方 强,张奇华,朱焕春,李 杨,吴述彧

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司,长沙 410008; 2.中国地质大学(武汉) 湖北巴东地质灾害国家野外科学观测站,武汉 430074; 3.加华地学(武汉)数字技术有限公司,武汉 430223; 4.中国电力建设集团 贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081)

0 引 言

藏东高原地区地处我国西部的横断山脉和三江(金沙江、澜沧江、怒江)流域,蕴藏的水能资源丰富。受青藏高原近百万年来持续隆升及河谷深切影响,该地区边坡具有形态高陡、地应力高和变形历史复杂的特征。近年来,我国水电开发项目逐渐向西藏地区转移,然而西部地区高陡的自然边坡、复杂的地质结构及强烈的构造作用为水电工程的修建带来了极大的挑战,库区岩石高边坡的稳定问题是水电工程建设成败的关键,直接影响着水力资源的开发和利用。

如美水电站坝址区位于青藏高原东南部的澜沧江中段,受印度板块持续、强烈的挤压作用,澜沧江河谷持续深切,导致坝址区岸坡岩体经历了复杂的地应力变化、强烈的改造作用以及风化作用,形成了大量碎裂松动岩体。河谷演化到近代地质历史阶段,地形改造剧烈,河谷岸坡应力变化已经对结构面变形、岩体的破碎程度产生了严重影响,促使岸坡卸荷、变形和破坏出现量变到质变的转化,直接影响岸坡的稳定性。

随着我国水利水电事业的快速发展,在西部深切河谷大型水电工程施工建设和运行初期阶段中,出现了如拉西瓦水电站果卜岸坡变形问题[1]、小湾坝基岩体开挖卸荷松弛问题[2]、白鹤滩地下厂房围岩破坏问题[3]、牙根坝址右岸拉裂松动岩体稳定问题等[4]。这些问题产生的主要原因是岩体强风化、强卸荷后形成的碎裂松动,因此对碎裂松动岩体的研究具有重要的意义。

近年来,国内外学者对碎裂松动岩体进行了一定研究。孙广忠[5]对碎裂岩体的变形参数进行了讨论。Hatzor等[6]采用DDA方法对碎裂岩体边坡动态稳定性进行了数值模拟研究。黄润秋等[7-10]结合拉西瓦等水电工程对岩体结构的表生改造进行了深入研究,全面总结了复杂岩体结构的精细描述与定量评价方法,同时也对西部高边坡的主要工程地质问题进行了总结。谢晔[11]对白鹤滩、溪洛渡水电站坝址区碎裂结构岩体的工程特性开展了研究。赵伟华等[12]研究了强震作用下的碎裂岩体崩塌机理,结果表明碎裂岩体崩塌过程可分为应力重分布、潜在崩塌体形成和地震诱发崩塌3个阶段。贾留杰[13]、刘维国[14]对牙根水电站拉裂松动岩体进行了研究,认为缓倾结构面在拉裂松动岩体形成过程中起到了主控作用。荣冠等[15]对锦屏一级水电站左岸深部裂缝发育规律进行全面分析,认为锦屏一级水电站左岸发育的深部裂缝是在特定条件下,河谷下切至某高程阶段造成边坡该高程范围局部应力集中超过岩体强度而产生岩体屈服破坏的结果。姚晔等[16]通过基底摩擦物理模型试验,研究了发育一组与岩层层面正交节理的反倾碎裂结构岩质边坡变形破坏全过程,揭示了反倾层状碎裂结构边坡破坏机制及空间受力演化规律。王梓龙等[17]以楞古水电站厂址区边坡为例对松动岩体的工程特性进行系统研究,对该边坡岩体进行了系统的分析,认为岩体破碎主要受断层及节理裂隙影响。吴述彧等[18]综合运用多种手段,系统地研究了碎裂松动岩体工程特性,并提出了碎裂松动岩体的成因是卸荷、倾倒变形及冻融等综合作用所致的观点。郑达等[19]以某水电站坝肩边坡为研究对象,通过工程地质定性分析的手段,对碎裂松动岩体的发育特征进行了研究。姚青等[20]以澜沧江某水电站坝址区碎裂松动岩体为研究对象,通过对岩质边坡现场调查,并运用数值软件模拟河谷演化和冻融循环过程,综合分析碎裂松动岩体的成因。

在现有的研究中,主要针对研究区碎裂松动岩体的工程特性和稳定性,研究碎裂松动岩体成因机制的较少。因此,本文以如美水电站坝址区碎裂松动岩体为例,在定性分析碎裂松动岩体成因机制的基础上,采用数值模拟方法,模拟河谷深切过程中,岸坡应力场和位移场的变化特征,还原碎裂松动岩体的形成演化过程,研究成果对西部山区深切河谷的基础设施的建设和运营具有参考意义。

1 工程地质条件

如美水电站坝址区岸坡地形地貌是在特定岩性和构造条件,以及近代地质历史上澜沧江水流深切侵蚀的结果。坝址区河流岸坡剖面形态总体上呈典型的V字形,两岸基本对称。岸坡坡角随高程呈现明显的变化,高程2 700 m以下坡段坡角较大(枯水位一般在高程2 620 m左右),沿河流形成高度不等的陡崖;大约在高程2 700～3 000 m区间范围内,坡角明显减小,多在40°～50°范围内,高程3 000 m以上坡角进一步变缓,多在35°左右。

坝址区岩性单一,除局部存在的第四纪松散堆积物以外,主要是印山期(三叠纪)岩浆活动形成的岩浆岩。构造地质学研究表明,坝址区岩浆活动可以划分为两个喷溢旋回:第一旋回主要为安山岩、流纹岩和英安流纹岩;第二旋回为英安岩,且将第一旋回形成的岩体包裹。印山期还包括其它侵入活动,形成花岗岩和一些基性侵入岩脉。

根据现场地质调查,碎裂松动岩体分布如图1所示,红色区域为碎裂松动岩体的分布区域,主要分布在坝址区高程2 750 m以上的区域,河谷岸坡低高程段基本没有碎裂松动岩体;右岸分布面积、规模和深度总体上大于左岸。

图1 坝址区两岸碎裂松动岩体分布Fig.1 Distribution of cataclastic loose rock mass on both banks of dam site

2 碎裂松动岩体成因定性分析

根据现场地质调查显示,如美水电站坝址区碎裂松动岩体的分布范围和松动程度随高程的增加而增大,卸荷也表现出相同的特点。虽然不同部位的碎裂松动岩体的成因存在差异,但总体与两岸的卸荷机制基本一致。

其中坝址区右岸的卸荷机制复杂、卸荷形式多样、空间变化突出,但倾倒是右岸岩体卸荷的主要形式(图2)。图3(a)所示的右岸6#冲沟下游侧的诱发型倾倒现象,清晰地观察到倾倒体和顺坡中倾结构面之间的关系。图3中红色线条标注了顺坡中倾结构面露头,该结构面倾角大于坡角,因此该结构面上盘岩体沿该结构面产生向河谷方向的推移变形时,会在该结构面尖灭处受阻,受阻部位起到抗力体(位置如图2所示)的作用。然而,坡表侧岩体的变形相对自由且变形量大而内侧岩体变形小,从而形成倾倒型变形特征。

图2 推移-错动型卸荷模式Fig.2 Push dislocation unloading mode

图3 推移-错动型卸荷现场照片Fig.3 Photos of push dislocation unloading

图3(b)中,因顺坡中倾结构面存在起伏,其上盘岩体发生向河谷方向推移变形时,会发生“爬坡”现象并导致结构面处产生脱空现象。现场观察时,从爬坡、脱空程度可以推测出上盘岩体发生了数十厘米的错动变形。

针对坝址区存在的这种特殊倾倒形式,将其定义为“推移-错动”型卸荷,采用推移描述该破裂面或变形的被动性,是上部荷载推移的结果,这与常见的“滑移-拉裂”型卸荷所具备的主动性存在性质上的差异。“错动”指后缘陡倾结构面的变形方式,与左岸张开为主不同,右岸的挤压错动特征非常普遍,地表极少观察到张开现象。

总体上,坝址区岸坡岩体卸荷形式复杂多样,根据现场调查和分析,并结合岸坡岩体卸荷分布的普遍特征及其对工程的影响程度,其中以“推移-错动”型卸荷影响范围最大,卸荷机制最为复杂。

如美水电站坝址区碎裂松动岩体是多种因素共同作用所形成的。坝址区出露的坚硬类岩石,在西部高地应力环境中,由于河谷持续的下切形成临空面破坏了原有的应力平衡,发生强烈的卸荷作用,后经强烈的风化作用,岩体沿顺坡中倾结构面推移导致下部岩体的倾倒折断。结构面的张开和折断都是碎裂松动岩体最基本的成因机制。

3 碎裂松动岩体成因模拟分析

选取地质条件复杂,碎裂松动岩体分布广泛的中坝址坝轴线地质剖面建立二维数值计算模型(见图4)。模型中,X方向距离3 750 m,Y方向高程2 300～4 000 m。模型侧面和底部均采用法向约束,地表自由。

图4 计算模型Fig.4 Computation model

如美水电站坝址区岸坡碎裂松动岩体的形成受控于河谷下切、岩体结构及地应力3个主要因素:

(1)根据坝址区河谷地形地貌特点,为模拟河谷演化的历史过程及河谷下切过程中地应力复杂的变化过程,河谷被分为7期下切到现今河谷。

(2)根据地质勘察资料,岩体中主要发育有3种不同产状的结构面,其中反坡陡倾结构面倾角取75°,顺坡陡倾结构面倾角取80°,顺坡中倾结构面倾角取45°～55°。

(3)模型边界施加梯度水平构造应力以在岩体内形成地应力场。采用应力试算法,先用重力加速度算出重力场,再在边界上施加梯度水平构造应力,然后模拟河谷下切,得到现今的二次地应力场。经过多次的试算,当在边界施加大小为0.5γh的水平构造应力时,得到的河谷现今地应力场与现场实测值较为接近,计算结果与实测结果对比见表1。

表1 地应力计算值与实测值对比Table 1 Comparison of geostress between calculation and measurement

计算采用Hoek-Brown强度准则,原因是如美水电站坝址区岸坡规模大,河谷演化过程中地应力变化复杂,该强度参数值不随围压变化,应用过程更合理。Hoek-Brown强度准则包括3个初始输入参数:地质强度指标(Geological Strength Index,GSI)、岩石单轴抗压强度(天然)以及岩石材质指标[21]。计算时取GSI为58(根据现场编录获得),相当于水电分级Ⅲ类围岩,天然岩石单轴抗压强度根据室内试验结果为140 MPa,根据Hoek方法的经验值,安山岩、英安岩及流纹岩的岩石材质指标为25。具体岩体参数取值见表2。

表2 岩体参数取值Table 2 Parameter values of rock mass

根据现场勘察和岩块及结构面的室内物理力学试验成果,确定结构面力学参数如表3所示。表3中结构面法向刚度主要用于描述张开和压缩变形响应,实际结构面因为存在充填和起伏,在挤压过程中可以出现压缩。UDEC软件计算模型中不直接模拟细小厚度和起伏高度,其压缩响应通过法向刚度取值大小体现。结构面采用库仑滑移模型。

表3 结构面参数取值Table 3 Parameter values of structural plane

3.1 河谷下切过程应力分布特征

坝址区现今地应力场是原始地应力场叠加河谷下切过程的结果,并受结构面不同发育特点反映的岩体结构特征、岩体风化卸荷的影响。

为了比较岩体结构特征对地应力分布的影响,首先建立不考虑结构面(岩体中考虑不同风化层)的计算模型。图5展示了不考虑结构面的河谷演化过程中,岸坡代表性部位最大主应力和最小主应力变化路径。1#点位于河床部位,在河谷下切过程中出现明显的应力集中,其余点都出现应力松弛现象,越靠近坡面的点应力松弛幅度越大,其中最小主应力降低最明显,最大主应力也随之衰减。

图5 代表性部位的应力路径Fig.5 Stress paths at representative sites

在不考虑结构面时,河谷下切到现阶段的最大主应力和最小主应力如图6所示。

图6 河谷下切到现阶段的主应力云图Fig.6 Principal stress contours from the valley down-cutting to the present stage

岸坡的最大主应力及最小主应力由坡表至坡里均经历先降低,然后逐渐恢复到原始应力的过程,可划分为应力松弛区及应力平稳区。右岸中上部的浅部岩体中地应力已经降低到很低的水平。即便河谷下切过程中岸坡地应力经历了剧烈的变化过程,但目前条件下岸坡中上部已处于自重地应力状态,这部分岩体的潜在变形和破坏都将受到自重的驱动,缺乏构造应力的残余条件。

与岸坡中上部位不同,河床一带出现了强烈的应力集中,形成囊状的“高应力包”(约40 MPa),使得岸坡低高程受到一定影响,这一点和文献[20]结果相似。总体而言,岸坡高程从低到高地应力水平快速衰减,反映了河谷下切导致岸坡上部应力释放强烈从而导致卸荷深度大。因此,现场观察到的卸荷现象,本质上是河谷下切过程应力释放的作用结果。

与一般工程所不同的是,如美水电站坝址区岸坡结构面发育,应力释放导致结构面变形时,一些尖灭于岸坡岩体内的结构面变形受阻,会导致这些部位应力异常变化,使得卸荷表现形式非常复杂多样。为深入研究受结构面影响的地应力异常变化和分布,以控制性顺坡中倾结构面端部的岩块为分析对象,分析局部岩体的屈服和破裂特征及岩体内应力分布特征。

模拟结果如图7所示,右岸岸坡卸荷带范围内出现局部地应力升高现象。尽管河谷下切过程中岸坡岩体地应力总体处于不断释放和降低的变化趋势,但在抗力体等部位,块体应力分布受结构面影响,受力不均匀,出现局部应力异常升高,并产生剪切破坏。

图7 考虑结构面影响的坝址右岸地应力场分布Fig.7 Stress field distribution on the right bank of dam site considering the influence of structural plane

图8为控制性结构面端部岩块内的应力云图和应力矢量图。从图8可以得出:相对于河谷下切前的初始应力状态,该块体的应力总体上表现出卸荷的特征,最大主应力和最小主应力均降低;但块体内中下部存在一定范围的应力集中,其最大主应力维持较高的水平,且块体趾部应力集中的程度更加明显。

图8 完整块体的应力云图及应力矢量图Fig.8 Contours and vectors of stress of complete block

为进一步分析完整岩块的应力集中现象,在块体内部布置4个监测点(编号为1#—4#),其中1#和2#监测点位于卸荷区,3#和4#监测点位于应力集中区(见图9)。

图9 监测点位置及最大主应力云图Fig.9 Location of monitoring points and contours of maximum principal stress

通过对比分析4个测点的应力演化路径(图10)得出:河谷下切初期,各测点的应力均表现出卸荷松弛的特征,即围压迅速降低,最大主应力基本保持不变;河谷下切后期,卸荷区测点1#和2#的最大、最小主应力均迅速降低,而应力集中区测点3#和4#最小主应力降低,但最大主应力开始上升,其中位于块体趾部的4#测点最大主应力上升最为明显。

图10 块体监测点应力演化路径Fig.10 Stress evolution path of monitoring points in blocks

由此可知,在河谷下切过程中,控制性结构面下部的块体趾部出现应力异常升高现象,应力集中水平可导致完整岩块的破裂,使块体出现典型的倾倒变形特征,形成前文定性分析的推移-错动卸荷形式。

3.2 河谷下切过程变形特征

在河谷持续下切过程中,岸坡应力发生重分布,岩体应力从高应力持续释放转化为低应力时,结构面变形对岸坡岩体变形及卸荷起到控制性的作用,形成较复杂的卸荷模式。

在不考虑任何结构面条件下,河谷下切到现阶段时右岸岸坡变形分布云图如图11(a)所示,岸坡发生较大变形的部位均位于岸坡中下部高程一带,最大位移约1.15 m,变形方向为临空面方向(见图11(b)),该变形包括岸坡岩体卸荷变形、风化导致模量降低引起变形等。

图11 不考虑结构面河谷下切到现阶岸坡位移云图和位移矢量图Fig.11 Contours and vectors of bank slope displace-ment from the valley down-cutting to the present stage without consideration of structural plane

坝址区岸坡实际的结构面间距常见7～30 cm,在数值模型中无法按实际间距建立。综合考虑坡体卸荷情况及岩体结构特征,模型中对局部岩体结构面间距加密,其余部位的结构面间距按一定比例进行放大,呈现稀疏有别,如图12所示。

图12 河谷下切到现阶段岸坡位移云图Fig.12 Contours of bank slope displacement from the valley down-cutting to the present stage

计算结果表明,综合考虑结构面的河谷下切过程中,位移较大部位位于岸坡中上部区域,岸坡位移较不考虑结构面时明显变大,最大位移约2.16 m。模拟揭示的变化特征与现实中卸荷带发育特征大体一致,反映了结构面的存在促进了变形的加大。岸坡沿上部顺坡中倾的结构面产生较大的变形,且对下部尖灭部位岩体产生了较大的推力,反坡陡倾节理倾角在河谷下切前后出现明显变化,岩体沿反坡陡倾节理出现反向错动,并在坡表形成外高内低的错台现象,清晰指示出岸坡岩体出现明显倾倒变形特征,符合典型的“推移-错动”型卸荷特征。

4 结 论

本文采用定性分析与定量模拟相结合的办法,对如美水电站坝址区碎裂松动岩体的成因机制和卸荷模式进行了分析,定量模拟较合理地解释了定性分析结果。主要研究结论如下:

(1)坝址区岸坡岩体卸荷形式复杂多样,结合岸坡岩体卸荷分布的普遍性及其对工程的影响程度,其中以推移-错动型卸荷影响范围最大,卸荷机制最为复杂。

(2)坝址区的深切河谷在河谷下切过程中,随着河谷的下切,岸坡岩体地应力发生重分布,产生二次应力场,经历主应力减小,剪应力增大,近坡表部位的岩体应力出现明显松弛卸荷现象,结构面产生较大变形,使得岩体出现松动特征,后经强烈的风化作用,形成碎裂松动岩体。

(3)河谷下切过程中,坝址区岸坡沿上部顺坡中倾的结构面产生较大的变形,且对下部尖灭部位岩体产生了较大的推力。下部抗力体以反坡陡倾结构面控制的倾倒变形占据主导性地位,反坡陡倾节理倾角在河谷下切前后出现明显变化,岩体沿反坡陡倾节理出现反向错动,并在坡表形成外高内低的错台现象,清晰指示出岸坡岩体出现明显倾倒变形特征,形成“推移-错动”型卸荷模式。