考虑河谷下切的岸坡卸荷特征成因研究

2020-01-08何逸飞唐梓豪

水利与建筑工程学报 2019年6期

何逸飞，唐梓豪，邓辉，苏航

(1.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；2.四川省地质工程勘察院，四川成都 610036)

卸荷指工程岩体在自然地质或人工开挖影响下应力释放，发生卸荷回弹，进而产生裂隙的现象。卸荷过程中岩体结构变得松弛，会使得水利水电建设的难度增大。因此在水电勘察工作中，研究卸荷成因对坝址区边坡稳定性和坝址的选择具有十分重要的意义。已经有学者对边坡卸荷做出了深入的研究：张咸恭[1]发现了许多由于卸荷作用而导致的变形破裂；黄润秋等[2]分析了岩质高边坡卸荷带的形成机制；李路等[3]和王浪等[4]认为河谷两岸的不对称卸荷与韧性剪切带有关。已经有越来越多的学者对岩体的卸荷进行了研究[5-15]。

通过野外实际调查发现，研究区内碎裂松动岩体多发于较高高程，且在2 950 m高程左右出现明显的卸荷异常现象。笔者认为这类现象是随着河谷的演化过程而逐步形成的，因此本文将利用三维有限元差分软件(FLAC3D)，对澜沧江上游某水电站在河谷演化[16]过程中岸坡卸荷特征及对边坡岩体的影响进行研究。

1 研究区概况

研究区位于色汝小河与澜沧江交汇处下游大约0.5 km的位置。河谷形状为对称的“V”形谷，下坝址左岸岸坡坡度大多在35°～50°之间，在局部位置坡度会在60°以上，右岸岸坡在3 078 m高程以下的岸坡坡度稍微陡峭，大多在50°～60°之间，局部位置在60°～70°之间，而在3 078 m高程以上的斜坡坡度多在30°～40°之间，下坝址一带左岸受色汝河切割影响，形成高陡山脊。坝址区内岩性分布以英安岩为主，左岸部分区域出现有凝灰岩及花岗闪长斑岩。根据现场考察所得资料，坝址区内未发现有Ⅰ级及Ⅱ级结构面，但Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级结构面较发育，这三级结果面中又以NE、NNE方向最为发育。同时研究区内还发育有两条韧性剪切带，这两条贯穿整个下坝址的剪切带也是区内的控制性结构面。第一条韧性剪切带产状为31°∠75°，宽30 m～150 m，这条韧性剪切带在色汝小河与澜沧江汇流处附近进入下坝址左岸。第二条韧性剪切带宽30 m～170 m，产状35°∠68°，在下坝址坝轴线下游约430 m处穿过澜沧江，由右岸进入左岸。这两条韧性剪切带内岩体片理化，糜棱化现象严重，并发育有大量蚀变岩，使得韧性剪切带周围岩体质量劣化。

2 下坝址岩体卸荷特征

2.1 边坡浅表卸荷现象

由于研究区的岸坡基岩在多种外部作用形了成多处碎裂松动岩体。在下坝址两岸内，碎裂岩体在3 000 m以上高程范围内分布较广，而 3 000 m高程以下数量较少。据现场考察，高程越高，碎裂松动岩体分布越广，稳定性越差，卸荷现象更明显。坝址区左岸的碎裂松动岩体大多为碎裂—散体结构，分布范围较小，变形迹象不如右岸明显。而坝轴线右岸碎裂松动岩体分布较左岸更广，同样呈碎裂—散体结构，且局部有崩塌或滑坡而形成的陡壁。部分碎裂松动岩体分布范围内零星的分布有其他块状岩体，对碎裂松动岩体起到支撑作用。

在坡体浅表部，由于原生柱状节理和卸荷裂隙的共同作用，坡体岩体呈现为碎裂结构特征，在重力场的作用下，碎裂岩体向临空面发生倾倒。由于坡体岩性主要为英安岩，倾倒岩体发育深度一般都较浅，在达到一定的临界条件后，倾倒岩体易发生折断。

2.2 边坡内部卸荷深度调查

研究区位于青藏高原东部与四川盆地交界处，陡峭的山坡、深切的峡谷及高地应力是该区域的重要特征。同时研究区内的岩性主要为强度和刚度较大，储存弹性应变能较好的英安岩，这类岩体会伴随着河谷的下切同时发生强烈的卸荷回弹，这使得研究区坡体的整体卸荷深度较大。但是针对下坝址右岸高程2 950 m左右处出现了卸荷异常增大现象，认为主要与右岸该高程发育有韧性剪切带有关。

根据现场对两岸9个平硐的实际调查和已有资料，再根据相关规范得出下坝址两岸岸坡的卸荷深度。图1为根据两岸共9个平硐的实际调查所得的岸坡卸荷深度特征。可以看出，左岸卸荷深度较右岸更深，如左岸弱卸荷深度最大至100 m，而右岸最大只有68 m。几乎所有部位的卸荷深度都随着高程的增加而增加，而右岸在2 900 m～2 950 m高程左右位置卸荷深度突然变大，因此需要对该区域突变情况进行分析。

图1 岸坡卸荷深度与高程的关系

3 岩体卸荷有限元数值模拟

3.1 数值模型概况

根据下坝址现有资料，结合河谷下切深度表(见表1)。为了研究下坝址岸坡卸荷特征形成的机理，地质模型如图2所示。本次数值模拟计算了目标区域河谷的塑性区和位移场随着河谷五次下切过程中的变化趋势，并以此来分析下坝址两岸坡体的卸荷特征。下坝址共发育两条韧性剪切带，有限元模型X方向(与河道近于垂直)长750 m，Y方向(与河道近于平行)长200 m，Z方向(垂直方向)高程界于2 800 m～3 240 m。在模型建立过程中，河谷现今状态建立时考虑了强弱卸荷带和韧性剪切带，在恢复河谷阶地时未考虑韧性剪切带。经网格化之后，整个模型共划分为21 467个节点和116 450个单元。

表1 澜沧江河谷阶地特征

图2 模型示意图

3.2 计算参数及边界条件

在模型建立过程中，考虑到网格划分，在韧性剪切带内并未划分卸荷带，但对其岩体参数进行了一定的折减。考虑到河谷下切以及岩体结构面的影响，在河谷五次下切过程中，韧性剪切带按照给出建议值进行取值，其他块体的岩体物理力学参数均取未卸荷带参数进行一定的折减再代入进行计算；在计算现今状态时，按照现今实际情况的岩体参数进行选取。模型采用的力学参数取值参照贵阳勘测设计研究院提供的相关力学实验结果，具体见表2。

表2 岩体力学参数取值表

模型四个侧面以及底面采用位移约束条件，模型顶面采用自由边界，模型为应力应变状态。根据相关文献资料记载，在深切河谷下切过程中，自重应力是导致斜坡发生卸荷变形的主要原因。因此，在本次数值模拟过程中，仅考虑自重应力，未考虑水平应力的影响，自重应力则通过在Z方向上施加重力加速度来实现。

3.3 数值模拟结果

图3为各级阶地下切后的沿下坝址坝轴线剖面X方向(垂直河道方向)位移情况。从图中可以看出，位移场有以下特征：(1) 河谷下切，岸坡高陡，坡体临空面增大，岩体要卸荷回弹同时向临空面运动，构成卸荷主要因素; (2) 从河谷开始下切到现今状态，坡体位移呈现增长趋势，即随着河谷下切，X方向位移逐渐增大，从第一次下切的最大位移约3.6 mm到现今的最大位移7.2 mm； (3) 整体上来看，坡表的位移要大于坡体内部位移；受韧性剪切带的影响，坡体位移最大范围出现在左右两岸的韧性剪切带范围，在河谷位置的位移相对很小； (4) 河谷左岸的位移表现为正值(即位移沿着X正方向产生)，河谷右岸的位移表现为负值(即位移沿X负方向产生)，即两者均向河道方向发生变形且在数值上左岸大于右岸，随着河谷持续下切，左岸岩体倾倒变形的范围越大，程度更加严重; (5) 由于韧性剪切带岩体物理力学参数相对周围岩体要低，同时由于下切产生的陡峭地形，岩体向临空面运动，在重力作用下，上覆岩体作用在韧性剪切带上，韧性剪切带发生向坡脚方向类似倾倒变形的破坏。这会导致在韧性剪切带附近会出现位移较大范围，而远离韧性剪切带的岩体，位移相对较小。韧性剪切带在左右两岸均倾向坡体，因此在上覆岩体重力等作用下产生两个相反方向的位移。

图4为各级阶地下切后的沿坝轴线剖面的塑性破坏区变化情况。因为在岩体会在卸荷过程中产生卸荷回弹，受此影响强卸荷岩体会发生一定程度的倾倒变形和剪切错动，同时不可避免的发生塑性破坏。在河谷下切过程中岩体的塑性变形区可以大致反映岩体的强卸荷区域。从图中可以看出：(1) 随着河谷的下切，坡体塑性区范围逐渐扩大，塑性区主要集中在右岸韧性剪切带范围和右岸坡表局部区域，在左岸韧性剪切带也有少量的分布； (2) 第二次下切后，塑性区由坡表逐渐向坡体内部发展，这种现象在韧性剪切带内更为明显。在左岸韧性剪切带内，塑性区的分布范围主要集中在低高程位置，可能是由于左岸韧性剪切带的厚度较大、分布的高程要低，上覆岩体自重造成的韧性剪切带产生变形; (3) 第四次下切后，左岸内部的塑性区逐步与坡表的塑性区贯通，岩体越容易发生倾倒破坏，对下部岩体造成的压缩变形更加严重; (4) 随着河谷下切，塑性区面积增大，深度加深。这说明卸荷过程不是停留在坡表，而是持续的向坡体内部发展。

图3 X方向位移(mm)演化过程

图4 塑性区变化过程

4 卸荷过程与岩体破坏的关系

根据数值模拟研究结果，认为两岸的卸荷过程与现有岩体破坏现象有如下关系：

(1) 研究区内韧性剪切带周围岩体强度较低，更容易产生变形和破坏，会产生软弱基座。而反倾坡内的岩体会在河谷下切过程中产生剪胀变形，从而形成卸荷裂隙。这种坡体结构和该区域英安岩岩性相结合，会促使该部位岩体发生卸荷和压缩-倾倒变形。

(2) 下坝址右岸2 950 m高程左右有韧性剪切带穿过，同时韧性剪切带在此高程发育有蚀变带，使得该部位岩体强度低，易变形，会形成软弱基座。同时此处岩体缓倾破内，使得该处的软弱基座效应更加明显，增大了低高程岩体压缩变形的程度，同时又促使高高程岩体沿似层面发生剪切错动，再次加剧对低高程岩体的压缩变形，而再引起高高程岩体继续错动变形。这个循环往复的过程是下坝址右岸在2 950 m高程左右卸荷深度异常增大的原因。

(3) 韧性剪切带周围的软弱岩体受到上部挤压，形成压缩-倾倒的变形模式，而韧性剪切带、蚀变带下部岩性未劣化的正常岩体会形成抗力体，这部分充作抗力体的岩体不会有太大的变形，因此会限制其上的软弱岩体持续压缩变形，这使得有明显倾倒变形现象的岩体多处于较高高程。