尚 琪,涂國(guó)祥,羅新平

(成都理工大學(xué),四川 成都 610059)

0 引言

傾倒變形是一種較常見(jiàn)的巖質(zhì)邊坡破壞模式。研究表明，在陡傾層狀巖質(zhì)斜坡中，河谷的下切作用形成臨空面，巖層水平方向應(yīng)力不斷釋放并導(dǎo)致巖體卸荷松弛。當(dāng)水平方向應(yīng)力釋放完畢時(shí)，豎直方向的重力成為主控應(yīng)力，在重力作用的影響下，層狀巖體從頂部開(kāi)始逐漸出現(xiàn)“點(diǎn)頭哈腰”現(xiàn)象，最終造成巖體變形破壞。早在1976年，GOODMAN[1]已經(jīng)提出了彎曲傾倒、塊狀傾倒、彎曲-塊狀傾倒的概念；1992年AYDAN與KAWAMATO[2]提出了傾倒變形破壞的逐步分析法。隨后，眾多學(xué)者對(duì)于巖質(zhì)層狀邊坡整體穩(wěn)定性及其控制因素做出分析研究[3-4]。MARC-ANDER[5]基于離散元分析法對(duì)巖層傾倒方向與巖層傾倒過(guò)程中形成的節(jié)理方向兩者之間關(guān)系做了深入分析；ADHIKARY[6]等利用離心機(jī)試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)傾倒變形破壞面與巖層法線存在夾角。我國(guó)對(duì)邊坡傾倒變形研究起步較晚，在上世紀(jì)90年代時(shí)許多專家學(xué)者對(duì)邊坡形成機(jī)制提出新的認(rèn)識(shí)[7-9]，進(jìn)入21世紀(jì)后許多專家學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究?jī)A倒變形并取得巨大成功。黃潤(rùn)秋等[10]通過(guò)對(duì)錦屏水電站水文站壩址調(diào)查分析，提出傾倒變形的深度可達(dá)幾百米；任光明等[11]通過(guò)對(duì)黃河羊曲水電站典型傾倒變形體分析，得出傾倒變形的形成機(jī)理。隨著研究的不斷深入，越來(lái)越多的專家學(xué)者在傾倒變形的形成機(jī)理、演化過(guò)程、傾倒深度等方面均取得巨大成就[12-14]。

亞貢邊坡受到瀾滄江和木水河兩個(gè)不同時(shí)期的侵蝕，導(dǎo)致該傾倒變形體向兩個(gè)不同的方向發(fā)生卸荷、傾倒。通過(guò)對(duì)亞貢復(fù)雜傾倒變形體傾倒的調(diào)查研究，得出支流對(duì)傾倒變形體變形破壞的影響，為該河段類似傾倒變形體的研究提出依據(jù)。

1 亞貢傾倒變形體特征

1.1 地質(zhì)背景

亞貢傾倒變形體位于云南省迪慶州德欽縣佛山鄉(xiāng)溜筒江村瀾滄江上游約5 km處南西側(cè)，地理坐標(biāo)：東經(jīng)98.753°，北緯28.58°。傾倒變形體分別以亞貢沖溝、木水河作為左右邊界，前緣沿河谷最大寬度約1 131 m，最大順坡向長(zhǎng)度約1 562 m，面積約1.63×106m2。傾倒變形體前緣直指河谷，高程約2 200 m，后緣直達(dá)山脊頂部，高程約3 000 m，相對(duì)高差約900 m。坡體較緩，平均坡度約38°。

邊坡以Ⅰ級(jí)斷層(F1)紅山-古水?dāng)嗔褳榻绯雎秲啥螏r層：靠近河谷處為P1j的玄武質(zhì)板巖及砂板巖；邊坡后緣為T(mén)3hn的砂質(zhì)板巖。同時(shí)，發(fā)育有一條延伸約數(shù)百米右旋走滑斷層F105斜切F1斷層。該斷層發(fā)育使得邊坡木水河側(cè)玄武巖巖層變薄并造成巖層走向與坡面方向大致平行(圖1)。木水河兩側(cè)巖層產(chǎn)狀有明顯的不同：左岸巖體走向斜交于河谷且?guī)r體向木水河方向傾倒，巖體傾角較緩(約15°～45°)；右岸巖體走向垂直于河谷且沒(méi)有向木水河傾倒的現(xiàn)象，巖體傾角較陡(約60°～80°)(圖1)。

圖1 亞貢傾倒變形體工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Dumping engineering geological plane of Yagong

1.2 平硐調(diào)查

通過(guò)對(duì)亞貢傾倒變形體A-A′剖面上的平硐(PD221、PD222)進(jìn)行調(diào)查，進(jìn)一步了解傾倒變形體內(nèi)部形態(tài)特征(圖2、圖3)。

圖2 PD221主要結(jié)構(gòu)面特征展示圖Fig.2 Main structural plane feature display map of PD221 dump rock mass

圖3 PD222主要結(jié)構(gòu)面特征展示圖Fig.3 Main structural plane feature display mapof PD222 dump rock mass

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，巖層面產(chǎn)狀傾角變化和傾向分布如圖4所示。從圖中可得知，PD221的巖層傾角隨著洞深的增加，發(fā)生緩-陡-緩的變化：洞口至60 m處傾角極緩(10°～40°)；60～165 m巖層傾角逐漸變陡(40°～60°)；165 m之后巖層傾角趨近于原巖層(80°以上)。PD222的巖層傾角現(xiàn)象較復(fù)雜：洞口至65 m處巖層發(fā)生折斷現(xiàn)象，故傾角變化幅度大(10°～68°)；65～125 m時(shí)，巖層整體呈緩傾角(5°～30°)；該平硐并為貫通至弱傾倒巖體。根據(jù)上述分析，A-A′剖面上的平硐巖層傾角遠(yuǎn)小于原巖層且發(fā)育深度較大。折斷帶兩側(cè)有明顯的巖層傾角發(fā)生劇烈變化現(xiàn)象。除上述巖層傾角變化外，巖層傾向也有明顯的變化：PD221、PD222內(nèi)巖層傾向大致分為沿木水河方向的北東向(NE)和沿瀾滄江方向的北西向(NW)。

根據(jù)對(duì)平硐內(nèi)部卸荷裂隙的統(tǒng)計(jì)調(diào)查，巖體卸荷裂隙的走向與深度如圖5所示。木水河側(cè)巖體強(qiáng)卸荷裂隙的走向?yàn)楸蔽骱捅睎|兩個(gè)方向，NW向的卸荷裂隙發(fā)育程度要略高于NE方向。并且，該區(qū)域內(nèi)強(qiáng)卸荷的發(fā)育深度可達(dá)約160 m，卸荷裂隙張開(kāi)達(dá)20～30 cm。

圖4 巖層傾角、傾向變化分布圖Fig.4 Formation of dip and dip distribution changes

圖6 亞貢傾倒變形體木水河側(cè)A-A′剖面圖Fig.6 Section A-A′ of the side of Mushui River,Yagong dumping deformation body

圖5 巖體卸荷裂隙走向示意圖Fig.5 Diagram of unloading fracture strike of rock mass

通過(guò)對(duì)木水河側(cè)巖體和卸荷裂隙產(chǎn)狀的分析，證實(shí)該區(qū)域巖層產(chǎn)狀走向方向和巖層內(nèi)強(qiáng)卸荷裂隙走向方向?qū)?yīng)，均有兩個(gè)方向且均為NW、NE。據(jù)已有資料推測(cè)，該區(qū)域正常巖層走向?yàn)镹W向，因走滑斷層F105的產(chǎn)生，使得正常巖層走向沿瀾滄江方向NW向逐漸偏向沿木水河方向NE向，造成了現(xiàn)今存在兩個(gè)不同走向的現(xiàn)象，為亞貢傾倒變形體向木水河側(cè)發(fā)生強(qiáng)烈的傾倒提供內(nèi)在條件。

1.3 傾倒變形體分區(qū)

通過(guò)上文的分析與描述，根據(jù)黃潤(rùn)秋[15]提出的將巖層傾角(α)、層內(nèi)最大拉張量(mm)、層內(nèi)單位拉張量(mm/m)、巖體卸荷程度、巖體風(fēng)化程度、巖體波速指標(biāo)作為傾倒變形程度的分區(qū)指標(biāo)?，F(xiàn)將傾角變化和巖體卸荷、風(fēng)化程度作為劃分傾倒程度的標(biāo)準(zhǔn)，具體分級(jí)如下表1，大致將木水河側(cè)巖體分為極強(qiáng)傾倒、強(qiáng)傾倒、弱傾倒(圖6)。

根據(jù)PD221、PD222揭示的強(qiáng)傾倒區(qū)顯示，強(qiáng)傾倒區(qū)位于堆積區(qū)下部，不同位置強(qiáng)傾倒區(qū)深度也不同，一般可延伸160～200 m，巖層傾角平緩。強(qiáng)傾倒區(qū)與強(qiáng)卸荷區(qū)相匹配，區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)數(shù)十條張開(kāi)度大于2 mm的強(qiáng)卸荷裂隙。在強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷的共同作用下，巖體拉張性裂隙發(fā)育明顯，可見(jiàn)明顯的架空、塌陷現(xiàn)象，局部貫通性較好。巖體整體性較差，破碎程度較大，呈碎塊狀，塊體穩(wěn)定性較差。

根據(jù)PD223所揭示的弱傾倒區(qū)表示，弱傾倒區(qū)位于強(qiáng)傾倒區(qū)和正常巖層區(qū)之間。該區(qū)域巖層傾角平緩程度較弱于強(qiáng)傾倒區(qū)，呈中-緩傾角。發(fā)育深度約40～60 m。弱傾倒區(qū)與弱卸荷區(qū)對(duì)應(yīng)，巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)較緊密，未見(jiàn)明顯折斷現(xiàn)象，張開(kāi)度和貫通性較差。

表1 巖層傾角變化表

表2 巖層卸荷、風(fēng)化程度表

2 木水河下切對(duì)亞貢傾倒變形體的影響

2.1 影響傾倒變形體的主要因素

亞貢傾倒變形體主要是由內(nèi)外兩方面因素在長(zhǎng)期的演化過(guò)程中共同造成的。主要控制因素有：地形地貌、巖性組合、地質(zhì)構(gòu)造，河谷下切作用的演化4個(gè)方面造成。(1)亞貢傾倒變形體屬于典型的高山峽谷地貌，河谷狹長(zhǎng)，斜坡陡峭。瀾滄江和木水河共同切割下形成脊?fàn)钌襟w，為巖體的深度卸荷和傾倒變形提供良好的地形地貌。(2)邊坡頂部砂質(zhì)板巖與底部玄武巖力學(xué)性質(zhì)有較大差異，板巖玄武巖軟硬巖性組合也是斜坡差異卸荷的物質(zhì)前提，在卸荷過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)差異性卸荷回彈現(xiàn)象造成巖層錯(cuò)動(dòng)，促進(jìn)傾倒變形的發(fā)生。(3)邊坡內(nèi)紅山-古水?dāng)嗔?F1)、F105走滑斷層的影響，使得巖層走向沿瀾滄江、木水河河谷方向發(fā)育，有利于巖層向河谷方向發(fā)生卸荷，傾倒。同時(shí)，由于陡傾層狀斜坡的結(jié)構(gòu)屬于易傾倒結(jié)構(gòu)，也為斜坡傾倒提供結(jié)構(gòu)條件。除上述所說(shuō)因素，瀾滄江和木水河的快速侵蝕對(duì)邊坡巖體的傾倒變形同樣起重要作用。

2.2 木水河的侵蝕下切作用對(duì)亞貢傾倒變形體的影響

亞貢傾倒變形體的形成是內(nèi)、外因素共同作用下產(chǎn)生的。內(nèi)在因素包括：巖性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、巖體物理力學(xué)性質(zhì)等；外在因素包括：地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的河谷下切等。本文主要從瀾滄江和木水河兩條河流的形成與下切的對(duì)亞貢傾倒變形體造成的影響進(jìn)行論述。

亞貢傾倒變形體所在區(qū)域的河谷下切過(guò)程可大致分為兩個(gè)階段：瀾滄江侵蝕傾倒變形階段、木水河侵蝕傾倒變形階段。本章節(jié)通過(guò)運(yùn)用Rhino三維建模軟件構(gòu)建現(xiàn)今亞貢傾倒變形體的三維模型(圖7)。將研究區(qū)劃分為受木水河影響為主的區(qū)Ⅰ，和受瀾滄江影響的為主的區(qū)Ⅱ，并沿巖體傾倒方向切出區(qū)Ⅰ剖面B-B′和區(qū)Ⅱ剖面A-A′，分析不同的下切時(shí)期對(duì)傾倒變形體的影響。

瀾滄江快速下切時(shí)期，區(qū)Ⅱ內(nèi)巖體水平方向最大主應(yīng)力逐漸向臨空方向釋放并伴隨卸荷作用，使得陡傾面巖體在拉張作用下形成拉張卸荷裂隙。當(dāng)水平方向最大主應(yīng)力釋放完成后，巖體內(nèi)部應(yīng)力變?yōu)橐载Q直方向的重力作用為主，巖體前緣在自重作用下，逐漸發(fā)生彎曲-變形(圖7A-A′)。隨著河谷不斷下切，前緣臨空面坡度變陡，后緣巖體拉裂面不斷加深，傾倒變形不斷加劇。在彎曲-變形作用下，后緣脆性巖體從根部拉張裂隙處折斷，瀾滄江側(cè)傾倒變形過(guò)程結(jié)束。

圖7B-B′所示，由于區(qū)Ⅰ內(nèi)F105走滑斷層的影響，造成巖體走向發(fā)生改變，使得巖層沿木水河河谷發(fā)育。隨著木水河的形成并在短短數(shù)萬(wàn)年內(nèi)下切形成次級(jí)深切河谷，也為研究區(qū)Ⅰ內(nèi)巖體提供了新的臨空面，使得靠近木水河側(cè)的區(qū)域Ⅰ內(nèi)巖體水平方向應(yīng)力得到釋放并形成大量強(qiáng)卸荷裂隙，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破碎松散，為巖體發(fā)生卸荷提供條件。隨后，伴隨著水平主應(yīng)力的釋放完畢，豎直方向的重力逐漸起主導(dǎo)作用，使得巖層逐漸向木水河側(cè)形成傾倒彎曲(圖7B-B′所示)，形成現(xiàn)階段亞貢傾倒變形體向兩個(gè)方向發(fā)生傾倒變形的復(fù)雜現(xiàn)象。

圖7 亞貢傾倒變形體演化過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the evolution process of Yagong dumping deformation body

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)亞貢傾倒變形體木水河側(cè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析瀾滄江支流-木水河對(duì)亞貢傾倒變形體的影響得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)內(nèi)走滑斷層使得巖層產(chǎn)狀及巖層組成均發(fā)生變化，為邊坡發(fā)生傾倒變形提供內(nèi)在條件。

(2)支流的形成及下切作用，造成區(qū)內(nèi)巖層發(fā)生強(qiáng)烈卸荷作用并導(dǎo)致巖體破碎，為邊坡發(fā)生傾倒變形提供可能。

(3)由于木水河的快速下切作用，造成邊坡靠近木水河側(cè)發(fā)生嚴(yán)重的傾倒破壞現(xiàn)象，形成現(xiàn)今亞貢傾倒變形體的雙向傾倒的復(fù)雜現(xiàn)象。