瀾滄江上游河谷啞貢傾倒變形體形成機(jī)制及過程

李 明，涂國祥, ，羅新平，尚 琪

(1. 成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；2. 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

傾倒破壞是天然巖質(zhì)邊坡中最常見的失穩(wěn)模式之一。眾多學(xué)者已在傾倒變形及細(xì)觀巖體破壞方向取得了豐富的研究成果。黃潤秋等以典型高邊坡為例，分析了傾倒變形的力學(xué)機(jī)制和時(shí)效變形破壞機(jī)制，探討了其穩(wěn)定性[1-4]。物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合是研究邊坡變形演化的常用手段。陳孝兵等基于相似理論分析原理，運(yùn)用底摩擦重力試驗(yàn)?zāi)M了重力場(chǎng)條件的巖體傾倒變形演化過程[5-6]；張御陽等通過不同裂隙傾角的設(shè)置，探究了反傾巖質(zhì)斜坡傾倒變形影響效應(yīng)[7-8]。石崇等從細(xì)觀力學(xué)角度對(duì)巖土工程力學(xué)特性作了初步研究[9-10]；趙偉華等采用復(fù)合巖體技術(shù)模擬了巖質(zhì)邊坡的滑移破壞[11]。

瀾滄江上游古水河段右岸發(fā)育一大型傾倒變形體，其傾倒巖體體積約 5 000 萬立方米，深度達(dá)200 m。該傾倒變形體的存在嚴(yán)重影響距上游約800 m的古水水電站的安全建設(shè)。本文在詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用底摩擦和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)該傾倒變形的發(fā)育特征、形成機(jī)制和演化過程進(jìn)行研究和探索。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

啞貢傾倒變形體位于瀾滄江上游河段右岸，青藏高原東南緣。該區(qū)兩岸斜坡高陡，河谷深切，呈不對(duì)稱“V”字型，岸坡坡度較陡并且相對(duì)高差較大，多級(jí)河流階地發(fā)育，第四系地層發(fā)育相對(duì)良好?？拷舅右粋?cè)，溝谷內(nèi)基巖出露，表部巖體有強(qiáng)烈的傾倒變形跡象，巖體多破碎呈強(qiáng)風(fēng)化狀，不同程度地坍塌。斜坡的結(jié)構(gòu)主要為巖層層理面，并在板巖砂巖互層的巖體中發(fā)育一組傾向坡外的節(jié)理面，邊坡原始地層呈反傾陡立型，發(fā)育有強(qiáng)烈的傾倒變形。

研究區(qū)斷層發(fā)育良好，其中紅山-古水?dāng)嗔?，走向N10°～30°W，穿過岸坡前緣。研究區(qū)出露的地層主要為坡積層，下伏基巖主要有三疊系上統(tǒng)紅坡組(T3hn )、二疊系下統(tǒng)吉東龍組(P1j)。紅山-古水?dāng)嗔驯睎|側(cè)以板巖為主，斷層南西側(cè)主要為板巖夾變質(zhì)砂巖，空間組合上屬于軟硬相間的巖層結(jié)構(gòu)，有明顯的傾倒變形跡象。

圖 1 研究區(qū)地質(zhì)平面圖Fig. 1 Geological planar graph of the study area

2 啞貢傾倒變形體發(fā)育特征

2.1 巖層產(chǎn)狀特點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該區(qū)地層原始產(chǎn)狀為N15°～40°W、SW∠75°～85°。而木水河河谷兩岸巖層傾角變化明顯，右岸巖層傾角在70°～80°范圍內(nèi)變化，與地層初始產(chǎn)狀基本一致；左岸河谷底部?jī)A角范圍大致為20°～50°，并隨高程增加而減小，如圖1所示。

根據(jù)平硐調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析了深層巖體中巖層傾向和傾角的變化。圖2顯示了A-A′剖面的3個(gè)平硐（PD221、PD222和PD223）的巖層產(chǎn)狀變化。PD223位于斜坡底部，在整個(gè)100 m深范圍內(nèi)，地層傾向約240°。PD223平硐0～50 m段，傾角在40°～50°范圍內(nèi)變化，深度超過60 m，傾角增大到70°～80°；PD222、PD221平硐高程較高，傾向、傾角偏離初始條件，波動(dòng)較大。當(dāng)PD222和PD221埋深分別大于100 m和140 m時(shí)，傾向逐漸增大到初始狀態(tài)，但傾角仍遠(yuǎn)小于初始值。

圖 2 A-A′剖面平硐地層產(chǎn)狀變化Fig. 2 Variations in dip angle and dip direction of the bedding planes in A-A ′ section

調(diào)查結(jié)果表明，傾倒變形引起的巖層產(chǎn)狀變化特征為：巖層產(chǎn)狀在地表和淺部巖體中波動(dòng)劇烈、頻繁；高海拔巖層的產(chǎn)狀比低海拔巖層的產(chǎn)狀波動(dòng)更劇烈和頻繁，巖體的傾倒深度更大；傾倒過程中，傾倒巖體，尤其是地表和淺部巖體的傾向和傾角都發(fā)生了變化。

2.2 傾倒折斷帶發(fā)育特征

圖 3 巖體內(nèi)傾倒折斷特征Fig. 3 Characteristics of the toppling fracture zones

在傾倒變形過程中，巖體中發(fā)育大量不同程度的傾倒折斷帶，圖3為PD222中2個(gè)典型的傾倒折斷帶，其中一個(gè)（圖3（a））位于距硐口50 m處，其產(chǎn)狀為N10°W、NE∠65°，厚度為5～8 cm，帶內(nèi)由碎塊石及巖屑充填，相對(duì)松弛，呈“V”字型?？宽峡谝粋?cè)巖層產(chǎn)狀為N70°E、NW∠25°，另一側(cè)產(chǎn)狀則為N20°W、SW∠15°，兩側(cè)巖層傾向傾角差異明顯。另一個(gè)折斷帶（圖3（b））位于距硐口10 m處，產(chǎn)狀為S30°W、SE∠58°，厚度為10～15 cm，靠硐口一側(cè)巖層產(chǎn)狀為N20°E、NW∠18°，另一側(cè)產(chǎn)狀為S60°E、NW∠24°，巖層的傾向變化明顯，傾角大小也發(fā)生變化，呈倒“V”字型，該帶內(nèi)具有明顯的剪切錯(cuò)動(dòng)跡象，錯(cuò)動(dòng)距離約為20～25 cm。

調(diào)查表明，該區(qū)傾倒折斷帶兩側(cè)巖層產(chǎn)狀明顯不同，甚至有明顯的剪切錯(cuò)動(dòng)變形出現(xiàn)，錯(cuò)距約為5～50 cm。通常，這些傾倒折斷帶的厚度為5～100 cm，傾角為50°～80°，主要由塊碎石、角礫及巖屑組成。這些傾倒折斷帶通常穿過多個(gè)巖層，長(zhǎng)度超過2 m，有的長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米。尤其在高高程的淺表巖體中傾倒折斷現(xiàn)象發(fā)育程度與密集度相對(duì)較高，且折斷帶附近巖層產(chǎn)狀波動(dòng)相對(duì)較大，巖體完整程度相對(duì)較低，大量折斷帶的形成加劇了斜坡深層傾倒折斷的產(chǎn)生。

3 啞貢傾倒變形體形成機(jī)制

3.1 底摩擦重力試驗(yàn)

累進(jìn)性傾倒變形破壞是反傾層狀斜坡的一種主要方式，本次試驗(yàn)分3個(gè)階段開挖模擬河谷下切，通過底摩擦試驗(yàn)分析該斜坡在木水河下切等作用下發(fā)生傾倒變形的基本特征及影響因素。

3.1.1 底摩擦試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本文通過底摩擦試驗(yàn)來研究河谷下切過程中，反傾巖質(zhì)邊坡的傾倒變形響應(yīng)特征。以啞貢深層傾倒變形體A-A′剖面為原型設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用摩擦重力試驗(yàn)儀。該儀器可以變頻控制轉(zhuǎn)速，當(dāng)模型材料足夠薄時(shí)，認(rèn)為材料與橡皮帶之間的摩擦力近似等于重力。

該研究區(qū)巖體主要為板裂化嚴(yán)重的砂質(zhì)板巖。參考以往模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[12-15]，應(yīng)力相似比取1∶1 500，相似材料采用石英砂、重晶石粉、液體石蠟油，按照質(zhì)量比為60∶30∶10調(diào)配。根據(jù)研究區(qū)河段階地發(fā)育情況，設(shè)計(jì)如圖4所示的模型，模擬河谷下切。模型坡高65 cm，寬80 cm，設(shè)置1.5 cm的層間距與70°的巖層傾角。材料參數(shù)見表1。

圖 4 底摩擦模型Fig. 4 Model design diagram of the base friction

表 1 模型材料力學(xué)參數(shù)Tab. 1 Model material mechanical parameters

圖 5 第一階段底摩擦試驗(yàn)現(xiàn)象Fig. 5 Base friction test phenomenon in the first stage

3.1.2 試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果分析 根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，河谷下切可以分為3個(gè)階段。第一階段，隨著模擬重力（摩擦力）作用，如圖5（a）斜坡巖體發(fā)生初始變形，圖5（b）坡體前緣淺表部巖體向臨空方向發(fā)生彎曲變形，由于失去前緣巖體的支撐，后緣出現(xiàn)較大的拉裂縫，此階段，傾倒變形程度相對(duì)較弱，發(fā)育深度相對(duì)較淺。巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，未見明顯的折斷現(xiàn)象，邊坡自穩(wěn)能力較好。圖5（b）標(biāo)記線2對(duì)比虛線可見，后緣發(fā)生拉裂下陷，上覆層狀巖體傾向坡外并產(chǎn)生時(shí)效變形，該層逐漸產(chǎn)生反向彎曲。標(biāo)記線1為應(yīng)力增高區(qū)，該區(qū)傾倒現(xiàn)象較為明顯。

第二階段，河谷下切模擬，該階段河谷由寬谷期過渡到峽谷期，木水河下切迅速，岸坡變得高陡，為斜坡變形提供了有利的變形條件和卸荷邊界。圖6（a）到（b）過程中隨著邊坡側(cè)向應(yīng)力的釋放，斜坡層狀巖體前緣向臨空方向倒伏，由圖中標(biāo)記線對(duì)比，坡肩附近變形程度較大，累積變形區(qū)約為坡高的1/3，規(guī)模較大。在傾倒變形加劇的過程中，河谷谷底由于應(yīng)力集中，出現(xiàn)層間隆擠現(xiàn)象。

第三階段，隨著河谷不斷下切，斜坡深層巖體連續(xù)彎曲變形，其傾倒變形的程度逐漸加劇。如圖7（a）所示，在河谷谷坡部位形成微張裂隙，隨著變形的加劇，大量張開度較大的裂隙產(chǎn)生，與斜坡層面大致垂直并逐級(jí)向上發(fā)育，進(jìn)而發(fā)育形成破裂面（圖7（b））。斜坡上部巖體向臨空方向傾倒破壞，斜坡前緣淺表層巖體局部出現(xiàn)傾倒墜覆現(xiàn)象。

圖 6 第二階段底摩擦試驗(yàn)現(xiàn)象Fig. 6 Base friction test phenomenon in the second stage

圖 7 第三階段底摩擦試驗(yàn)現(xiàn)象Fig. 7 Base friction test phenomenon in the third stage

傾倒變形過程中巖層傾角由70°轉(zhuǎn)為20°～30°，變形加劇，層狀巖體由彎曲變形過渡到傾倒折斷。裂隙成錐形從層間巖體產(chǎn)生，并與層面大致垂直，張開度、貫通性較好。隨著傾倒變形進(jìn)一步加劇，裂隙向深部擴(kuò)展，貫通形成破裂面。

研究區(qū)的深層傾倒變形是由內(nèi)部因素與外部因素共同作用的結(jié)果。斜坡巖體主要為軟硬相間板巖夾變質(zhì)砂巖，巖體呈反傾陡立狀，并且坡形相對(duì)較陡，為巖體傾倒變形提供了基本條件；影響該斜坡傾倒變形的主要因素為河谷下切，在河谷不斷的下切過程中，岸坡增高增陡，側(cè)向應(yīng)力釋放（卸荷），斜坡內(nèi)應(yīng)力重新分布，主應(yīng)力與坡表平行，在其作用下層狀巖體發(fā)生彎曲變形、傾倒折斷。

3.2 數(shù)值分析

數(shù)值模型進(jìn)行3次開挖模擬河谷下切，每次開挖后運(yùn)行3萬時(shí)步，共模擬3個(gè)階段，詳細(xì)分析傾倒變形體的形成機(jī)制和演化過程。

3.2.1 反傾巖質(zhì)邊坡模型的構(gòu)建 根據(jù)A-A′剖面圖建立DXF格式輪廓線，通過 P FC2D內(nèi)部設(shè)置判斷顆粒位置完成分組，刪除模型以外的顆粒及上部墻體，生成包含6.5萬個(gè)顆粒的剖面模型（圖8）。以斷層為分界線上部為板巖夾變質(zhì)砂巖，下部為板巖。

圖 8 P FC2D計(jì)算模型Fig. 8 P FC2D calculation model diagram

根據(jù)平硐調(diào)查獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析節(jié)理的傾角、間距等分布規(guī)律，設(shè)置傾角70°的節(jié)理模型；同時(shí)展現(xiàn)其空間形態(tài)，將節(jié)理間距增大，并認(rèn)定節(jié)理在空間均勻分布。采用線性接觸黏結(jié)模型模擬顆粒，可同時(shí)傳遞力與力矩，能夠模擬完整巖石的力學(xué)行為；節(jié)理接觸為平滑節(jié)理模型，該本構(gòu)模型不考慮沿節(jié)理局部顆粒接觸的方向。

巖體材料微觀參數(shù)采用低圍壓雙軸試驗(yàn)測(cè)試，高4 m，寬 2 m，粒徑為1～2 cm的顆粒隨機(jī)分布，利用1 MPa伺服圍壓得到模型后不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，使模擬應(yīng)力應(yīng)變曲線與室內(nèi)試驗(yàn)吻合，裂隙發(fā)育規(guī)律符合實(shí)際。在試驗(yàn)中調(diào)整微觀參數(shù)減小不同宏觀力學(xué)參數(shù)間的尺寸效應(yīng)，表2為巖石材料的顆粒微觀參數(shù)，表3為通過直剪試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)面的顆粒微觀參數(shù)，巖性及接觸模型符合模擬要求[16-17]。

表 2 PFC模擬巖石材料顆粒微觀參數(shù)Tab. 2 PFC-simulated particle microscopic parameters of rock material

表 3 不同類型結(jié)構(gòu)面的顆粒微觀參數(shù)Tab. 3 Microscopic parameters of particles with different structural planes

3.2.2 顆粒流模擬結(jié)果分析 如圖9所示，隨著河谷的不斷下切，致使岸坡愈加陡立，為斜坡變形創(chuàng)造了有利的臨空條件和卸荷邊界。圖9（b）、（c）為兩次側(cè)向的巖體卸荷造成坡體內(nèi)應(yīng)力變遷，圖9（d）岸坡巖體中的各類裂隙由低高程向高高程擴(kuò)展，并產(chǎn)生大量拉張、剪切裂隙，巖體完整性及穩(wěn)定性呈漸進(jìn)性衰退，從而促進(jìn)斜坡在重力作用下向臨空方向發(fā)生傾倒變形，最終發(fā)育形成新的拉裂-剪切破壞面。

圖 9 傾倒演化示意圖Fig. 9 Evolution diagram of toppling fracture

PFC2D中規(guī)定水平x軸正方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為傾角方向，圖10玫瑰圖統(tǒng)計(jì)分析了微裂縫傾角變化。模型初始巖層節(jié)理傾角為（a）110°，（b）、（c）分別對(duì)應(yīng)運(yùn)行3萬時(shí)步、9萬時(shí)步剪切裂隙傾角統(tǒng)計(jì)，剪切裂隙傾角近與巖層傾角平行；（d）、（e）、（f）分別對(duì)應(yīng)運(yùn)行3萬時(shí)步、6萬時(shí)步、9萬時(shí)步張拉裂隙傾角統(tǒng)計(jì)，初始變形張拉裂隙傾角為60°，平行坡表且垂直于巖層層面，隨著傾倒變形微裂隙傾角60°轉(zhuǎn)為40°，可見拉張裂隙變形初期為卸荷裂隙，后期主要為折斷破壞裂隙。

圖 10 裂隙傾角玫瑰圖及裂隙數(shù)量（傾角單位：°）Fig. 10 Rosette diagram of fracture dip angle and fracture numbers （fracture unit: °）

河谷下切過程中傾倒演化階段根據(jù)顆粒流模擬結(jié)果可總結(jié)為卸荷（回彈拉裂）、變形（裂隙發(fā)育）、折斷（裂隙貫通）3個(gè)階段。

（1）卸荷（回彈拉裂）階段。圖11（b）為模擬6萬時(shí)步的DFN裂隙圖，微裂縫沒有明顯發(fā)展，河谷下切初始臨空面形成，斜坡內(nèi)原始應(yīng)力較高，受反傾節(jié)理及砂板巖互層坡體結(jié)構(gòu)影響，卸荷條件下坡內(nèi)表現(xiàn)出不同的響應(yīng)機(jī)制，坡體表部形成張拉裂隙帶。圖12裂隙統(tǒng)計(jì)圖中（3～6）萬時(shí)步中剪切裂隙較多，拉張裂隙增速明顯，坡體裂隙發(fā)育為傾倒變形提供先決條件。

圖 11 DFN裂隙分布Fig. 11 DFN fracture distribution map

（2）變形（裂隙發(fā)育）階段。隨著下切作用加劇，河谷形態(tài)明顯變窄，坡腳處剪應(yīng)力集中，裂縫逐漸延伸擴(kuò)展，產(chǎn)生部分塑性變形。圖11（c）顯示坡腳顆粒在剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪切滑動(dòng)，為后部巖體變形提供了變形空間。圖12模擬（6～9）萬時(shí)步拉張裂隙，可見數(shù)量明顯增加，反映了自重力作用下巖體連續(xù)的彎曲變形，彎曲過程中受拉面顆粒間產(chǎn)生大量拉張裂隙。該階段中可以明顯觀測(cè)到裂隙由谷坡向頂部緩慢發(fā)育，為典型的彎曲傾倒變形現(xiàn)象。

（3）折斷（裂隙貫通）階段。如圖11（d）所示，由模型圖中斷層的變形現(xiàn)象可以判定該斜坡的變形主要為累進(jìn)性破壞。圖中巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在傾倒變形過程中巖體保持較好的成層性，傾倒巖體沿節(jié)理面明顯錯(cuò)動(dòng)。如圖12所示，隨著計(jì)算時(shí)步的增大，張拉裂隙數(shù)量顯著增加，逐漸接近剪切裂隙數(shù)量，最終相互貫通形成剪切滑動(dòng)面，剪切面傾向坡外，剪應(yīng)力集中，容易形成整體滑移。

4 討 論

通過以上底摩擦試驗(yàn)揭露的傾倒變形巖體基本特征，顆粒流數(shù)值模擬再現(xiàn)巖體變形、裂隙發(fā)育的演化過程，得到以下基本認(rèn)識(shí)：

（1）在快速連續(xù)的河谷下切過程中，河谷兩岸巖體集中卸荷，岸坡表面產(chǎn)生卸荷回彈。當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度，坡體內(nèi)就會(huì)逐漸形成大量卸荷裂隙。

（2）在模擬河谷的下切過程中，發(fā)現(xiàn)坡體內(nèi)的裂隙發(fā)育具有一定的規(guī)律性。在數(shù)值分析中，張拉裂隙傾角大小主要集中在40°～60°（圖10），與底摩擦中發(fā)育的裂隙傾角大小大致吻合；同時(shí)如圖11（d）標(biāo)記所示，在坡體內(nèi)產(chǎn)生明顯的裂隙集中帶，此裂隙集中帶的展布跡線形態(tài)與圖6的折斷帶的貫通破裂面相對(duì)應(yīng)。

（3）河谷的多次下切，致使斜坡發(fā)生深層傾倒變形，并在坡體內(nèi)不同部位形成不同程度的傾倒折斷帶。折斷破裂面在坡腳處與坡體斜交向上逐漸發(fā)展為與坡表平行（圖6），最終可能成為邊坡發(fā)生剪切滑移破壞的底界。

5 結(jié) 語

本文對(duì)反傾層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行傾倒變形破壞模擬試驗(yàn)，分析該邊坡傾倒變形破壞特征及破裂面孕育演化過程，得到以下結(jié)論:

（1）隨著河谷不斷下切，巖體卸荷及邊坡應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，巖體中形成了較深的應(yīng)力松弛區(qū)。然后，在應(yīng)力松弛區(qū)主應(yīng)力方向調(diào)整為重力方向，該區(qū)中陡傾的層狀巖體在重力作用下會(huì)向河谷方向發(fā)生傾倒變形。

（2）底摩擦試驗(yàn)?zāi)M傾倒變形破壞過程中，河谷下切，斜坡淺表巖體最先出現(xiàn)彎曲傾倒現(xiàn)象。隨著變形加劇，大規(guī)模傾倒變形體形成，巖層間裂隙呈倒錐狀張開，隨著時(shí)間推移巖體折斷，在裂隙與層面共同影響下，傾倒破壞繼續(xù)進(jìn)行，逐漸向深部擴(kuò)展。

（3）通過顆粒流數(shù)值模擬，可將傾倒變形體演化過程劃分為卸荷（回彈拉裂）、變形（裂隙發(fā)育）和折斷（裂隙貫通）3個(gè)階段。隨著河谷下切，裂隙首先由谷底以上坡表巖體形成，剪切張拉應(yīng)力集中，裂縫開始向內(nèi)部延伸發(fā)展，最后貫通形成破裂面，傾倒變形巖體在時(shí)空上呈階段性特征。