某电站坝区左岸深部裂缝特征及成因机理浅析

王 瑜，赵其华

（成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059）

某电站坝区左岸深部裂缝特征及成因机理浅析

王 瑜，赵其华

（成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059）

水电工程常建在高山峡谷地带，这样的地势条件决定了常遇到深部拉裂问题。深部裂缝是指在微新岩体中发育的张性破裂或破裂带。拟建水电站坝区左岸存在大量的深部拉裂缝，通过对其发育分布、变形特征的考察，提出了左岸深部裂缝是在特定较高地应力环境和岩性条件下，伴随河谷快速下切，岸坡岩体中积存的应变能强烈释放，使原先较高的地应力得到释放，并由于岸坡特有的岩体特征产生差异回弹，坡体内原有的构造结构面浅表生改造的产物。

深部裂缝；卸荷；成因机理；浅表生改造

拟建水电站规模较大，工程地质条件总体较好。但左岸有较为明显的深部裂缝，其发育深度上超出工程经验中边坡岩体卸荷带范围。

1 边坡地质概况

坝区属中山峡谷地貌，地势北高南低，向东侧倾斜。左岸山峰高程2 600m，整体上呈向河方向倾斜的斜坡地形；右岸山峰高程3 000 m以上，主要为陡坡与缓坡相间的地形。边坡结构属似层状结构，岩流层产状N40°-50°E，SE∠15°～20°，左岸属于视顺向坡，右岸视逆向坡。坝区主要出露二叠系上统峨眉山组玄武岩，无区域性断裂通过，褶皱构造也不发育，主要构造类型为断层、层间错动带、层内错动带和大量的裂隙和节理，构造组合与构造变形形式相对简单。错动带的产状大多与岩流层产状相同。

2 深部裂缝的特征

经过野外考察，发现坝区左岸的深部拉裂较为明显，共71条，呈现一定的规律。

2.1 深部裂缝的发育分布规律

（1）根据深部裂缝在平硐中揭露的情况来看，其两侧的岩性以角砾熔岩、柱状节理玄武岩、杏仁玄武岩为主，此3种岩性占到总体的2／3左右，而角砾熔岩占28%。

（2）从深拉裂出现的勘探线来看，勘Ⅰ4，Ⅰ5线的深部裂缝占整个坝区左岸总数的一半以上，见图1、图2。

图1 坝区左岸深部裂缝分布图Fig.1 Distribution of deep fractures in the left bank

图2 各勘探线深部裂缝分布情况统计图Fig.2 Distribution of deep fractures in different exp loration lines

（3）从图3可以看出，就高程而言，深部裂缝主要集中在750～800 m和700～750 m高程，即中高高程。

图3 各高程深部裂缝分布情况统计图Fig.3 Distribution of deep fractures in different elevations

（5）深裂缝均沿早先的构造裂隙改造而成。经过统计分析，坝区左岸的深部裂缝主要集中在走向N35°W倾向SW倾角86°和近SN向陡倾角。前者为同坡向斜交裂隙，后者与坡向大体平行，而坝区左岸的基体裂隙优势方位为走向N40°W倾向，SW倾角83°，两者的优势产状基本一致，见图4、图5。深拉裂显著的方向性表明它们与卸荷临空方位以及最大主应力场的方位有关。

图4 坝区左岸深部裂缝优势方位图Fig.4 Superiority orientation diagram of deep fractures in the left bank of dam area

图5 坝区左岸基体裂隙优势方位图Fig.5 Superiority orientation diagram of structural fissures in the left bank of dam area

（6）深部裂缝的发育分布受层面、层间错动带限制，一般发育于错动带之间，而未穿过错动带。如经调查，坝区规模最大的深拉裂J110（见图6）上部受到层间错动带C3-1，下部受到层内错动带LS337限制。

（7）离岸坡深度的规律：深拉裂主要分布在离岸坡80～140 m处，其中80～100 m处最多，占总数的21.1%，其次是100～120 m，占19.7%。而坝区所有的陡倾角裂隙，共378条，在离岸坡80～100 m处发育最多，在60～140 m普遍发育。可见，深拉裂和陡倾裂隙分布的区域基本一致，两者有明显的相关性，进一步证明了深裂缝是沿早先的构造裂隙改造而成的。

图6 PD142-2入口处J110（PD指平硐，下同）Fig.6 J110at entrance PD142-2

2.2 深部裂缝的变形破坏特征

（1）经统计，深部拉张裂缝中充填次生泥的占40%，无次生泥（充填岩块、架空）占60%。充填次生泥的深部拉张裂缝分布于四个亚层，其中以最为发育，占62.50%。中又以柱状节理玄武岩中最为发育。无次生泥的深部拉张裂缝分布于五个亚层，其中以最为发育，占50%，中又以角砾熔岩、杏仁状玄武岩中最为发育。

（2）深部裂缝大部分呈现出上小下大的特征。如PD159中发育的J119，上游壁张开7～10 cm，下游壁局部张开3～5 cm，硐顶局部张开约1 cm。

（3）深部拉裂面粗糙，两侧的岩体较为新鲜，比较少见到有锈染现象，且主要表现出简单向河谷临空方向的张开特征，两侧岩层基本未见有错位现象。充填的方解石、钙膜、晶芽也大部分未见进一步的变形破裂。

（4）经统计，坝区左岸的深部裂缝张开度在1～5 m最多，约占1／3左右，其次是0.2～0.5 m、小于0.2 cm，分别占19.7%，16.9%。

3 深部裂缝的成因机理

3.1 浅表生改造的基本理论

处于地壳浅表生圈层的岩层，在地貌形成演化过程中，经历了进一步的改造，这种改造过程与地貌形成演化过程相联系，称之为浅表生改造。而挽近期以来，由于区域性剥蚀或盆地侧向扩张引起应力应变场环境变化，在地壳浅表圈层岩土体中形成的时效变形破裂迹象称之为浅生时效结构。

3.2 深部裂缝的发生条件

就河谷演化历史而言，研究区河谷发育经历了宽谷期和峡谷期2个阶段，自Q1以来，经过了5次较快速度下切，详见表1。

表1 研究区河谷演化阶段表Table1 Valley evolution phase in study area

现场实测及数值模拟结果表明：整个坝区以构造应力为主的最大主应力方向为NE向，倾角近水平；在15～18 MPa之间，最小主应力方向NW；在6±1 MPa之间，构造应力水平较高。

而坝区的边坡结构与岩性相关，坝区的玄武岩在形成过程中，有喷发间断，再加上后期的错动，形成层间层内错动带。此外，坝区左岸的基体裂隙优势方位为走向N40°、W倾向、SW倾角83°，与深部裂缝优势方位基本一致，可见深部裂缝的发展对原有结构面发育的具有明显的继承性。

3.3 深部裂缝的成因机理研究

坝区深部裂缝的主要力学类型为张裂型，这种拉张破坏形成的深部裂缝是在河谷下切过程中，由于岩体内部的差异回弹而产生深部裂缝。

岩体中紧密相连而材料性质不同的体系，见图7，如果在加荷过程中，在弹性强的单元中引起纯弹性应变，而在弹性弱的单元中弹性应变后引起塑性变形。卸荷回弹时，两者的膨胀度不一，于是分别在单元1和单元2内分别产生了残余的压应力和残余的拉应力。一旦残余拉应力达到了材料的抗拉强度，即产生了拉裂面。

由于深拉裂集中发育区的最大值应力为NE向，沿NE向卸荷，产生与NE向垂直的NW向构造裂隙。河谷的下切促使了较高地应力的释放，驱动坡体产生向临空面方向的侧向卸荷，产生回弹，而地应力越高则卸荷回弹将越严重。由于坝区的玄武岩相对坚硬、模量高，对应力释放过程中边坡变形的适应能力较差，通常表现为脆性破裂的方式；而层间层内错动带在经历了地质历史上一系列改造过程后，性状严重劣化，它们在边坡应力释放过程中更多地表现为塑性变形，其物理力学性质与完整岩体之间存在明显的差异性，这也会形成卸荷过程中的差异回弹，并且这种差异回弹模式在坝区是具有普遍性的。由于回弹的不均匀，从而在这些坡体内部一些相对弱面部位，形成残余的拉应力环境，导致边坡内部原有的NW向陡倾角构造结构面的拉张；这时若河谷再次下切，处于微张状态的结构面进一步延伸、张开度增大，并和附近的结构面贯通，最终形成规模较大的深部裂缝。

图7 不同性质岩体变形破坏图Fig.7 Deformation and failure of rocks with different properties

4 结 论

综上所述，坝区左岸深部裂缝是在特定较高的应力环境和岩性条件下，伴随着河谷的下切，边坡应力的强烈释放，在原有构造结构面基础上由于岩体浅表生改造过程而形成的浅生改造产物，即快速大幅度卸荷作用形成的浅生结构。

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（编辑：刘运飞）

Features and Formation M echanism of Deep Fracture in Left Bank Slope of Some Hydropower Station Dam Site

WANG Yu，ZHAO Qi-hua
（College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Hydropower project is usually built on high mountain canyoned river reaches，then this terrain condition causes deep factures.And the deep fracturemeans the sheeted fracture or fracture zone in fresh rock mass.There are a lot of deep factures in the left bank of the proposed hydropower station dam site.This paper analyzes distribution characteristics and deformation behaviors.It is concluded that the deep fracture is the product of epigenetic reformation of structural plane of original constitution in rock masswhich is caused by high ground stress，lithology and quick valley cutting，then strain energy in rock loosens strongly and high ground stress releases，and specific rock characteristics have different restoring origins.

deep fracture；unloading；formation mechanism；epigenetic reformation

TV221.2

A

1001-5485（2010）04-0049-04

2009-05-30

王 瑜（1985-），女，陕西西安人，硕士研究生，主要从事地质工程专业研究，（电话）15882201804（电子信箱）wykaidzxd＠163.com。