反倾边坡块状倾倒-滑移复合型大变形机理研究——以某水电站大变形岸坡为例*

夏 敏 吕松梅 宋 昊 任光明 杨天俊 万宗礼

(①地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059,中国)(②中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065,中国)

0 引 言

岩质斜坡失稳除受岸坡自身坡体结构条件控制外,还与外作用因素如暴雨、地震及库水位加载等有关。近年来,我国水利水电工程建设高坝大库不断涌现,库岸边坡稳定性的评价与预测一直是水电水利工程地质研究的核心问题。本文研究的近坝库岸变形体,自2009年8月开始实施系统的变形监测工作以来,岸顶平台上坡体的累计位移最大可达40余米,后缘沿边界LF1拉裂带形成错动达30m的陡坎(不包括早期错落体已形成的约20m左右的陡坎),对于块状硬质花岗岩形成的高陡岩质岸坡发生如此大的变形在国内外实属非常罕见。

文献收集表明,国内外岩质斜坡发生显著大变形且详细研究的实例相对较少,代表性的如抚顺西露天矿山边坡,1927年至今边坡发生失稳多达90余次,累计滑坡体积达4500×104m3,且1986年开始出现大规模的变形,累计变形区范围500～700m,最大下沉4～5m,水平位移达14m(杨天鸿等,1999,2004); 金川露天矿边坡最大水平位移达10余米,早在1982年王思敬院士对该露天矿边坡的变形破坏机制及过程进行了研究,表明该边坡大变形成因是滑动-倾倒复合变形两种机制共同作用的结果(王思敬,1992)。在国外,Braathen et al.(2004)对挪威地区8个典型的岩质边坡变形破坏特征进行了研究,揭示这些变形边坡后缘为10～30m高的拉裂陡坎,拉裂带宽可达几米; 斜坡顶部平台发育数百米长、几十米宽的地堑带,其错落高度可达20m(据Akernesrenna岸坡),截止至2002年的监测资料表明Akernesrenna变形体的西侧区变形累积位移达25m。这些边坡后缘均为拉裂下错形成的陡坎、岸顶平台均发育有地堑式宽大裂缝以及发生了较大的变形位移等一系列变形特征现象与本文研究的变形岸坡较为类似(图1)(Braathen et al.,2004)。

图1 挪威Nordnesfjellet复杂变形体变形特征(Braathen et al.,2004)

倾倒破坏是岩质边坡失稳的一种典型形式,Goodman et al.(1976)将岩体倾倒变形归纳为3种基本类型(图2),即弯曲倾倒(Flexural toppling)、块状倾倒(Block toppling)和块状-弯曲倾倒(Block-flexural toppling),关于倾倒变形,已有的研究成果多为岩质边坡弯曲倾倒(Flexural toppling)或块状倾倒(Block toppling)变形模式及机理研究(黄达等,2021),但实际上绝对理想的弯曲倾倒或块状倾倒在工程岩体中比较罕见,而岩质边坡的变形破坏模式及变形机制受控于边坡岩体结构。针对本文研究的岸坡变形受4组结构面控制,尽管岸坡岩体岩性为坚硬的块状花岗岩,但由于陡倾坡外及坡内的两组高陡倾角结构面非常发育,块状岩体已“板裂化”,前期的科研专题初步揭示岸坡大变形成因属于岩体块状倾倒(Block toppling)-滑移(Sliding)复合型变形机制共同作用的结果。

图2 Goodman和Bray总结的倾倒3种类型(Goodman et al.,1976)

本文在深入研究岩质斜坡工程地质背景、岸坡岩体结构、变形破坏模式地质分析基础上,基于底摩擦试验的物理模拟方法,再现了边坡变形破坏过程,揭示了边坡变形破坏的地质力学模式。在岸坡变形破坏模式的地质分析及物理模拟的基础上,研究了岸坡大变形成因,阐明了岸坡大变形形成演化机制,以期为后期库水作用下岸坡的变形演化趋势预测及稳定性评价提供依据,同时在硬质岩斜坡发生大变形的工程地质评价方面取得新的认识与进展。

1 岸坡工程地质特征

研究边坡岩性为印支期花岗岩,水库蓄水前河水面高程2260m,现今库水位高程2448m。岸顶平台后为区域Ⅲ级夷平面,高程大于3000m。岸坡总体为呈向河床凸出的弧形坡体,倾向约NW300°,平均自然坡度45°。2750m高程以上为早期错落体,错落体的底部边界为Hf104; 岸顶变形范围顺河长1050m,平台最大宽度285m,岸坡变形底部高程为2350～2370m,顶部高程为2950m,变形区面积约85.4×104m2,中下部最大水平深度172m,中上部水平深度超过250m,估算的变形体方量约6000×104m3。

岸坡岩体发育4组优势结构面(图3):J1组结构面陡倾坡外、J2组结构面陡倾坡内、J3组结构面中缓倾坡外及J4组结构面缓倾坡内。其中:以陡倾坡内及坡外的两组高陡倾角结构面最为发育,将块状花岗岩切割为板状,结构面发育方位特征详见表1。

表1 岸坡岩体发育的优势结构面方位特征

以勘探资料、物探波速测试成果为依据,结合地表各山梁岩体出露特征,参照《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287-2006),将岸坡岩体划分为以下几种结构类型(图4):

图4 岸坡工程地质剖面图

(1)散体结构:包括表层松动岩体、崩塌堆积体、覆盖松散土层和全风化花岗岩等,属于Ⅴ级岩体。岩体破碎呈爆破散体状,岩块间夹岩屑或泥质物,嵌合松弛,卸荷拉裂缝极发育,多塌方,水平厚度小于30m。

(2)碎裂结构:岩体明显较表层散体结构完整,主要为板裂状倾倒松动体,岩块间局部有岩屑及泥质物充填,嵌合松弛-较松弛,裂隙密集发育、方向紊乱,属于Ⅳ级岩体。2750m高程以下水平厚度40～60m,该高层以上厚度大于100m。

(3)块裂结构:岩体完整性差,岩块间局部有少量岩屑及泥质物充填,嵌合中等紧密,属于Ⅳ1～Ⅲ2级岩体。水平埋深一般为70～90m。

(4)镶嵌-次块状(块状)结构:属Ⅲ～Ⅱ级岩体,为变形区以里的非扰动岩体,其中镶嵌结构为变形岩体以里的过渡带岩体,厚度30～50m,基本无裂缝或仅有少量断续微裂缝,岩体无明显松动。

2 岸坡变形破坏模式地质分析

2.1 “下沉-楔入”破坏

岸顶平台表现为拉裂变形,发育几条大规模拉裂缝陷落带,分别为LF1(后缘变形边界裂缝)、LF53、LF54、LF55及LF56,最大延伸长度达450m、陷落带宽约25～50m不等。拉裂陷落带呈中部降低,具有倾岸里的裂缝内侧下降,倾岸外的裂缝外侧下降的特点(图5a)。受控于陡倾内及陡倾外的结构面组合,在陷落带内形成不对称的地堑式地貌(图5b)。

图5 岸顶平台“下沉-楔入”变形

2.2 倾倒拉裂

岸坡中高高程部位岩体多处山梁发生倾倒变形(图6a),各山梁坡体表面分布有大量不同规模的倾倒拉裂缝。这些倾倒拉裂缝总体呈近南北走向展布,部分拉裂缝斜切山梁及沟谷,延伸数十米至百米,地貌上表现为沟槽或凹槽状负地形(图6b),岸外侧高、内侧低。

图6 坡体倾倒拉裂变形特征

2.3 坡体塌滑

受库水位作用及坡体强烈倾倒变形的影响,表部岩体松动、破碎,塌滑主要分布于具有良好临空条件的沟谷两侧、突出的脊状地形以及断层带部位(图7)。

图7 受强烈倾倒拉裂导致的岸坡塌滑变形特征

2.4 深部岩体“张裂”

不同高程的勘探平硐较清楚地揭露了岸坡深部岩体拉裂变形。拉裂变形多受陡倾角结构面控制,一般张开几毫米至几厘米,岩体松动不显著,其形成是其外侧岸坡岩体强烈倾倒而导致的“卸荷”回弹而发生的深部岩体“张裂”变形(图8)。

图8 沿陡倾结构面发育的深部岩体“张裂”(PD9)

3 岸坡变形破坏模式的物理模拟

3.1 试验设备及方案

物理模拟试验是以相似原理为基础,建立研究对象和模拟试验之间的相似关系,从而保证模型试验中出现的物理现象与原型相似(徐进,1987; 董云,2003; 石豫川等,2003; 冯文凯等,2004)。室内底摩擦试验是模拟重力的最常用方法之一(冯文凯等,2006; 蔡国军等,2008; 张御阳等,2018),是通过模型和底面之间的摩擦力来模拟坡体的重力,其设备原理如图9所示。根据圣维南原理,当模型足够薄时,可认为摩擦力均匀作用在整个模型厚度上,相当于原型地质体在天然条件下受到重力作用的荷载条件。

图9 底摩擦模型试验原理示意图(蔡国军等,2008)

本次底摩擦试验采用成都理工大学研制的自动化底摩擦模型试验仪,本文物理模拟重点研究岸坡受多组结构面发育控制的块状倾倒-滑移复合型变形破坏模式,模型制作中考虑了岸坡岩体中最为发育的陡倾坡内、坡外的两组高陡倾角结构面(J1、J2)以及中缓倾坡外组结构面(J3); 以现场结构面调查统计结果为依据,试验的几何相似比为1︰1200,由于按照相似比概化的模型边坡结构面间距非常小,采用小刀切割结构面,无法完成模型制作。由于本文底摩擦研究旨在再现边坡变形破坏模式、变形过程,因此,结构面制作时,考虑实际连通率,结构面间距按实际岸坡岩体中各组结构面相对发育密集程度即可(间距比J1︰J2︰J3=2︰1︰3),即陡倾坡内组结构面J2按每2cm的平均间距切割、连通率100%; 陡倾坡外组结构面J1间距4cm、连通率为60%; 中缓倾坡外组结构面J3间距6cm、连通率为40%; 因多组结构面边坡模型制样相对繁琐、困难,且结构面切割过程中,容易导致模型局部破碎,因此,结构面切割仅在岸坡水平变形深度范围内进行(即岸坡后缘以长大裂隙LF1为界),岸坡深部未变形区域及模型底部未进行结构面切割。底摩擦边坡模型概化如图10所示。

图10 底摩擦试验模型图

3.2 试验材料选取及配比

模型试验的材料采用重晶石粉、石英砂、液体石蜡油混合调制而成,配比参考已有的研究成果,经多次反复调试配置而成,其材料配比及其物理力学性质见表2。

表2 模型材料配比及其物理力学参数

3.3 试验结果分析

物理模拟揭示边坡变形过程具有如下特征:岸坡岩体在自重作用下的变形受多组结构面控制,表现为受陡倾坡内组结构面控制的弯曲倾倒变形,伴随岩层的倾倒、根部折断、坡面呈反向台坎状,即为外高内低的拉裂陡坎(图11a),与现场调查的坡体变形特征吻合(图6); 同时,折断面发育有追踪第③组中缓倾角结构面的趋势,浅表部岩体在各组结构面组合切割以及受弯曲倾倒作用影响下,岸坡前缘的小块体有逐渐脱离母岩而发生小规模塌滑破坏的趋势,随着这种变形的加剧,后期浅表部岩体变形表现为松动、破碎而演化为现场调查的坡体塌滑变形(图7),岩体结构逐渐劣化至散体结构。

图11 坡顶岩体块状倾倒-拉裂变形阶段

随着底摩擦试验运行时间的增加,边坡岩体变形加剧,根部折断面追踪中缓倾坡外结构面、并向上发展,坡体表部拉裂逐渐向坡内及深部扩展(图11b),坡体后缘拉张明显,局部可见错落陡坎,顶部平台出现明显的拉裂、陷落带(图12),具有受陡倾坡内及坡外两组结构面组合切割的楔形破坏特征(图5a),表现为地堑式拉裂地貌,与现场调查的坡顶发育的大规模拉裂缝陷落带特征一致(如LF53)(图5b)。随后缘坡体倾倒拉裂变形加剧,坡体前缘沿中缓倾结构面蠕滑加剧,变形位移逐级增大。

图12 块状倾倒-根部折断-滑移复合变形阶段

从变形位移特征来看,坡顶靠坡面附近一带以水平向位移为主,坡体后缘以垂直位移为主。坡体后缘沿陡倾坡外组结构面(J1)整体下沉,这与现场调查的变形特征基本吻合。总体上边坡变形表现为花岗岩板裂岩体的倾倒、根部折断、折断面追踪坡体内中缓倾角结构面,后缘坡面表现为拉裂,深部潜在贯通面具有典型的阶梯状形态(图13)。地质力学模式为:块状倾倒-滑移复合型变形破坏模式。

图13 阶梯状宏观破裂面形成阶段

4 岸坡大变形演化机制研究

岸坡经历漫长的地质历史时期的风化卸荷、变形改造和失稳破坏后达到了一个相对稳定的状态,2750m高程以上岸顶部位发生错落滑动,形成错落体,而此后再经调整变形改造达到相对稳定的岸坡是现今该边坡重新变形的基础坡体结构和坡形。该岸坡现今大变形的机制和过程如下:

(1)岸坡高高程部位的错落体形成后,并经长时间调整变形改造达到相对稳定状态。一定量的水入渗将导致岸顶平台表面土层追踪下部裂缝形成串珠状落水洞、线状塌陷槽(图14); 当超常水量入渗,或有一定水头集中入渗时,因错落体底部的Hf104(图4)具有一定的阻水、滞水作用,使入渗的水向错落体上下游方向沿原有裂缝流动,导致原本处于基本平衡稳定的错落体中裂缝两侧发生变位。一次入渗后裂缝变位可能停止,但后续有多次入渗时,变位可能不再停止,持续变形开始,启动了整个错落体的重新变形。

(2)岸顶平台遭受集中汇水入渗。顶部平台汇水入渗引起岩体变形机理包括:a.动水入渗产生的动水压力作用的推挤; b.入渗的水软化①、②组结构面,使结构面力学强度降低,两结构面间楔体向下楔入推挤、张拉,造成平台地表的地堑式变形迹象。

(3)错落体的重新变形延续了早期岸坡的卸荷、变形及错滑时的模式,即沿①组结构面拉张下沉,②组结构面向岸外倾倒,中间槽形地带下沉。平台前缘岸坡带以水平位移为主,后缘以垂直位移为主,变形表现为向岸外的推挤。

(4)错落体的推挤式变形向低高程传递,导致平台前缘岸坡早期的拉裂沟槽进一步拉开,经过较长时间的变形后,坡面各山梁表层的松散层开始垮塌,并促进岸顶平台的变形进一步增大。

(5)2009年3月1日水库蓄水后,水位很快达到了2370m高程,从监测资料反映的各测点变位与库水位升降的关系看,水位上升,测点变形速率快速增大,水位稳定及下降时,速率降低(图15～图17)。蓄水对已经历过早期变形的松动破碎岩体且目前又正在变形的岸坡岩体产生牵引变形,促进了上部岸坡及岸顶平台的变形。库水对岸坡变形的作用机理仍受岸坡岩体结构控制,既不是受贯通性软弱结构面控制的滑动性变形,也不是类似散体层浸水后的整体沉降性变形,仍是对①、②组结构面软化、导致其强度降低,两面间楔体向下楔入推挤引起的倾倒、张拉变形,并随水位上升,向坡面上部发展,具有牵引性质。

图15 岸坡平台监测点及剖面布置

图16 1-1′剖面观测点时间-累计位移曲线

图17 1-1′剖面观测点时间-位移速率曲线

综上所述,平台集中汇水入渗是导致错落体复活的主导因素,当后缘裂隙充水达到一定高度时,错落体启动变形,错落体因楔入-倾倒产生的推挤性变形而挤压下部松散的卸荷、松动岩体(图18),使其下部松散岩体发生斜向下的位移,且以Hf104接触面附近岩体最为显著,变形位移向岸坡底部逐渐减小,由此可说明复活的错落体促进、加剧其下部斜坡的变形,这种变形是自上而下扩展。水库蓄水后,库水对已经历过早期变形、目前又正在变形的岸坡岩体产生牵引变形,进而增大了上部坡面和岸顶平台的变形,这种引起浅表层卸荷、松动岩体的变形是自下而上扩展,而错落体复活后的变形是挤压错落体下部卸荷岩体发生的自上而下的变形,两者变形一旦贯通,岸坡变形就表现为受水库蓄水位影响。

图18 岸坡大变形机制示意图

现今岸坡大变形的机制为上部楔入-倾倒产生的推挤性变形与下部鼓张、倾倒性牵引变形的复合变形机制,地质力学模式概括为:块状倾倒-滑移复合型变形破坏模式。

5 结 论

(1)现场调研结合勘探资料揭示岸坡变形区面积约85.4×104m2,中下部最大水平深度172m,中上部水平深度超过250m,估算变形体方量约6000×104m3。

(2)岸坡变形破坏模式的地质分析表明,岸坡大变形包括“下沉-楔入”破坏、塌滑破坏、倾倒拉裂变形、深部岩体“张裂”4种变形破坏模式。

(3)物理模拟试验揭示岸坡岩体在自重作用下的变形受多组结构面控制,表现为花岗岩板裂岩体的倾倒、根部折断、折断面追踪坡体内中缓倾角结构面,后缘坡面表现为拉裂,深部潜在贯通面具有典型的阶梯状形态。地质力学模式概括为:块状倾倒-滑移复合型变形破坏模式。

(4)在岸坡区工程地质环境研究基础上,结合岸坡变形破坏模式的地质分析、物理模拟试验以及监测资料成果,对岸坡大变形的形成演化机制进行研究。结果表明,岸坡大变形机制为上部楔入-倾倒产生的推挤性变形与下部鼓张、倾倒性牵引变形的复合变形机制,岸坡大变形是顶部错落体推挤性变形与受库水作用影响而导致的牵引变形共同作用的结果。