一種典型岸坡集中卸荷帶發育特征的工程地質研究

任光明 夏 敏 熊靖輝 劉 昌 張富榮 呂耀成 徐樹峰

（1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.中國水電顧問集團 西北勘測設計研究院，西安710065）

隨著中國水電站大規模的開發，在高山峽谷地區高陡岸坡內普遍發育的深部裂縫現象越來越受到重視，這些深部裂縫的分布特征、成因機理及其對工程的影響往往成為制約工程方案成立與否的關鍵性工程地質問題之一。目前諸多學者對岸坡發育深部裂縫、深部集中卸荷帶已有大量研究，并取得了一定的進展［1－6］。如黃潤秋（2001）結合錦屏水電站普斯羅溝左岸高邊坡深部裂縫形成機理的研究將深部裂縫劃分為構造型、卸荷張裂型、局部張裂型［2］；李天斌（2002）研究了金沙江溪洛渡水電站壩區岸坡深部巖體中陡傾裂隙的張裂或松弛現象［3］；伍法權、王思敬、祁生文等對錦屏普斯羅溝左岸深部裂縫變形模式及成因進行了研究［1，4，5］，認為“其是在自重應力和構造應力的復合應力場下卸荷的結果，未超出常規意義下邊坡卸荷的范疇”；陳鴻（2005）對瀑布溝水電站庫首右岸深部拉裂縫變形、深溪溝水電站深部裂縫形成機制進行了研究［6］。《水力發電工程地質勘察規范》（GB50287－2006）新提出了深卸荷，認為是一種特殊的卸荷形式，一般與岸坡正常卸荷帶之間有相對較完整的未卸荷巖體相隔，表現為深部裂縫松弛段與相對完整段相間分布、成帶發育。《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487－2008）將巖體卸荷類型劃分為正常卸荷松弛與異常卸荷松弛兩類，認為在相對完整段之內出現的深部裂隙松弛段為深卸荷帶。上述這些河谷岸坡拉裂變形多處于高山峽谷地帶，而在寬緩湖相沉積盆地的峽谷岸坡中發育深部裂縫的事例報道極少。本文結合共和盆地黃河野狐峽峽谷岸坡深部拉裂帶來分析這類寬闊盆地峽谷型岸坡深部卸荷帶的分布、特征及成因機理，這不僅對豐富和完善深部拉裂縫或深卸荷的工程地質研究具有重要的理論意義，而且對工程場址論證與選擇具有重要的指導意義。

1 基本地質條件

研究區位于共和盆地的中西部、龍羊峽電站庫尾的野狐峽峽谷部位。盆地內以分布海拔高度較高、寬度較大的湖積階地及下部不對稱的河谷谷地為特征。谷頂的海拔高度一般在3 100～3 240m，可見三級湖積階地（即三級塔拉），各級高差50～80m。黃河谷底的海拔高度一般在2 580～2 600m，最大切割深度達600m。峽谷兩岸地形陡峭，自然坡度65°～75°，局部近直立，峽谷呈“V”形對稱；岸頂海拔高度2 800～2 821m，相對河水面高差214～235m。所處野狐峽長約900m，峽谷上下游進、出口部位均為開闊盆地。

在構造部位上位于緯向構造體系秦嶺—昆侖構造帶的中段及青藏滇緬印尼“歹”字形構造體系頭部的東北緣，地質構造較為復雜。區內東西向構造較為發育，并受到南部近鄰“歹”字形構造的波及影響，形成了北東向和北西向構造。此外，部分地區河西系也有明顯反映（圖1）。根據震源機制解以及鄰近區水壓致裂地應力測試成果，區內最大主應力（σ1）方位為203°，與河流的夾角約40°。地應力場反演分析也表明，區內最大主應力值為3.73MPa，構造應力較低。

岸坡區的基巖地層主要為下二疊統巨厚—塊狀灰巖、含白云質灰巖或灰質白云巖，其與下伏下二疊統的變質長石砂巖、粉砂巖、千枚狀粉砂質板巖、千枚巖呈不整合接觸。此外，在峽谷左岸坡頂發育有一古河槽，巖性為第四系早更新統砂礫巖夾黏土巖（圖2）。區內沒有規模較大的區域性斷裂構造，發育的小規模斷層，以產狀為NE20°～50°SE∠70°～80°和 NW330°～350°NE∠70°～80°兩組較發育；岸坡區緩傾結構面較發育，且延伸性較好，傾角一般為12°～24°。這些斷層、節理裂隙的發育為岸坡巖體的卸荷奠定了基礎。

2 岸坡集中卸荷帶的基本特征

2.1 集中卸荷帶的分布特征

據勘探平洞揭露，岸坡深部發育了大量集中拉裂帶（表1），分布海拔高度介于2 520～2 650 m；水平深度上，左岸為40～90m，右岸為40～60m，拉裂縫張開度一般＜5cm、局部達20～30 cm，集中拉裂帶所處部位為強卸荷巖體。岸坡深部發育這種強卸荷巖體有異于正常岸坡的卸荷分帶現 象［7－10］。在2 668m 海 拔 高 度 以 上 平 洞PD3、PD4、PD14、PD15揭示的中上部岸坡巖體，卸荷分帶符合正常岸坡巖體的卸荷規律，表部0～25m為強卸荷，25～55m為弱卸荷，55m洞深以內過渡至微卸荷；該海拔高度以下岸坡表部強卸荷不明顯，以弱卸荷為主，但岸坡一定深度內發育了一系列以深部拉裂縫為特征的強卸荷巖體，表現為集中卸荷的特征。通過定性以及定量方法劃分的岸坡巖體卸荷分帶特征如表2，剖面如圖3。

圖1 研究區區域地質構造圖Fig.1 Map of the regional geological structures in study area

圖2 野狐峽岸坡工程地質剖面圖Fig.2 Map of the engineering geology profile of the Yehuxia slope

表1 野狐峽岸坡巖體集中拉裂縫發育特征Table 1 The distribution of deep cracks in the studied slope

2.2 集中卸荷帶內巖體拉裂變形特征

集中拉裂帶最直觀的表現是發育了大量的張性拉裂縫，且較為集中發育，張開度大，上窄下寬、近垂直密集分布于一定的洞段，形狀不規則，有的呈階梯形、弧形，有的呈尖滅狀，有的呈密集型簇狀，甚至有的呈雁列狀展布；裂隙面多起伏、粗糙；拉裂縫內無充填或充填少量巖屑、巖塊或泥質，部分拉裂縫兩側巖體由于受溶蝕作用影響，多覆蓋鈣膜，有的發育有方解石晶體。總體上深部拉裂縫具有方向顯著性及受結構面發育控制等特征。

表2 野狐峽岸坡巖體卸荷分帶特征Table 2 Characteristics of unloading in study area

圖3 野狐峽岸坡巖體的卸荷特征剖面Fig.3 Exploration cross section of unloading zone

2.2.1 顯著的方向特征

對岸坡左、右岸集中拉裂帶拉裂縫發育的優勢方位統計如圖4。

由圖4可見，拉裂縫發育的方向，左岸：①NE78°～88°SE∠70°～80°；② NE 52°～61°NW∠68°～76°。右岸：① NE80°～89°SE∠64°～76°；② NE54°～63°NW∠75°～83°；③ NE44°～49°SE∠70°～75°。顯然，集中卸荷帶拉張裂縫的方向總體為 NE78°～89°SE∠60°～80°，NE50°～65°NW∠65°～85°，即拉裂縫總體陡傾坡內或坡外，顯示出較好的一致性。

2.2.2 集中拉裂帶巖體拉裂變形受結構面的控制

集中拉裂帶內巖體相對較破碎，拉裂縫發育，且主要受不同規模的結構面控制，多沿斷層、裂隙（或密集節理帶）發育，類型有卸荷張裂型、構造剪脹型。

a.卸荷張裂型

卸荷張裂型拉裂縫呈張開、松弛狀，多無充填物或局部不連續充填，膠結差或無膠結。根據其受控結構面類型分為沿斷層卸荷拉張型、沿長大裂隙卸荷拉張型、沿裂隙密集帶卸荷拉張型。

①沿斷層發育卸荷張裂型拉裂縫特征

沿斷層發育的集中卸荷拉裂縫走向多為NE30°～75°、傾向為SE，傾角一般在50°～80°之間（表3），基本為陡傾型；張開度一般較大，規模大的可達25～35cm，巖體多呈架空或相對較破碎，多無充填或局部充填，充填物多為巖塊、巖屑，且多見黑色溶蝕物質，一般膠結較差或無膠結。這些拉裂縫是在早期斷層的基礎上，在岸坡形成過程中進一步卸荷松動、拉裂的結果。

②沿長大裂隙發育的卸荷張裂拉裂縫特征

該類卸荷張裂型拉裂縫總體走向為NE、傾向SE或NW，傾角多為60°～80°，為陡傾型，左右兩岸平洞內均有發育（表4）；拉裂縫張開度一般＜5cm，局部達20～30cm；充填物多為巖塊、巖屑及方解石脈。

表3 沿斷層發育的卸荷張裂型拉裂縫特征Table 3 Characteristics of the tensile cracks along the fault

表4 沿長大裂隙發育的卸荷張裂拉裂縫特征Table 4 Tensile cracks along discontinuities

圖4 集中卸荷帶張裂縫等密圖Fig.4 Isopycnic graph of deep cracks

③ 沿裂隙密集帶發育的卸荷張裂型拉裂縫

沿裂隙密集帶發育的卸荷張裂型拉裂縫在PD6平洞38～56m段表現得最為明顯（表5），該洞段裂隙較發育，且明顯呈張開狀，局部充填巖塊、巖屑，裂隙面上可見黑色鈣膜狀物質，局部可見有黃色次生泥質。在PD7平洞的38～45m段，裂隙也相對較發育，此段內裂隙呈不連續分布，中間可見相對完整巖體，在裂隙密集帶巖體較為破碎，多架空，且多處有溶蝕物充填于裂隙之內。

表5 沿裂隙密集帶發育的卸荷張裂型拉裂縫Table 5 Tensile cracks along concentrated zone of joints

b.構造剪脹型裂縫特征

此類拉裂縫主要是早期構造錯動形成的（表6），其張開段沿結構面呈串珠狀分布或局部見于三壁，存在著嵌合緊密的閉合段。這類深拉裂縫因形成時代較早、發育數量相對較少，且與壩址區內斷層優勢方向具有良好的一致性。

綜上，岸坡巖體集中拉裂帶總體走向為NE、傾向多為SE或NW，主要受中、陡傾型斷層、裂隙等結構面控制，多追蹤NE 20°～50°SE∠70°～80°這一組結構面發育，是繼承了原有斷層、長大裂隙或裂隙密集帶發育形成；構造型剪脹型拉裂縫則是早期構造運動形成的，多存在嵌合緊密特征。

表6 構造剪脹型裂縫特征Table 6 Tectonic shear dilation cracks

3 集中卸荷帶的成因機制分析

構成岸坡的巖性主要為巨厚—塊狀灰巖，其與變質長石砂巖、粉砂巖、千枚狀粉砂質板巖、千枚巖呈不整合接觸，可溶的灰巖地層被非可溶巖所包圍（圖5）。在這樣的環境條件下，歷次構造運動作用有利于應力向較堅硬的灰巖內集中，利于能量積累，因而，灰巖內斷裂等結構面較發育，巖體較破碎，完整性較差。

圖5 研究區灰巖的分布特征Fig.5 The distribution character of the limestone in study area

黃河河谷的形成與青藏高原抬升過程的多期性密切相關。據李吉均等［11，12］研究，青藏高原主夷平面形成的上限年齡為距今3.6Ma，臨夏盆地新生代湖相沉積結束，青藏運動開始，分為A（3.6 Ma B.P.）、B（2.6Ma B.P.）和C（1.7Ma B.P.）3幕：A幕現代亞洲季風形成，B幕黃土開始堆積，C幕黃河出現。中更新世末期（約0.15Ma B.P.）［13－16］，共和運動開始，共和盆地區開始抬升，在盆地中出現了古黃河，并發育了3級寬闊的古黃河階地，切穿了龍羊峽，造成青海湖孤立；而30ka B.P.時期的華西運動切開貴南南山，形成現今的野狐峽。黃河羊曲西岸保存了完好的3級河流階地地貌，實測T3、T2時間分別為（33.8±2.2）ka B.P.，（26.3±1.3）ka B.P.，這也說明黃河可能是在其最高一級階地即T3階地堆積期間才出現于羊曲以南的貴南南山峽谷地帶。因此，該河段可能是在30ka B.P.左右河流下切形成的。區域分析表明，在野狐峽形成前，該區主要為湖相沉積，在湖盆形成過程中，野狐峽附近下部較堅硬的灰巖經歷了垂向的卸荷型淺生時效構造作用，因而，灰巖中緩傾結構面較發育。在這些緩傾結構面以及坡體內陡傾結構面的共同作用下，為早期喀斯特以及喀斯特充填物發育創造了滲流條件，如PD3平洞的支洞中充填具層理半膠結砂巖（圖6）。測試資料也表明，坡體內這些緩傾角結構面的形成主要與盆地形成過程中的中、下部巖體的垂直卸荷有關，形成時間為0.228～0.350 Ma B.P.。

圖6 PD3支洞口沉積的具層理半膠結砂巖Fig.6 Sandstone with bedding and part cementation located in branch adit of PD3

晚更新世晚期以后，河流下切形成現今河谷形態。伴隨岸坡巖體向臨空方向發生卸荷回彈過程，坡體在已有緩傾結構面沿河谷臨空方向產生蠕滑變形；伴隨變形的發展，在斷層、裂隙或裂隙密集帶發育部位，變形追蹤陡傾斷層、裂隙或裂隙密集帶發生拉裂破壞，因而在坡體內斷層、裂隙或裂隙密集帶發育部位，巖體拉裂變形明顯。綜合上述分析，本文研究的河段岸坡的集中卸荷是在河谷岸坡形成過程中，伴隨斜坡應力的釋放，在原有構造結構面基礎上由于巖體淺表生構造作用形成的產物。

4 結論

本文對寬闊盆地中陡立的黃河野狐峽岸坡集中拉裂帶的發育特征及成因機理進行的分析結果表明，集中拉裂帶具方向顯著性及受斷層、裂隙等結構面發育控制等特征；結合研究區地質條件及河谷演化特征的綜合分析，認為岸坡集中拉裂帶仍屬岸坡卸荷的范疇，是河谷岸坡形成過程中，伴隨邊坡應力的釋放，在原有構造結構面基礎上形成的淺表生改造的產物。

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