澜沧江上游亚贡深部倾倒变形体发育特征及形成机制

2019-11-04罗新平涂国祥

水利与建筑工程学报 2019年5期

罗新平，涂国祥，尚琪

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

国内外之前对于倾倒变形体的研究只局限于浅部(一般为几十米)。目前，由于我国水电工程的大力发展，特别是西南高山峡谷区大量深部倾倒变形体被揭露。对深部倾倒变形体的进一步认识对于分析高边坡的稳定性具有重要意义。刘海军等[1]分析了岩质边坡的倾倒力学机制。刘宇恒等[2]对倾倒破坏模式进行了研究。庄冬梅等[3]分析了西部某电站坡体发生倾倒变形的地质成因。吴昊等[4]、谢良甫等[5]、张亮华等[6]对反倾层状岩质边坡倾倒变形及时空演化特征做了深入研究。张御阳等[7]研究了反倾岩坡倾倒变形结构面影响效应。张发明等[8]提出了倾倒变形岩体发育强度与极限深度确定方法。陆文博等[9]总结了我国倾倒变形体的发育规律，研究表明西南深切河谷地区极易产生倾倒变形。王霄等[10]、王秀菊[11]、刘丽娟等[12]通过数值模拟对岩质边坡倾倒变形破坏过程进行了研究。杨建成等[13]对龙滩边坡倾倒破坏的离心模型试验进行了研究。但是目前对于深部倾倒变形体的深入研究相对较少。王飞等[14]对雅砻江上游深层倾倒体的发育特征与演化机制进行了分析。邢一飞等[15]对西南地区典型弯曲倾倒式滑坡变形演化机理进行了研究。澜沧江古水水电站近坝河段两岸发育多处倾倒变形体，并且发育有滑移-倾倒型巨型滑坡多处，分别为梅里石滑坡群、争岗滑坡体、根达坎滑坡体。因此，本文选取亚贡深部倾倒变形体为研究对象，从发育特征、强弱倾倒分区、倾倒空间分布规律以及形成条件等方面进行研究。深化了对西南深切河谷陡立层状的岩质边坡倾倒变形体的认识，为今后此地区深部倾倒体的研究提供了理论基础，同时对后期古水水电站的建设开展有一定参考价值。

1 研究区工程地质条件

研究区位于中国云南省德钦县佛山乡，地理坐标为东经 98°45′55″，北纬28°35′06″。亚贡倾倒体位于澜沧江上游右岸、分布于木水河口一带，发育高程范围2 250 m～3 030 m。该区为高山峡谷地貌，河谷深切，呈“V”字型，岸坡坡度较陡并且相对高差较大，亚贡研究区坡度为30°～50°，河谷相对高差甚至上千米。研究区主要发育有三叠系上统红坡组(T3hn)、二叠系下统吉东龙组(P1j)。亚贡研究区岩性从底部到顶部依次为板岩与变质砂岩互层，微晶、泥晶灰岩，板岩夹玄武岩，玄武岩，变质砂岩、砾岩、泥岩，结晶灰岩，板岩、变质砂岩。空间组合上属于软硬相间的岩层结构。亚贡研究区发育多级河流阶地，并且第四系地层发育良好，该河段发育有大量第四系冲积层，第四系坡、冰积层，第四系坡、崩积层。研究区位于松潘—甘孜地槽褶皱系与唐古拉—兰坪—思茅地槽褶皱系之间，属于单斜构造区。该区断层发育，主要为北北西—南北向。其中红山—古水断裂，走向N20°～45°W，大致从研究区的中上部穿过。澜沧江上游的岩质边坡坡度较陡，河谷相对高差较大，边坡的结构主要由岩层层理面和倾向坡外的一组发育的节理面影响，该节理面主要发育在板岩砂岩互层的岩层中，边坡初始地层主要为反倾陡立型，但由于该区发生强烈的倾倒变形，坡表岩体发生明显的倾倒坠覆现象(见图1)。

(a) 研究区整体 (b) 局部图

2 亚贡倾倒体发育特征及其空间分布规律

2.1 亚贡倾倒体的发育特征

亚贡强倾倒体位于澜沧江上游河段右岸，发育在由澜沧江和木水河切割形成的山脊部位。亚贡强倾倒体分布高程2 250 m～3 030 m，高差约800 m。临澜沧江侧受到断层F105的切割，横向宽约700 m，整个倾倒岩体出露面积约800 m2。

下伏基岩有强烈的变形倾倒迹象，其岩层倾角由75°～80°转为15°～25°，其总体的变形方向朝向澜沧江方向及木水沟方向。亚贡强倾倒倾倒岩体左侧边界平面上以F105为界，F105断层北东侧以玄武岩为主，F105断层南西侧以板岩为主。

亚贡强倾倒体前缘边界为木水河。靠近木水河一侧，岩体有明显的倾倒变形迹象，岩体多破碎、风化强烈。岩层倾角一般15°～30°。对比木水河两侧出露的基岩可以明显得出，木水河左岸强倾倒变形岩体内的岩体岩层倾角一般15°～30°，木水河右岸岩层层面倾角则为65°～80°，明显岩体的倾倒还与木水河下切有关，其总体的变形方向朝向澜沧江方向及木水方向。

由平硐勘查结果完成了两个水平平硐PD213和PD211，观察了该平硐岩体的倾倒特征和岩体结构。平硐PD213位于澜沧江右岸，高程2 199.5 m，方向为N30°E，长93.5 m，断面尺寸2 m×2 m，PD213出露地层为P1j2-4。PD213三壁发育的主要结构面为大不连续面、层理面、断层、挤压破碎带、倾倒折断带等，如图2所示。

图2古水电站PD213展示图(据昆明院，有修改)

在PD213中有两组节理发育，产状为N22°W、SW∠26°、N50°W、NE∠50°～70°，节理面平直粗糙，第二组发育较好。岩体倾倒形成4个折断面，平均产状为N30°～40°W、NE∠70°～80°，长2 m～4 m，厚0.5 m～2.0 m，折断面两侧岩体破碎。PD213平硐内发育11条挤压错动带和5条小断层。这些挤压错动带多沿与层理面平行的方向发育，长5 m～15 m，厚1 cm～20 cm，可分为N20°～30°W、SW∠40°～50°和N60°～70°W、NE∠15°～30°两组。这5条小断层均长5 m～100 m，厚10～25cm，产状为N35°～50°W,SW∠25°～40°。在平硐20 cm与65 cm处分别发育有剪切错动带，贯通平硐两壁，宽2 m～3 m，产状分别为N30°W，NE∠60°～70°、N30°W、SW∠45°～50°。剪切带内岩体松弛破碎，松动变形。

平硐PD211位于澜沧江右岸，与PD213处于同一纵剖面上，高程2 529.16 m，方向为N45°E，长190 m，断面尺寸2 m×2 m，PD211平硐出露地层为P1j5、P1j6、T3hn。PD211三壁发育的主要结构面为大不连续面、层理面、断层、挤压破碎带、倾倒折断带等，如图3所示。由统计结果可知，PD211中发育两组卸荷裂隙，产状分别为N46°W、NE∠72°、N52°W、SW∠65°～70°，卸荷裂隙带内岩体松弛，岩块岩屑次生泥充填，胶结松散。岩体倾倒形成4个折断面，平均产状为N30°～40°W、NE∠50°～70°，长2 m～4 m，厚0.5 m～2.0 m，折断面两侧岩体破碎。PD211内发育8条挤压错动带和2条小断层。这些挤压破碎带多沿与层理面平行的方向发育，长5 m～15 m，厚2 cm～15 cm，可分为N35°～45°W、SW∠,15°～25°和N55°E、SE∠30°～40°两组。这5条小断层均长5 m～100 m，厚10 cm～25 cm，产状为N35°～50°W、SW∠25°～40°。平硐PD211的82 m～101 m处可见走滑断层F105，其产状为N80°W，SW∠35°厚18 m～20 m。带内深灰色碳质板岩、断层泥、片状岩、碎裂岩充填。根据以上PD213与PD211平硐内的各级结构面的综合调查结果，得出该区倾倒体内折断面、挤压面、小断层、节理面的极点等密图。

根据2017黄润秋等[16]倾倒变形程度分级的基本指标，并结合现场平硐调查分析，由该区岩层的倾倒角变化、层内最大拉张量、卸荷风化程度，再加上岩体的完整程度这些方面可较好地描述倾倒变形不同阶段的变形和破裂特征。强倾倒区：随着水平深度的变化，岩层倾倒角在10°～80°范围内剧烈波动。岩体卸荷强烈，岩体总体上出于弱风化上段，呈碎裂状。弱倾倒区：岩层倾倒角较小(一般小于10°)，弱倾倒变形岩体大致同弱卸荷岩体相对应，弱倾倒岩体大致位于弱风化下段。因此，根据倾倒角度、岩体卸荷风化程度以及边坡倾倒破碎带的特征，本研究案例中岩体的倾倒强度分级为：强倾倒岩体、弱倾倒岩体和正常岩体。

图3古水电站PD211展示图(据昆明院，有修改)

由以上分级指标可将上述两平硐进行倾倒强弱的划分。在PD213中，距平硐口0～79.5 m处，岩层倾角较平缓，大致为10°～40°，倾倒角为30°～70°，且发育多处倾倒折断带，岩体破碎，松弛变形，故0～79.5 m处的岩体属于强倾倒岩体；在79.5 m～93.5 m处的岩体倾倒角较小且未见明显的倾倒折断现象、岩体破碎程度相对于79.5 m前较低，故此后为弱倾倒岩体(见图2)。PD211全硐岩体趋于平缓状态且发育多处倾倒折断带，岩体整体破碎、松弛，变形破坏严重，故全硐属于强倾倒岩体(见图3)。由此得出该研究边坡岩体的倾倒强度分级如图4所示。

图4亚贡边坡岩体倾倒强度分级图

亚贡倾倒区由强倾倒岩体与弱倾倒岩体组成，其特点分别如下：

(1) 强倾倒区。该区形成多个倾倒折断带。平硐内可见多处弯曲、折断现象，节理裂隙发育，局部贯通平硐两壁。随着水平深度的变化，地层倾角在10°～80°范围内剧烈波动，地层倾角方向偏离原始条件15°～50°。岩体卸荷强烈，岩体普遍松弛，呈碎裂状。

(2) 弱倾倒区。随着水平深度的增加，倾角逐渐增大到55°～75°，顶面倾角约为5°～20°。倾角方向与原始条件一致。此区域内未见明显的折断现象，张裂缝发育数量较少，随着深度的增加，岩体卸荷强度逐渐减小。

2.2 亚贡倾倒体的空间分布规律

亚贡强倾倒体位于澜沧江上游河段右岸，发育在由澜沧江和木水河切割形成的山脊部位，主体部位处于木水河左侧岸坡。由于哑贡倾倒体不仅受澜沧江切割的影响，还受到木水河下切作用，导致其总体的变形方向朝向澜沧江方向及木水沟方向，靠木水河一侧岩层主要朝木水河一侧倾倒。局部临近亚贡沟地段可以发现岩体向亚贡沟方向变形的迹象。亚贡研究区内，倾倒变形体的发育深度较大，由现场平硐勘查，得出了哑贡倾倒岩体底界深度(见表1)。

表1 亚贡平硐倾倒岩体底界深度统计表(据昆明院，有修改)

由表1可得出：

(1) 哑贡倾倒体总体倾倒深度较大。底部弱倾倒深度约为100 m，而顶部强倾倒底界整体都在100 m以上，平硐PD221强倾倒岩体底界甚至大于180 m，可见顶部倾倒深度可达200 m以上。

(2) 倾倒深度总体上由高高程向低高程逐级减小。倾倒深度与高程并不是呈线性关系，还受坡体结构、岩性组合和其他因素的综合影响。

(3) 岩性组合对倾倒深度具有重要的控制作用。砂岩板岩互层、板岩等倾倒深度较大，而玄武岩中，如PD209与PD212全硐皆为玄武岩，倾倒现象不明显。根据现场平硐勘查，将纵剖面(见图4)的PD211、PD212、PD213中的岩层倾角倾向进行了对比分析(见图5、图6)。

从倾角对比图中PD211全硐内岩层倾角大致为10°～40°，倾倒角范围大致为30°～70°，全硐皆为强倾倒，与表一统计符合。而PD213中前80 m岩层产状皆为10°～40°，皆为强倾倒，其后岩层倾倒角相对较小，可归为弱倾倒范围，此分析与图2中强弱倾倒范围的划分相一致。 PD212中皆为玄武岩，倾倒现象不明显。结合折断带的位置，可见岩层倾向变化突兀处极有可能有折断带的形成。由倾向对比图可见低高程两个平硐的倾向变化范围大致为30°～40°，而相对高程较高且岩性为砂岩板岩互层、板岩的PD211倾向波动幅度较大，由此推测岩体的倾倒可能不仅导致了岩层倾角的改变，同时也产生了倾向的变化。

图5倾角对比图

图6倾向对比图

综上分析可得出亚贡倾倒体的空间分布规律：

(1) 亚贡倾倒体总体上的变形方向朝向澜沧江方向及木水河方向。

(2) 垂直剖面方向上的岩层层理面具有明显的错折现象，不再是一个连续面。

(3) 在水平方向上，坡体结构相同的岩体倾倒变形范围大致相同。

(4) 岩性的空间组合对倾倒的范围与深度有一定的控制作用。

(5) 倾倒深度总体上由高高程向低高程逐级减小。

3 亚贡倾倒变形体形成机制分析

3.1 倾倒变形体形成基本条件

亚贡研究区深部倾倒变形体是自身条件与外部条件共同作用的结果，空间上变形复杂、时间上历时较长。该区的倾倒变形形成机制受多种因素共同影响。

(1) 边坡自身特征。边坡的坡体的结构特征、岩性的空间组合以及临空面的状态都是控制该斜坡变形破坏的重要因素。亚贡研究区发育大量断层，方向多为北北西—南北向。其中红山—古水断裂，走向N20°～45°W，横穿该研究区的中部。该区应力场呈现出喜马拉雅运动中晚期的特点。主压应力轴的主应力方向为北北西，主拉应力轴的主应力方向为北东东向，表明研究区处在以水平运动为主的新构造应力场中。研究区为典型的高山峡谷区地貌，边坡陡立，岸坡坡度一般为30°～40°。该区为高边坡，坡高近千米，同时哑贡倾倒体发育在由澜沧江和木水河切割形成的山脊部位，具有良好的双面临空条件，更加有利于倾倒变形的产生。其次该区岩性的空间组合也是控制倾倒变形不断扩展的原因，研究区底部多为玄武岩，而中上部为反倾陡立(倾角70°～80°)的板岩夹变质砂岩，反倾陡立软硬相间的层状岩层为倾倒变形提供了前提条件。

(2) 河谷下切与卸荷作用。岸坡的高度体现了河流下切的程度，河流下切深度越大，斜坡的应力分异与卸荷作用越显著[17]。影响倾倒变形的外在因素主要是河谷不断地下切，河谷的演变伴随着倾倒变形的累进性变化。在澜沧江的不断下切过程中，两岸边坡随之增高变陡，临空面不断增大，为岩体的卸荷与风化提供了及其有利的条件。与此同时，伴随着澜沧江不断下切，卸荷作用的加剧，随着应力进一步释放之后，岩体的的重力成为主应力，岩层随着自重产生的弯矩作用，其浅表层向临空方向呈悬臂梁弯曲，随之向坡内不断发展。

3.2 倾倒变形体的形成机理分析

倾倒机制为卸荷-拉裂、弯曲-倾倒，由弯曲变形逐渐发展成折断破坏，概括为卸荷变形、弯曲变形、倾倒折断三个阶段(见图7)。

(1) 卸荷变-拉裂阶段。初始阶段，原始地应力较高，随着河谷不断下切，岩体发生强烈的卸荷回弹。由于该边坡属于软硬相间的陡立反倾岩层结构，由于岩体的强度差异的影响，再加上原有结构面的优势程度不同的影响，不同部位卸荷程度具有一定差异。在坡体中多发生张性破裂和剪切破裂，卸荷回弹作用导致反倾陡立岩层在浅表顺层、沿初始的优势结构面发生拉裂现象；进而为边坡岩体的进一步倾倒变形提供了前提条件。

(2) 弯曲变形阶段。伴随着澜沧江不断下切，卸荷作用的加剧，随着应力进一步释放之后，岩体的的重力成为主应力。由于板岩自身的塑性，在重力作用下产生连续的悬臂梁弯曲变形。在弯曲加剧的过程中，卸荷裂隙以及拉张面逐渐向坡内扩展，为深部的岩体提供了进一步卸荷的空间，从而致使深层的层状岩体产生弯曲变形。在弯曲的过程中，在受拉面上产生大量的拉张裂隙。此阶段拉张裂隙不断向高部位发展，塑性连续变形成为这一阶段的主要变形特征。

图7倾倒变形演变过程图

(3) 倾倒折断阶段。河谷不断下切，岸坡变陡，倾倒变形加剧，拉裂面向深部扩展，扩展到一定深度后便停止，此时坡表岩层处于近水平状态。在弯曲作用下，产生了分段的平切张裂隙，这些裂隙致使岩块转动，使岩层倾斜，最终层状岩体将张裂隙发生折断。此类深部倾倒变形体的破坏未沿底部弯折带发展，主要由通过倾向坡外的优势结构面控制，倾倒折断主要发育在强变形岩体中。