工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1501-1508   (5919 KB)    
雅砻江上游互层斜坡倾倒变形破坏机制与演化
王飞, 唐辉明    
中国地质大学(武汉)工程学院 武汉 430071
摘要:以甲西倾倒体为典型实例,从赋存环境、发育特征、形成条件等基础层面上分析雅砻江上游互层斜坡倾倒变形破坏机制及演化过程。研究表明:区内大型倾倒体是斜坡岩体在叠加有残余构造应力的自重应力场中长期演化的产物,软硬相间的岩性组合、陡倾内的岸坡结构,加之垂直层面密集节理的切割是斜坡发生倾倒变形的控制性因素;斜坡倾倒是受节理面和层面控制的复合倾倒模式,即:硬岩发生块状-弯曲倾倒,而软岩发生弯曲倾倒;受河谷演化控制,斜坡变形破坏主要经历了4个演化阶段:卸荷回弹陡倾面拉裂阶段,初始变形阶段,板梁根部折断、剪切面贯通阶段以及破坏阶段,并最终转化为蠕滑-拉裂模式形成滑坡。该滑动面受倾向坡外破裂面控制,而并非沿最大弯折带发育。
关键词雅砻江上游    互层斜坡    倾倒    变形破坏机制    演化    
MECHANISM AND EVOLOTION OF TOPPLING IN INTERBEDDED SLOPES AT UPSTREAM OF YALONG RIVER
WANG Fei, TANG Huiming    
Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430071
Abstract: The mechanism and evolution of toppling in interbedded rock slopes in upstream of Yalong River are analyzed with the typical case of Jaxi toppling. The analysis covers the aspects of geological background, development characteristics and formation conditions. This comprehensive study points out that the large-scale toppling in research area is developed by the unique structure of slopes in gravity stress field. The slopes are consisted of a pervasive foliation dipping steeply into the slope, have soft layer and hard layer interbedded and a set of well-developed cross-joints. A model illustrates a typical feature of toppling failure of interbedded rock slope. It is recombination of block-flexure toppling in hard rock and flexural toppling in soft rock, respectively. With the evolution of Yalong River, the deformation of the slope experiences four steps:unloading and rebound, initial deformation, breaking in flexure, and failure as landslide. The sliding surface can be developed along the cross-joints, rather than the maximum bending zone.
Key words: Upstream of Yalong River    Interbedded rock slope    Toppling    Failure mechanism    Evolution    

0 引言

倾倒是指层状反坡向结构及部分陡倾角顺层斜坡的表部岩层因蠕动变形向临空方向产生弯曲、折断或倾覆,形成所谓的“点头哈腰”现象(陆兆溱,2001)。这一破坏模式以不同尺寸广泛发育于各类岩质斜坡中(Freitas et al., 1973),其主要类型有:弯曲倾倒、块状倾倒以及块状-弯曲倾倒(Goodman et al., 1976Wyllie et al., 2005),它不仅能形成浅层的崩塌,更能发生大型的深层滑动(Pritchard et al., 1990, 1991Huang,2015)。受坡体岩性和结构特征的影响,不同类型的斜坡其倾倒机制也截然不同。硬岩斜坡由于岩层刚度较大,其变形破坏主要受结构面所控制,独立的层状块体在自重作用下沿底面向坡外发生倾覆。随正交节理密度的不同,可分别发生块状倾倒和块状-弯曲倾倒。基于块状倾倒的特性,Goodman et al.(1976)提出了针对块状倾倒的极限平衡评价方法,并被广泛接受和应用。之后,Zanbak(1983)陈祖煜等(1996)Bobet(1999),Sageseta et al.(2001),Liu et al.(2009)等对该方法进行了改进,使其更具一般性。而软岩斜坡由于自身的塑性,其倾倒变形主要是通过岩层发生板梁弯曲来实现的。这类斜坡的变形模式主要为弯曲倾倒,其变形规模往往较大且发育深度较深。Pritchard(1990)Nichol(2002)等基于极限平衡法存在的局限性,利用UDEC数值方法探讨了弯曲倾倒模式的变形破坏机制及稳定性,并认为该方法是研究倾倒变形的最有效方法。由此可见,目前对于单一岩性斜坡的倾倒机制及评价方法都有了较为深入的研究,并取得了较为成熟的成果。然而软硬互层斜坡坡体岩层集合了硬岩和软岩的特性,其变形破坏机制相对于单一岩性来说要复杂得多。目前,对这类斜坡的变形破坏模式以及变形破坏机制几乎没有相关的文献。

雅砻江地处青藏高原的东南部,沿江出露有大片的层状岩体,倾倒现象普遍(徐佩华等,2004黄润秋,2007)。随着水电开发不断向上游推进,更多倾倒现象被揭露(刘丽娟等,2014苗朝等,2015)。受复杂地质条件和特殊互层坡体结构的影响,这些倾倒体形成机制复杂且发育规模巨大,严重威胁着上游水电工程的建设和正常运行。因此,研究上游互层斜坡倾倒变形破坏机制,已成为准确评价岸坡稳定性的关键。本文选取区内发育的甲西倾倒体为典型实例,从赋存环境、发育特征、形成条件等基础层面上分析雅砻江上游互层斜坡的倾倒变形破坏机制及演化过程。所取得的研究成果不仅可以为工程建设提供技术支持和理论指导,也可推动和丰富倾倒变形破坏机理的研究。

1 工程地质条件
1.1 地形地貌

甲西倾倒体位于甘孜州新龙县和平乡上游约2km的雅砻江右岸,上距拟建甲西电站下坝址约2.7km。变形区河谷狭窄,谷坡陡峻,为典型的构造侵蚀高山峡谷地貌,河谷形态为基本对称的“V”型谷。岸坡两岸基岩多裸露,临江坡高约400~600m,左岸平均坡度50°,右岸约60°。受甲西倾倒体先期滑动的影响,雅砻江在该处流向由SE转为SW,形成一向E凸的小河湾(图 1)。

图 1 甲西倾倒体全貌照片(朝上游偏右岸) Fig. 1 Panorama photograph of Jaxi toppling

1.2 地层岩性

研究区出露地层为三叠系上统两河口组下段(T3lh1)(图 2),岩性为中厚层石英砂岩与薄层状绢云母板岩互层,岩层产状为N10°~30°E/NW∠65°~80°,陡倾坡内,走向与坡面近于平行。第四系松散堆积层为崩坡积层及河床冲积物,主要分布于雅砻江两岸坡脚附近,主要成分为块碎石土。

图 2 研究区地质图 Fig. 2 Geology map of research area

1.3 地质构造

雅砻江在该处主要沿麻西—姜嘎阔背斜核部发育。区内无区域性断裂通过,断裂构造不发育,主要发育一些顺层挤压破碎带,但规模相对较小,延伸几米至几十米不等。陡倾内层状结构是雅砻江上游最主要的岸坡结构类型,斜坡岩体结构主要受层面构造和一组垂直层面的节理所控制,节理产状为N10°~20°W/NE∠15°~25°,倾向坡外,间距0.3~1m。该组节理密集发育于较硬的砂岩中,有一定张开度,将层状岩体切割成一个个短柱状(图 3)。

图 3 研究区互层斜坡坡体结构特征 Fig. 3 Structural characteristics of interbedded rock slope

1.4 河谷演化

研究区雅砻江河谷演化过程整体上具有从左岸向右岸逐渐偏移-下切的特征。自第四纪以来,地壳表现为加快的间歇性整体抬升,主要经历了宽谷期和峡谷期两个阶段(张建岭,2012),分别形成了上部的3级宽谷面和下部5~6级河流阶地(图 4)。受河谷地貌演化所控制,区内斜坡整体具有上缓下陡的特征。

图 4 研究区雅砻江河谷演化模式图 Fig. 4 Evolution pattern of Yalong River in research area

2 倾倒体基本特征
2.1 倾倒体形态特征

在EW向甲西支沟和雅砻江共同切割下,河谷岸坡形成了近EW向展布的脊状山体,甲西倾倒体即发育于脊状山体端部上游侧SE向河段斜坡。该倾倒体在平面上呈一锥型,前缘沿江最大宽度为593m,顺坡向长约552m,总面积约20×104m2(图 5)。变形体前缘直抵河床,高程约为2868m,后缘直达山脊顶部,高程约为3310m,相对高差达442m。斜坡整体坡度呈陡-缓-陡的形态:坡体后缘平均坡度约为44°,中部约为37°,前缘约为51°。

图 5 甲西倾倒体工程地质平面图 Fig. 5 Engineering geological map of Jaxi toppling

2.2 倾倒体物质组成及结构特征

根据地表调查和勘探成果,按物质组成和结构特征,甲西倾倒体主要由3部分组成(图 6):

图 6 甲西倾倒体A-A′工程地质剖面图 Fig. 6 Engineering geological profile of Jaxi toppling

2.2.1 堆积区

甲西倾倒体表部岩土体于1952年发生整体滑动,形成高约40m,宽约500m的堵江坝体,并在斜坡上形成了“U”型边界。堆积体前缘直达对岸斜坡基岩上,高程约为2900m,后缘形态与目前堆积区后缘形态接近,高程约为3160m。后在江水作用下,堵江坝体被冲开,形成了目前的堆积区形态。

2.2.2 强变形区

强变形区分布于滑动区下部,岩层倾角一般为20°~30°。受早期滑动的影响,强变形区后部裸露,为滑动区后缘滑壁。中前部覆于堆积体下部,一般埋深为45~50m。后缘滑壁为节理的贯通面,主要受一组顺坡向发育的裂隙所控制,其高程约为3160~3270m,平均宽度约200m,纵向长约116m。滑壁表面凹凸不平,可见新近发育的滑塌或滑塌空腔,坡度一般为45°。

强变形区岩体弯曲变形剧烈,节理裂隙发育。受强风化、卸荷作用的影响,岩体楔形缝发育且张开,局部贯通性较好。岩体普遍松弛-松动,结构主要呈块裂状,块体稳定性较差。

2.2.3 弱变形区

弱变形区分布于坡体深部,为强变形区与正常岩体的过渡区,其变形程度比强变形区要弱,岩层倾角一般为40°~60°,发育深度约65~70m。弱变形区对应于弱风化、弱卸荷区,岩体结构相对紧密,未见明显折断现象,楔形张裂缝零星发育,且张开度和贯通性均较差,岩体普遍松弛,块体自稳能力整体较好。

2.3 倾倒体变形破坏特征

甲西倾倒体的基本地质力学模式为反倾互层斜坡的弯曲-拉裂,斜坡短柱状的砂岩和连续的板梁分别向坡外发生倾覆和悬臂梁弯曲变形,其岩层倾倒变形剧烈,直至地表近水平,且变形深度较深。根据变形岩体的倾角,可将其划分为强变形和弱变形。之后受顺坡向节理的控制,强变形岩体沿贯通的剪切面发生整体滑动,从而转化为蠕滑-拉裂模式,并最终发展成滑坡。

1952年11月15日,甲西倾倒体表部岩体发生整体滑动。滑体高速下滑形成了高约40m、宽约500m的堵江坝体,堵江回水达12~13km,库容约0.2×108m3。滑坡造成堵江断流长达3d之久,11月18日凌晨4~5时开始溃坝,直到14时左右才达到原来河水位高度,最大溃坝洪水位比常年洪水位高出一倍。

目前,倾倒体的变形破坏主要集中在前缘堆积体中。在雅砻江长期侵蚀作用下,坡体不断垮塌解体,并在坡体上形成数条长大拉裂缝,且前缘较后缘变形大。加之地震、暴雨及江水侵蚀等外营力作用,使坡体岩土体结构进一步劣化,现阶段坡体前缘破坏现象已相当明显,形成了5个变形区,且各区均出现了明显的复活迹象(图 7)。

图 7 甲西倾倒体前缘堆积区复活分区全貌图 Fig. 7 Deformation partition of the accumulation area

2.4 倾倒体形成机制

甲西倾倒体是内、外因素共同作用下长期演化的产物,其形成机制受诸多因素控制,主要有以下几个方面:

2.4.1 地形地貌

甲西倾倒体所处河段属典型的高山峡谷地貌,区内河谷狭窄、谷坡陡峻,坡体整体呈上缓下陡的形态。此外,该处雅砻江干流与甲西支沟切割形成一近EW向的脊状山体,甲西倾倒体即位于该脊状山体端部的一侧,为三面临空状态。这一特殊的地貌条件,为斜坡岩体发生卸荷松弛和倾倒变形提供了有利条件。

2.4.2 地层岩性

变形区出露地层为三叠系上统两河口组下段(T3lh1),岩性为中厚层石英砂岩与薄层状绢云母板岩互层,其中砂岩表现为脆性,板岩表现为塑性。软硬相间的岩性组合是短柱状岩块形成的物质基础,由于砂岩和板岩在物理力学性质上的巨大差异,在早期构造变形中将产生明显的不协调变形,并在脆性砂岩中形成了密集的节理裂隙,造成现今在砂岩中出现短柱状岩柱。同时,软硬相间的岩性组合也是斜坡出现差异卸荷的物质基础,差异回弹变形可在陡倾面中产生残余剪应力,并可造成错动,从而促进倾倒变形的发生。

2.4.3 地质构造

研究区雅砻江沿麻西—姜嘎阔背斜核部发育。该处斜坡岩体相对破碎且地应力集中程度较高,有利于河谷的快速下切和斜坡岩体发生卸荷松弛。此外,陡倾内层状岸坡结构为易倾倒地层,为倾倒变形发生提供了结构基础。

2.4.4 河谷演化

雅砻江经历了宽谷期和峡谷期两个阶段。进入峡谷期后,新构造运动强烈,地壳快速抬升,河流下切迅速。随着雅砻江持续下切,河谷岸坡越来越高、越来越陡。侧向卸载导致应力环境变迁,使得岸坡岩体中的各类既有结构面向临空方向扩张,同时形成了一些所谓的重力裂隙,岩体完整性及稳定性发生渐进性衰退。

由上可见,雅砻江上游互层斜坡变形破坏主要受其岸坡的岩性组合和岸坡结构特征所控制。软硬相间的岩性组合、陡倾内的岸坡结构,加之垂直层面的密集短小节理的切割是斜坡发生倾倒变形破坏的控制性因素。

3 斜坡变形破坏机制与演化

根据地质条件分析和倾倒体原型研究,研究区大型倾倒体是陡倾逆向互层斜坡岩体,在叠加有残余构造应力的自重应力场中长期演化的产物。变形初期,在自重应力场作用下,短柱状砂岩块体沿节理面发生倾覆和累计滑动,形成假似的连续弯曲现象,即块状-弯曲倾倒。而另一方面,连续的板岩向临空方向作悬臂梁弯曲,形成典型的弯曲倾倒现象,并在受拉面产生拉张裂缝。在这种复合倾倒模式下,斜坡岩体整体发生倾倒变形。之后,随原有倾向坡外的垂直层面裂隙不断变陡,斜坡的继续变形将受这些倾向坡外的破裂面所控制,从而转为蠕滑-拉裂变形,并最终发展成滑坡。

受河谷演化的控制,互层斜坡这类变形的发展可以划分为以下4个阶段:

3.1 卸荷回弹陡倾面拉裂阶段

图 8a所示,该阶段对应于河流发育的初级阶段,即宽谷期。在地壳稳定期河流以侧蚀为主形成宽谷地貌,之后由于地壳上升、侵蚀基准面下降,前缘临空面形成。初始临空面形成过程中,斜坡岩体伴随着强烈的卸荷回弹作用,陡倾面被拉裂。此外,受互层结构的影响,斜坡发生差异回弹变形,并在陡倾面产生残余剪应力,从而造成错动,触发倾倒变形的发生。

图 8 斜坡变形破坏演化模式图 Fig. 8 Evolution pattern of interbedded rock slope a.卸荷回弹陡倾面拉裂阶段;b.初始变形阶段;c.板梁根部折断、剪切面贯通阶段;d.破坏阶段

3.2 初始变形阶段

图 8b所示,宽谷面形成以后,河谷演化呈明显的加快趋势,从而进入强烈间歇性下切的河流发展时期,即峡谷期。该阶段河谷形态明显变窄,岸坡逐渐变陡,从而在坡脚形成剪应力集中带。坡脚岩体在剪应力作用下发生剪切滑动,为坡体后部岩体发生倾倒变形提供了临空条件。斜坡形成以后,坡体内应力场转化为以自重应力为主,岩体在自重作用下于坡体前缘开始发生整体的倾倒变形,弯曲的板梁之间以及垂直层面的拉裂缝之间均产生相互错动,并不断向坡后发展,直至将坡顶截断,形成平行于走向的反坡台阶和沟槽。

3.3 板梁根部折断、剪切面贯通阶段

图 8c所示,随着河谷的进一步下切,前缘临空面变陡,斜坡岩体倾倒变形加剧,后缘拉裂面向深部扩展,直至坡表岩层近水平。在弯曲作用下,板岩最终将沿底部发生根部折断。至此,斜坡倾倒变形终止,从而进入累进性破坏阶段。

与传统倾倒变形不同,这类互层反倾斜坡的破坏并非沿底部弯折带发展,而是受倾向坡外的结构面所控制,主要发生在强变形岩体中。在倾覆和弯曲作用下,薄而软的板岩在受拉面形成的倾向坡外的断续拉张裂缝与砂岩中顺坡向结构面不断变陡,并最终相互贯通形成统一的剪切滑动面,从而使斜坡变形转变为蠕滑-拉裂模式,并在坡体后部形成错段台坎。受强倾倒变形的影响,剪切面往往陡倾坡外,其剪应力集中程度较高,在内、外营力作用下极易发生整体滑动。

3.4 破坏阶段

图 8d所示,现代河床已基本形成,河流演化进入相对稳定时期。破坏阶段,滑动区岩土体在暴雨、地震等内、外营力作用下,沿贯通的剪切面发生高速整体滑动,形成滑坡,并发生堵江。受高速滑动和风化卸荷作用,原滑动区内未完全解体板状岩体进一步分解,并最终完全丧失层理性,从而形成整体的块碎石土堆积体。堆积体主要堆积于坡体的中前部,后在江水冲刷作用下,堵江坝体被冲开发生溃坝,并在下游形成涌浪,从而形成最终变形体形态(图 6)。

综上所述,研究区互层反倾斜坡的变形破坏是受层面和正交节理联合控制的复合倾倒模式。其先期变形为受结构面控制的弯曲-拉裂变形,之后受倾向坡外破裂面的控制转化为蠕滑-拉裂变形。变形模式的转化是斜坡进入累进性破坏阶段的一个重要标志,而蠕滑-拉裂又是造成该类斜坡大规模失稳的主要方式。因此,准确判断变形体所处演化阶段,有助于合理评价其稳定性。

4 结论

本文通过对研究区典型实例甲西倾倒体的赋存环境、发育特征和形成条件等方面的研究,分析总结了雅砻江上游互层斜坡的倾倒变形破坏机制及演化过程,主要得出以下几个结论:

(1) 倾倒是雅砻江上游互层斜坡变形破坏的主要模式,其倾倒变形剧烈,且变形深度较深。根据坡体物质组成和结构特征可将变形体划分为:滑动区、强变形区和弱变形区3部分。

(2) 研究区倾倒体的形成主要受斜坡的岩性组合特征和岸坡结构控制。软硬相间的岩性组合、陡立反倾的岸坡结构,加之垂直层面的密集短小节理的切割是斜坡发生倾倒破坏的控制性因素。

(3) 研究区互层斜坡的倾倒是由块体倾覆和板粱弯曲形成的复合倾倒模式,即:短柱状砂岩块体沿节理面发生累积滑动和倾覆,发生块状-弯曲倾倒;而连续的板梁作悬臂梁弯曲,发生弯曲倾倒。变形过程中,两种倾倒模式同时发生,相辅相成、相互促进,协调发展。并在坡体上形成反坡台坎,但拉裂缝不发育。

(4) 受河谷演化的控制,研究区互层斜坡变形演化过程主要经历4个阶段:卸荷回弹陡倾面拉裂阶段,初始变形阶段,板梁根部折断、剪切面贯通阶段,破坏阶段。变形初期,斜坡变形主要受层面和正交节理控制,发生弯曲-拉裂变形。之后,随原有倾向坡外的垂直层面节理不断变陡,斜坡的继续变形将受这些倾向坡外的破裂面所控制,从而转为蠕滑-拉裂变形。与传统倾倒变形不同,这类互层反倾斜坡的破坏并非沿底部弯折带发展,而是受倾向坡外的结构面所控制,主要发生在强变形岩体中。

致谢 在此特别感谢中国电建成都勘测设计研究院有限公司地质处张世殊高级工程师、田启文高级工程师、邓卫东高级工程师等在野外调查和资料搜集过程中给予的大力支持和帮助!
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