瀑布溝水電站岸坡深部裂縫發(fā)育規(guī)律與變形特征

1區(qū)域地質(zhì)背景瀑布溝水庫位于四川省漢源縣和甘洛縣交界處的大河中游（石棉以下），位于四川盆地西部邊緣和橫斷山的過渡帶。這是四川和云南北部構(gòu)造帶的三個主要構(gòu)造區(qū)：北部、東部和南部。它屬于揚(yáng)子平臺西部的第二個造區(qū)帶。該區(qū)域的斷裂結(jié)構(gòu)以南北走向為主，同時位于南北方向和東部的斷裂帶中。1981年經(jīng)四川地震局鑒定,瀑布溝水電站地震基本烈度定為Ⅶ度。大渡河干流橫切山地形成三大峽谷,他們依次是漢源峽、金口峽和峨邊峽,大渡河在此呈幾字形彎曲,兩岸有羽狀水系的多條支流匯入,他們都以嶂谷地貌為特色,構(gòu)成一個復(fù)雜的峽谷地貌系統(tǒng)。瀑布溝水電站庫首段處于南北向的漢源—昭覺斷裂與宜坪—美姑斷裂所切割的相對穩(wěn)定的瓦山斷塊上,屬高山峽谷型地貌,兩岸谷坡陡峻,基巖裸露。在庫首右岸發(fā)育有兩個拉裂變形體,其岸坡內(nèi)部發(fā)育有深部裂縫,這些裂縫的發(fā)育深度上超出工程經(jīng)驗中邊坡巖體卸荷帶范圍。2邊緣地質(zhì)環(huán)境2.1順等高線方向坡面形態(tài)瀑布溝水電站庫首段為“V”型峽谷地貌,河道總體呈南東向深切彎曲延展,谷底狹窄,河面寬60～120m,兩岸谷坡陡峻,坡度約40°～60°,崖狀地形發(fā)育,兩岸支溝稀疏而短小,都因遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上主河道的下切速率而形成懸溝,河谷階地極零星。右岸為河流凹岸(侵蝕岸),主河床偏向右岸。順等高線方向坡體呈槽脊相間的梳狀地貌形態(tài),橫向溝谷切割深度為10～35m。在垂直向上可將岸坡分為上、下兩個地貌單元:下部地貌單元從河床河水位至850.00m高程,高差約180m,谷坡坡度一般大于40°;上部地貌單元850m高程以上,谷坡一般20°～35°,其中850～870m和970～1020m高程為兩級開闊平臺地形,分別為Ⅳ、Ⅴ級河流階地,曾屬早期河流流經(jīng)之地,呈現(xiàn)出開闊寬谷或“U”型河谷地貌形態(tài)。2.2前震旦系淺變質(zhì)玄武巖巖石學(xué)特征庫首右岸邊坡主要巖層為前震旦系淺變質(zhì)玄武巖及震旦系下統(tǒng)蘇雄組流紋質(zhì)凝灰?guī)r。蘇雄組(Z3?2asas3-2)流紋質(zhì)凝灰?guī)r及流紋巖:淺灰色,殘余玻屑火山碎屑結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,凝灰?guī)r巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,呈鑲嵌～碎裂結(jié)構(gòu),抗風(fēng)化能力弱;前震旦系淺變質(zhì)玄武巖(AnZβ)灰綠色,巖石致密堅硬,局部具杏仁狀、氣孔狀噴發(fā)構(gòu)造,該玄武巖時代老,質(zhì)堅性脆,巖體小斷層及構(gòu)造裂隙發(fā)育,卸荷作用強(qiáng)烈,巖體完整性差。巖層平均產(chǎn)狀為N25～35°W/SW∠70～80°,與河谷走向基本一致,表現(xiàn)為傾上游陡傾坡內(nèi),為反傾巖質(zhì)斜坡。巖性均為硬質(zhì)巖,硬而脆(變質(zhì)巖系),與巖體原生結(jié)構(gòu)面一起為岸坡的變形破壞提供了最基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)條件。2.3大學(xué)生應(yīng)力偏量變化研究區(qū)地應(yīng)力最大主應(yīng)力σ1=21.1～27.3MPa,方向N54°E～N84°E,傾角一般小于20°,方向、量級和傾角均較穩(wěn)定;σ2、σ3的方向量級和傾角變化較大;三向主應(yīng)力平均比值σ1:σ2:σ3=1:0.65:0.27,應(yīng)力偏量較大;反映了巖體的應(yīng)力場屬于以構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)地位的初始地應(yīng)力場。2.4地層范圍內(nèi)地殼大面積升降大渡河上、中游在上新世早、中期,因夷平作用形成一準(zhǔn)平原。據(jù)蔣復(fù)初等(1999)研究其古地磁,判定其形成時間為4.20～2.60MaB.P.,到2.60MaB.P.后,原始的大渡河古湖趨于消失,雛形的大渡河注入漢源附近的殘余古湖,而金口河復(fù)背斜西坡的金口大峽谷段古大渡河水系西流入古湖,古湖南通安寧河。1.78MaB.P.后,漢源古湖也趨于消失,喜山運(yùn)動B幕的強(qiáng)烈活動,促使小相嶺急劇上升,金口河復(fù)背斜東坡的古大渡河強(qiáng)烈溯源侵蝕,切穿復(fù)背斜奪取金口大峽谷段的古大渡河,使其改向東流。這一時期約在1.0MaB.P.左右。第四紀(jì)近場地范圍內(nèi)地殼大面積的間歇性抬升可明顯分為3個階段(表1):(1)Q2末到Q3早期;(2)Q3早期至Q3末期;(3)Q3末至Q4以來。Q2時期形成坡頂夷平面后河流強(qiáng)烈下切,相對高差1500m左右。在地殼上升、河流下切的總體背景下,河流同時具有峽谷地貌與深厚覆蓋層堆積的雙重地質(zhì)地貌特點。3岸坡巖體拉裂變形規(guī)律庫首右岸自然岸坡大致走向近SN向,坡度為45°～50°,沖溝切割,地貌上呈現(xiàn)出槽脊相間的梳狀地貌形態(tài),地形上呈陡—緩—陡—緩(下陡上緩)的變化(圖1)。庫首右岸邊坡距壩軸線約600m,在680～1020m高程之間布置了勘探平硐13個,在岸坡中主要發(fā)育有以下4組裂隙:(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組(NW/SW)最為發(fā)育,裂面平直,延伸長,且密集,使巖體片理化;第2組(NW/NE,中緩傾坡外,主要見于中高程850m附近)次之。NW/SW(陡傾坡內(nèi))組主要為巖體的原生結(jié)構(gòu)面發(fā)育方位,小錯動帶或小斷層也主要沿該方位出現(xiàn),走向與邊坡走向夾角較小,陡傾角,巖體具備了傾倒變形的內(nèi)在條件。NW/NE組(中緩傾坡外)走向與邊坡走向夾角較小,中緩傾坡外,巖體具備了沿該面滑移的內(nèi)在條件。平硐中的拉張裂隙受中緩傾角裂隙限制,在其間存在保存完好的“板梁”;坡體中并未形成統(tǒng)一的貫穿性拉裂面。平硐調(diào)查發(fā)現(xiàn),在硐深70～90m左右深度范圍內(nèi)常常存在寬約20m甚至更寬的緊密擠壓帶。擠壓帶內(nèi)巖體相對完整,裂隙多呈閉合狀,較干燥;穿過該帶后,巖體完整性變差,卸荷現(xiàn)象又有所增強(qiáng),出現(xiàn)深部拉裂縫。岸坡巖體由表及里可劃分為表生改造段和淺生改造段兩個帶(表2)。在表生改造帶中又可以分為外側(cè)的卸荷拉裂-變形破裂帶和內(nèi)側(cè)的緊密擠壓帶。如硐7#的表生改造深度為90m,其中0～70m段為卸荷拉裂-變形破裂帶,70～90m段為緊密擠壓帶;90m以里為淺生改造帶,估計延伸深度達(dá)150m(該洞深僅102m)。從低高程到高高程優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的發(fā)育由以原生、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐燥L(fēng)化卸荷裂隙為主。高位探硐(如硐7#,979.58m)圍巖內(nèi)可見明顯松弛拉裂變形,強(qiáng)卸荷段巖體呈碎裂-散體結(jié)構(gòu),巖塊之間充填巖屑等,顯示了巖塊間相互錯動;低位探硐(如硐6#,785.15m)巖體變形以傾倒、彎曲、折斷為主要的變形形式,拉裂松動現(xiàn)象遠(yuǎn)不如高位探硐明顯。卸荷帶內(nèi)的拉裂縫主要表現(xiàn)形式是沿陡傾結(jié)構(gòu)面張開、陡傾結(jié)構(gòu)面與中緩傾坡外結(jié)構(gòu)面組合后形成的滑移拉裂;多充填次生泥,充填厚度由表及里逐漸減弱。卸荷帶以內(nèi)的深部裂縫裂隙面起伏粗糙、干燥、裂隙面上可見強(qiáng)烈風(fēng)化銹染現(xiàn)象,但未見有次生泥等充填,單縫張開3～10cm,最大張開30cm;是一種引張型的變形模式。4深部裂縫發(fā)育特征對勘探平硐深部裂縫的現(xiàn)場調(diào)查表明:高程800～1020m段,深部裂縫出現(xiàn)于從平硐硐口往里90m～150m位置;800m高程以下各平硐均未見通常卸荷帶以內(nèi)的深部裂縫出現(xiàn)?？梢娚畈苛芽p主要分布于800m高程以上(圖1),這說明了岸坡中的深部裂縫發(fā)育表現(xiàn)為隨高程降低而降低的特點。各高程平硐揭露的深部裂縫水平深度為:5#硐(1008.79m)131.5m,拉裂縫張開2～5cm;7#硐(979.58m)96.8m,拉裂縫張開3～30cm;48#硐(921.49m)89m,拉裂縫張開2～5cm。通過對深部裂縫發(fā)育分布和統(tǒng)計特征的分析,還有以下值得注意的特征:(1)深裂縫主要是沿早先的構(gòu)造裂隙改造而成。根據(jù)統(tǒng)計深部裂縫優(yōu)勢方向為SN/E∠75°～85和N35°～45°W/SW∠60°～75°,前者為與坡向大體平行的一套板裂狀裂隙,后者為同坡向斜交裂隙,深裂縫主要沿這兩組裂隙生成,少量深裂縫沿NW或近EW向陡裂隙生成。這種顯著的方向性表明他們與卸荷臨空方位以及最大主應(yīng)力場的方位有關(guān);(2)深部裂縫主要表現(xiàn)為向河谷臨空方向的張開,兩側(cè)巖層基本沒有錯位,帶內(nèi)主要充填塊石、碎石,零散、架空,無膠結(jié),未見次生泥充填,沿結(jié)構(gòu)面有較為強(qiáng)烈的風(fēng)化浸染現(xiàn)象,顯示了該深部裂縫的形成時代久遠(yuǎn);(3)深部裂縫呈帶狀展布,為一套與坡向大體平行的板裂狀裂隙,破裂帶與帶間有0.7～1.5m寬的相對較完整的“板梁”;(4)深部裂縫發(fā)育受河谷“淺生改造基準(zhǔn)線”控制。所謂“淺生改造基準(zhǔn)線”是指河谷邊坡一定高度的位置,此位置以上,河谷應(yīng)力場的釋放受高階地和夷平面階段快速大幅度卸荷作用,不受和較少受到谷底的制約,在坡體內(nèi)部形成淺生結(jié)構(gòu);此位置以下,河谷應(yīng)力場由于谷底的約束效應(yīng),不能和難以釋放,除非有特定的地應(yīng)力釋放窗口(如緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面發(fā)育),形成通常的岸坡卸荷帶。對庫首右岸邊坡,這個淺生改造基準(zhǔn)線高程大致是800m。5岸坡巖體深部裂縫發(fā)育規(guī)律挽近期以來,由于區(qū)域性剝蝕或側(cè)向卸荷引起應(yīng)力環(huán)境變化,在地殼淺表層巖體中由卸荷作用形成的變形破裂形跡稱之為淺生結(jié)構(gòu)。河谷的快速下切必然導(dǎo)致邊坡應(yīng)力的強(qiáng)烈釋放,并驅(qū)動坡體產(chǎn)生向臨空面方向的卸荷回彈,由于回彈的不均勻,從而在坡體內(nèi)部一些相對弱面部位(如小斷層、長大裂隙或裂隙密集帶)形成殘余的拉應(yīng)力環(huán)境,導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)面的拉張,產(chǎn)生深部張裂的基礎(chǔ)。文的數(shù)值分析表明,水平構(gòu)造應(yīng)力場強(qiáng)度越高,邊坡卸荷深度越大;邊坡的形態(tài)對邊坡的卸荷深度有重要影響,邊坡的高度越高、坡度越陡,卸荷帶的范圍越大。邊坡結(jié)構(gòu)條件以及邊坡的巖性條件不僅控制邊坡的卸荷范圍,同時控制邊坡卸荷的方式,進(jìn)而控制邊坡演化過程中的地貌形態(tài)。近年的研究表明,在類似于河谷下切的卸荷條件下,如果沒有其他特殊“地應(yīng)力釋放窗口”的條件下(如緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面),卸荷速率越快,巖體內(nèi)部的破裂越有利于向張性條件發(fā)展,相應(yīng)也就越有利于應(yīng)力的釋放。高的下切速率對應(yīng)于快的卸載應(yīng)變速率,其結(jié)果必然是導(dǎo)致在邊坡內(nèi)部形成拉張裂縫的擴(kuò)展趨勢。顯然,這種拉張的趨勢必然會沿坡體內(nèi)原有的,與應(yīng)力釋放方向最為配套的結(jié)構(gòu)面發(fā)展,從而在原有構(gòu)造結(jié)構(gòu)面基礎(chǔ)上,形成深部張裂。淺表生改造是岸坡巖體產(chǎn)生深部裂縫的主因。研究區(qū)河谷在Ⅴ、Ⅳ級階地形成后經(jīng)歷了一個快速的下切時期,即由860m高程下切至620m左右,岸坡快速卸荷過程塑造了岸坡巖體的淺生結(jié)構(gòu),深部裂縫是由于河谷快速大幅度卸荷引起應(yīng)力環(huán)境的變化在坡體中形成的淺生構(gòu)造。1#平硐70m附近的結(jié)構(gòu)面石英脈測年為40萬年,表明邊坡巖體內(nèi)的深部裂縫等淺生結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在Ⅳ階地的形成過程中。庫首邊坡巖體中深部裂縫主要分布在岸坡90m以內(nèi),多表現(xiàn)為沿陡傾坡內(nèi)或陡傾坡外的早先構(gòu)造結(jié)構(gòu)面張裂或拉張變形,結(jié)構(gòu)面中基本未見次生泥發(fā)育,僅在結(jié)構(gòu)面上見到銹染,且多干燥,相互之間存在相對完整的“板梁”,表明邊坡的深拉裂縫相互間無結(jié)構(gòu)聯(lián)系,空間上未連通。庫首右岸深部裂縫發(fā)育的特征分析,邊坡巖體的淺生改造無進(jìn)一步發(fā)展的原動力,而且在空間上尚未貫通。因此,他們目前還不能構(gòu)成岸坡巖體進(jìn)一步破壞的邊界。結(jié)合庫首右岸邊坡所處的環(huán)境條件、坡體結(jié)構(gòu)和目前變形破壞特征,深部裂縫的形成可分為以下幾個階段:第一階段:構(gòu)造能量儲備和“儲能體”形成階段。坡體中堅硬的玄武巖、凝灰?guī)r巖體為儲存高應(yīng)變能提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。巖體屬前震旦系、震旦系古老巖體,雖經(jīng)過歷次構(gòu)造應(yīng)力作用但又未遭到強(qiáng)烈破碎,具備了儲存殘余應(yīng)變能的條件。第二階段:淺生改造階段。中更新世時期,研究區(qū)大渡河谷經(jīng)歷了快速的下切卸荷過程,河谷也由寬谷演化為峽谷。這一階段,不僅沿大渡河發(fā)育有多個崩滑體以及古拉裂變形體,導(dǎo)致大渡河形成較大厚度的深厚覆蓋層,而且在河谷兩岸坡體一定深度范圍內(nèi)發(fā)育了大量卸荷裂隙,他們大多沿早先的陡傾坡外或陡傾坡內(nèi)的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生拉張變形或張裂,并以隨機(jī)、間隔的方式出現(xiàn),彼此并不貫通?？拷麦w表面的拉張裂隙為后期表生改造和重力作用下的進(jìn)一步破壞提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。6淺表生改造產(chǎn)物總體