0 引言

近年来，随着“十三五”规划和“一带一路”工程推进，西部地区水力资源开发进入到了一个飞速发展的新阶段，一系列大型水利枢纽工程(如白鹤滩、溪洛渡、两河口等)正在建设实施。尽管西部水资源丰富，但大部分集中在山区，地质环境异常复，主要表现为:深切峡谷的强卸荷改造环境、复杂岩土体结构环境、高地应力环境、断裂强活动性等^[1-3]，其中岩体结构的复杂多样性是影响和制约这一地区水利工程建设的主要地质问题。而松动岩体作为一种特殊的岩体，其岩体结构破碎化程度高、地应力低、透水性强等性质导致工程特性极差，已成为水电高边坡重大地质难题之一。

近几十年来国内外学者对松动岩体有一定的研究。韩文峰^[4]较早系统总结了松动岩体的结构特征，认为松动岩体是在挽近时期内外动力地质作用下发生了岩体应力释放、结构面破裂张开的岩体。陈剑平等^[5]对大柳树坝址裂隙化岩体进行了变形参数分形几何研究，初步确定了其地质力学参数。李雪峰等^[6]对大柳树坝址松动岩体波速特征进行了研究。李建荣^[7]采用CSMR(Chinese slope mass rating)、RMR(rock mass rating)法对如美水电站松动岩体进行了岩体质量分级，结果表明松动岩体普遍属于Ⅳ、Ⅴ类岩体。贾留杰^[8]、王吉亮等^[9]、刘维国^[10]在大量结构面编录基础上对牙根水电站拉裂松动岩体的发育特征及工程适宜性进行了详细研究，较为系统地归纳了松动岩体的结构特征。谢晔^[11]对溪洛渡、白鹤滩、向家坝的碎裂结构岩体进行了等效研究。胡耀飞等^[12-13]基于边坡破坏模式对松动岩体工程适宜性进行了评价。黄鹏^[14]在对澜沧江小湾水电站松动岩体的工程特性的系统研究基础上，印证了松动岩体具有普遍碎裂化程度高、围岩压力低、透水性强的特征，其成果与大柳树、牙根水电站研究成果一致。

以上学者围绕松动岩体的岩体工程特性等展开了一定研究，为后人研究这一类特殊岩体提供了宝贵的资料。但由于松动岩体在水电工程中大范围出现较少，工程资料相对缺乏，仅大柳树、牙根水电站松动岩体的研究成果相对系统，而在其他水电边坡中缺乏一定的参考资料作为佐证。笔者在前人研究基础上，对节理裂隙的空间发育规律、岩体破裂地质力学特征等方面进行了系统的统计和分析，此外又进行声波测速、地应力测试等试验，最终确定了松动岩体的工程特性，进一步分析了岩体的工程适宜性，以期对控制地下工程围岩稳定性及保障施工安全提供指导。

1 地质条件背景 1.1 地形地貌

楞古水电站厂址区边坡河谷狭窄陡峻，谷肩高差超过500 m，为典型的Ⅴ型峡谷，边坡平面面积约2.1 km²，平均坡度约40°，坡向约255°。雅砻江从坡脚流过，流向为N26°W，沿河长约1.1 km(图 1)。

整个边坡冲沟发育，将斜坡切割成多个坡段，呈波浪状条带分布，致使地形“凸”起，边界条件明显，为边坡的卸荷、变形及次生块体失稳创造了良好的临空条件。密集发育的冲沟形成了强大的汇水系统，致使冲刷和搬运能力大大增强，使坡面侵蚀强度增大。现今边坡面处于剥蚀后退状态，坡表为散体结构强风化岩体。

1.2 地层岩性及构造

研究区出露的基岩为三叠系上统侏倭组(T₃zh)变质石英砂岩夹少量薄层板岩，岩层产状N10°~30°E/NW∠30°~40°(倾下游偏坡外)，属斜顺向坡。调查表明，整个研究区碎裂结构、镶嵌结构岩体占了近80%，岩块尺寸10~25 cm，岩体架空明显，结构面普遍张开，尤其是坡表近乎全为散体结构岩体(图 1)。

大地构造上研究区位于青藏高原东缘松潘—甘孜造山带南段的“川滇巨型菱形断块”之次级块体“雅江—九龙”菱形断块内部。由于多期复杂的构造作用，特别是受到距离厂址区30 km德巫断层(图 2)的影响，该区域形成了十分复杂的地质构造环境。平洞勘探揭露小型断层之多，破碎带发育之密集，以及岩体松动纵深最大达400 m的现象，在大型水电边坡中尚属罕见。

2 岩体卸荷异常

研究区边坡岩体卸荷主要沿已有结构面继承或追踪式进行，部分形成新的顺坡向卸荷裂隙，卸荷带深度随坡体结构、地形地貌差异变化较大，在山脊处比沟谷处卸荷更深，越靠近河谷处卸荷深度越浅。对整个楞古边坡与上游相距18 km的坝址区边坡、与中游相距12 km的唐古栋滑坡，以及河谷对岸边坡进行比较(表 1)，发现厂址区边坡卸荷异常，主要表现在以下两个方面。

2.1 卸荷带范围

雅砻江在下切侵蚀过程中两岸形成了高陡边坡，岸坡的原始地应力释放及卸荷回弹造成坡体在一定范围内岩体变形。同时坡表小型冲沟十分发育，将斜坡分割成波浪状坡段，延伸方向与斜坡所在山梁走向垂直，造成三面临空的环境，从而在一定程度上加剧了坡表岩体卸荷，这种地形卸荷程度明显高于其他平顺型高边坡，致使整个边坡坡表几乎全为近散体结构岩体(图 1c)。平硐及钻孔勘探资料表明：卸荷带跨度大，水平方向强卸荷深15~80 m，弱卸荷深55~155 m，多个平硐揭露还存在深部集中卸荷的现象。如：6#平硐0~32 m连续发育9条卸荷裂隙(图 3a)，导致岩体明显较松弛；2#平硐130 m顶壁发育3条顺坡向卸荷拉裂隙，张开10~15 cm(图 3b)；4#平硐87 m卸荷裂隙延伸至底部，裂缝被岩屑完全填充(图 3c)。

同时，边坡在坡体转向金子寺沟处(图 1a)发现较大规模的岩体倾倒变形，发育较深且折断面较大，其倾倒变形破坏现象有两种表现形式：一是薄层—中层变质细粒砂岩内部上宽下窄的楔形张开，楔形张开与层面垂直以及层面的拉裂、倾倒拉裂痕迹明显；二是层间错动(图 4a)，层面错动方式与斜坡倾倒变形协调，如2#平硐100~130 m揭露的深倾倒变形破坏，岩体呈次块状-镶嵌结构，局部碎裂结构，结构面普遍张开1~3 cm，岩体蠕动变形明显，多见岩块转动变形现象。倾倒变形控制性结构面有两组(图 4)：L₁:N10°~30°E∠SE60°~80°，张开无充填，平直粗糙，间距5~20 cm；L₃:N60°~70°W∠SW60°，局部张开无充填，间距为10~30 cm，局部表现为宽5~8 cm的错动带。图 4中，岩体沿L₁组裂隙发生倾倒变形，同时受L₃组裂隙切割，形成破碎松弛变形体。由于岩体特性和结构面性质差异，导致岩体垂直于层面多形成张裂隙或羽状剪裂隙，多数裂缝一般张开1~5 cm，裂面平直光滑，基本无填充无胶结。由于浅表部垮塌严重，未见由表及里岩层倾角增大这一特点；但发现当结构面间距增大时，岩体折断后多数卡在一起，突点处岩石挤压破碎成屑(图 4b)。

2.2 卸荷程度和破碎化程度

岩体卸荷作用强烈，各方向上结构面普遍张开，尤其是坡体浅表部岩体错动、扩容明显，导致普遍表现为碎块状(图 5)。岩层内多处形成与层面近垂直的Ⅴ字形卸荷裂隙，也有较平直的沿原构造发育的裂隙，部分顺坡向拉裂结构面显示上盘下错现象，岩体内可见压剪产生的片状碎屑，局部岩块突点接触处压碎呈粉末状。

根据岩体破裂的地质力学模式的差异，将由卸荷导致的岩体破裂分为2种形式：

1) 沿节理面剪切拉张破坏。现场调查发现坡体大多由节理化岩体构成，多组结构面密集切割。在卸荷过程中，坡体浅表部岩体会沿节理面错动导致岩体松动，其基本形式是：在两组相对陡-缓的结构面中，往往沿缓倾坡外的一组结构面产生剪切错动(图 4中L₁)，而另一组陡倾结构面因此被拉张(图 4中L₃)，从而导致岩体破坏变形，这种破坏在边坡高高程区域尤其明显(图 6a)。若亦有多组结构面切割，另外组结构面多为张性裂隙，岩体多顺缓倾面破裂成块。如图 6b为6 #平硐26 m处左壁侧岩体因剪切破坏导致的坍塌。

2) 当卸荷引起的拉应力超过了岩体的抗拉强度时，过大的拉应力直接导致岩体被拉裂，就形成了卸荷的拉张裂隙，继而造成岩体松动破裂或失稳塌落。此类卸荷裂隙表现为张性，大多数裂隙倾角较陡，呈Ⅴ字形，且倾向坡外，也存在诸多横向坡张开裂隙。2#平硐27.5 m处发育2条较大的三壁贯通卸荷裂隙(图 7)，拉裂面光滑平坦，由岩块、岩屑填充；同时在多处平行裂缝中还发现了少量植物根系及坡表碎石土，说明坡体裂隙连通率较高且开度大，这在一般水电站边坡中是少见的。

特别需要指出的是，通常情况下在浅表处的卸荷作用会导致岩体破裂，但岩体往往嵌合紧密且存在于一定的构造应力环境中，仍然具备一定的自稳能力；围岩即便开挖也只是零星落石或局部表层坍塌，很少出现大规模连续坍塌现象。但是，研究区边坡岩体内部节理裂隙密集发育，强烈的卸荷作用放大了其对岩体的破坏效应，会直接引起岩体破裂和坡体松动，稳定性下降；因此研究区平硐勘探几乎是围岩一挖即垮，需要全硐段的木支撑，且木支撑结构后面全是坍塌块石。如8 #平硐在开挖水平深度至40 m时，平硐内突然发生坠落式整体坍塌，将平硐掌子面堵死，而在垂直上方地表处则出现长6 m、宽2 m、深2 m的陷坑(图 8)，塌陷深度1.8 m，与平硐高基本一致；这说明自然条件下边坡内部岩体结构面已基本贯通，岩体结构已经相当破碎，整个边坡大范围的岩体都处于松动状态。这种情况在水电工程中也实属罕见。但与8#平硐处于同一垂直于河岸轴线的低高程5#平硐却揭露岩体完整质量较好，普遍呈Ⅱ、Ⅲ类岩体，这与卸荷密切相关。

总体上卸荷作用导致的岩体破裂松动在坡体的浅表部尤为明显，即浅表处岩体松动程度最高，呈现出由表及里发育程度逐渐降低的趋势。岩体普遍呈散体结构或碎裂结构，块体直径为15~30 cm，围岩坍塌严重，完全丧失自稳能力，工程级别属于Ⅴ类岩体。

3 岩体质量指标 3.1 波速

研究区采用硐壁单孔测试法测试钻孔声波。选取不同高程的多个平硐，根据岩体的卸荷差异选择35个不同深度的硐壁段进行了测试(表 2)，结果表明：整个边坡岩体波速(v_p)偏低，v_p < 3 000 m/s的占了大部分，尤其是中高高程以上段，v_p大部分小于2 500 m/s，强卸荷段更低，个别段v_p低于2 000 m/s；低高程段由于卸荷作用较弱，岩体质量较好，v_p>4 000 m/s，岩体相对完整；由于受节理裂隙的影响，完整程度较好的岩体v_p普遍小于4 500 m/s，低高程有所提高。

按照一般规律，硐壁波速会随硐深的增加而增加，最后趋近于一个稳定值，个别段会有小幅波动；但是实际波速测试曲线表明，几乎所有中高程以上平硐，在卸荷段岩体之后测试段波速值不仅没有升高，反而普遍降低，并且存在高低起伏变化现象，呈隔档状分布，说明深部岩体完整性较差，存在破裂情况。以500 m/s的波速间隔作不同卸荷程度声波波速概率分布图，见图 9。

正常岩体v_p普遍大于4 800 m/s，在研究区上游18 km的坝址区，强弱卸荷岩体v_p均在3 522~2 553 m/s之间，明显低于正常岩体的波速值。坝址区岩体岩性与厂址区一致，均为变质砂岩，其代表了雅砻江该河流段正常的波速特征；因此研究区存在大范围低波速现象，属于松动岩体的典型特征。由于边坡岩性均为变质砂岩，本身岩体波速较高，结合前文分析可认为研究区强烈的浅表生改造作用，岩体卸荷应力释放导致岩体松动，岩体多处架空，结构面普遍张开，这是造成的岩体波速偏低的主要原因，且低波速在一定程度上也是岩体结构松散的客观反映。

3.2 应力

根据前文研究，研究区浅表处一定范围内岩体受构造及浅表生改造作用，坡体破碎化程度高，基本丧失原岩应力状态。因此应力测试选取了下游较完整岩体进行，共完成了2组岩体空间应力测试(表 3)。测试点水平埋深>600 m，最大主应力(σ₁)分别为13.25、18.17 MPa，σ₁方向分别为N30.0°E、N48.7°E，结果表明测点岩体应力属中等应力水平，等效值低于自重应力场最小值。

3.3 透水性

透水性强、地下水埋深大是研究区岩体的另一特征，这一点从钻孔压水、注水试验以及平硐勘探得到了验证。对整个边坡2 275~2 800 m高程间的岩体布置多个钻孔进行压水试验，其中：高程2 600~2 800 m段钻孔多数无法测量渗流系数(k)值，这是试验中全泵量(70~90 L /min)压水不起压和岩体破碎无法进行压水试验的试段，说明该段岩体属于极强透水岩体(k>10 L /(min·m·m))；高程2 275~2 600 m段的钻孔压水资料中，全泵量压水不起压和岩体破碎无法进行试验的试段占总数的52%, 由此可见岩体中至少有一半属极强透水性岩体。注浆试验也反映水泥注入量为400~2 200 kg/m，远超过国内10~40 kg/m的普遍水平。

影响岩体透水性的主要因素是岩体中大量发育的各级岩体结构面，且这些结构面大多有不同程度张开。在对边坡多个平硐精测中，共测到张开节理、裂隙2 000多条，平均发育密度分别达1. 8条/m，足见其发育程度之高。张开结构面和裂缝构成地下水储存的主要场所和运移的主要通道，这点从钻孔资料得到印证(图 10)。当充填物厚度比张开度小得多时，渗流与管道流类似; 而在被较细小的裂缝、构造结构面切割的岩体中，地下水的渗透特征和一般较破碎岩体的渗透特征相类似(研究区岩体结构以散体结构、碎裂结构、镶嵌结构为主，占80%~85%)。

一般来说，裂隙水的分布极不均匀。岩体的松动使岩体导水性的各向异性程度大为降低，岩体的松动程度越严重，储存于其中的地下水越易相互贯通构成统一的水动力系统。当各向节理裂隙贯通时，岩体的透水性达到峰值，地下水往往呈股状涌出(图 11a)；当在某些方向上，裂隙的张开程度和连通性减少时，其导水性降低，但水力联系仍然好，渗水性较强，地下水往往沿裂隙面涌出(图 11b)；在另一些方向上，裂隙闭合或连通性差，其导水性和水力联系变差，即裂隙岩体的导水具有明显的各向异性，地下水局部沿裂隙渗出，渗水量相对较少(图 11c)。对于强烈松动的岩体，具有类似松散介质中潜水的基本特征，这也是该区域地下水位埋深普遍大的原因。

4 岩体碎裂结构

前文述整个研究区位于青藏高原东缘的松潘—甘孜造山带南段核心部位，尤其靠近中马岩断裂和德差断裂受区域断裂的影响较大，属于构造变动强烈的地区，导致研究区既有长达数十km的大断层通过，又有各种Ⅲ、Ⅳ级小型断裂、挤压破碎带发育，Ⅳ、Ⅴ级节理裂隙更是密集发育。岩体在遭受强烈的破坏，大部分岩体结构破碎(表 4)，岩体多处出现明显的松动扩容现象，各向结构面普遍张开，围岩自稳能力差，坍塌严重，个别坍塌腔达4 m，其完整性系数偏低，水平深度200 m范围内完整性系数一般小于0.3，最深不超过0.6。

岩体破裂的主控因素可分为断层控制型和节理裂隙控制型两大类。

4.1 断层控制型

断层控制的岩体破裂主要有2种变形形式。

1) 围岩在一定范围内，受一条较大断层的控制，断层两侧岩体受压错动破碎，同时派生众多剪张裂隙。如4 #平硐71~75 m处有断层f₃贯通三壁(图 12)，产状N 45°~60°W∠NE 40°~60°，由碎斑岩、碎粒岩、碎粉岩组成，带内物质挤压较紧密，连续性较好，绣染比较严重。上盘宽大于1.5 m，岩体结构松弛，裂面重绣多微张开，上盘面见碎粉岩条带，宽2~3 mm，少量风化呈砂状。下盘岩体破碎程度更高，手掰即掉，裂面绣染附盖膜，岩块直径5~10 cm，其旁还发育一条挤压破碎带g₃贯通三壁，有明显渗水，在断层及挤压带影响下该硐段冒顶严重。

2) 围岩在一定区域受数条小断层包夹控制。在某一区域内发育多条小断层或挤压带，岩体挤压错动后破裂，同时断裂之间派生各向张裂隙或剪切裂隙，多处出现裂隙密集带，节理裂隙张开明显，这些裂隙相互切割、包夹，形成复杂的结构面网络，最终岩体在包夹区域内全部破碎松动。如6 #平硐在68~75 m段发育5条切层断层F₃、F₄、F₅、F₆、F₇(图 13)，F₃—F₆产状：N 40°~50°E∠NW40°~65°，宽度10~40 cm；F₇产状：N 15°W∠SW80°。其中：F₄内部充填有断层泥、角砾、碎块、透镜体，大多数充填为次生充填，裂隙面较粗糙，无胶结；其余断层由碎粒岩、碎粉岩组成，挤压较紧密强风化，局部呈镶嵌结构，岩体呈层状碎裂结构或菱块状结构(图 14a)，块体可分离，稳定性差。其中F₂横切F₃，在断裂交汇处，裂隙宽达20~50 cm，有片岩、断层泥填充(图 14b)，有的形成大松动缝使岩体架空，四周迁就断层发育众多张裂隙或剪切裂隙(图 14c)，多处出现裂隙密集带。在5条断层的包夹下岩体破碎松动。

整个研究区的断层统计显示受断层控制的岩体松动普遍发育较深，空间分布也不连续，岩体碎裂程度普遍较高，块体较大，但影响范围较局限，主要以断层作为控制性边界。同时当岩体本身存在结构面密集发育时，岩体破坏效应会放大。

4.2 节理裂隙控制型

经过漫长的地质历史时期，受复杂的构造运动影响，研究区边坡内发育有一定宽度、延伸较长的且成组出现的长大节理裂隙(Ⅳ、Ⅴ级)，这些结构面的相互交错切割导致岩体破坏、扩容、架空，一些透镜体解体下坠或卡在裂缝中(图 14d)。由于变质砂岩质地坚硬，因此破裂岩块多棱角分明，突点挤压破碎明显，最终围岩破坏松动平硐成型难(图 14e)。

研究还发现浅表部顺坡向裂隙多呈板裂状、锯齿状(图 14f)，错动痕迹不明显，至深部则裂隙密集程度有所降低且逐渐闭合，但岩体碎裂化程度无明显减弱趋势，个别平硐最大水平纵深800 m未见次块状或块状结构岩体。在有断层、挤压带的地方，往往派生众多分支小裂隙或节理密集带(图 14g)，导致裂隙密度和裂隙连通率增高，加剧了岩体破碎程度。

借助三维激光扫描仪对所有平硐三壁进行结构面精测^[15]，一共统计了1 578条裂隙(表 5)，边坡的节理裂隙发育程度从大到小，优势方向有下列4组：① 15°~35°∠60°~75°；② 310°~320°∠60°~70°；③110°~150°∠40°~70°；④40°~70°∠15°~25°。其中陡倾角裂隙占到85%以上，尤其是与层面走向一致的和与层面走向近垂直的陡倾裂隙，缓倾角裂隙坡表发育程度相对较弱，以NNE、NW向为主，断续延伸。

根据结构面统计结果，岩体在NE向、NW向两组结构面切割下极易下发生坠落式崩塌，这在坡表岩体得到印证(图 15)，其破坏后在岩体表面多形成一系列阶梯式台坎，结构面多平直光滑，大部分裂缝微张，因此块体掉落十分频繁。

5 结论与建议

1) 岩体的碎裂松动是在特定的构造环境下内外动力地质共同作用的产物，其中坡表附近岩体碎裂主要是浅生改造的结果，河流下切强烈的卸荷作用是直接因素，特殊的冲沟地貌一定程度上加剧了岩体卸荷。边坡内部岩体的破裂受区域构造活动影响较大，主要表现为岩体节理裂隙密集发育、小型断层挤压错动，这些结构面相互交错，导致岩体完整性差，碎裂程度高。

2) 松动岩体的特殊的地质特征决定了质量指标低，包括声波波速值低、岩体应力低、透水性强等性质，导致岩体变形模量低、碎裂化程度高、围岩自稳能力差，这些不良工程特性致使工程效应极差。

3) 在该区域内修建地下工程，存在地下洞群稳定、边坡稳定、渗漏、渗透与防渗体稳定等一系列重大工程地质问题。总的说来，类似于楞古厂址区这类松动岩体上修建工程将具有技术上高难度、经济上高投入、安全上难保证、决策上高风险等四大特点。