瀑布沟水电站岸坡深部裂缝发育规律与变形特征

瀑布沟水电站岸坡深部裂缝发育规律与变形特征

1区域地质背景瀑布沟水库位于四川省汉源县和甘洛县交界处的大河中游（石棉以下），位于四川盆地西部边缘和横断山的过渡带。这是四川和云南北部构造带的三个主要构造区：北部、东部和南部。它属于扬子平台西部的第二个造区带。该区域的断裂结构以南北走向为主，同时位于南北方向和东部的断裂带中。1981年经四川地震局鉴定,瀑布沟水电站地震基本烈度定为Ⅶ度。大渡河干流横切山地形成三大峡谷,他们依次是汉源峡、金口峡和峨边峡,大渡河在此呈几字形弯曲,两岸有羽状水系的多条支流汇入,他们都以嶂谷地貌为特色,构成一个复杂的峡谷地貌系统。瀑布沟水电站库首段处于南北向的汉源—昭觉断裂与宜坪—美姑断裂所切割的相对稳定的瓦山断块上,属高山峡谷型地貌,两岸谷坡陡峻,基岩裸露。在库首右岸发育有两个拉裂变形体,其岸坡内部发育有深部裂缝,这些裂缝的发育深度上超出工程经验中边坡岩体卸荷带范围。2边缘地质环境2.1顺等高线方向坡面形态瀑布沟水电站库首段为“V”型峡谷地貌,河道总体呈南东向深切弯曲延展,谷底狭窄,河面宽60～120m,两岸谷坡陡峻,坡度约40°～60°,崖状地形发育,两岸支沟稀疏而短小,都因远远赶不上主河道的下切速率而形成悬沟,河谷阶地极零星。右岸为河流凹岸(侵蚀岸),主河床偏向右岸。顺等高线方向坡体呈槽脊相间的梳状地貌形态,横向沟谷切割深度为10～35m。在垂直向上可将岸坡分为上、下两个地貌单元:下部地貌单元从河床河水位至850.00m高程,高差约180m,谷坡坡度一般大于40°;上部地貌单元850m高程以上,谷坡一般20°～35°,其中850～870m和970～1020m高程为两级开阔平台地形,分别为Ⅳ、Ⅴ级河流阶地,曾属早期河流流经之地,呈现出开阔宽谷或“U”型河谷地貌形态。2.2前震旦系浅变质玄武岩岩石学特征库首右岸边坡主要岩层为前震旦系浅变质玄武岩及震旦系下统苏雄组流纹质凝灰岩。苏雄组(Z3−2asas3-2)流纹质凝灰岩及流纹岩:浅灰色,残余玻屑火山碎屑结构,块状构造,凝灰岩岩体节理裂隙发育,呈镶嵌～碎裂结构,抗风化能力弱;前震旦系浅变质玄武岩(AnZβ)灰绿色,岩石致密坚硬,局部具杏仁状、气孔状喷发构造,该玄武岩时代老,质坚性脆,岩体小断层及构造裂隙发育,卸荷作用强烈,岩体完整性差。岩层平均产状为N25～35°W/SW∠70～80°,与河谷走向基本一致,表现为倾上游陡倾坡内,为反倾岩质斜坡。岩性均为硬质岩,硬而脆(变质岩系),与岩体原生结构面一起为岸坡的变形破坏提供了最基本的物质结构条件。2.3大学生应力偏量变化研究区地应力最大主应力σ1=21.1～27.3MPa,方向N54°E～N84°E,倾角一般小于20°,方向、量级和倾角均较稳定;σ2、σ3的方向量级和倾角变化较大;三向主应力平均比值σ1:σ2:σ3=1:0.65:0.27,应力偏量较大;反映了岩体的应力场属于以构造应力占主导地位的初始地应力场。2.4地层范围内地壳大面积升降大渡河上、中游在上新世早、中期,因夷平作用形成一准平原。据蒋复初等(1999)研究其古地磁,判定其形成时间为4.20～2.60MaB.P.,到2.60MaB.P.后,原始的大渡河古湖趋于消失,雏形的大渡河注入汉源附近的残余古湖,而金口河复背斜西坡的金口大峡谷段古大渡河水系西流入古湖,古湖南通安宁河。1.78MaB.P.后,汉源古湖也趋于消失,喜山运动B幕的强烈活动,促使小相岭急剧上升,金口河复背斜东坡的古大渡河强烈溯源侵蚀,切穿复背斜夺取金口大峡谷段的古大渡河,使其改向东流。这一时期约在1.0MaB.P.左右。第四纪近场地范围内地壳大面积的间歇性抬升可明显分为3个阶段(表1):(1)Q2末到Q3早期;(2)Q3早期至Q3末期;(3)Q3末至Q4以来。Q2时期形成坡顶夷平面后河流强烈下切,相对高差1500m左右。在地壳上升、河流下切的总体背景下,河流同时具有峡谷地貌与深厚覆盖层堆积的双重地质地貌特点。3岸坡岩体拉裂变形规律库首右岸自然岸坡大致走向近SN向,坡度为45°～50°,冲沟切割,地貌上呈现出槽脊相间的梳状地貌形态,地形上呈陡—缓—陡—缓(下陡上缓)的变化(图1)。库首右岸边坡距坝轴线约600m,在680～1020m高程之间布置了勘探平硐13个,在岸坡中主要发育有以下4组裂隙:(1)N25～35°W/SW∠60～75°;(2)SN/W∠65～80°;(3)N20～30°W/NE∠35～45°;(4)SN/E∠65～75°。其中以第1组(NW/SW)最为发育,裂面平直,延伸长,且密集,使岩体片理化;第2组(NW/NE,中缓倾坡外,主要见于中高程850m附近)次之。NW/SW(陡倾坡内)组主要为岩体的原生结构面发育方位,小错动带或小断层也主要沿该方位出现,走向与边坡走向夹角较小,陡倾角,岩体具备了倾倒变形的内在条件。NW/NE组(中缓倾坡外)走向与边坡走向夹角较小,中缓倾坡外,岩体具备了沿该面滑移的内在条件。平硐中的拉张裂隙受中缓倾角裂隙限制,在其间存在保存完好的“板梁”;坡体中并未形成统一的贯穿性拉裂面。平硐调查发现,在硐深70～90m左右深度范围内常常存在宽约20m甚至更宽的紧密挤压带。挤压带内岩体相对完整,裂隙多呈闭合状,较干燥;穿过该带后,岩体完整性变差,卸荷现象又有所增强,出现深部拉裂缝。岸坡岩体由表及里可划分为表生改造段和浅生改造段两个带(表2)。在表生改造带中又可以分为外侧的卸荷拉裂-变形破裂带和内侧的紧密挤压带。如硐7#的表生改造深度为90m,其中0～70m段为卸荷拉裂-变形破裂带,70～90m段为紧密挤压带;90m以里为浅生改造带,估计延伸深度达150m(该洞深仅102m)。从低高程到高高程优势结构面的发育由以原生、构造结构面为主逐步转变为以风化卸荷裂隙为主。高位探硐(如硐7#,979.58m)围岩内可见明显松弛拉裂变形,强卸荷段岩体呈碎裂-散体结构,岩块之间充填岩屑等,显示了岩块间相互错动;低位探硐(如硐6#,785.15m)岩体变形以倾倒、弯曲、折断为主要的变形形式,拉裂松动现象远不如高位探硐明显。卸荷带内的拉裂缝主要表现形式是沿陡倾结构面张开、陡倾结构面与中缓倾坡外结构面组合后形成的滑移拉裂;多充填次生泥,充填厚度由表及里逐渐减弱。卸荷带以内的深部裂缝裂隙面起伏粗糙、干燥、裂隙面上可见强烈风化锈染现象,但未见有次生泥等充填,单缝张开3～10cm,最大张开30cm;是一种引张型的变形模式。4深部裂缝发育特征对勘探平硐深部裂缝的现场调查表明:高程800～1020m段,深部裂缝出现于从平硐硐口往里90m～150m位置;800m高程以下各平硐均未见通常卸荷带以内的深部裂缝出现。可见深部裂缝主要分布于800m高程以上(图1),这说明了岸坡中的深部裂缝发育表现为随高程降低而降低的特点。各高程平硐揭露的深部裂缝水平深度为:5#硐(1008.79m)131.5m,拉裂缝张开2～5cm;7#硐(979.58m)96.8m,拉裂缝张开3～30cm;48#硐(921.49m)89m,拉裂缝张开2～5cm。通过对深部裂缝发育分布和统计特征的分析,还有以下值得注意的特征:(1)深裂缝主要是沿早先的构造裂隙改造而成。根据统计深部裂缝优势方向为SN/E∠75°～85和N35°～45°W/SW∠60°～75°,前者为与坡向大体平行的一套板裂状裂隙,后者为同坡向斜交裂隙,深裂缝主要沿这两组裂隙生成,少量深裂缝沿NW或近EW向陡裂隙生成。这种显著的方向性表明他们与卸荷临空方位以及最大主应力场的方位有关;(2)深部裂缝主要表现为向河谷临空方向的张开,两侧岩层基本没有错位,带内主要充填块石、碎石,零散、架空,无胶结,未见次生泥充填,沿结构面有较为强烈的风化浸染现象,显示了该深部裂缝的形成时代久远;(3)深部裂缝呈带状展布,为一套与坡向大体平行的板裂状裂隙,破裂带与带间有0.7～1.5m宽的相对较完整的“板梁”;(4)深部裂缝发育受河谷“浅生改造基准线”控制。所谓“浅生改造基准线”是指河谷边坡一定高度的位置,此位置以上,河谷应力场的释放受高阶地和夷平面阶段快速大幅度卸荷作用,不受和较少受到谷底的制约,在坡体内部形成浅生结构;此位置以下,河谷应力场由于谷底的约束效应,不能和难以释放,除非有特定的地应力释放窗口(如缓倾坡外的结构面发育),形成通常的岸坡卸荷带。对库首右岸边坡,这个浅生改造基准线高程大致是800m。5岸坡岩体深部裂缝发育规律挽近期以来,由于区域性剥蚀或侧向卸荷引起应力环境变化,在地壳浅表层岩体中由卸荷作用形成的变形破裂形迹称之为浅生结构。河谷的快速下切必然导致边坡应力的强烈释放,并驱动坡体产生向临空面方向的卸荷回弹,由于回弹的不均匀,从而在坡体内部一些相对弱面部位(如小断层、长大裂隙或裂隙密集带)形成残余的拉应力环境,导致原有结构面的拉张,产生深部张裂的基础。文的数值分析表明,水平构造应力场强度越高,边坡卸荷深度越大;边坡的形态对边坡的卸荷深度有重要影响,边坡的高度越高、坡度越陡,卸荷带的范围越大。边坡结构条件以及边坡的岩性条件不仅控制边坡的卸荷范围,同时控制边坡卸荷的方式,进而控制边坡演化过程中的地貌形态。近年的研究表明,在类似于河谷下切的卸荷条件下,如果没有其他特殊“地应力释放窗口”的条件下(如缓倾坡外的结构面),卸荷速率越快,岩体内部的破裂越有利于向张性条件发展,相应也就越有利于应力的释放。高的下切速率对应于快的卸载应变速率,其结果必然是导致在边坡内部形成拉张裂缝的扩展趋势。显然,这种拉张的趋势必然会沿坡体内原有的,与应力释放方向最为配套的结构面发展,从而在原有构造结构面基础上,形成深部张裂。浅表生改造是岸坡岩体产生深部裂缝的主因。研究区河谷在Ⅴ、Ⅳ级阶地形成后经历了一个快速的下切时期,即由860m高程下切至620m左右,岸坡快速卸荷过程塑造了岸坡岩体的浅生结构,深部裂缝是由于河谷快速大幅度卸荷引起应力环境的变化在坡体中形成的浅生构造。1#平硐70m附近的结构面石英脉测年为40万年,表明边坡岩体内的深部裂缝等浅生结构主要出现在Ⅳ阶地的形成过程中。库首边坡岩体中深部裂缝主要分布在岸坡90m以内,多表现为沿陡倾坡内或陡倾坡外的早先构造结构面张裂或拉张变形,结构面中基本未见次生泥发育,仅在结构面上见到锈染,且多干燥,相互之间存在相对完整的“板梁”,表明边坡的深拉裂缝相互间无结构联系,空间上未连通。库首右岸深部裂缝发育的特征分析,边坡岩体的浅生改造无进一步发展的原动力,而且在空间上尚未贯通。因此,他们目前还不能构成岸坡岩体进一步破坏的边界。结合库首右岸边坡所处的环境条件、坡体结构和目前变形破坏特征,深部裂缝的形成可分为以下几个阶段:第一阶段:构造能量储备和“储能体”形成阶段。坡体中坚硬的玄武岩、凝灰岩岩体为储存高应变能提供了物质基础。岩体属前震旦系、震旦系古老岩体,虽经过历次构造应力作用但又未遭到强烈破碎,具备了储存残余应变能的条件。第二阶段:浅生改造阶段。中更新世时期,研究区大渡河谷经历了快速的下切卸荷过程,河谷也由宽谷演化为峡谷。这一阶段,不仅沿大渡河发育有多个崩滑体以及古拉裂变形体,导致大渡河形成较大厚度的深厚覆盖层,而且在河谷两岸坡体一定深度范围内发育了大量卸荷裂隙,他们大多沿早先的陡倾坡外或陡倾坡内的结构面产生拉张变形或张裂,并以随机、间隔的方式出现,彼此并不贯通。靠近坡体表面的拉张裂隙为后期表生改造和重力作用下的进一步破坏提供了结构基础。6浅表生改造产物总体