出明显的黄白色破碎带、片理化带，且倾倒折断现象明显。

2.2 蚀变岩体发育特征

蚀变岩体的发育与构造带有关，具有一定的规模，主要呈条带状分布，形成蚀变带。坝址区发育有多条强蚀变带，主要分布于2 900～3 200 m高程段的韧性剪切带中，延伸走向与韧性剪切带近一致，见图4。

蚀变主要表现为剪切带内糜棱化英安岩的绢云母化和高岭土化，蚀变岩体发生了变形作用，在出露地表或近地表，受地表水和地下水的强烈影响，形成大量黏土类矿物，呈灰白色或浅黄色，强度较低，遇水易发生崩解。

3 岸坡倾倒变形离散元模拟

3.1 模型建立

根据资料收集显示，坝址区的河谷阶地发育有五级，见表1。为揭示坝址区右岸坡的倾倒变形比左岸坡更发育的原因，选取中坝址坝轴线右岸边坡为研究对象，采用UDEC软件建立2个二维离散元模型，即一个考虑韧性剪切和蚀变带，另一个不考虑，并模拟河谷在5次下切过程中边坡岩体的位移场变化特征，以定量地分析韧性剪切带和蚀变带对倾倒变形发育的影响。为了简化模型，仅考虑对倾倒变形体的形成具有控制性的结构面，即坝址区内总体缓倾左岸的英安岩溢流面(似层面)和陡倾的柱状节理，由于韧性剪切带中片理化现象发育，因此对剪切带和蚀变带岩体的节理进行加密处理以更符合实际，见图5。

表1 坝址区阶地及其发育特征

3.2 力学参数选取

力学参数的正确选取是进行岩土体稳定性分析的关键。根据某勘察设计研究院的现场和室内试验结果及平硐调查的裂隙发育情况，参考GB 50287—2008《水利水电工程地质勘察规范》，将抗剪参数以连通率折减综合确定各类岩体物理力学参数和结构面力学参数，具体见表2、3。

表2 岩体物理力学参数

表3 结构面力学参数

3.3 模拟结果分析

图6—8分别为不考虑韧性剪切带和蚀变带条件下河谷5次下切后的塑性区分布、X位移云和各监测点的累计位移，从图中可以得出以下结论。

a) 2种情况下卸荷带内岩体均产生了明显的塑性变形和不同程度的张拉破坏，且张拉破坏主要沿着柱状节理分布。在考虑韧性剪切带和蚀变带情况下，2个带内岩体也发生了塑性变形，特别是蚀变带的塑性变形较为明显，在浅表层的蚀变岩体更是达到了屈服极限。分析认为其原因是河谷下切过程中，应力发生调整，最大主应力逐渐转变为与坡表近平行，且最大主应力为压应力，而韧性剪切带和蚀变带内岩体相比与正常的英安岩体来说强度较低、节理裂隙更发育，因此在最大主应力的挤压下易发生压缩蠕变，当蠕变变形发展到一定程度就会引起岩体的塑性破坏。

b) 从X位移云图中可以看出，2种情况下右岸坡体均产生了明显的倾倒变形，说明坝址区存在的原生缓倾坡外的溢流面和陡倾坡内的柱状节理是产生倾倒变形的天然有利条件。具体表现为：低高程坡体浅表的柱状节理岩体在上覆岩体的推挤和自重力矩作用下，使陡倾的柱状节理张开拉裂，向临空面发生弯曲倾倒，并逐渐向中高程发展，引发上部坡体更大的倾倒变形，从而在坡体后缘产生许多拉裂缝。在倾倒变形发展过程中，带动了缓倾坡外的溢流面产生了剪胀变形，表现为沿溢流面的剪切和拉裂，从而形成了广义的卸荷裂隙[5]。

c) 比较2种情况下的X位移云图可知，虽然二者的X位移云图相似，在卸荷带内都呈带状展布，但考虑韧性剪切带和蚀变带情况下倾倒变形普遍比不考虑时大12.5%左右，最大位移在不考虑2个带时为40 m，考虑时为45 m。由于2个离散元模型除是否考虑韧性剪切带和蚀变带外，并无其他条件的不同，因此可以证明坝址区的剪切带和蚀变带对倾倒变形的形成有较大影响。

4 倾倒变形体不对称发育机理

结合野外现场地质调查和数值模拟结果，分析坝址区左右两岸倾倒变形的形成产生差异化的原因如下。

a) 坝址区广泛发育原生的缓倾左岸的似层面和陡倾右岸的柱状节理，这样的结构面组合，左岸坡体本不利于形成倾倒变形，但在河谷快速下切过程中，岸坡变得高陡，临空面也逐渐增大，坡体发生强烈卸荷回弹产生一系列与坡表近平行的卸荷裂隙。此外，在侧向卸载作用下导致应力环境的变迁，使得岸坡岩体中的各类既有结构面向临空方向扩张，同时形成了一些近乎直立的重力裂隙。卸荷裂隙与重力裂隙组合为倾倒变形的发展提供了有利条件，在岩体自重力矩作用下，促使重力裂隙拉张裂开，并在卸荷裂隙的控制下，坡体前缘向临空面发生块状倾倒。图8为该类倾倒变形的变形破坏概念模式，岸坡受大量陡倾裂隙及浅表生卸荷裂隙切割后，碎裂状、块裂状岩体在重力场为主的内外营力作用下，朝临空方向发生倾倒变形。

b) 相较于左岸坡体，右岸坡体在缓倾坡外和陡倾坡内的原生结构面组合之下为倾倒变形的发育提供了有利条件。随着河谷的下切，陡倾的柱状节理在重力弯矩作用下向临空面张拉裂开，促使缓倾坡外的英安岩溢流面发生剪胀变形，表现为沿溢流面的剪切拉裂，与此同时，坡体内最大主应力在河谷演变过程中逐渐向与坡表近平行方向发展，在最大主应力作用下，加上卸荷回弹的影响，易形成一系列与坡表近平行的拉裂缝，并追踪溢流面裂隙形成追踪型卸荷裂隙，见图9，这一过程劣化了岩体结构，在重力作用下向临空面发生块状倾倒变形，其模式与左岸的倾倒变形相似，但天然的有利条件决定了右岸的块状倾倒变形体的规模比左岸大。

c) 右岸坡体发育两条韧性剪切带，剪切带内岩体强度较低且片理化严重，同时剪切带内发育多条强蚀变带，蚀变岩体的强度更低，特别是在暴雨条件下强度剧烈下降并发生崩解。韧性剪切带和蚀变带构成了坡体的软弱基座，在上覆较坚硬英安岩体的挤压下发生压缩蠕变，上覆岩体将因为下伏软岩的蠕变而发生倾倒，并沿陡倾的柱状节理产生拉裂[6]。这一结果将使剪切带和蚀变带所承受的压力增大，产生进一步的压缩变形，当变形超过带内片理化岩体的强度时将使脆性的片理化岩体发生倾倒折断，同时又引起上覆英安岩更严重的倾倒变形。此外，发育的两条韧性剪切带分别位于坡体的低高程靠近坡脚部位和中高程部位，与所夹的英安岩形成了软硬相间的岩体结构，进一步放大了软弱基座效应，使压缩-倾倒-拉裂变形相互叠加，在这样特殊的坡体结构和复杂岩性的组合下，伴随漫长的河谷下切过程，岸坡发生大范围压缩倾倒变形。