某水电站工程边坡深大裂缝成因分析与防治

某水电站工程边坡深大裂缝成因分析与防治

0岸坡深裂缝的形成根据雅库江水库普斯罗沟遗址带的勘探和研究，发现了大量深度裂缝，尤其是左岸的海岸。它们出现在海岸的正常深带中，通常是完整的岩石。通过大量的野外调研得出了深裂缝形成的一些初步结论,为了进一步验证深裂缝的形成机理及其形成的力学机理,进行了该项模拟试验。1深层裂缝机械模型介绍1.1与深裂发育密切相关的地质背景1.1.1脑组三种砂板岩坝址区出露地层(表1)主要为中上三叠统杂谷脑组二段(T22-3Z)大理岩,厚度约600m,按岩性组合细分为8层。杂谷脑组三段(T33-2Z)砂板岩,出露于左岸1900～2300m高程间,厚度约400m。2300～2500m高程间又为杂谷脑组二段(T22-3Z)之大理岩。第三段(T32-3z)为砂板岩,其中1～5层中均夹有薄和极薄层的粉砂质板岩和粉细砂岩,第二段(T22-3z)总体为大理岩,6～8层中夹有薄层或者透镜体状绿片岩,第4、5层为厚层和巨厚层状的大理岩。1.1.2对向斜的稳定应力场深裂缝主要发育在三滩向斜的核部(图1),三滩倒转向斜,从三滩坝址,经解放沟至普斯罗沟坝址,构成整个坝段左岸岩体结构中的重要组成部分。坝址区三滩向斜是一个以第三段六层(T3(6)2-3z)的变质砂岩为核心的向斜,试验证明该厚层状至巨厚层状砂岩的强度和变形模量都很高,与其下部第二段中的大理岩相当。第三段中第1～5层中的砂岩也有很高的强度,因而三滩向斜是一个由变形模量较高的大理岩和砂岩骨干层构成的可储备较大应变能的褶皱体。现今应力场大体与向斜轴面正交,又赋予向斜更高的应变能。向斜各骨干层中又夹有强度相对偏低的薄层至极薄层绿片岩和板岩,在构造改造中第二段中的6～8和第三段中的1～5层层间错动发育,使较弱夹层与骨干层间的抗剪强度降低,有利于层间滑脱的发生。坝区向斜中已发育了一套与层面近于正交的节理裂隙面,倾向坡外,大体与岸坡坡角相同。向斜的滑脱最容易发生变形破裂的正是这一套NE向倾SE的裂隙面。其次与向斜轴近于正交的NW和EW向裂隙,在现今应力场作用下继承了早期横向节理,发生压裂;而部分NE向的裂隙发生剪裂。1.1.3宽谷带的形成历史坝址区3000m夷平面至2000m左右高程范围内为一宽谷带,右岸顺层滑动发育,坡面上残留泥钙质胶结。宽谷以下为峡谷段可见六级阶地。由此可推测该区河谷的形成演化历史。也为深裂缝的形成演化提供了分阶段形成的时间依据。1.1.4西55555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555坝区最大主应力σ1N36～67°W,平均N51°W,倾3°～57°。在PD2硐(高程1649m)224～236m处,σ1为40.4MPa,而PD14(1783m)120～128m处,介于两深裂缝之间,仅为5.84MPa。1.2深裂缝在精确定位中的作用本文按王兰生教授提出的滑脱扩容机制以介绍,并进行了物理模拟试验加以验证。滑脱(图2)引起的层间错动,可引起下伏岩层顺着倾外的NE向节理裂隙拉裂(撕裂),形成在层间错动面附近开度由上向下减小的撕裂;又可引起滑脱层上覆岩体造成载驮式拉裂,这是左岸深裂缝形成的主要力学机理;深裂缝较集中发育在第二段中6～8层和第三段中的1～5层中,这是因为这些层中既含有坚脆的大理岩,又有薄层和极薄的较弱夹层,有利于产生滑脱。第二段中的第5层为巨厚层块状大理岩,不利于产生上述破裂,第三段的第6层为厚至巨厚的变质砂岩,作为向斜的核心为储能体,它在滑脱变形中以体积扩容为主要方式;深裂缝呈带状分布,这与滑脱机理密切关系。显然在河流下切过程中向斜岩层滑脱必然有一个应变能的积聚过程,只有积聚的释放能量能达到克服层间的抗剪阻力,才得以滑脱,因而滑脱具有脉动特征。一次滑脱造成破裂后,只有经历一段能量的再积聚过程才能使更深部的岩体发生滑脱拉裂,因此造成拉裂带呈带状分布,并且在两带之间可以保留一相对完整的板梁;在顺河方向上,深裂缝发育状况从三滩经解放沟至坝区,坝区上游段与下游段的差别,可能与向斜岩层结构的差异有关。在三滩和解放沟,向斜的核部为第三段第5层或第4层,缺失第6层。缺少了一个重要的储能核心,减少了产生滑脱的能量,因而深裂缝不发育。值得注意的是在坝址区左岸向斜核部的三段6层出现在Ⅱ线上游300m左右处,向下游逐渐展宽增厚,至A线下游向河流偏转,在手爬沟下游约700m处(沙沟)跨江向右岸延展,这一事实也许与深裂缝发育程度上、下游的差别有关;深裂缝发育随高程的变化也是显而易见的,受坝区勘探高程所限,高便道平硐(PD44)揭露的最新的岩层为三段第4层,仍然可见到深裂缝的现象。按现有勘探,滑脱引起拉裂涉及的最深处高程为1652m,高出谷底70余米(PD56);拉裂缝缝内部极少见有次生夹泥,可见钙膜、钙华及方解石结晶体,在大理岩层中还可见石幔等类似地下岩溶景观。这些特征说明裂隙未直接穿出地表。由于滑脱拉裂产生的拉裂缝是起始于上覆岩层的错动(滑脱)面,因而受阻而不直接穿出地表,地表水通过多层破裂岩层经过过滤而进入裂隙;时效特征的形成与向斜随河谷下切,滑脱扩容逐步向深部转移,并牵动上覆载体有关;两岸的差别与两岸岩体结构特征相适应,右岸在现今地应力场的作用下可造成与主应力方向近于平行的陡裂隙压裂和NE向裂隙剪裂,同时在近于表部的岩层引起层面微张,这可能是PD51中126m深处不同段中第二段第层中层间绿片岩风化拉裂,有的可见渗水现象。2在深度裂缝形成机制的物理模拟试验中2.1选择试验条件的基本原则2.1.1底作用力代替重力场本试验选择底摩擦仪作为试验设备(图3),该仪器主要原理是用底摩擦力代替重力场,也就是为了便于模拟试验,将重力场放置水平。具有操作简单,效果明显的特点。2.1.2材料和储集岩的组成为了模拟上述岩性中的骨干岩层,本试验选用有一定弹性并具有一定摩擦系数的橡胶夹塑料代替地质原型中的杂谷脑组地层的第三段中具有较高强度和变形模量的巨厚层的砂岩和第二段的大理岩。在向斜转折端采用两层橡胶中间夹塑料,使之具备一定的弹性能。两翼为双层橡胶。单层橡胶厚度为6mm,橡胶宽度4cm左右。向斜各骨干层中夹的强度相对偏低的薄层及极薄层绿片岩和板岩采用混合土代替。混合土由重晶石粉(80%)+膨润土(18%)+石蜡油(2%)组成。将混合土置于骨干层间经过一定的压密作用替代绿片岩和板岩。本试验中重点就是要做出具备一定储能向斜和软硬相间的岩层。选用以上材料具有较好的相似性。2.2试验过程2.2.1斜的产状.将做好的“骨架”层先置于底摩擦仪上,先按三滩向斜的产状摆放,并注意将向斜根部压紧,将混合土置于其间,压密。制成80×56长方体样。面上为了便于观察裂缝,撒上膨润土粉末,并抹平(图4)。2.2.2模拟河谷开挖启动底摩擦仪,速度控制在1.0左右,经过一定时间(约10min)后,将试样表面由于试样局部差异产生的裂缝抹平。再过2分钟开始进行模拟河谷开挖(图5),慢慢形成雅砻江河谷。保持仪器一直工作,直至裂缝出现。2.3裂缝发育的部位、发育经过上述过程,可以看到(图6):(1)裂缝沿骨架层边缘开始生长,近处宽远处窄;(2)裂缝出现的位置距开挖线平距约为1,3,6cm左右;(3)裂缝发育的规模沿河谷高程不同位置也明显不同,在中高高程位置裂缝发育相对集中,裂缝延伸也较大约4～6cm左右,在较低高程裂缝发育在较浅部位,延伸较小约2cm左右;(4)裂缝呈台阶状,不贯通。3辅助验证