澜沧江某水电站近坝库岸岩体倾倒变形的成因机制

鲍杰，李渝生，曹广鹏，王洁

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

澜沧江某水电站近坝库岸岩体倾倒变形的成因机制

鲍杰，李渝生，曹广鹏，王洁

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

该倾倒变形的发育特征较复杂，其内部、底界和后缘深部的变形破坏类型分别为“倾倒蠕变”、“倾倒滑移”和“倾倒弯折”。岩体倾倒变形的形成与演变经历了4个阶段：卸荷回弹－倾倒蠕变，层内拉张－切层张剪破裂，弯曲－折断变形破裂和底部滑移－后缘深部折断面贯通破坏。

倾倒变形；发育特征；成因机制；演化过程

1 引言

该倾倒变形体发育于澜沧江上游某水电站坝址区上游侧近坝库岸，距离坝址约800m，变形体垂向分布范围1 480～1 830m高程，宽度约400～500 m，水平发育深度约28～200m，总体积约1.18×107m3。地貌单元上属澜沧江上游中高山深切河谷地貌。河谷总体上呈NNE－SSW向，在坝址区河段局部转为NEE－SWW向。

变形体地层主要为三叠系上统变质火山角砾岩夹片理化变质凝灰岩（T3xd8）、侏罗系中统花开左组板状－千枚状变质泥质板岩（J2h1）及第四系沉积，层状岩体产生向坡外及冲沟等临空面的倾倒变形。变形体岩层倾角总体约30°～45°，岩体破碎，裂隙普遍张开，岩块间架空不明显，总体呈镶嵌状。钻孔揭露变形体底部岩芯呈散体状，岩层倾角由30°～40°突变为70°～80°。倾倒变形体底部与下伏基岩之间的折断面已基本贯通。倾倒变形体以上板岩（J2h）斜坡，普遍发生倾倒蠕变，地表岩层倾角约10°～40°，向坡体内部逐渐变陡，节理裂隙张开不明显。据现场调查，蠕变岩体的发育深度相对较小，底界水平埋深一般约20～50m。

由于倾倒变形体地层及片理走向与坡面近于平行，倾向坡内。这种陡倾角反向坡结构，有利于斜坡岩体倾倒变形的发生与发展，将对坝址处的工程安全产生较大影响。

2 倾倒变形岩体的发育特征

倾倒变形体的变形破裂现象较为复杂，其内部、底界及后缘深部等部位的变形特征不尽相同。归纳起来有“倾倒蠕变”、“倾倒－弯折”及“滑移－倾倒”等3种基本类型［1］（表1）。

2.1 变形岩体内部的倾倒蠕变

变形体内部的陡倾板、片状岩体在重力弯矩作用下，坡体前缘向临空方向发生重力倾倒，并逐渐向坡内连续发展，岩体内部沿早期构造成因的片理面发生薄层之间的剪切蠕滑错动［2］。由于倾倒受控于薄层间的相互位错变形，故表现为岩层依次连续倾倒，无倾角突变现象，其力学性质应属塑性连续变形类型（图2）。

表1 倾倒变形体的变形破裂类型Table 1 Deformation－rupture types for the toppling mass

图1 倾倒变形体平面图Fig.1 Plane view of the toppling mass

图2 变形体内部的倾倒蠕变（PD227勘硐73～99m）Fig.2 Toppling creep in the interior（prospecting adit PD227 73～99m）

这类变形发展到一定程度时，被限制在软弱岩带之间的相对硬质岩板发生明显的张性破裂（图3（a）），这类变形张性破裂一般不切层发展。随着倾倒蠕变的进一步发展，岩体内逐渐产生缓倾坡外的张性剪切破裂，并表现出显著的切层发展特征（图3（b））。

图3 变形体内部变形情况（PD207）Fig.3 Internal deformation of the deformation mass（PD207）

2.2 变形体底界“倾倒－滑移”变形

PD217平硐揭露了变形体底界受F217－3断裂控制的“倾倒－滑移”变形发育情况（图4）。硐深45～49m处作为变形体底部滑移边界的F217－3断裂，断面倾向滑移擦痕清晰，破碎带物质松散呈软塑状、岩脉挤压碎裂（图5）。随着斜坡下部岩体倾倒变形的加剧，岩体在重力弯矩作用下沿底部F217－3断裂发生倾倒－滑移复合型变形［3］。

图4 变形体底界F217－3断裂（PD217，39～53m）Fig.4 Fracture F217－3at the base of the deformation mass（PD217，39～53m）

图5 倾倒变形体下部滑移变形控制面（F217－3断裂）Fig.5 Control surface of slipping deformation of the base of the toppling mass（Fracture F217－3）

图6 倾倒变形体后缘深部倾倒弯折带Fig.6 Toppling bend belt at the deep back of the toppling mass

2.3 变形体后缘深部“倾倒－弯折”变形

在变形体后缘深部底界附近，陡倾薄层岩体在重力弯矩作用下，向临空方向发生悬臂梁式弯曲变形。这类变形的岩层若未出现不连续破裂现象，则力学性质仍属塑性连续变形范畴。但若重力弯矩的作用强度较大或处于硬质岩部位，弯曲部位局部出现张剪性破裂，形成斜切“梁板”、倾向坡外、断续延展的张剪性破裂带（图6），力学属性为不连续脆性破裂［4］。

3 岩体倾倒变形的形成机制与演化过程

3.1 岩体倾倒变形模式

上述研究成果表明，倾倒变形体具有较为独特的复杂变形特征。变形体底部沿F217－3断层带发生倾倒－剪切滑移，上部岩体产生较为强烈的倾倒－弯曲变形、或折断破裂。变形的形成过程与发展程度，主要受控于底部F217－3断层带的剪切滑移状况。

这种较为特殊的下部倾倒－剪切滑移、上部倾倒－弯曲（局部折断）复合式倾倒变形，可定义为受底部滑移变形控制的“倾倒滑移－弯折”型变形模式［1，5，6］。

3.2 倾倒变形成因机制及发展演化过程

斜坡岩体倾倒破裂的形成与演变过程总体上经历了4个发展阶段，各阶段变形破裂有着不同的成因和特征变形现象。

（1）卸荷回弹－倾倒蠕变发展阶段

在河谷下切、岩体卸荷－倾倒变形发展的初期，陡倾坡内的薄层或板状岩体在卸荷回弹和自重弯矩的共同作用下，开始向临空方向发生悬臂梁式倾倒，变形由坡体浅表部逐渐向深部发展（图7（a））。

（2）层内拉张、切层张剪破裂发展阶段

随着岩体倾倒变形的进一步发展，底部滑移控制面F217－3开始发生倾向剪切位移。受此影响，前期已经发生倾倒变形的板状岩体在重力弯矩和底部剪切滑移的共同作用下，“悬臂梁”式倾倒变形加速发展。同时层内拉张效应渐趋强烈，错动面之间的岩板承受拉张应力逐步累积增加，产生拉张破裂或沿已有结构面发生拉张变形（图7（b、c））。

图7 不同倾倒变形程度岩体的破裂形式及力学机制Fig.7 Rupture forms and mechanical mechanisms of varying degrees of toppling rock masses

（3）弯曲－折断变形破裂发展阶段

随着岩体倾倒变形的持续发展，当作用于岩板根部的力矩超过该部位的抗弯折强度时，沿最大弯折带形成倾向坡外的断续变形破裂带（图8）。该破裂面已经开始发展成为控制坡体稳定的张－剪应力集中带［6，7］。此阶段层间岩板继续承受拉张作用，剪切效应逐渐增强。破裂形式转变为沿已有的缓倾角节理发生张剪性破裂或倾滑剪切位移，持续发展必然切层。

图8 弯曲－折断变形破裂发展阶段Fig.8 Stage of bend－fracture deformation rupture

（4）底部滑移－后缘深部折断面贯通破坏阶段

经过倾倒－弯折变形发展阶段后，倾倒变形已相当强烈。岩板根部的折断破裂面将持续发展并与后缘拉裂贯通（图9），形成统一的张剪性破坏面。此阶段，受这类倾向坡外的破裂面控制的持续倾倒变形，实际上已整体转为“滑移－拉裂”型变形破坏［6，7］。

4 结论

电站工程区地处西南地区著名的“三江构造带”的中段，地质构造及近现代断裂活动情况较为复杂。西南地区工程建设中顺层岩质斜坡的板状反倾岩体的倾倒变形问题是一个极其重要的工程地质问题。这类变形破坏的发育规模通常受特殊的工程地质——岩体力学边界条件、顺向河谷地形及陡倾坡内的似层状及板片状岩体结构等三方面因素控制，斜坡岩体的稳定性较差，斜坡地质灾害严重发育，变形体对坝址区的工程建设将产生较大影响。因此对其成因控制条件、破坏形式及形成机制的研究具有重要的工程意义。

图9 折断面贯通破裂发展阶段Fig.9 Stage of fracture surface joint failure

（1）变形体的倾倒变形破裂现象较为复杂。变形体内部、底界及后缘深部的变形类型不尽相同。归纳起来斜坡岩体倾倒变形主要有岩体内部的倾倒蠕变、变形体底界的“倾倒－滑移”变形及变形体后缘深部“倾倒－弯折”变形3种类型。

（2）倾倒变形体独特的变形特征主要表现为底部沿F217－2断裂面发生倾倒剪切滑移变形，斜坡岩体产生较为强烈的倾倒弯、折变形或破裂。变形的形成过程与发展程度，受控于底部F217－1断裂的剪切位移状况。倾倒变形体的形成与演变过程经历了卸荷回弹－倾倒蠕变发展，层内拉张、切层张剪破裂发展，弯曲、折断变形破裂发展，底部滑移－后缘深部折断面贯通破坏4个发展阶段。

［1］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理（2版）［M］.北京：地质出版社，1994.

［2］任光明，聂德新，刘高.反倾向岩质斜坡变形破坏特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（增刊）；2707－2710.

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［5］韩贝传，王思敬.边坡倾倒变形的形成机制与影响因素分析［J］.工程地质学报，1999，7（3）：213－217.

［6］李玉倩，李渝生，杨晓芳.某水电站边坡倾倒变形破坏模式及形成机制探讨［J］.水利与建筑工程学报，2008，6（3）：39－46.

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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

鲍杰（1985－ ），男，（汉族），辽宁鞍山人，硕士研究生，主要从事地质工程研究。