一种典型岸坡集中卸荷带发育特征的工程地质研究

任光明 夏 敏 熊靖辉 刘 昌 张富荣 吕耀成 徐树峰

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中国水电顾问集团 西北勘测设计研究院，西安710065）

随着中国水电站大规模的开发，在高山峡谷地区高陡岸坡内普遍发育的深部裂缝现象越来越受到重视，这些深部裂缝的分布特征、成因机理及其对工程的影响往往成为制约工程方案成立与否的关键性工程地质问题之一。目前诸多学者对岸坡发育深部裂缝、深部集中卸荷带已有大量研究，并取得了一定的进展［1－6］。如黄润秋（2001）结合锦屏水电站普斯罗沟左岸高边坡深部裂缝形成机理的研究将深部裂缝划分为构造型、卸荷张裂型、局部张裂型［2］；李天斌（2002）研究了金沙江溪洛渡水电站坝区岸坡深部岩体中陡倾裂隙的张裂或松弛现象［3］；伍法权、王思敬、祁生文等对锦屏普斯罗沟左岸深部裂缝变形模式及成因进行了研究［1，4，5］，认为“其是在自重应力和构造应力的复合应力场下卸荷的结果，未超出常规意义下边坡卸荷的范畴”；陈鸿（2005）对瀑布沟水电站库首右岸深部拉裂缝变形、深溪沟水电站深部裂缝形成机制进行了研究［6］。《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287－2006）新提出了深卸荷，认为是一种特殊的卸荷形式，一般与岸坡正常卸荷带之间有相对较完整的未卸荷岩体相隔，表现为深部裂缝松弛段与相对完整段相间分布、成带发育。《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487－2008）将岩体卸荷类型划分为正常卸荷松弛与异常卸荷松弛两类，认为在相对完整段之内出现的深部裂隙松弛段为深卸荷带。上述这些河谷岸坡拉裂变形多处于高山峡谷地带，而在宽缓湖相沉积盆地的峡谷岸坡中发育深部裂缝的事例报道极少。本文结合共和盆地黄河野狐峡峡谷岸坡深部拉裂带来分析这类宽阔盆地峡谷型岸坡深部卸荷带的分布、特征及成因机理，这不仅对丰富和完善深部拉裂缝或深卸荷的工程地质研究具有重要的理论意义，而且对工程场址论证与选择具有重要的指导意义。

1 基本地质条件

研究区位于共和盆地的中西部、龙羊峡电站库尾的野狐峡峡谷部位。盆地内以分布海拔高度较高、宽度较大的湖积阶地及下部不对称的河谷谷地为特征。谷顶的海拔高度一般在3 100～3 240m，可见三级湖积阶地（即三级塔拉），各级高差50～80m。黄河谷底的海拔高度一般在2 580～2 600m，最大切割深度达600m。峡谷两岸地形陡峭，自然坡度65°～75°，局部近直立，峡谷呈“V”形对称；岸顶海拔高度2 800～2 821m，相对河水面高差214～235m。所处野狐峡长约900m，峡谷上下游进、出口部位均为开阔盆地。

在构造部位上位于纬向构造体系秦岭—昆仑构造带的中段及青藏滇缅印尼“歹”字形构造体系头部的东北缘，地质构造较为复杂。区内东西向构造较为发育，并受到南部近邻“歹”字形构造的波及影响，形成了北东向和北西向构造。此外，部分地区河西系也有明显反映（图1）。根据震源机制解以及邻近区水压致裂地应力测试成果，区内最大主应力（σ1）方位为203°，与河流的夹角约40°。地应力场反演分析也表明，区内最大主应力值为3.73MPa，构造应力较低。

岸坡区的基岩地层主要为下二叠统巨厚—块状灰岩、含白云质灰岩或灰质白云岩，其与下伏下二叠统的变质长石砂岩、粉砂岩、千枚状粉砂质板岩、千枚岩呈不整合接触。此外，在峡谷左岸坡顶发育有一古河槽，岩性为第四系早更新统砂砾岩夹黏土岩（图2）。区内没有规模较大的区域性断裂构造，发育的小规模断层，以产状为NE20°～50°SE∠70°～80°和 NW330°～350°NE∠70°～80°两组较发育；岸坡区缓倾结构面较发育，且延伸性较好，倾角一般为12°～24°。这些断层、节理裂隙的发育为岸坡岩体的卸荷奠定了基础。

2 岸坡集中卸荷带的基本特征

2.1 集中卸荷带的分布特征

据勘探平洞揭露，岸坡深部发育了大量集中拉裂带（表1），分布海拔高度介于2 520～2 650 m；水平深度上，左岸为40～90m，右岸为40～60m，拉裂缝张开度一般＜5cm、局部达20～30 cm，集中拉裂带所处部位为强卸荷岩体。岸坡深部发育这种强卸荷岩体有异于正常岸坡的卸荷分带现 象［7－10］。在2 668m 海 拔 高 度 以 上 平 洞PD3、PD4、PD14、PD15揭示的中上部岸坡岩体，卸荷分带符合正常岸坡岩体的卸荷规律，表部0～25m为强卸荷，25～55m为弱卸荷，55m洞深以内过渡至微卸荷；该海拔高度以下岸坡表部强卸荷不明显，以弱卸荷为主，但岸坡一定深度内发育了一系列以深部拉裂缝为特征的强卸荷岩体，表现为集中卸荷的特征。通过定性以及定量方法划分的岸坡岩体卸荷分带特征如表2，剖面如图3。

图1 研究区区域地质构造图Fig.1 Map of the regional geological structures in study area

图2 野狐峡岸坡工程地质剖面图Fig.2 Map of the engineering geology profile of the Yehuxia slope

表1 野狐峡岸坡岩体集中拉裂缝发育特征Table 1 The distribution of deep cracks in the studied slope

2.2 集中卸荷带内岩体拉裂变形特征

集中拉裂带最直观的表现是发育了大量的张性拉裂缝，且较为集中发育，张开度大，上窄下宽、近垂直密集分布于一定的洞段，形状不规则，有的呈阶梯形、弧形，有的呈尖灭状，有的呈密集型簇状，甚至有的呈雁列状展布；裂隙面多起伏、粗糙；拉裂缝内无充填或充填少量岩屑、岩块或泥质，部分拉裂缝两侧岩体由于受溶蚀作用影响，多覆盖钙膜，有的发育有方解石晶体。总体上深部拉裂缝具有方向显著性及受结构面发育控制等特征。

表2 野狐峡岸坡岩体卸荷分带特征Table 2 Characteristics of unloading in study area

图3 野狐峡岸坡岩体的卸荷特征剖面Fig.3 Exploration cross section of unloading zone

2.2.1 显著的方向特征

对岸坡左、右岸集中拉裂带拉裂缝发育的优势方位统计如图4。

由图4可见，拉裂缝发育的方向，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°。显然，集中卸荷带拉张裂缝的方向总体为 NE78°～89°SE∠60°～80°，NE50°～65°NW∠65°～85°，即拉裂缝总体陡倾坡内或坡外，显示出较好的一致性。

2.2.2 集中拉裂带岩体拉裂变形受结构面的控制

集中拉裂带内岩体相对较破碎，拉裂缝发育，且主要受不同规模的结构面控制，多沿断层、裂隙（或密集节理带）发育，类型有卸荷张裂型、构造剪胀型。

a.卸荷张裂型

卸荷张裂型拉裂缝呈张开、松弛状，多无充填物或局部不连续充填，胶结差或无胶结。根据其受控结构面类型分为沿断层卸荷拉张型、沿长大裂隙卸荷拉张型、沿裂隙密集带卸荷拉张型。

①沿断层发育卸荷张裂型拉裂缝特征

沿断层发育的集中卸荷拉裂缝走向多为NE30°～75°、倾向为SE，倾角一般在50°～80°之间（表3），基本为陡倾型；张开度一般较大，规模大的可达25～35cm，岩体多呈架空或相对较破碎，多无充填或局部充填，充填物多为岩块、岩屑，且多见黑色溶蚀物质，一般胶结较差或无胶结。这些拉裂缝是在早期断层的基础上，在岸坡形成过程中进一步卸荷松动、拉裂的结果。

②沿长大裂隙发育的卸荷张裂拉裂缝特征

该类卸荷张裂型拉裂缝总体走向为NE、倾向SE或NW，倾角多为60°～80°，为陡倾型，左右两岸平洞内均有发育（表4）；拉裂缝张开度一般＜5cm，局部达20～30cm；充填物多为岩块、岩屑及方解石脉。

表3 沿断层发育的卸荷张裂型拉裂缝特征Table 3 Characteristics of the tensile cracks along the fault

表4 沿长大裂隙发育的卸荷张裂拉裂缝特征Table 4 Tensile cracks along discontinuities

图4 集中卸荷带张裂缝等密图Fig.4 Isopycnic graph of deep cracks

③ 沿裂隙密集带发育的卸荷张裂型拉裂缝

沿裂隙密集带发育的卸荷张裂型拉裂缝在PD6平洞38～56m段表现得最为明显（表5），该洞段裂隙较发育，且明显呈张开状，局部充填岩块、岩屑，裂隙面上可见黑色钙膜状物质，局部可见有黄色次生泥质。在PD7平洞的38～45m段，裂隙也相对较发育，此段内裂隙呈不连续分布，中间可见相对完整岩体，在裂隙密集带岩体较为破碎，多架空，且多处有溶蚀物充填于裂隙之内。

表5 沿裂隙密集带发育的卸荷张裂型拉裂缝Table 5 Tensile cracks along concentrated zone of joints

b.构造剪胀型裂缝特征

此类拉裂缝主要是早期构造错动形成的（表6），其张开段沿结构面呈串珠状分布或局部见于三壁，存在着嵌合紧密的闭合段。这类深拉裂缝因形成时代较早、发育数量相对较少，且与坝址区内断层优势方向具有良好的一致性。

综上，岸坡岩体集中拉裂带总体走向为NE、倾向多为SE或NW，主要受中、陡倾型断层、裂隙等结构面控制，多追踪NE 20°～50°SE∠70°～80°这一组结构面发育，是继承了原有断层、长大裂隙或裂隙密集带发育形成；构造型剪胀型拉裂缝则是早期构造运动形成的，多存在嵌合紧密特征。

表6 构造剪胀型裂缝特征Table 6 Tectonic shear dilation cracks

3 集中卸荷带的成因机制分析

构成岸坡的岩性主要为巨厚—块状灰岩，其与变质长石砂岩、粉砂岩、千枚状粉砂质板岩、千枚岩呈不整合接触，可溶的灰岩地层被非可溶岩所包围（图5）。在这样的环境条件下，历次构造运动作用有利于应力向较坚硬的灰岩内集中，利于能量积累，因而，灰岩内断裂等结构面较发育，岩体较破碎，完整性较差。

图5 研究区灰岩的分布特征Fig.5 The distribution character of the limestone in study area

黄河河谷的形成与青藏高原抬升过程的多期性密切相关。据李吉均等［11，12］研究，青藏高原主夷平面形成的上限年龄为距今3.6Ma，临夏盆地新生代湖相沉积结束，青藏运动开始，分为A（3.6 Ma B.P.）、B（2.6Ma B.P.）和C（1.7Ma B.P.）3幕：A幕现代亚洲季风形成，B幕黄土开始堆积，C幕黄河出现。中更新世末期（约0.15Ma B.P.）［13－16］，共和运动开始，共和盆地区开始抬升，在盆地中出现了古黄河，并发育了3级宽阔的古黄河阶地，切穿了龙羊峡，造成青海湖孤立；而30ka B.P.时期的华西运动切开贵南南山，形成现今的野狐峡。黄河羊曲西岸保存了完好的3级河流阶地地貌，实测T3、T2时间分别为（33.8±2.2）ka B.P.，（26.3±1.3）ka B.P.，这也说明黄河可能是在其最高一级阶地即T3阶地堆积期间才出现于羊曲以南的贵南南山峡谷地带。因此，该河段可能是在30ka B.P.左右河流下切形成的。区域分析表明，在野狐峡形成前，该区主要为湖相沉积，在湖盆形成过程中，野狐峡附近下部较坚硬的灰岩经历了垂向的卸荷型浅生时效构造作用，因而，灰岩中缓倾结构面较发育。在这些缓倾结构面以及坡体内陡倾结构面的共同作用下，为早期喀斯特以及喀斯特充填物发育创造了渗流条件，如PD3平洞的支洞中充填具层理半胶结砂岩（图6）。测试资料也表明，坡体内这些缓倾角结构面的形成主要与盆地形成过程中的中、下部岩体的垂直卸荷有关，形成时间为0.228～0.350 Ma B.P.。

图6 PD3支洞口沉积的具层理半胶结砂岩Fig.6 Sandstone with bedding and part cementation located in branch adit of PD3

晚更新世晚期以后，河流下切形成现今河谷形态。伴随岸坡岩体向临空方向发生卸荷回弹过程，坡体在已有缓倾结构面沿河谷临空方向产生蠕滑变形；伴随变形的发展，在断层、裂隙或裂隙密集带发育部位，变形追踪陡倾断层、裂隙或裂隙密集带发生拉裂破坏，因而在坡体内断层、裂隙或裂隙密集带发育部位，岩体拉裂变形明显。综合上述分析，本文研究的河段岸坡的集中卸荷是在河谷岸坡形成过程中，伴随斜坡应力的释放，在原有构造结构面基础上由于岩体浅表生构造作用形成的产物。

4 结论

本文对宽阔盆地中陡立的黄河野狐峡岸坡集中拉裂带的发育特征及成因机理进行的分析结果表明，集中拉裂带具方向显著性及受断层、裂隙等结构面发育控制等特征；结合研究区地质条件及河谷演化特征的综合分析，认为岸坡集中拉裂带仍属岸坡卸荷的范畴，是河谷岸坡形成过程中，伴随边坡应力的释放，在原有构造结构面基础上形成的浅表生改造的产物。

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