瀾滄江某水電站近壩庫岸巖體傾倒變形的成因機制

鮑杰，李渝生，曹廣鵬，王潔

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點試驗室，成都 610059）

瀾滄江某水電站近壩庫岸巖體傾倒變形的成因機制

鮑杰，李渝生，曹廣鵬，王潔

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點試驗室，成都 610059）

該傾倒變形的發育特征較復雜，其內部、底界和后緣深部的變形破壞類型分別為“傾倒蠕變”、“傾倒滑移”和“傾倒彎折”。巖體傾倒變形的形成與演變經歷了4個階段：卸荷回彈－傾倒蠕變，層內拉張－切層張剪破裂，彎曲－折斷變形破裂和底部滑移－后緣深部折斷面貫通破壞。

傾倒變形；發育特征；成因機制；演化過程

1 引言

該傾倒變形體發育于瀾滄江上游某水電站壩址區上游側近壩庫岸，距離壩址約800m，變形體垂向分布范圍1 480～1 830m高程，寬度約400～500 m，水平發育深度約28～200m，總體積約1.18×107m3。地貌單元上屬瀾滄江上游中高山深切河谷地貌。河谷總體上呈NNE－SSW向，在壩址區河段局部轉為NEE－SWW向。

變形體地層主要為三疊系上統變質火山角礫巖夾片理化變質凝灰巖（T3xd8）、侏羅系中統花開左組板狀－千枚狀變質泥質板巖（J2h1）及第四系沉積，層狀巖體產生向坡外及沖溝等臨空面的傾倒變形。變形體巖層傾角總體約30°～45°，巖體破碎，裂隙普遍張開，巖塊間架空不明顯，總體呈鑲嵌狀。鉆孔揭露變形體底部巖芯呈散體狀，巖層傾角由30°～40°突變為70°～80°。傾倒變形體底部與下伏基巖之間的折斷面已基本貫通。傾倒變形體以上板巖（J2h）斜坡，普遍發生傾倒蠕變，地表巖層傾角約10°～40°，向坡體內部逐漸變陡，節理裂隙張開不明顯。據現場調查，蠕變巖體的發育深度相對較小，底界水平埋深一般約20～50m。

由于傾倒變形體地層及片理走向與坡面近于平行，傾向坡內。這種陡傾角反向坡結構，有利于斜坡巖體傾倒變形的發生與發展，將對壩址處的工程安全產生較大影響。

2 傾倒變形巖體的發育特征

傾倒變形體的變形破裂現象較為復雜，其內部、底界及后緣深部等部位的變形特征不盡相同。歸納起來有“傾倒蠕變”、“傾倒－彎折”及“滑移－傾倒”等3種基本類型［1］（表1）。

2.1 變形巖體內部的傾倒蠕變

變形體內部的陡傾板、片狀巖體在重力彎矩作用下，坡體前緣向臨空方向發生重力傾倒，并逐漸向坡內連續發展，巖體內部沿早期構造成因的片理面發生薄層之間的剪切蠕滑錯動［2］。由于傾倒受控于薄層間的相互位錯變形，故表現為巖層依次連續傾倒，無傾角突變現象，其力學性質應屬塑性連續變形類型（圖2）。

表1 傾倒變形體的變形破裂類型Table 1 Deformation－rupture types for the toppling mass

圖1 傾倒變形體平面圖Fig.1 Plane view of the toppling mass

圖2 變形體內部的傾倒蠕變（PD227勘硐73～99m）Fig.2 Toppling creep in the interior（prospecting adit PD227 73～99m）

這類變形發展到一定程度時，被限制在軟弱巖帶之間的相對硬質巖板發生明顯的張性破裂（圖3（a）），這類變形張性破裂一般不切層發展。隨著傾倒蠕變的進一步發展，巖體內逐漸產生緩傾坡外的張性剪切破裂，并表現出顯著的切層發展特征（圖3（b））。

圖3 變形體內部變形情況（PD207）Fig.3 Internal deformation of the deformation mass（PD207）

2.2 變形體底界“傾倒－滑移”變形

PD217平硐揭露了變形體底界受F217－3斷裂控制的“傾倒－滑移”變形發育情況（圖4）。硐深45～49m處作為變形體底部滑移邊界的F217－3斷裂，斷面傾向滑移擦痕清晰，破碎帶物質松散呈軟塑狀、巖脈擠壓碎裂（圖5）。隨著斜坡下部巖體傾倒變形的加劇，巖體在重力彎矩作用下沿底部F217－3斷裂發生傾倒－滑移復合型變形［3］。

圖4 變形體底界F217－3斷裂（PD217，39～53m）Fig.4 Fracture F217－3at the base of the deformation mass（PD217，39～53m）

圖5 傾倒變形體下部滑移變形控制面（F217－3斷裂）Fig.5 Control surface of slipping deformation of the base of the toppling mass（Fracture F217－3）

圖6 傾倒變形體后緣深部傾倒彎折帶Fig.6 Toppling bend belt at the deep back of the toppling mass

2.3 變形體后緣深部“傾倒－彎折”變形

在變形體后緣深部底界附近，陡傾薄層巖體在重力彎矩作用下，向臨空方向發生懸臂梁式彎曲變形。這類變形的巖層若未出現不連續破裂現象，則力學性質仍屬塑性連續變形范疇。但若重力彎矩的作用強度較大或處于硬質巖部位，彎曲部位局部出現張剪性破裂，形成斜切“梁板”、傾向坡外、斷續延展的張剪性破裂帶（圖6），力學屬性為不連續脆性破裂［4］。

3 巖體傾倒變形的形成機制與演化過程

3.1 巖體傾倒變形模式

上述研究成果表明，傾倒變形體具有較為獨特的復雜變形特征。變形體底部沿F217－3斷層帶發生傾倒－剪切滑移，上部巖體產生較為強烈的傾倒－彎曲變形、或折斷破裂。變形的形成過程與發展程度，主要受控于底部F217－3斷層帶的剪切滑移狀況。

這種較為特殊的下部傾倒－剪切滑移、上部傾倒－彎曲（局部折斷）復合式傾倒變形，可定義為受底部滑移變形控制的“傾倒滑移－彎折”型變形模式［1，5，6］。

3.2 傾倒變形成因機制及發展演化過程

斜坡巖體傾倒破裂的形成與演變過程總體上經歷了4個發展階段，各階段變形破裂有著不同的成因和特征變形現象。

（1）卸荷回彈－傾倒蠕變發展階段

在河谷下切、巖體卸荷－傾倒變形發展的初期，陡傾坡內的薄層或板狀巖體在卸荷回彈和自重彎矩的共同作用下，開始向臨空方向發生懸臂梁式傾倒，變形由坡體淺表部逐漸向深部發展（圖7（a））。

（2）層內拉張、切層張剪破裂發展階段

隨著巖體傾倒變形的進一步發展，底部滑移控制面F217－3開始發生傾向剪切位移。受此影響，前期已經發生傾倒變形的板狀巖體在重力彎矩和底部剪切滑移的共同作用下，“懸臂梁”式傾倒變形加速發展。同時層內拉張效應漸趨強烈，錯動面之間的巖板承受拉張應力逐步累積增加，產生拉張破裂或沿已有結構面發生拉張變形（圖7（b、c））。

圖7 不同傾倒變形程度巖體的破裂形式及力學機制Fig.7 Rupture forms and mechanical mechanisms of varying degrees of toppling rock masses

（3）彎曲－折斷變形破裂發展階段

隨著巖體傾倒變形的持續發展，當作用于巖板根部的力矩超過該部位的抗彎折強度時，沿最大彎折帶形成傾向坡外的斷續變形破裂帶（圖8）。該破裂面已經開始發展成為控制坡體穩定的張－剪應力集中帶［6，7］。此階段層間巖板繼續承受拉張作用，剪切效應逐漸增強。破裂形式轉變為沿已有的緩傾角節理發生張剪性破裂或傾滑剪切位移，持續發展必然切層。

圖8 彎曲－折斷變形破裂發展階段Fig.8 Stage of bend－fracture deformation rupture

（4）底部滑移－后緣深部折斷面貫通破壞階段

經過傾倒－彎折變形發展階段后，傾倒變形已相當強烈。巖板根部的折斷破裂面將持續發展并與后緣拉裂貫通（圖9），形成統一的張剪性破壞面。此階段，受這類傾向坡外的破裂面控制的持續傾倒變形，實際上已整體轉為“滑移－拉裂”型變形破壞［6，7］。

4 結論

電站工程區地處西南地區著名的“三江構造帶”的中段，地質構造及近現代斷裂活動情況較為復雜。西南地區工程建設中順層巖質斜坡的板狀反傾巖體的傾倒變形問題是一個極其重要的工程地質問題。這類變形破壞的發育規模通常受特殊的工程地質——巖體力學邊界條件、順向河谷地形及陡傾坡內的似層狀及板片狀巖體結構等三方面因素控制，斜坡巖體的穩定性較差，斜坡地質災害嚴重發育，變形體對壩址區的工程建設將產生較大影響。因此對其成因控制條件、破壞形式及形成機制的研究具有重要的工程意義。

圖9 折斷面貫通破裂發展階段Fig.9 Stage of fracture surface joint failure

（1）變形體的傾倒變形破裂現象較為復雜。變形體內部、底界及后緣深部的變形類型不盡相同。歸納起來斜坡巖體傾倒變形主要有巖體內部的傾倒蠕變、變形體底界的“傾倒－滑移”變形及變形體后緣深部“傾倒－彎折”變形3種類型。

（2）傾倒變形體獨特的變形特征主要表現為底部沿F217－2斷裂面發生傾倒剪切滑移變形，斜坡巖體產生較為強烈的傾倒彎、折變形或破裂。變形的形成過程與發展程度，受控于底部F217－1斷裂的剪切位移狀況。傾倒變形體的形成與演變過程經歷了卸荷回彈－傾倒蠕變發展，層內拉張、切層張剪破裂發展，彎曲、折斷變形破裂發展，底部滑移－后緣深部折斷面貫通破壞4個發展階段。

［1］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理（2版）［M］.北京：地質出版社，1994.

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GENETIC MECHANISM OF THE TOPPLING DEFORMATION NEAR THE DAM OF A HYDROPOWER STATION ON LANCANG RIVER

Bao Jie，Li Yu－sheng，Cao Guang－peng，Wang Jie
（State Key Laboratory of Geo－hazard Prevention and Geo－environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

The deformation presents complex development characteristics as the deformation types of its interior，base boundary and back edge are respectively“toppling－creep”，“slip－toppling”and“toppling－bend/fracture”.It passes four evolution stages like unloading rebound～toppling creep，extension within layers－strain－shear rupture，bend－fracture deformation rupture and bottom slip－joint failure of deep back edge fracture surface.

toppling deformation；development characteristics；genetic mechanism；evolution

P642；TU457

A

1006－4362（2011）03－0047－05

2011－05－17 改回日期：2011－07－28

鮑杰（1985－ ），男，（漢族），遼寧鞍山人，碩士研究生，主要從事地質工程研究。