反傾邊坡塊狀傾倒-滑移復合型大變形機理研究
——以某水電站大變形岸坡為例*

夏 敏 呂松梅 宋 昊 任光明 楊天俊 萬宗禮

(①地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059,中國)(②中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065,中國)

0 引 言

巖質(zhì)斜坡失穩(wěn)除受岸坡自身坡體結(jié)構(gòu)條件控制外,還與外作用因素如暴雨、地震及庫水位加載等有關。近年來,我國水利水電工程建設高壩大庫不斷涌現(xiàn),庫岸邊坡穩(wěn)定性的評價與預測一直是水電水利工程地質(zhì)研究的核心問題。本文研究的近壩庫岸變形體,自2009年8月開始實施系統(tǒng)的變形監(jiān)測工作以來,岸頂平臺上坡體的累計位移最大可達40余米,后緣沿邊界LF1拉裂帶形成錯動達30m的陡坎(不包括早期錯落體已形成的約20m左右的陡坎),對于塊狀硬質(zhì)花崗巖形成的高陡巖質(zhì)岸坡發(fā)生如此大的變形在國內(nèi)外實屬非常罕見。

文獻收集表明,國內(nèi)外巖質(zhì)斜坡發(fā)生顯著大變形且詳細研究的實例相對較少,代表性的如撫順西露天礦山邊坡,1927年至今邊坡發(fā)生失穩(wěn)多達90余次,累計滑坡體積達4500×104m3,且1986年開始出現(xiàn)大規(guī)模的變形,累計變形區(qū)范圍500～700m,最大下沉4～5m,水平位移達14m(楊天鴻等,1999,2004); 金川露天礦邊坡最大水平位移達10余米,早在1982年王思敬院士對該露天礦邊坡的變形破壞機制及過程進行了研究,表明該邊坡大變形成因是滑動-傾倒復合變形兩種機制共同作用的結(jié)果(王思敬,1992)。在國外,Braathen et al.(2004)對挪威地區(qū)8個典型的巖質(zhì)邊坡變形破壞特征進行了研究,揭示這些變形邊坡后緣為10～30m高的拉裂陡坎,拉裂帶寬可達幾米; 斜坡頂部平臺發(fā)育數(shù)百米長、幾十米寬的地塹帶,其錯落高度可達20m(據(jù)Akernesrenna岸坡),截止至2002年的監(jiān)測資料表明Akernesrenna變形體的西側(cè)區(qū)變形累積位移達25m。這些邊坡后緣均為拉裂下錯形成的陡坎、岸頂平臺均發(fā)育有地塹式寬大裂縫以及發(fā)生了較大的變形位移等一系列變形特征現(xiàn)象與本文研究的變形岸坡較為類似(圖1)(Braathen et al.,2004)。

圖1 挪威Nordnesfjellet復雜變形體變形特征(Braathen et al.,2004)

傾倒破壞是巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的一種典型形式,Goodman et al.(1976)將巖體傾倒變形歸納為3種基本類型(圖2),即彎曲傾倒(Flexural toppling)、塊狀傾倒(Block toppling)和塊狀-彎曲傾倒(Block-flexural toppling),關于傾倒變形,已有的研究成果多為巖質(zhì)邊坡彎曲傾倒(Flexural toppling)或塊狀傾倒(Block toppling)變形模式及機理研究(黃達等,2021),但實際上絕對理想的彎曲傾倒或塊狀傾倒在工程巖體中比較罕見,而巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式及變形機制受控于邊坡巖體結(jié)構(gòu)。針對本文研究的岸坡變形受4組結(jié)構(gòu)面控制,盡管岸坡巖體巖性為堅硬的塊狀花崗巖,但由于陡傾坡外及坡內(nèi)的兩組高陡傾角結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育,塊狀巖體已“板裂化”,前期的科研專題初步揭示岸坡大變形成因?qū)儆趲r體塊狀傾倒(Block toppling)-滑移(Sliding)復合型變形機制共同作用的結(jié)果。

圖2 Goodman和Bray總結(jié)的傾倒3種類型(Goodman et al.,1976)

本文在深入研究巖質(zhì)斜坡工程地質(zhì)背景、岸坡巖體結(jié)構(gòu)、變形破壞模式地質(zhì)分析基礎上,基于底摩擦試驗的物理模擬方法,再現(xiàn)了邊坡變形破壞過程,揭示了邊坡變形破壞的地質(zhì)力學模式。在岸坡變形破壞模式的地質(zhì)分析及物理模擬的基礎上,研究了岸坡大變形成因,闡明了岸坡大變形形成演化機制,以期為后期庫水作用下岸坡的變形演化趨勢預測及穩(wěn)定性評價提供依據(jù),同時在硬質(zhì)巖斜坡發(fā)生大變形的工程地質(zhì)評價方面取得新的認識與進展。

1 岸坡工程地質(zhì)特征

研究邊坡巖性為印支期花崗巖,水庫蓄水前河水面高程2260m,現(xiàn)今庫水位高程2448m。岸頂平臺后為區(qū)域Ⅲ級夷平面,高程大于3000m。岸坡總體為呈向河床凸出的弧形坡體,傾向約NW300°,平均自然坡度45°。2750m高程以上為早期錯落體,錯落體的底部邊界為Hf104; 岸頂變形范圍順河長1050m,平臺最大寬度285m,岸坡變形底部高程為2350～2370m,頂部高程為2950m,變形區(qū)面積約85.4×104m2,中下部最大水平深度172m,中上部水平深度超過250m,估算的變形體方量約6000×104m3。

岸坡巖體發(fā)育4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面(圖3):J1組結(jié)構(gòu)面陡傾坡外、J2組結(jié)構(gòu)面陡傾坡內(nèi)、J3組結(jié)構(gòu)面中緩傾坡外及J4組結(jié)構(gòu)面緩傾坡內(nèi)。其中:以陡傾坡內(nèi)及坡外的兩組高陡傾角結(jié)構(gòu)面最為發(fā)育,將塊狀花崗巖切割為板狀,結(jié)構(gòu)面發(fā)育方位特征詳見表1。

表1 岸坡巖體發(fā)育的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位特征

以勘探資料、物探波速測試成果為依據(jù),結(jié)合地表各山梁巖體出露特征,參照《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2006),將岸坡巖體劃分為以下幾種結(jié)構(gòu)類型(圖4):

圖4 岸坡工程地質(zhì)剖面圖

(1)散體結(jié)構(gòu):包括表層松動巖體、崩塌堆積體、覆蓋松散土層和全風化花崗巖等,屬于Ⅴ級巖體。巖體破碎呈爆破散體狀,巖塊間夾巖屑或泥質(zhì)物,嵌合松弛,卸荷拉裂縫極發(fā)育,多塌方,水平厚度小于30m。

(2)碎裂結(jié)構(gòu):巖體明顯較表層散體結(jié)構(gòu)完整,主要為板裂狀傾倒松動體,巖塊間局部有巖屑及泥質(zhì)物充填,嵌合松弛-較松弛,裂隙密集發(fā)育、方向紊亂,屬于Ⅳ級巖體。2750m高程以下水平厚度40～60m,該高層以上厚度大于100m。

(3)塊裂結(jié)構(gòu):巖體完整性差,巖塊間局部有少量巖屑及泥質(zhì)物充填,嵌合中等緊密,屬于Ⅳ1～Ⅲ2級巖體。水平埋深一般為70～90m。

(4)鑲嵌-次塊狀(塊狀)結(jié)構(gòu):屬Ⅲ～Ⅱ級巖體,為變形區(qū)以里的非擾動巖體,其中鑲嵌結(jié)構(gòu)為變形巖體以里的過渡帶巖體,厚度30～50m,基本無裂縫或僅有少量斷續(xù)微裂縫,巖體無明顯松動。

2 岸坡變形破壞模式地質(zhì)分析

2.1 “下沉-楔入”破壞

岸頂平臺表現(xiàn)為拉裂變形,發(fā)育幾條大規(guī)模拉裂縫陷落帶,分別為LF1(后緣變形邊界裂縫)、LF53、LF54、LF55及LF56,最大延伸長度達450m、陷落帶寬約25～50m不等。拉裂陷落帶呈中部降低,具有傾岸里的裂縫內(nèi)側(cè)下降,傾岸外的裂縫外側(cè)下降的特點(圖5a)。受控于陡傾內(nèi)及陡傾外的結(jié)構(gòu)面組合,在陷落帶內(nèi)形成不對稱的地塹式地貌(圖5b)。

圖5 岸頂平臺“下沉-楔入”變形

2.2 傾倒拉裂

岸坡中高高程部位巖體多處山梁發(fā)生傾倒變形(圖6a),各山梁坡體表面分布有大量不同規(guī)模的傾倒拉裂縫。這些傾倒拉裂縫總體呈近南北走向展布,部分拉裂縫斜切山梁及溝谷,延伸數(shù)十米至百米,地貌上表現(xiàn)為溝槽或凹槽狀負地形(圖6b),岸外側(cè)高、內(nèi)側(cè)低。

圖6 坡體傾倒拉裂變形特征

2.3 坡體塌滑

受庫水位作用及坡體強烈傾倒變形的影響,表部巖體松動、破碎,塌滑主要分布于具有良好臨空條件的溝谷兩側(cè)、突出的脊狀地形以及斷層帶部位(圖7)。

圖7 受強烈傾倒拉裂導致的岸坡塌滑變形特征

2.4 深部巖體“張裂”

不同高程的勘探平硐較清楚地揭露了岸坡深部巖體拉裂變形。拉裂變形多受陡傾角結(jié)構(gòu)面控制,一般張開幾毫米至幾厘米,巖體松動不顯著,其形成是其外側(cè)岸坡巖體強烈傾倒而導致的“卸荷”回彈而發(fā)生的深部巖體“張裂”變形(圖8)。

圖8 沿陡傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育的深部巖體“張裂”(PD9)

3 岸坡變形破壞模式的物理模擬

3.1 試驗設備及方案

物理模擬試驗是以相似原理為基礎,建立研究對象和模擬試驗之間的相似關系,從而保證模型試驗中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象與原型相似(徐進,1987; 董云,2003; 石豫川等,2003; 馮文凱等,2004)。室內(nèi)底摩擦試驗是模擬重力的最常用方法之一(馮文凱等,2006; 蔡國軍等,2008; 張御陽等,2018),是通過模型和底面之間的摩擦力來模擬坡體的重力,其設備原理如圖9所示。根據(jù)圣維南原理,當模型足夠薄時,可認為摩擦力均勻作用在整個模型厚度上,相當于原型地質(zhì)體在天然條件下受到重力作用的荷載條件。

圖9 底摩擦模型試驗原理示意圖(蔡國軍等,2008)

本次底摩擦試驗采用成都理工大學研制的自動化底摩擦模型試驗儀,本文物理模擬重點研究岸坡受多組結(jié)構(gòu)面發(fā)育控制的塊狀傾倒-滑移復合型變形破壞模式,模型制作中考慮了岸坡巖體中最為發(fā)育的陡傾坡內(nèi)、坡外的兩組高陡傾角結(jié)構(gòu)面(J1、J2)以及中緩傾坡外組結(jié)構(gòu)面(J3); 以現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果為依據(jù),試驗的幾何相似比為1︰1200,由于按照相似比概化的模型邊坡結(jié)構(gòu)面間距非常小,采用小刀切割結(jié)構(gòu)面,無法完成模型制作。由于本文底摩擦研究旨在再現(xiàn)邊坡變形破壞模式、變形過程,因此,結(jié)構(gòu)面制作時,考慮實際連通率,結(jié)構(gòu)面間距按實際岸坡巖體中各組結(jié)構(gòu)面相對發(fā)育密集程度即可(間距比J1︰J2︰J3=2︰1︰3),即陡傾坡內(nèi)組結(jié)構(gòu)面J2按每2cm的平均間距切割、連通率100%; 陡傾坡外組結(jié)構(gòu)面J1間距4cm、連通率為60%; 中緩傾坡外組結(jié)構(gòu)面J3間距6cm、連通率為40%; 因多組結(jié)構(gòu)面邊坡模型制樣相對繁瑣、困難,且結(jié)構(gòu)面切割過程中,容易導致模型局部破碎,因此,結(jié)構(gòu)面切割僅在岸坡水平變形深度范圍內(nèi)進行(即岸坡后緣以長大裂隙LF1為界),岸坡深部未變形區(qū)域及模型底部未進行結(jié)構(gòu)面切割。底摩擦邊坡模型概化如圖10所示。

圖10 底摩擦試驗模型圖

3.2 試驗材料選取及配比

模型試驗的材料采用重晶石粉、石英砂、液體石蠟油混合調(diào)制而成,配比參考已有的研究成果,經(jīng)多次反復調(diào)試配置而成,其材料配比及其物理力學性質(zhì)見表2。

表2 模型材料配比及其物理力學參數(shù)

3.3 試驗結(jié)果分析

物理模擬揭示邊坡變形過程具有如下特征:岸坡巖體在自重作用下的變形受多組結(jié)構(gòu)面控制,表現(xiàn)為受陡傾坡內(nèi)組結(jié)構(gòu)面控制的彎曲傾倒變形,伴隨巖層的傾倒、根部折斷、坡面呈反向臺坎狀,即為外高內(nèi)低的拉裂陡坎(圖11a),與現(xiàn)場調(diào)查的坡體變形特征吻合(圖6); 同時,折斷面發(fā)育有追蹤第③組中緩傾角結(jié)構(gòu)面的趨勢,淺表部巖體在各組結(jié)構(gòu)面組合切割以及受彎曲傾倒作用影響下,岸坡前緣的小塊體有逐漸脫離母巖而發(fā)生小規(guī)模塌滑破壞的趨勢,隨著這種變形的加劇,后期淺表部巖體變形表現(xiàn)為松動、破碎而演化為現(xiàn)場調(diào)查的坡體塌滑變形(圖7),巖體結(jié)構(gòu)逐漸劣化至散體結(jié)構(gòu)。

圖11 坡頂巖體塊狀傾倒-拉裂變形階段

隨著底摩擦試驗運行時間的增加,邊坡巖體變形加劇,根部折斷面追蹤中緩傾坡外結(jié)構(gòu)面、并向上發(fā)展,坡體表部拉裂逐漸向坡內(nèi)及深部擴展(圖11b),坡體后緣拉張明顯,局部可見錯落陡坎,頂部平臺出現(xiàn)明顯的拉裂、陷落帶(圖12),具有受陡傾坡內(nèi)及坡外兩組結(jié)構(gòu)面組合切割的楔形破壞特征(圖5a),表現(xiàn)為地塹式拉裂地貌,與現(xiàn)場調(diào)查的坡頂發(fā)育的大規(guī)模拉裂縫陷落帶特征一致(如LF53)(圖5b)。隨后緣坡體傾倒拉裂變形加劇,坡體前緣沿中緩傾結(jié)構(gòu)面蠕滑加劇,變形位移逐級增大。

圖12 塊狀傾倒-根部折斷-滑移復合變形階段

從變形位移特征來看,坡頂靠坡面附近一帶以水平向位移為主,坡體后緣以垂直位移為主。坡體后緣沿陡傾坡外組結(jié)構(gòu)面(J1)整體下沉,這與現(xiàn)場調(diào)查的變形特征基本吻合。總體上邊坡變形表現(xiàn)為花崗巖板裂巖體的傾倒、根部折斷、折斷面追蹤坡體內(nèi)中緩傾角結(jié)構(gòu)面,后緣坡面表現(xiàn)為拉裂,深部潛在貫通面具有典型的階梯狀形態(tài)(圖13)。地質(zhì)力學模式為:塊狀傾倒-滑移復合型變形破壞模式。

圖13 階梯狀宏觀破裂面形成階段

4 岸坡大變形演化機制研究

岸坡經(jīng)歷漫長的地質(zhì)歷史時期的風化卸荷、變形改造和失穩(wěn)破壞后達到了一個相對穩(wěn)定的狀態(tài),2750m高程以上岸頂部位發(fā)生錯落滑動,形成錯落體,而此后再經(jīng)調(diào)整變形改造達到相對穩(wěn)定的岸坡是現(xiàn)今該邊坡重新變形的基礎坡體結(jié)構(gòu)和坡形。該岸坡現(xiàn)今大變形的機制和過程如下:

(1)岸坡高高程部位的錯落體形成后,并經(jīng)長時間調(diào)整變形改造達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。一定量的水入滲將導致岸頂平臺表面土層追蹤下部裂縫形成串珠狀落水洞、線狀塌陷槽(圖14); 當超常水量入滲,或有一定水頭集中入滲時,因錯落體底部的Hf104(圖4)具有一定的阻水、滯水作用,使入滲的水向錯落體上下游方向沿原有裂縫流動,導致原本處于基本平衡穩(wěn)定的錯落體中裂縫兩側(cè)發(fā)生變位。一次入滲后裂縫變位可能停止,但后續(xù)有多次入滲時,變位可能不再停止,持續(xù)變形開始,啟動了整個錯落體的重新變形。

(2)岸頂平臺遭受集中匯水入滲。頂部平臺匯水入滲引起巖體變形機理包括:a.動水入滲產(chǎn)生的動水壓力作用的推擠; b.入滲的水軟化①、②組結(jié)構(gòu)面,使結(jié)構(gòu)面力學強度降低,兩結(jié)構(gòu)面間楔體向下楔入推擠、張拉,造成平臺地表的地塹式變形跡象。

(3)錯落體的重新變形延續(xù)了早期岸坡的卸荷、變形及錯滑時的模式,即沿①組結(jié)構(gòu)面拉張下沉,②組結(jié)構(gòu)面向岸外傾倒,中間槽形地帶下沉。平臺前緣岸坡帶以水平位移為主,后緣以垂直位移為主,變形表現(xiàn)為向岸外的推擠。

(4)錯落體的推擠式變形向低高程傳遞,導致平臺前緣岸坡早期的拉裂溝槽進一步拉開,經(jīng)過較長時間的變形后,坡面各山梁表層的松散層開始垮塌,并促進岸頂平臺的變形進一步增大。

(5)2009年3月1日水庫蓄水后,水位很快達到了2370m高程,從監(jiān)測資料反映的各測點變位與庫水位升降的關系看,水位上升,測點變形速率快速增大,水位穩(wěn)定及下降時,速率降低(圖15～圖17)。蓄水對已經(jīng)歷過早期變形的松動破碎巖體且目前又正在變形的岸坡巖體產(chǎn)生牽引變形,促進了上部岸坡及岸頂平臺的變形。庫水對岸坡變形的作用機理仍受岸坡巖體結(jié)構(gòu)控制,既不是受貫通性軟弱結(jié)構(gòu)面控制的滑動性變形,也不是類似散體層浸水后的整體沉降性變形,仍是對①、②組結(jié)構(gòu)面軟化、導致其強度降低,兩面間楔體向下楔入推擠引起的傾倒、張拉變形,并隨水位上升,向坡面上部發(fā)展,具有牽引性質(zhì)。

圖15 岸坡平臺監(jiān)測點及剖面布置

圖16 1-1′剖面觀測點時間-累計位移曲線

圖17 1-1′剖面觀測點時間-位移速率曲線

綜上所述,平臺集中匯水入滲是導致錯落體復活的主導因素,當后緣裂隙充水達到一定高度時,錯落體啟動變形,錯落體因楔入-傾倒產(chǎn)生的推擠性變形而擠壓下部松散的卸荷、松動巖體(圖18),使其下部松散巖體發(fā)生斜向下的位移,且以Hf104接觸面附近巖體最為顯著,變形位移向岸坡底部逐漸減小,由此可說明復活的錯落體促進、加劇其下部斜坡的變形,這種變形是自上而下擴展。水庫蓄水后,庫水對已經(jīng)歷過早期變形、目前又正在變形的岸坡巖體產(chǎn)生牽引變形,進而增大了上部坡面和岸頂平臺的變形,這種引起淺表層卸荷、松動巖體的變形是自下而上擴展,而錯落體復活后的變形是擠壓錯落體下部卸荷巖體發(fā)生的自上而下的變形,兩者變形一旦貫通,岸坡變形就表現(xiàn)為受水庫蓄水位影響。

圖18 岸坡大變形機制示意圖

現(xiàn)今岸坡大變形的機制為上部楔入-傾倒產(chǎn)生的推擠性變形與下部鼓張、傾倒性牽引變形的復合變形機制,地質(zhì)力學模式概括為:塊狀傾倒-滑移復合型變形破壞模式。

5 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合勘探資料揭示岸坡變形區(qū)面積約85.4×104m2,中下部最大水平深度172m,中上部水平深度超過250m,估算變形體方量約6000×104m3。

(2)岸坡變形破壞模式的地質(zhì)分析表明,岸坡大變形包括“下沉-楔入”破壞、塌滑破壞、傾倒拉裂變形、深部巖體“張裂”4種變形破壞模式。

(3)物理模擬試驗揭示岸坡巖體在自重作用下的變形受多組結(jié)構(gòu)面控制,表現(xiàn)為花崗巖板裂巖體的傾倒、根部折斷、折斷面追蹤坡體內(nèi)中緩傾角結(jié)構(gòu)面,后緣坡面表現(xiàn)為拉裂,深部潛在貫通面具有典型的階梯狀形態(tài)。地質(zhì)力學模式概括為:塊狀傾倒-滑移復合型變形破壞模式。

(4)在岸坡區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境研究基礎上,結(jié)合岸坡變形破壞模式的地質(zhì)分析、物理模擬試驗以及監(jiān)測資料成果,對岸坡大變形的形成演化機制進行研究。結(jié)果表明,岸坡大變形機制為上部楔入-傾倒產(chǎn)生的推擠性變形與下部鼓張、傾倒性牽引變形的復合變形機制,岸坡大變形是頂部錯落體推擠性變形與受庫水作用影響而導致的牽引變形共同作用的結(jié)果。